Πειραματική υλοποίηση Οπτικού Μεταγωγέα Πακέτων 1024 εισόδων-εξόδων με χωρητικότητα 25.6 Tb/s
Creators: name: Γιαμουγιάννης, Γεώργιος Εμμανουήλ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Οπτική Μεταγωγή Πακέτων
Κέντρα Δεδομένων
Οπτικοί μεταγωγείς πυριτίου
Optical Packet Switch
Disaggregated Data Centers
Silicon Optical Switch

description: Η ανάγκη για διαχωρισμό των πόρων στα κέντρα δεδομένων με σκοπό την αύξηση της μέσης χρήσης των διαθέσιμων πόρων, αλλά και την εξοικονόμηση ενέργειας και κόστους, δημιουργεί σημαντική πρόκληση για ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών μεταγωγέων, οι οποίοι πρέπει να εξασφαλίζουν επικοινωνία υψηλού εύρους ζώνης και χαμηλής καθυστέρησης σε συνδυασμό με συνδεσιμότητα μεγάλου αριθμού κόμβων. Στην παρούσα πτυχιακή εργασία παρουσιάζονται οι απαιτήσεις τέτοιων συστημάτων μεταγωγής. Ακόμη, παρουσιάζεται μία καινοτόμος αρχιτεκτονική οπτικής μεταγωγής πακέτων με την ονομασία «Hipoλαος», που ικανοποιεί τις απαιτήσεις αυτές, συνδυάζοντας την αρχιτεκτονική «Εκπομπής και Επιλογής» (Broadcast and select) σε Ν θύρες, με ΝxΝ «δρομολογητές συστοιχίας κυματοδηγών φραγμάτων περίθλασης» (AWGR) για διαμόρφωση συνδεσιμότητας Ν2 θυρών. Η αρχιτεκτονική «Hipoλαος» παρέχει μεταγωγή με πολύ χαμηλή καθυστέρηση και υψηλή ρυθμαπόδοση, χρησιμοποιώντας κατανεμημένο έλεγχο και οπτική καθυστέρηση σε μία τροποποιημένη Spanke αρχιτεκτονική. Επίσης, παρουσιάζεται η πειραματική υλοποίηση του οπτικού μεταγωγέα «Hipoλαος» για την υποστήριξη μεταγωγής σε 1024 κόμβους, με στάδιο καθυστέρησης χωρητικότητας 2 πακέτων στην ταχύτητα των 25Gb/s. Παρατηρήθηκε απόδοση μηδενικών σφαλμάτων στη διάδοση σημάτων, με μέση ποινή ισχύος 5.36dB σε σχέση με την διάδοσή τους χωρίς τη χρήση της υπό διερεύνησης διάταξης. Ακόμη, πραγματοποιήθηκε μία ανάλυση σχετικά με την καθυστέρηση στους χρόνους μεταγωγής, όπου υπολογίστηκε συνολικός χρόνος καθυστέρησης ίσος με 97.28ns. Η ενεργειακή αποδοτικότητα του οπτικού μεταγωγέα «Hipoλαος» υπολογίστηκε στα 182.4pj/bit. Τέλος, ως μελλοντική εξέλιξη του μεταγωγέα «Hipoλαος» παρουσιάζεται η ιδέα αύξησης της ταχύτητας διάδοσης των πακέτων από 25Gb/s σε 40Gb/s για την επίτευξη ενός 40.96Tb/s οπτικού μεταγωγέα, καθώς και επιπλέον καινοτόμες λειτουργίες, όπως η μετάδοση Ethernet πακέτων μέσω του μεταγωγέα Hipoλαος και η ανίχνευση πακέτων με τη χρήση ενός κυκλώματος ανάκτησης ρολογιού. Η παρούσα πτυχιακή εργασία αποτελείται από 5 Κεφάλαια. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη εισαγωγή στο θέμα της εργασίας, ενώ αναλύονται οι απαιτήσεις των σύγχρονων κέντρων δεδομένων και η ανάγκη ένταξης οπτικών μεταγωγέων σε αυτά. Στο δεύτερο κεφάλαιο συστήνεται η αρχιτεκτονική «Hipoλαος». Στα κεφάλαια 3 και 4 παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα από τη λειτουργία του οπτικού μεταγωγέα «Hipoλαος» κατά τη λειτουργία του για μονοεκπομπή και πολυεκπομπή αντίστοιχα. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 αναγράφεται μία σύνοψη της πτυχιακής εργασίας με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα και γίνεται αναφορά σε πιθανές μελλοντικές ερευνητικές δραστηριότητες.
description: The emergence of disaggregation in Data Center (DC) architectures, as a way to increase resource utilization, introduces significant challenges to the DC switching infrastructure that has to ensure high bandwidth and low-latency communication along with high-radix connectivity. This thesis examines the network requirements in disaggregated systems and reviews the credentials of state-of-the-art high-radix optical switch architectures. A novel optical packet switch design, called Hipoλaos, is also demonstrated, that satisfies these requirements by combining N-port Broadcast-and-Select (BS) and N×N Arrayed Waveguide Grating Router (AWGR)-based forwarding schemes in N2-port connectivity configurations. The Hipoλaos switch provides sub-μs latency and high throughput performance by utilizing distributed control and optical feed-forward buffering in a modified Spanke architecture. Feasibility of a 1024-port Hipoλaos layout with a 2-packet buffering stage is experimentally demonstrated at 25Gb/s, revealing error free performance with a mean power penalty value of 5.36dB. Additionally, an analysis regarding the latency was implemented, resulting in total control-panel latency of 97.28ns. The power efficiency of the switch was calculated at 182.4pJ/bit. Finally, the transmission of data in higher data-rates, up to 40Gb/s, a Clock recovery circuit receiving the data passing through the Hipoλaos, as well as achieving switching operation in Ethernet packets is discussed. The thesis is divided into 5 chapters. Chapter 1 is an introduction to the subject, analyzing the requirements of today’s Data Centers and the need for optical switching. Chapter 2 introduces the Hipoλαos architecture, while Chapter 3 and 4 present the experimental results of the Hipoλaos switch in unicast and multicast operation respectively. Finally, Chapter 5 concludes the thesis and proposes future research activity.