Ανάπτυξη τεχνικών οπτικής δρομολόγησης και σχεδιασμός οπτικών υποσυστημάτων για ευφυή δίκτυα δεδομένων με δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης

Abstract

In the context of this doctoral thesis, routing techniques are presented, and optical subsystems are implemented for the purpose of dynamic bandwidth assignment in intelligent data networks. More specifically, and in this direction, an innovative network architecture for Data Centers is presented in detail, in which the above routing techniques are applied and optical subsystems are utilized.CHAPTER 1 is an introductory chapter that initially introduces various network architectures used in data centers along with their advantages and disadvantages. In addition, the concept of disaggregation of the available resources of a network is introduced and the challenge of their implementation is presented. Then, the basic principles of the proposed hybrid architecture are presented on which techniques and subsystems considered in this thesis are implemented and applied. This particular architecture is characterized as "hybrid" as it combines classic electrical routing techniques with upgraded optical routing techniques utilizing their advantages in the most optimal way possible. In the context of the introduction, an extensive overview of the Data Plane and the Control Plane of the proposed hybrid architecture is given. In summary, the data plane architecture is based on the interconnection of multiple network pods through an optical ring. At the same time, multiple computer arrays (racks) are interconnected in a star topology to the pods through Top-of-Rack (ToR) switches. The control layer is based on a decentralized software control of all involved subsystems, which is summarized by the term Software-defined networking.In CHAPTER 2, extensive reference is made to the design of the individual subsystems that make up the data layer of the proposed architecture, starting with the subsystems that make up the ToR switch. The first optical subsystem presented is the adaptive transmitter of the ToR switch, based on the fast operation of an adaptive laser that can switch the emission wavelength according to the instructions of the network orchestrator. Details of the optical source are given with a full description of its on-board integration and static characterization of the C-band wavelength resonance. Following is the characterization of the laser under dynamic operation and its external configuration at 10Gb/s with a parallel evaluation of the entire transmitter. Then the development and configuration of the receiver of the ToR switch of the proposed hybrid architecture is done, while in the third part of the chapter reference is made to the development of a fast 4×4 optical switch for all-optical switching within the ToR switch. For the sake of completeness, the development of the optical subsystems and routing techniques within the pod switch is briefly presented, even though they are not part of the main research of this PhD thesis. Within these subsystems are mentioned the basic functions and properties that the intra- and inter-pod communication Determination Switch, the Wavelength Selective Switch and the Passive Optical Router (AWGR) give to the architecture. In the last subsection of the Chapter, the Experimental Evaluation of optical subsystem routing techniques is presented and the optical paths are characterized: within pod (intra-pod) and outside pod (inter-pod).After the implementations of chapter 2, in CHAPTER 3 the integration procedures of the individual optical subsystems and their further evaluation are described. More specifically, the integration of the Tunable Transmitter of the ToR switch with a digital to analog output converter (DAC) through an FPGA board is described in detail. An entire subsection is then devoted to the dynamic Control of the integrated Optical Subsystems, beginning with the evaluation of the communication interface between the FPGA and the DAC, followed by