Proteus (arhitectura rețelei)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Arhitectura de rețea a unui centru de date afectează puternic performanța și scalabilitatea serviciilor pe care le oferă. Proteus este o posibilă arhitectură de rețea a centrului de date. Modelul se bazează pe o implementare complet optică pentru a crește flexibilitatea și eficiența energetică și a reduce complexitatea.

Introducere

Ideea de bază este că nu toate modelele de trafic necesită lățime de bandă ridicată în rețea, dimpotrivă, uneori este de preferat să construim o interconectare economică și eficientă din punct de vedere energetic, care să fie maleabilă traficului.

Odată cu apariția de noi aplicații și evoluția limbajelor de programare, maleabilitatea arhitecturii în sine capătă o importanță mai mare, dat fiind faptul că evoluția tehnologică și metodologică a tehnologiilor menționate anterior se pretează la crearea unor fluxuri de trafic uneori neașteptate. Prin urmare, Proteus încearcă să exploateze maleabilitatea structurii pentru a optimiza fluxurile de rețea.

Proteus implementează „maleabilitatea” prin exploatarea atentă a reconfigurabilității tehnologiilor optice, adică prin capacitatea de a schimba dinamic configurațiile circuitelor optice și asigurarea dinamică a lățimilor de bandă în același timp de execuție.

În plus, arhitectura Proteus nu folosește alte componente electronice (cu excepția comutatoarelor ToR), asigurând astfel o eficiență energetică ridicată, o actualizare ușoară la viteze de 40 Gigabit Ethernet și dincolo și simplificare semnificativă a cablării în comparație cu arhitecturile de rețea existente.

Tehnologii optice

Proteus implică utilizarea și combinarea diferitelor tehnologii optice. O prezentare generală a tehnologiilor implementate este prezentată mai jos.

Multiplexare prin diviziune în lungime de undă (WDM)

Permite transmiterea în funcție de spațiul disponibil al canalului. De obicei, 40 până la 100 de canale (sau lungimi de undă) pot fi transmise pe o singură porțiune de fibră.

Comutator selectiv lungime de undă (WSS)

Este o componentă optică 1 x N, constând dintr-un port comun și un port de lungime de undă N. Setul de lungimi de undă care sosesc la portul comun va fi distribuit peste diferitele N porturi de lungime de undă disponibile. De exemplu, într-o configurație cu 4 porturi de lungimi de undă disponibile, dacă ajung 60 de lungimi de undă, acestea pot fi distribuite de la 1-10 la portul 1, de la 11-30 la portul 2 etc.

Comutator micro-electromecanic (MEMS)

O configurație MEMS [1] oferă circuite 1-1 care pot fi obținute din N porturi de intrare și N porturi de ieșire, unde, în funcție de necesități, fiecare port de intrare poate fi conectat la un port de ieșire diferit. Configurarea este deci o împerechere bipartită între portul de intrare și portul de ieșire care se poate schimba în câteva milisecunde.

Circulatoare optice

Circulatoarele optice permit o transmisie bidirecțională pe fibră optică pentru a obține o eficiență mai mare în utilizarea porturilor. Un circulator optic este un dispozitiv cu trei porturi: unul este utilizat ca secțiune de fibră partajată sau ca port de comutare, celelalte două acționează ca porturi de trimitere și recepție.

Transmițătoare optice

Transmițătoarele optice pot fi de două tipuri: WDM grosier (CWDM) sau WDM dens (DWDM). Proteus folosește DWDM-uri, deoarece acestea acceptă rate de biți mai mari și canale de lungime de undă mai mari într-o singură porțiune de fibră optică.

Arhitectură

Proteus este capabil să implementeze o topologie dinamică prin exploatarea reconfigurabilității MEMS.

Dacă decidem să conectăm fiecare ToR de N (set de ToR cu un număr de N) la un singur port într-un MEMS echipat cu N porturi, fiecare Top of Rack ar putea comunica numai cu un alt ToR în orice moment, cu consecința că graficul ar fi deconectat.

Dacă, pe de altă parte, N / k ToR sunt conectate la un număr de porți k (mai mare de una) pentru fiecare MEMS, fiecare ToR ar putea acum să comunice cu k ToR simultan. Configurația schimbătoare a MEMS dictează ce ToR-uri sunt conectate între ele, astfel încât Proteus trebuie să se asigure că întregul grafic este conectat atunci când face reconfigurările prin MEMS.

Având în vedere un grafic conectat, conectivitatea rețelei este garantată printr-o comunicare hop by hop , în orice caz conexiunile cu un volum mare de trafic trebuie să utilizeze un număr minim de hopuri .

Dorind să comunice cu un alt ToR la o viteză mai mare decât cea sustenabilă de la un singur nod, Proteus exploatează capacitatea fibrelor optice de a transporta simultan diferite lungimi de undă (WDM) asociate cu reconfigurabilitatea WSS.

Optimizare

Pentru a profita din plin de porțile MEMS, este necesar ca fiecare circuit să fie bidirecțional, pentru a garanta utilizarea bidirecționalității a circulatoarelor optice. Circulatorul optic conectează canalul de transmisie al ToR la MEMS (după ce canalul a trecut prin WSS). În același timp, face ca traficul către un ToR să sosească de la MEMS la ToR în sine.

