Nghiên cứu hiệu năng kiến trúc chuyển mạch gói quang cho mạng trung tâm dữ liệu

Bài báo phân tích đánh giá hiệu năng kiến trúc chuyển mạch gói quang cho các mạng trung tâm dữ liệu (DCN). Các kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy hiệu năng của kiến trúc chuyển mạch Spanke là tốt hơn so với kiến trúc chuyển mạch khác.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG KIẾN TRÚC CHUYỂN MẠCH GÓI QUANG CHO MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU STUDY OF THE PERFORMANCE OF AN OPTICAL PACKET SWITCH ARCHITECTURE FOR DATA CENTER NETWORKS Cao Hồng Sơn TĨM TẮT Bài báo phân tích đánh giá hiệu kiến trúc chuyển mạch gói quang cho mạng trung tâm liệu (DCN) Các kết tính tốn mô cho thấy hiệu kiến trúc chuyển mạch Spanke tốt so với kiến trúc chuyển mạch khác Trên sở báo đề xuất mơ hình kiến trúc chuyển mạch gói toàn quang cho mạng trung tâm liệu Trong kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang sử dụng kiến trúc chuyển mạch spanke cải tiến kết hợp kỹ thuật ghép phân chia theo bước sóng (WDM) sử dụng khối xử lý mào đầu gói quang (OHP) Với kiến trúc WDM OPS kết hợp OHP giúp làm giảm đáng kể trễ hệ thống tăng thông lượng chuyển mạch mạng trung tâm liệu lớn Từ khóa: Mạng trung tâm liệu, chuyển mạch gói quang (OPS), kiến trúc chuyển mạch gói quang ABSTRACT The paper analyzes and evaluates the performance of optical packet switching architecture for data center networks (DCNs) The calculation and simulation results show that Spanke switching architecture's performance is better than other switching architectures Based on this, the paper proposes a new all-optical packet switching architecture for the data center network In this all-optical packet switching architecture, an improved spanke switching architecture is used, which combines wavelength division multiplexing (WDM) and the Optical Header Processor (OHP) With WDM OPS architecture combined with OHP, it has significantly reduced system latency and increased switching throughput in large data center networks Keywords: Datacenter network, optical packet switching (OPS), optical packet switch architecture Khoa Viễn thơng 1, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Email: sonch@ptit.edu.vn Ngày nhận bài: 05/11/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 13/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/02/2020 KIẾN TRÚC CHUYỂN MẠCH GĨI TỒN QUANG GIỚI THIỆU Xu hướng gần cho thấy ứng dụng mạng chuyển từ trung tâm liệu đám mây riêng sang trung tâm liệu đám mây công cộng Như số đám mây toàn cầu Cisco năm 2016, số lượng IP đám mây toàn cầu hàng năm đạt 14,1ZB vào cuối năm 2020, Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn tăng từ 8,6ZB vào năm 2018 [1, 2] Trong mạng trung tâm liệu nay, thiết bị chuyển mạch điện tử chưa đáp ứng nhu cầu băng thông nhiều hơn, mức tiêu thụ điện thấp độ trễ nhỏ [3] Các thiết bị chuyển mạch kênh quang (OCS) tăng băng thơng đáng kể khơng phù hợp với lưu lượng thay đổi Các DCN đề xuất sử dụng cơng nghệ chuyển mạch gói quang (OPS) có khả đạt thơng lượng cao, mềm dẻo phù hợp với dịch vụ có tính bùng nổ Đặc biệt, giải tượng thắt nút cổ chai, gia tăng thông lượng chuyển mạch Tuy nhiên cơng