Αρχιτεκτονικές οπτικών δικτύων σε δίκτυα κέντρων δεδομένων

Γαλυφοπούλου, Διονυσία

Optics architecture in data center networks

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Γαλυφοπούλου, Διονυσία

Date

2022-04-06

Advisor

Bogris, Adonis

Κύριο σώμα μεταπτυχιακής εργασίας (3.695Mb)

Keywords

SDN ; Πρωτόκολλο OpenFlow ; Οπτική δικτύωση ; Δικτύα κέντρων δεδομένων ; Δικτύωση καθορισμένη από λογισμικό

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, εφαρμογές με επίκεντρο τα δεδομένα, όπως ροές βίντεο υψηλής ευκρίνειας, η κοινωνική δικτύωση και το cloud computing σε συνδυασμό με τη μεγάλη διάδοση κινητών συσκευών όπως τα smartphones και τα tablet έχουν συμβάλει στην ταχεία ανάπτυξη της κίνησης στο Διαδίκτυο. Τα κέντρα δεδομένων αποτελούν μία αναπόσπαστη απόρροια της ύπαρξης του Διαδικτύου και παρέχουν ποικίλες υπηρεσίες από την κοινωνική δικτύωση έως τους επιστημονικούς υπολογισμούς μεγάλης κλίμακας. Επιπρόσθετα, τα τρέχοντα συστήματα κέντρων δεδομένων οργανώνονται με τη μορφή της ιεραρχικής δενδρικής δομής που βασίζεται σε μεταγωγείς περιορισμένου εύρους ζώνης. Τα σύγχρονα συστήματα κέντρων δεδομένων αντιμετωπίζουν μια σειρά ζητημάτων όπως η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, η περιορισμένη διαθεσιμότητα εύρους ζώνης, η συνδεσιμότητα διακομιστή, η ενεργειακή απόδοση και το κόστος, η πολυπλοκότητα της κυκλοφορίας κ.λπ. Λόγω της προόδου στους πολυπύρηνους επεξεργαστές, τους επιταχυντές και τα αυξανόμενα επίπεδα παραλληλισμού σε όλα τα επίπεδα του ιεραρχικού συστήματος, παρατηρείται μία έντονη τάση βελτίωσης της απόδοσης που αναμένεται να συνεχιστεί και στα επόμενα χρόνια. Ως εκ τούτου, τα κέντρα δεδομένων πρέπει να επανεξεταστούν από την άποψη του σχεδιασμού διασύνδεσης όσων αφορά την υποστήριξη κέντρων δεδομένων πολύ μεγάλης κλίμακας, εξοικονομώντας παράλληλα ενέργεια. Το τελευταίο διάστημα, πολλοί ερευνητές επικεντρώθηκαν στην εξέταση διαφόρων προσεγγίσεων για την αντιμετώπιση των απαιτήσεων επεκτασιμότητας, ταχύτητας και απόδοσης των κέντρων δεδομένων επόμενης γενιάς. Μία από τις πιο εφικτές λύσεις αυτών των ζητημάτων είναι η χρήση τεχνολογιών οπτικής μεταγωγής ή πιο συγκεκριμένα οπτικών δικτύων στον πυρήνα των συστημάτων των κέντρων δεδομένων. Στα πλαίσια υλοποίησης της παρούσας εργασίας θα παρουσιαστεί μια ενδελεχής περιγραφή των σύγχρονων συστημάτων κέντρων δεδομένων και μερικές δημοφιλείς αρχιτεκτονικές οπτικών δικτύων σε δίκτυα κέντρων δεδομένων όπου θα παρουσιάζονται και θα αναλύονται αντίστοιχα τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της εκάστοτε αρχιτεκτονικής.

Abstract

In recent years, data-driven applications such as high-definition video streaming, social networking and cloud computing combined with the widespread use of mobile devices such as smartphones and tablets have contributed to the rapid growth of Internet traffic. Data centers are an integral part of the existence of the Internet and provide a variety of services from social networking to large-scale scientific calculations. In addition, current data center systems are organized in the form of a hierarchical tree structure based on bandwidth switches. Modern data center systems face a number of issues such as high power consumption, limited bandwidth availability, server connectivity, energy efficiency and cost, traffic complexity, etc. Due to advances in multicore processors, accelerators and increasing levels of parallelism at all levels of the hierarchical system, there is a strong trend of improving performance that is expected to continue in the coming years. Therefore, data centers need to be reconsidered in terms of interconnection design in terms of very large data center support, while saving energy. Lately, many researchers have focused on looking at different approaches to addressing the scalability, speed, and performance requirements of next-generation data centers. One of the most feasible solutions to these problems is the use of optical switching technologies or more specifically optical networks in the core of data center systems. As part of the implementation of this work, a thorough description of modern data center systems and some popular optical network architectures in data center networks will be presented.