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ⓘ Proteus (architettura di rete)




                                     

ⓘ Proteus (architettura di rete)

Larchitettura di rete di un Data Center influisce pesantemente sulle prestazioni e sulla scalabilità dei servizi che esso offre. Proteus è una possibile architettura di rete dei Data Center. Il modello si basa su un’implementazione completamente ottica al fine di aumentare la flessibilità e l’efficienza energetica e ridurre la complessità.

                                     

1. Introduzione

Lidea di base è che all’interno della rete non tutti i modelli di traffico richiedono alta larghezza di banda, anzi, talvolta è preferibile costruire una interconnessione economica ed efficiente a livello di prestazioni energetiche che sia malleabile al traffico.

Con l’avvento di nuove applicazioni e dell’evoluzione dei linguaggi di programmazione la malleabilità dell’architettura stessa sta acquisendo maggiore importanza, considerato il fatto che l’evoluzione tecnologica e metodologica delle tecnologie sopracitate si presta alla creazione di flussi di traffico talvolta inaspettati. Proteus cerca di sfruttare quindi la malleabilità della struttura per ottimizzare i flussi di rete.

Proteus implementa la malleabilità’ sfruttando con attenzione la riconfigurabilità delle tecnologie ottiche, ovvero tramite l’abilità di cambiare dinamicamente le configurazioni dei circuiti ottici e la fornitura dinamica delle lunghezze di banda al tempo stesso di esecuzione.

L’architettura Proteus inoltre non si serve di altri componenti elettronici esclusi gli switch ToR garantendo così alta efficienza energetica, agevole upgrade a velocità di 40 Gigabit Ethernet e oltre, e un cablaggio significativamente semplificato se messo a confronto con le architetture di rete già diffuse.

                                     

2. Tecnologie ottiche

Proteus prevede l’utilizzo e la combinazione di varie tecnologie ottiche. Di seguito viene presentata una panoramica generale sulle tecnologie implementate.

Wavelength Division Multiplexing WDM

Permette di trasmettere a seconda dello spazio dei canali che si ha a disposizione. Tipicamente possono essere trasmessi da 40 a 100 canali o lunghezze donda su una singola porzione di fibra.

Wavelength Selective Switch WSS

È un componente ottico 1 x N, composto da una common port e N wavelength port. L’insieme di lunghezze donda che arrivano alla common port sarà distribuito sulle varie N wavelengths port disponibili. Ad esempio in una configurazione con 4 wavelengths port disponibili, se dovessero arrivare 60 lunghezze donda, queste possono essere distribuite dalla 1-10 sulla porta 1, dalla 11-30 alla porta 2, ecc.

Micro-Electro-Mechanical Switch MEMS

Una configurazione MEMS fornisce circuiti 1-1 ottenibili dalle N porte di input ed N porte di output, dove a seconda delle esigenze ogni porta di input può essere collegata ad una porta di output differente. La configurazione quindi è un abbinamento bipartito tra porta di input e porta di output che può cambiare in qualche millisecondo.

Circolatori ottici

I circolatori ottici consentono una trasmissione bidirezionale su fibra ottica al fine di ottenere una maggiore efficienza sull’utilizzo delle porte. Un circolatore ottico è un dispositivo a tre porte: una viene utilizzata come sezione di fibra condivisa o come switching port le altre due fungono da porte mittenti e riceventi.

Ricetrasmettitori ottici

I ricetrasmettitori ottici possono essere di due tipi: WDM coarse CWDM o WDM denso DWDM. Proteus prevede un utilizzo dei DWDM poiché supportano bit-rate più alti e più canali di lunghezza d’onda in una singola porzione di fibra ottica.

                                     

3. Architettura

Proteus riesce ad implementare una topologia dinamica sfruttando la riconfigurabilità dei MEMS.

Se decidessimo di connettere ogni ToR di N insieme di ToR a numerosità N ad una singola porta all’interno di un MEMS dotato di N porte, ogni Top of Rack potrebbe comunicare solo con un altro ToR ad ogni istante, con la conseguenza che il grafo risulterebbe disconnesso.

Se invece vengono connessi N/k ToR ad un numero di porte k maggiore di uno per ciascun MEMS, ogni ToR sarebbe a questo punto in grado di comunicare con k ToR simultaneamente. La configurazione mutevole del MEMS stabilisce quali ToR sono connessi fra di loro, così Proteus deve garantire che l’intero grafo sia connesso quando opera le riconfigurazioni tramite il MEMS.