trình đưa mơ hình kiến trúc chuyển mạch gói quang sử dụng xử lý mào đầu điện tử, làm tăng thời gian xử lý gói nút chuyển mạch Trong báo này, tác giả đề xuất mơ hình kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang sử dụng kỹ thuật xử lý mào đầu gói quang (OHP) có khả làm giảm thời gian xử lý mào đầu hiệu so với kỹ thuật xử lý mào đầu điện tử, làm giảm đáng kể thời gian trễ truyền gói dịch vụ đồng thời làm tăng thông lượng chuyển mạch Thông qua mơ hình giải tích mơ tiến hành khảo sát đưa kết liên quan tới tham số hiệu thời gian trễ hệ thống trung bình thơng lượng chuyển mạch Bài báo cấu trúc sau: Phần phần giới thiệu; Tiếp theo kiến trúc chuyển mạch gói quang, phân tích hiệu chuyển mạch gói quang, kết tính tốn số mơ hiệu chuyển mạch gói quang khảo sát thảo luận kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang đề xuất trình bày phần thứ hai; Cuối cùng, phần thứ ba phần kết luận 2.1 Kiến trúc chuyển mạch gói quang Các kiến trúc OPS có khả kết nối hàng nghìn cổng vào - điều khiển theo thang thời gian nano giây Trong DCN thường sử dụng sơ đồ hệ thống hình [4] Trong đó, thơng tin trao đổi nội nội cụm điều khiển chuyển mạch điện tử, giao tiếp cụm xử lý OPS OPS thực kết nối cụm với cổng vào/ra tốc độ bít cao Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Chuyển mạch hoạt động hồn tồn miền quang Sau trình bày hai kiến trúc chuyển mạch gói quang tiêu biểu chuyển mạch điều khiển tập trung (kiến trúc Benes) chuyển mạch điều khiển phân tán (kiến trúc Spanke) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 khiển tự động Do đó, độ phức tạp điều khiển thời gian cấu hình tồn chuyển mạch đa cổng giảm đáng kể Trong trường hợp này, tổng thời gian để xác định ma trận chuyển đổi thời gian để tạo chuyển mạch (1 × N) chuyển mạch (N × 1) Trong thực tế, mào đầu gói đầu vào N xử lý cục điều khiển độc lập 2.2 Phân tích hiệu Hình Sơ đồ hệ thống DCN sử dụng OPS Kiến trúc Benes mạng chuyển mạch có khả tái cấu hình N đầu vào N đầu ra, ký hiệu (N × N) Cho N = d q, với d q ước nguyên N Một mạng (N × N) biểu diễn thành lớp đầu vào lớp đầu với tổng cộng 2N/d mạng (d × d) lớp gồm d mạng (N/d × N/d) hình Mạng gọi cấu trúc base-d, mạng nhỏ gọi mạng [5] Đối với kiến trúc Benes, N tăng làm tăng số lượng khối (2 × 2) trung gian qua làm tăng số bit điều khiển cho gói tin, làm tăng thời gian điều khiển cấu hình ma trận chuyển mạch Thời gian điều khiển hệ thống phụ thuộc vào N log N sử dụng giải thuật điều khiển looping 2.2.1 Thông lượng, Thông lượng tỉ lệ băng thông hiệu dụng tổng băng thông Thông lượng hệ thống khe thời gian có gói gửi tới đầu hệ thống Tuy nhiên thông lượng bị giới hạn thời gian cấu hình t khơng có gói gửi khoảng thời gian Công thức tổng quát (1) thể xác suất có gói gửi tới đầu tính tốn dựa thời gian trễ cấu hình ma trận chuyển mạch [5] Hình Kiến trúc chuyển mạch Spanke (N x N) Kiến trúc Spanke mạng chuyển mạch khơng nghẽn hồn tồn với N cổng đầu vào/ đầu hình Trong đó, thành phần chuyển mạch khơng gian (1 × N) (N × 1) [5] Kiến trúc có cấu trúc mơ-đun: số lượng chuyển mạch (1 × N) (N × 1) tăng tuyến tính với số lượng cổng chuyển mạch điều C 1− (1) đó, RTT thời gian khứ hồi, t tương ứng thời gian cấu hình chuyển mạch, load