the tunabel transmitter characterization after FPGA and DAC integration. In the next part of this section, the integration of all ToR and pod switch systems is fully presented, followed by their evaluation through different routing techniques. Next is the development and experimental evaluation of the optical part of the ToR switch using the 4×4 PLZT optical switch. Finally, the complete integration of the subsystems into a single optical structure is presented with the aim of the prototype mini datacenter which is presented in the next chapter.CHAPTER 4 is the last chapter containing results on the main topic of the PhD thesis made during the demonstration of the prototype mini datacenter and carried out at the Photonics Communications Research Laboratory (PCRL). First, a description of the architectural structure and scale of the prototype datacenter is given, with a detailed description of the elements that make it up. What follows is a descriptive account of the "day" in the life of a packet that "runs" on the network of the proposed architecture to understand the entire sequence of interconnections between the individual subsystems of the prototype. Then, the results of the real-time demonstration in the various end-to-end communication scenarios are presented. These scenarios are divided into two branches, one concerns communication scenarios within the original mini-DCN (Intra-DCN) and the other in the Inter-Datacenter communication between Athens (Greece) and Pisa (Italy).CHAPTER 5 contains the summary of the thesis results as well as suggestions for further future research emphasizing optical Switching in Data Centers, alternative network architectures and the study of fast optical switches and more I/Os.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται τεχνικές δρομολόγησης και υλοποιούνται οπτικά υποσυστήματα με σκοπό την δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης σε ευφυή δίκτυα δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα και προς αυτή την κατεύθυνση παρουσιάζεται αναλυτικά μια καινοτόμα αρχιτεκτονική δικτύου για Κέντρα Δεδομένων (datacenters) στην οποία εφαρμόζονται οι παραπάνω τεχνικές δρομολόγησης και αξιοποιούνται οπτικά υποσυστήματα. Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 είναι ένα εισαγωγικό κεφάλαιο στο οποίο αρχικά παρουσιάζονται διάφορες αρχιτεκτονικές δικτύων που χρησιμοποιούνται στα κέντρα δεδομένων μαζί με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Επιπλέον, εισάγεται η έννοια του διαχωρισμού των διαθέσιμων πόρων ενός δικτύου και παρουσιάζεται η πρόκληση της υλοποίησής τους. Έπειτα, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής πάνω στην οποία υλοποιούνται και εφαρμόζονται τεχνικές και υποσυστήματα που εξετάζονται στην παρούσα διατριβή. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική χαρακτηρίζεται ως “υβριδική” καθώς συνδυάζει τις κλασικές ηλεκτρικές τεχνικές δρομολόγησης με αναβαθμισμένες οπτικές τεχνικές δρομολόγησης αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματά τους με όσο το δυνατό πιο βέλτιστο τρόπο. Στα πλαίσια της εισαγωγής γίνεται και εκτενής επισκόπηση του Επιπέδου Δεδομένων (dataplane) και του Επιπέδου Ελέγχου (control plane) της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής. Συνοπτικά, η αρχιτεκτονική του επιπέδου δεδομένων βασίζεται στη διασύνδεση πολλαπλών δικτυακών καψουλών - πιο απλά μεταγωγείς pods – μέσω ενός οπτικού δακτυλίου. Παράλληλα, πολλαπλές συστοιχίες υπολογιστών (racks) διασυνδέονται σε τοπολογία αστέρα στα pods μέσω των Τop-of-Rack (ToR) μεταγωγέων. Το επίπεδο ελέγχου βασίζεται σε ένα αποκεντρωμένο λογισμικό ελέγχου όλων των εμπλεκόμενων υποσυστημάτων, που συνοψίζεται με τον όρο Software-defined networking. Στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 γίνεται εκτενής αναφορά στον σχεδιασμό των επιμέρους υποσυστημάτων που απαρτίζουν το επίπεδο δεδομένων της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, ξεκινώντας από τα υποσυστήματα που απαρτίζουν τον ToR switch. Το πρώτο οπτικό υποσύστημα που παρουσιάζεται