Fiecare ToR din figura [2] este un comutator electric de marfă cu 64 de porturi 10 Gigabit Ethernet care nu blochează. Treizeci și două de porturi sunt conectate la servere, restul de jumătate la interfețele optice.

Fiecare port conectat la unitatea optică este asociat cu un transceiver , căruia i se atribuie o lungime de undă unică pentru a trimite și primi date, cu ajutorul WDM, acest lucru permite distribuirea datelor dintr-un port diferit într-o fibră, fără probleme de contenție a lungimii de undă.

Așa cum se arată în figură, metoda de conectare ilustrată ne permite să subliniem cel puțin câteva aspecte caracteristice:

  • Fiecare ToR poate comunica simultan cu alte 4 ToR-uri, iar acest lucru implică faptul că reconfigurările MEMS ne permit să construim toate graficele regulate cu patru noduri posibile. Mai mult, prin configurația WSS, capacitatea fiecăruia dintre aceste 4 linkuri poate fi variată în {0,10,20,…, 320} Gbps. Configurarea este decisă de managerul de topologie, care obține matricea de trafic de la comutatoare, calculează o configurație adecvată și o implementează prin MEMS, WSS și ToR.
  • Proteus, spre deosebire de alte abordări mai vechi (Helios, c-Through), dar totuși capabil să ofere o anumită măsură a flexibilității topologiei, este singurul capabil să poată alege arbitrar o topologie dintr-o gamă largă de grafice.

Topologie optimă

Pentru a seta cea mai bună topologie posibilă, este necesar să se identifice:

  • O configurație MEMS capabilă să localizeze volume mari de trafic.
  • O setare pentru fiecare WSS, astfel încât să ofere în mod adecvat capacitatea conexiunilor de ieșire.
  • Rute între perechi de ToR capabile să garanteze un randament mai mare, o latență redusă a semnalului și să evite congestia.

Beneficiu

După cum se poate vedea din tabelul [3] , costurile principale (care se ridică la un total de 6,12 milioane de dolari pentru configurația luată ca exemplu), atât monetare, cât și energetice, se datorează transmițătorilor și comutatoarelor ToR.

Element Cost Putere Cantitate Subtotalul costurilor Puterea subtotală
ToR 500x64 12,5x64 80 2,56M 64K
MEMS 500x320 0,24x320 1 0,64M 0,08K
WSS 1000x4 1x4 80 0,32M 0,32K
Transceiver 800 3.5 2560 2,05M 8,96K
DE (MUX) 3000 0 160 0,48M 0
Cuplaj 100 0 80 0,01M 0
Circulator optic 200 0 320 0,06M 0
Total 6.12M 73,36K

În comparație cu un centru de date care adoptă o topologie a arborelui de grăsime și conectează același număr de servere, consumurile obținute prin arhitectura Proteus sunt mai mici, 73 kilowați față de 160 arborelui de grăsime.

Avantajele considerabile ale arhitecturii sunt, de asemenea, reprezentate de o actualizare ușoară a ToR sau a serverului fără a fi nevoie de o nouă cablare și de complexitatea redusă din punct de vedere al spațiului fizic necesar, dat fiind faptul că numărul de fibre este limitat și conexiunile ToR la multiplexorii / demultiplexorii sunt foarte scurți.

Proteus funcționează cel mai bine atunci când conexiunile ToR - ToR cu volum mare de trafic nu sunt numeroase și sunt stabile (în ordinea a câteva secunde).

Aceste caracteristici derivă din nivelul scăzut al arhitecturii și timpul de reconfigurare a topologiei. Evaluările empirice au arătat că, de obicei, doar unele ToR sunt implicate într-un trafic mare de date și că aceleași fluxuri sunt direcționate către un număr mic de alte comutatoare. Observații precum acestea implică, prin urmare, că strategia lui Proteus de a adopta un număr redus de circuite reconfigurabile și o rutare hop-by-hop între ele este adecvată pentru a funcționa eficient în practică.

Notă

  1. ^ J. Kim, C. Nuzman, B. Kumar, D. Lieuwen, J. Kraus, A. Weiss, C. Lichtenwalner, A. Papazian, R. Frahm, N. Basavanhally, D. Ramsey, V. Aksyuk, F Pardo, M. Simon, V. Lifton, H. Chan, M. Haueis, A. Gasparyan, H. Shea, S. Arney, C. Bolle, P. Kolodner, R. Ryf, D. Neilson și J. Porti. Conectare încrucișată optică bazată pe mems de 1100x1100 cu pierderi maxime de 4 db. IEEE Photonics Technology Letters, 15 (11): 1537 - 1539, 2003.
  2. ^ Ankit Singlay, Atul Singhz, Kishore Ramachandranz, Lei Xuz și Yueping Zhang. Proteus: o rețea de centre de date maleabile topologice. Universitatea din Illinois Urbana - Champaign, IL, SUA, 2010.
  3. ^ S. Kandula, J. Padhye și P. Bahl. Căi aeriene pentru decongestionarea rețelelor de centre de date. În ACM HotNets, 2009

Elemente conexe