tải thực, N số cổng vào/ cổng 2.2.2 Trễ hệ thống trung bình, Việc tính tốn trễ phức tạp mơ hình phân tích khơng tính tốn đến dung lượng đệm, yếu tố tác động nhiều đến trễ hệ thống Tuy nhiên, dựa mơ hình đơn giản để tính tốn tổng quát so sánh trễ sử dụng kiến trúc chuyển mạch khác cho cho OPS Sử dụng xác suất truyền lại tối đa (P ) đặt load = để tính tốn đường bao trễ hệ thống trung bình (latencyUB) Vậy, latencyUB hiệu dụng tính tốn sau [5]: Latency UB = Hình Kiến trúc chuyển mạch Benes (N X N) base-d ∑ Throughput = (2) 2.3 Kết đánh giá hiệu thảo luận Trong phần so sánh tham số hiệu chuyển mạch Benes chuyển mạch Spanke Khi khảo sát lấy khoảng cách host-switch 40m RTT 400ns Chu kỳ gói 40ns Thời gian cấu hình chuyển mạch trung bình 6ns cho kiến trúc chuyển mạch Spanke Ở cổng vào, xác suất có liệu đến (load hay tải) theo phân phối nhị thức đặt cố định Tất nhiên có xác suất xảy tranh chấp coi đầu Đầu tiên phân tích kết tính tốn số cho thơng lượng trung bình hệ thống dựa biểu thức (1) [5] Kết đưa hình biểu thị thơng lượng trung bình hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào hai kiến trúc chuyển mạch: Spanke, Benes với load = Có thể thấy thông lượng trường hợp sử dụng kiến trúc Benes phụ thuộc nhiều vào số lượng cổng giảm nhanh kích thước ma trận chuyển mạch tăng Còn thơng lượng sử dụng kiến trúc Spanke giữ nguyên không đổi Thông lượng hệ thống hoàn toàn độc lập so với số cổng tăng tuyến tính theo tải giá trị tải đạt mốc 0,7 30 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Tuy thấy giảm nhẹ ma trận chuyển mạch lớn, tượng giải thích việc xác suất tranh chấp tăng lên số lượng cổng tăng, dẫn đến thông lượng giảm ảnh hưởng từ kiến trúc thuyết [5] theo mơ Có thể quan sát rõ ràng trễ hệ thống sử dụng kiến trúc chuyển mạch tính tốn theo lý thuyết sát với mơ mơ hình hệ thống phần mềm OptiSystem Hình Trễ kiến trúc Benes theo lý thuyết theo mơ Hình Thơng lượng trung bình hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào hai kiến trúc: Spanke, Benes Tiếp theo, để so sánh trễ mơ hình kiến trúc chuyển mạch Benes Spanke, thực tiến hành thiết lập mơ hình mơ với ba kịch tương ứng với kiến trúc chuyển mạch có số cổng đầu vào/đầu = 4, 16 cổng gói phần mềm OptiSystem Trên hình 5a 5b tương ứng mơ hình thiết lập cho kiến trúc chuyển mạch Benes Spanke đầu vào Hình Trễ kiến trúc Spanke theo lý thuyết theo mơ (a) (b) Hình Mơ hình thiết lập cho chuyển mạch cổng vào/ cổng ra: a) Benes b) Spanke phần mềm OptiSystem Trong mơ hình mơ phỏng, gói quang phát tốc độ 100 Gbit/s cổng vào Công suất phát quang trung bình gói 1mW Hình kết biểu thị trễ phụ thuộc vào số cổng N kiến trúc chuyển mạch Benes Spanke theo lý Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Trễ hệ thống sử dụng kiến trúc chuyển mạch Spanke Benes Hình đưa trễ hệ thống sử dụng kiến trúc chuyển Spanke kiến trúc chuyển mạch Benes thay đổi theo số cổng vào/ cổng dựa biểu thức (2) [5] Trên hình thấy rõ hiệu hệ thống sử dụng kiến trúc chuyển mạch Benes giảm cách đáng kể kích thước ma trận chuyển mạch tăng lên Với việc trễ tối đa cho phép nhiều dịch vụ mơi trường DC 1µs, kiến trúc chuyển mạch Benes sử dụng giải thuật loop đáp ứng yêu cầu số lượng cổng N > 16 Trong