Μελέτη και αξιολόγηση της απόδοσης μεταγωγού ικριώματος (Top of Rack-ToR) για οπτικά κέντρα δεδομένων με λειτουργία πολλαπλής πρόσβασης διαίρεσης χρόνου (TDMA)
Η συνεχώς αυξανόμενη κίνηση στα κέντρα δεδομένων (Data Centers) και η μετάβαση των πληροφοριακών συστημάτων από την τοπική στην κεντρική υποδομή δημιουργούν την ανάγκη για πλήρη αξιοποίηση των κέντρων δεδομένων, καθιστώντας κατ’ επέκταση τις πτυχές δικτύωσής τους καίριας σημασίας και ωθώντας, τόσο στην ανάγκη εκτενέστερης χρήσης της οπτικής τεχνολογίας, όσο και σε νέες αρχιτεκτονικές δικτύου στα Data Centers (κέντρα δεδομένων, DCs).
Νέες τεχνικές σχεδιασμού και διαχείρισης Data Centers προς την κατεύθυνση αυτή βρίσκονται σήμερα υπό έρευνα και εξέλιξη, στα πλαίσια εξάλειψης των μειονεκτημάτων της τοπολογίας των υφιστάμενων δικτύων, καθώς οι ιεραρχικές τοπολογίες δικτύου δεν είναι οι καταλληλότερες για τα Data Centers, δεδομένου ότι η περισσότερη κίνηση πραγματοποιείται μεταξύ των άκρων (east-west) και όχι από το κέντρο προς τα άκρα (north-south traffic) του ιεραρχικού δικτύου.
Μια νέα προσέγγιση σχεδιασμού προήλθε από την αρχιτεκτονική του ερευνητικού έργου NEPHELE. Η αρθρωτή (modular) αρχιτεκτονική NEPHELE βασίζεται σε point of delivery (pod).Το pod στο δίκτυο NEPHELE αποτελείται από ικριώματα (racks),όπου σε κάθε ικρίωμα περιέχονται οι “innovation zones”, που περιέχουν τους διαχωριζόμενους πόρους υπολογισμού, αποθήκευσης και μνήμης του disaggregated-DC και οι οποίες συνδέονται μέσω των Network Interface Controllers (NICs) στον αντίστοιχο Top of Rack (ToR) μεταγωγέα. Μέσω των ToRs, οι innovation zones επικοινωνούν με το υψηλότερο επίπεδο των POD μεταγωγέων καθώς και με οποιαδήποτε άλλη innovation zone.
Η εργασία επικεντρώνεται σε έναν υβριδικό ηλεκτρικό / οπτικό (ToR) μεταγωγέα μέσω του οποίου επιτυγχάνεται οπτική μεταγωγή της κίνησης τόσο στο ανώτερο επίπεδο (των Pod μεταγωγέων) του Data Center όσο και στο επίπεδο rack.
Η αρχιτεκτονική του υβριδικού ToR είναι βασισμένη σε έναν κλασσικού τύπου μεταγωγέα Ethernet και σε FPGA-implemented port extenders, τοποθετημένους στις southbound και northbound θύρες του μεταγωγέα Ethernet ώστε, να πραγματοποιούν όλες τις απαιτούμενες πρόσθετες λειτουργίες για την Time Division Multiple Access (TDMA) οπτική μεταγωγή.
Ο υβριδικός ToR μεταγωγέας παρέχει δύο τύπους διεπαφών για τη southbound επικοινωνία (προς τις innovation zones), συγκεκριμένα τις παραδοσιακές (legacy) Ethernet θύρες και τις αμιγώς-οπτικές (all-optical) TDMA θύρες. Για τη northbound επικοινωνία υπάρχουν ισάριθμες προς τη southbound επικοινωνία, θύρες. Τέλος, στην εργασία παρουσιάζονται οι πιο χαρακτηριστικές μετρικές για την αξιολόγηση της απόδοσης των intra-DCs δικτύων.The continuously increasing traffic in data centers as well as the shift from local to centralized Information Technology (IT) infrastructure create the need to fully harness the data center, making consequently the networking aspects of Data Centers major importance and leading both to use photonic technology as well as new network architectures for Data Centers (DCs).
Today’s research focuses on new design techniques and management for Data Centers in an effort to eliminate the disadvantages of existing network hierarchical topologies. The hierarchical topologies used up to these days are not the most suitable for DCs, given the fact, that the type of traffic flowing in DCs is mostly east-west traffic instead of north-south.
A new DC design approach is developed by the NEPHELE project. The NEPHELE modular architecture is based on point of delivery (pod) switches. In the NEPHELE network a pod consists of racks. Each rack contains the “innovation zones”, which include disaggregated computing, storage and memory resources of the disaggregated-DC and they are connected through Network interface controllers (NICs) to the corresponding NEPHELE Top of rack (ToR) switch. The ToR interconnects the innovation zones with the higher network tier (POD switches) and through ToR can also be connected to any other innovation zone.
This thesis focused on a hybrid electrical/optical ToR switch, that enables optical switching of traffic both in the Data Center’s upper layer (POD switches) and at the rack level.
The hybrid ToR architecture is based on a legacy Ethernet switch and FPGA-implemented port extenders, placed at the southbound and northbound ports of the Ethernet switch in order to realize all the required additional functionality for the TDMA optical switching.
The hybrid ToR provides two types of interfaces for southbound communication (towards the innovation zones) namely standard (“legacy”) Ethernet ports and all-optical TDMA ports. For northbound communication there are equal, to the southbound communication, ports. Finally, this thesis presents the most characteristic metrics for evaluation of the performance of intra-DCs networks