είναι ο προσαρμοζόμενος πομπός του ToR switch, που βασίζεται στην γρήγορη λειτουργία ενός προσαρμοζόμενου λέιζερ που μπορεί να εναλλάσει το μήκος κύματος εκπομπής ανάλογα με τις οδηγίες του ενορχηστρωτή του δικτύου. Δίνονται λεπτομέρειες για την οπτική πηγή με πλήρη περιγραφή της ενσωμάτωσής της σε πλακέτα και τον στατικό χαρακτηρισμό του συντονισμού μήκους κύματος στη C-band. Ακολουθεί ο χαρακτηρισμός του λέιζερ υπό δυναμική λειτουργία και η εξωτερική διαμόρφωσή του στα 10Gb/s με παράλληλη αξιολόγηση όλου του πομπού. Κατόπιν γίνεται η ανάπτυξη και διαμόρφωση του δέκτη του μεταγωγέα ToR switch της προτεινόμενης υβριδικής αρχιτεκτονικής, ενώ στο τρίτο σκέλος του κεφαλαίου γίνεται αναφορά στην ανάπτυξη ενός γρήγορου 4×4 οπτικού μεταγωγέα για εξολοκλήρου οπτική μεταγωγή εντός του ToR switch. Για λόγους πληρότητας παρουσιάζεται εν συντομία η ανάπτυξη των οπτικών υποσυστημάτων και τεχνικών δρομολόγησης εντός του pod switch, παρόλο που δεν αποτελούν μέρος της βασικής έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Μέσα σε αυτά τα υποσυστήματα αναφέρονται οι βασικές λειτουργίες και ιδιότητες που προσδίδουν στην αρχιτεκτονική ο Διακόπτης Καθορισμού intra- και inter- pod επικοινωνίας, ο Διακόπτης επιλογής μήκους κύματος (Wavelength Selective Switch) και ο Παθητικός Οπτικός Δρομολογητής (ΑWGR). Στην τελευταία υποενότητα του Κεφαλαίου, παρουσιάζεται η Πειραματική Αξιολόγηση των τεχνικών δρομολόγησης των οπτικών υποσυστημάτων και γίνεται χαρακτηρισμός των οπτικών διαδρομών: εντός pod (intra-pod) και εκτός pod (inter-pod).Μετά τις υλοποιήσεις του κεφαλαίου 2, στο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 περιγράφονται οι διαδικασίες ενοποίησης των επιμέρους οπτικών υποσυστημάτων και η περαιτέρω αξιολόγησή τους. Πιο συγκεκριμένα περιγράφεται αναλυτικά η ενσωμάτωση του Προσαρμοζόμενου Πομπού του ToR switch με έναν μετατροπέα ψηφιακής σε αναλογική έξοδο (DAC) μέσω πλακέτας FPGA. Έπειτα αφιερώνεται μια ολόκληρη υποενότητα στον δυναμικό έλεγχο των ενοποιημένων Οπτικών Υποσυστημάτων, με αρχή την αξιολόγηση της διεπαφή επικοινωνίας μεταξύ FPGA και DAC, ενώ ακολουθεί ο χαρακτηρισμός προσαρμοζόμενου πομπού μετά την ενσωμάτωση FPGA και DAC. Στο επόμενο σκέλος αυτής της ενότητας παρουσιάζεται πλήρως η ενσωμάτωση όλων των συστημάτων ToR και pod switch και ακολουθεί η αξιολόγησή τους μέσω διαφορετικών τεχνικών δρομολόγησης. Ακολουθεί η ανάπτυξη και η πειραματική αξιολόγηση του οπτικού τμήματος του ToR switch με τη χρήση του 4×4 οπτικού διακόπτη PLZT. Τέλος, παρουσιάζεται η πλήρης ενοποίηση των υποσυστημάτων σε μια ενιαία οπτική δομή με στόχο το πρωτότυπο μίνι datacenter που παρουσιάζεται στο επόμενο κεφάλαιο. Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 είναι το τελευταίο κεφάλαιο που περιέχει αποτελέσματα πάνω στο βασικό θέμα της διδακτορικής διατριβής που έγινε κατά τη διάρκεια της επίδειξης του πρωτότυπου μίνι datacenter και πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ). Αρχικά γίνεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής δομής αλλά και της κλίμακας του πρωτότυπου datacenter με εκτενή περιγραφή των στοιχείων που την απαρτίζουν. Ακολουθεί μια περιγραφική αφήγηση της «ημέρας» στη ζωή ενός πακέτου που “κυκλοφορεί” στο δίκτυο της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής ώστε να γίνει κατανοητή όλη η αλληλουχία των διασυνδέσεων μεταξύ των επιμέρους υποσυστημάτων του πρωτοτύπου. Έπειτα, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επίδειξης σε πραγματικό χρόνο στα διάφορα σενάρια end-to-end επικοινωνίας. Τα σενάρια αυτά χωρίζονται σε δύο σκέλη, το ένα αφορά σενάρια επικοινωνίας εντός του πρωτότυπου mini-DCN (Intra-DCN) και το άλλο στην επικοινωνία Inter-Datacenter μεταξύ Αθήνας (Ελλάδα) και Πίζας (Ιταλία).Το ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 περιέχει τη σύνοψη των αποτελεσμάτων της διατριβής καθώς και προτάσεις για περαιτέρω μελλοντική έρευνα δίνοντας έμφαση στην οπτική Μεταγωγή στα Κέντρα Δεδομένων, τις εναλλακτικές αρχιτεκτονικές δικτύων και τη μελέτη γρήγορων οπτικών μεταγωγέων και περισσότερων I/Os.