kiến trúc chuyển mạch Spanke trì trễ hệ thống mức 1µs dù lượng cổng sử dụng tương tự tham số thơng lượng, khơng có khác biệt nhiều trễ lượng cổng tăng lớn 64 Cả hai thông số Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 31 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ trở nên bão hòa tải tăng lớn 0,7 Ngồi ra, việc tính tốn không xét đến dung lượng đệm, nhân tố ảnh hưởng nhiều đến trễ có tải lớn Thông số tăng chậm theo số lượng cổng tính tất yếu việc tăng xác suất cần truyền lại số lượng cổng lớn Tuy nhiên mức tăng khơng đáng kể hệ thống có nhiều 64 cổng Qua kết tính tốn số mơ thấy rõ mơ hình kiến trúc chuyển mạch Benes sử dụng kỹ thuật điều khiển tập trung có giải thuật điều khiển đơn giản, số lượng cổng đầu vào tăng 64 cổng mơ hình chuyển mạch phức tạp, thông lượng giảm nhanh, trễ xử lý lớn khơng thể chấp nhận Đối với mơ hình kiến trúc Spanke cổ điển sử dụng kỹ thuật điều khiển phân tán giải nhược điểm kiến trúc Benes thông lượng truyền dẫn trễ xử lý nhiên phức tạp chi phí đầu tư tốn số lượng cổng vào tăng 64 cổng Để cải thiện nhược điểm kiến trúc chuyển mạch Spanke cổ điển, tác giả đề xuất kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang sử dụng kiến trúc chuyển mạch Spanke cải tiến kết hợp WDM sử dụng kỹ thuật xử lý mào đầu gói quang (OHP) P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 điều khiển để điều khiển chuyển mạch gói đến khối CRB tương ứng đưa cổng yêu cầu Các mô-đun quang hoạt động sau: Bộ xử lý mào đầu toàn quang tách mào đầu khỏi tải trọng gói xử lý để tách địa mào đầu điều khiển chuyển mạch khối SW để chuyển gói đến cổng yêu cầu Nhờ sử dụng xử lý mào đầu mà thời gian xử lý gói kiến trúc giảm xuống đáng kể vài trăm ps [6, 7] Kết so sánh hiệu chuyển mạch gói quang đề xuất (P-OPS) chuyển mạch gói quang Spanke cổ điển (OPS) đưa hình 10 tốc độ bit truyền gói 100Gb/s số bước sóng sử dụng M = Hình 10a biểu thị thơng lượng trung bình hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào hai kiến trúc chuyển mạch gói: OPS, P-OPS Rõ ràng kiến trúc chuyển mạch Spanke cải tiến kết hợp WDM sử dụng kỹ thuật xử lý mào đầu gói tồn quang (OHP) có thơng lượng trung bình hệ thống cao so với kiến trúc chuyển mạch Spanke cổ điển Hình 10b biểu thị trễ hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào hai kiến trúc chuyển mạch gói: OPS, P-OPS Từ hình 10b cho thấy trễ hệ thống kiến trúc chuyển mạch Spanke đề xuất nhỏ so với trễ hệ thống kiến trúc chuyển mạch Spanke cổ điển 2.4 Kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang đề xuất Kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang đề xuất (P-OPS) hình Kiến trúc P-OPS có khả mở rộng dễ dàng, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trung tâm liệu quy mơ lớn Trong kiến trúc có F cổng (sợi) vào F cổng Mỗi cổng vào/ cổng F có M bước sóng Do đó, tổng số cổng vào/ cổng logic (N = F × M) Mỗi mơđun quang (chuyển mạch tồn quang) có đầu vào F đầu khác nhau, chuyển đến khối giải tranh chấp (CRB) đầu kiến trúc P-OPS Các khối CRB giải tranh chấp gói đến từ mơ-đun quang khác xuất cổng (a) Hình Kiến trúc chuyển mạch gói quang đề xuất Như hình 9, mơ-đun quang bao gồm xử lý mào đầu gói quang (OHP) dựa kỹ thuật điều chế vị trí