Dato un grafo connesso, la connettività della rete viene garantita tramite una comunicazione hop by hop, in ogni caso le connessioni ad alto volume di traffico devono usare un numero minimo di hops.

Volendo comunicare con un altro ToR ad una velocità maggiore di quella sostenibile da un singolo nodo, Proteus sfrutta la capacità della fibra ottica di trasportare diverse lunghezze d’onda contemporaneamente WDM associato alla riconfigurabilità del WSS.



                                     

3.1. Architettura Ottimizzazione

Per sfruttare a pieno le porte MEMS vi è la necessità che ogni circuito sia bi-direzionale, al fine di garantire la bidirezionalità vengono utilizzati dei circolatori ottici. Il circolatore ottico collega il canale trasmittente del ToR al MEMS dopo che il canale è passato per il WSS. Simultaneamente fa arrivare il traffico verso un ToR dal MEMS allo stesso ToR.

Ogni ToR in figura è un commodity electrical switch con 64 porte non bloccanti da 10 Gigabit Ethernet. Trentadue porte sono collegate ai server, la restante metà alle interfacce ottiche.

Ogni porta collegata all’unità ottica è associato un ricetrasmettitore, al quale viene assegnata una lunghezza d’onda univoca al fine di inviare e ricevere dati, con l’utilizzo del WDM ciò consente ai dati provenienti da diverse porte di essere distribuite in una fibra senza problemi di contesa di lunghezze d’onda.

Come illustrato in figura, il metodo di connessione illustrato consente di sottolineare almeno un paio di aspetti caratteristici:

  • Proteus a differenza di altri approcci meno recenti Helios, c-Through ma comunque in grado di fornire una certa misura di flessibilità della topologia, è l’unico in grado di poter scegliere arbitrariamente una topologia da una vasta gamma di grafi.
  • Ogni ToR può comunicare simultaneamente con altri 4 ToR, e ciò implica che le riconfigurazioni MEMS ci consentono di costruire tutti i possibili grafi regolari a quattro nodi. Inoltre, tramite configurazione WSS, la capacità di ognuno di questi 4 collegamenti può essere variata in {0.10.20,…,320} Gbps. La configurazione viene decisa dal topology manager, il quale ottiene la matrice del traffico dagli switch, calcola una configurazione appropriata e la implementa tramite MEMS, WSS e ToR.
                                     

3.2. Architettura Topologia ottimale

Al fine di impostare la miglior topologia possibile è necessario individuare:

  • Una configurazione MEMS in grado di localizzare alti volumi di traffico.
  • Percorsi routes fra coppie di ToR in grado di garantire altro throughput, bassa latenza del segnale e di evitare congestioni.
  • Un settaggio per ogni WSS tale da fornire adeguatamente la capacità ai collegamenti in uscita.
                                     

3.3. Architettura Benefit

Come si può notare dalla tabella i principali costi che ammontano ad un totale di 6.12 milioni di dollari per la configurazione presa in esempio sia monetari che energetici sono dovuti ai ricetrasmettitori e agli switch ToR.

A confronto con un data center che adotta una topologia fat-tree e connette lo stesso numero di server i consumi ottenuti tramite l’architettura Proteus risultano più contenuti, 73 Kilowatts contro i 160 del fat tree.

Notevoli pregi dell’architettura inoltre sono rappresentati da un agevole upgrade dei ToR o dei Server senza il bisogno di un nuovo cablaggio e dalla bassa complessità a livello di spazio fisicamente necessario, stante il fatto che il numero di fibre risulta contenuto le connessioni ToR ai multiplexer/demultiplexer sono molto corte.

Proteus rende al meglio quando le connessioni ToR - ToR ad alto volume di traffico non sono numerose e sono stabili nellordine di qualche secondo.

Queste caratteristiche derivano dal basso livello dell’architettura e dal tempo di riconfigurazione della topologia. Valutazioni empiriche hanno evidenziato che solitamente solo alcuni ToR sono coinvolti in un largo traffico di dati e che gli stessi flussi sono indirizzati verso un numero ridotto di altri switch. Osservazioni come queste implicano dunque che la strategia di Proteus di adottare un basso numero di circuiti riconfigurabili e un routing hop by hop fra gli stessi sia adatta a funzionare efficacemente in pratica.