New Trends in High Speed Networking (HSN)

Avanços na conectividade óptica intra e entre datacenters

Avanços na conectividade óptica intra e entre datacenters

Introdução

Ao longo dos últimos anos, o aumento exponencial do tráfego de Internet, impulsionado por novas aplicações como video streaming, computação em nuvem, sistemas de busca avançada, transferências de grandes massas de dados em computação e instrumentação científicas de alto desempenho (e-Science), etc, tem criado a necessidade de se promover mudanças em projetos de construção e reformulação de datacenters. Aplicações hospedadas em datacenters são cada vez mais do tipo 'data-intensive', exigindo intensa troca de dados entre servidores intra e entre datacenters. Esta intensa interação entre servidores representa um desafio significativo para a conectividade de rede dos datacenters atuais, criando a necessidade de esquemas de interconexão mais eficientes, com grande largura de banda e latência reduzida. Os servidores necessitam de canais de comunicação de baixa latência para que a troca de dados entre eles seja eficiente, e isso deve ser independente da expansão do datacenter, que tende a acomodar centenas ou milhares de servidores. Em outras palavras, arquiteturas de rede tradicionais não são suficientemente escaláveis para atender às demandas criadas pela proliferação de novas aplicações que requerem grande de largura de banda e do aumento acelerado de volume de tráfego.

Além disso, à medida que mais e mais núcleos de processamento são integrados em um único chip, aliado ao aumento da largura de banda dos barramentos internos dos servidores e consequentemente a largura de banda de suas interfaces de comunicação externa (interfaces de rede de 100Gbps já estão se tornando disponíveis), as necessidades de comunicação entre servidores e/ou clusters, dentro do datacenter ou entre datacenters, continuará aumentando significativamente.

Por outro lado, enquanto a largura de banda e a latência nas redes de datacenters atuais e futuros deve ser melhorada significativamente para sustentar o aumento do tráfego de rede, o consumo de energia total deve permanecer quase o mesmo devido a restrições térmicas. Por essa razão, um dos problemas mais desafiadores do projeto de construção ou reformulação de um datacenter é o consumo de energia. O consumo energético de um datacenter é definido pela infraestrutura de servidores e pelos equipamentos que estabelecem a topologia de interconexão entre eles.

Evolução das rede ópticas

Para fazer face ao aumento expressivo da largura de banda de comunicação entre servidores e o consumo de energia nos datacenters atuais, novos esquemas de interconexão entre sistemas, capazes de fornecer maior largura de banda, menor latência e baixo consumo de energia, devem ser considerados, Nos últimos anos, fibras ópticas têm sido largamente usadas em redes de telecomunicações de longa distância, proporcionando alto rendimento, grande largura de banda, baixa latência e baixa dissipação de energia. Várias tecnologias têm sido exploradas para aproveitar a largura de banda provida pelas fibras ópticas, tais como multiplexação no domínio do tempo (TDM - Time Division Multiplexing) e multiplexação no domínio da frequência ou comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing). No caso de WDM, os dados são multiplexados usando comprimentos de onda distintos e independentes que podem trafegar simultaneamente em uma mesma fibra, permitindo explorar toda a largura de banda das fibras atuais, superior a 10 Tbps. Para se ter uma ideia do significado dessa largura de banda, basta considerar que através do uso de WDM é possível trafegar simultaneamente mais de 100 canais de 100Gbps ou mais de 250 canais de 40Gbps em uma única fibra óptica.

As redes de telecomunicações ópticas evoluíram a partir de redes de pacotes tradicionais, que misturam componentes ópticos com sistemas de chaveamento eletrônico em relação a redes totalmente ópticas. Em redes tradicionais, o sinal em trânsito sofre sucessivas conversões entre o domínios óptico e eletrônico a cada passagem por elementos de chaveamento e roteamento. Isso ocorre, por exemplo, com switches de acesso (ToR – top of rack) interconectados a elementos de agregação (camada 2) ou de núcleo (camadas 2 e 3), em geral através de fibras ópticas. Em uma rede tradicional, projetada em camadas (acesso, agregação, núcleo), cada elemento intermediário processa a informação recebida armazenando-a em buffers de chegada e em seguida a encaminha para o próximo elemento intermediário, gerando latência na comunicação. Se a informação é transmitida entre datacenters a latência é ainda maior pois o trajeto inclui a latência dos elementos de chaveamento do datacenter destino e os elementos externos aos datacenters. Como a complexidade das redes de pacotes aumenta com o aumento do número de servidores, projetistas de redes enfrentam vários problemas, tais como o custo mais elevado, o consumo de energia e a dissipação de energia, além do custo de operação e manutenção.

Novo paradigma: Optical Circuit Switching + Software-Defined Networking

Desenvolvimentos recentes na área de comutação de circuitos ópticos (OCS - Optical Circuit Switching) em combinação com o paradigma de redes definidas por software (SDN - Software Defined Networking) têm gerado soluções capazes de permitir que a camada óptica seja controlada dinamicamente, via software. O avanço da tecnologia óptica tem permitido inserir elementos de chaveamento óptico em substituição, ou em complemento, aos elementos de chaveamento eletrônico interno dos datacenters, e elementos de controle de canais ópticos multiplexados em frequência na conexão entre datacenters. Os elementos internos são denominados cross-connects, e os externos são conhecidos como ROADMs (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexers).

O uso desses elementos permite minimizar a latência no tráfego de dados intra e entre datacenters, uma vez que o caminho transparente de ponta a ponta mantém todo o tráfego no domínio óptico. Da mesma forma, a largura de banda é maximizada, uma vez que não existe conversão opto-eletrônica, processamento ou armazenamento intermediários. Quando inseridos em pontos estratégicos, tais elementos permitem estabelecer canais de comunicação diretos entre servidores, mesmo em datacenters distintos.

Um fator negativo a ser considerado é lentidão da comutação dos elementos de chaveamento óptico. Tanto os cross-connects quanto os ROADMs requerem um tempo de chaveamento elevado, da ordem de mili-segundos. Esse processo ocorre apenas no momento do estabelecimento da comunicação entre sistemas. Uma vez estabelecido o canal, a latência é mínima. Dessa forma, em um projeto de datacenter bem formulado, os elementos que estabelecem circuitos ópticos coexistem com os elementos de chaveamento de pacotes no nível eletrônico. O acesso usual aos servidores pelos usuários e os serviços básicos de administração, monitoramento e controle ocorrem pela rede tradicional. Os elementos de chaveamento de circuitos no nível óptico são acionados em situações especiais, que requerem transferências de alta capacidade que podem ser agendadas com antecedência, como transferências de grandes massas de dados, serviços de backup e transferência de máquinas virtuais. Nesses casos, a latência inicial provocada pela lentidão na comutaçãoo dos elementos ópticos torna-se desprezível face à vantagem de se dispor de um canal direto servidor a servidor, sem elementos de chaveamento eletrônico intermediários.

Referências

(Paper) C. Kachris, I. Tomkos, "A Survey on Optical Interconnects for Data Centers", IEEE Comm. Surveys & Tutorials (Volume:14,Issue: 4), Jan. 2012.

(Book) C. Kachris, K. Bergman, I. Tomkos, "Optical Interconnects for Future Data Center Networks", Springer, 2012.

(Slides) C. Kachris, I. Tomkos, "Optical interconnection networks for data centers", 17th International Conference on Optical Network Design and Modeling. Brest, France, April 2013.
- http://www.ait.gr/export/sites/default/ait_web_site/Researcher/kachris/2013_ONDM.pdf