xung (PPM) [6, 7], khối chuyển mạch (1 × F) 32 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (02/2020) (b) Hình 10 So sánh hiệu chuyển mạch gói quang OPS P-OPS: (a)Thơng lượng trung bình hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào (b) Trễ hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT LUẬN Trong báo, sở phân tích đánh giá hiệu kiến trúc chuyển mạch Benes kiến trúc chuyển mạch Spanke, tác giả đề xuất kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang nhờ kết hợp kiến trúc Spanke cải tiến kỹ thuật ghép phân chia theo bước sóng (WDM), đồng thời kiến trúc chuyển mạch sử dụng xử lý mào đầu gói quang (OHP) Kiến trúc OPS đề xuất có khả tăng dung lượng cổng mà đáp ứng yêu cầu đặt cho trung tâm liệu lớn Bên cạnh đó, với việc sử dụng xử lý mào đầu gói tồn quang giảm đáng kể thời gian xử lý gói kiến trúc chuyển mạch góp phần cải thiện hiệu hệ thống Cụ thể làm giảm trễ hệ thống trung bình cải thiện thơng lượng chuyển mạch TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shu, Y., et al., 2018 Programmable OPS/OCS hybrid data centre network Optical Fiber Technology, 44, 102–114 [2] Toru Segawa, et al., 2016 High-speed Optical Packet Switching for Photonic Datacenter Networks NTT Technical Review, Vol 14, No [3] C Chaintoutis, A Bogris and D Syvridis, 2018 P-Torus: Torus-based Optical Packet Switching Architecture for intra-Data Centre Networks Photonics in Switching and Computing (PSC), pp 1-3 [4] N Calabretta, R P Centelles, S Di Lucente and H J S Dorren, 2013 On the performance of a large-scale optical packet switch under realistic data center traffic in IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, vol 5, no 6, pp 565-573 [5] S.Di Lucente, 2013 Optical packet switching with distributed control for high performance data center networks Diss Technische Universiteit Eindhoven [6] Son H.Cao, Hong M.Nguyen, and Quy Q.Ho 2015 Improving Performance of All-Optical Packet Switching Network with a Modified Pulse Position Modulation Routing Table International Journal of Electronics and Data Communications, Vol.3, No.3, pp.90-99, 11-2015 [7] Son H.Cao, 2017 Multi-wavelength All-Optical Packet Switching Node Using Modified Pulse Position Modulation Header Processing Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 43, trang 3-7 AUTHOR INFORMATION Cao Hong Son Facuty of Telecommunication 1, Posts and Telecommunications Institute of Technology Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 56 - No (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 33 ... Chuyển mạch hoạt động hồn tồn miền quang Sau trình bày hai kiến trúc chuyển mạch gói quang tiêu biểu chuyển mạch điều khiển tập trung (kiến trúc Benes) chuyển mạch điều khiển phân tán (kiến trúc. .. chuyển mạch Spanke đề xuất nhỏ so với trễ hệ thống kiến trúc chuyển mạch Spanke cổ điển 2.4 Kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang đề xuất Kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang đề xuất (P-OPS) hình Kiến. .. Trong báo, sở phân tích đánh giá hiệu kiến trúc chuyển mạch Benes kiến trúc chuyển mạch Spanke, tác giả đề xuất kiến trúc chuyển mạch gói tồn quang nhờ kết hợp kiến trúc Spanke cải tiến kỹ thuật