• No results found

Optical interconnection networks for data centers

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Optical interconnection networks for data centers"

Copied!
34
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Optical interconnection networks for 

data centers

The 17th International Conference

on Optical Network Design and Modeling

Brest, France, April 2013

Christoforos Kachris and Ioannis Tomkos

Athens Information Technology (AIT) 

email: [email protected][email protected]

(2)

60‐secs on the web

(3)
(4)

How Big are Data Centers

Data Center Site

Sq footage

Facebook (Santa Clara)

86,000

Google (South Carolina)

200,000

HP (Atlanta)

200,000

IBM (Colorado)

300,000

Microsoft (Chicago)

700,000

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013 [Source: “How Clean is Your Cloud?”, Greenpeace 2011]

Wembley Stadium:172,000 square ft

(5)

Cloud Computing Traffic

According to Cisco’s Global Cloud Index, IP traffic over data center 

networks will reach 

4.8 Zettabytes

a year by 2015, and cloud 

(6)

Data Center Traffic

In 2010, 

77%

of traffic remained within the data center, 

and this will decline only slightly to 76 percent by 2015

(7)

Data Centers Power Consumption

Data centers consumed 

330 Billion KWh 

in 2007 and is expected to 

reach 

1012 Billion KWh 

in 2020

2007 (Billion KWh)

2020 (Billion KWh)

Data Centers

330

1012

Telecoms

293

951

(8)

Carbon Emissions of ICT Sector

Data centers is the fastest‐growing 

contributor to the ICT sector’s carbon 

footprint. 

(In 2002, the global data centre footprint, 

including equipment use and embodied 

carbon, was 76 MtCO2e and this is 

expected to more than triple by 2020 to 

259 MtCO2e )

830 MtCO2e (2% of the total  emissions)  1430 MtCO2e  [Source: SMART 2020: Enabling the low carbon economy in the  information age , Greenpeace]

The CO2 emissions of 10,000 Google searches 

is equal to a five mile trip in the average U.S. 

automobile [Source: Google, Inc.]

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(9)

Power consumption of Data 

Centers

The cost to power and cool the data centers will reach the CAPEX 

cost

Data center networks (DCN) consume as much as 23% of the total 

power consumption

Data center servers consume as much as 40% of the total power 

consumption in a Data Center

[Source: “Where does power go?”, www.greendataproject.org]

(10)

Data Center Networks

The Data Center Networks are 

usually based on a fat‐tree 

topology using commodity 

switches

Core Layer: Used to 

interconnect the access 

switches (10Gbps)

Aggregate Layer: Used to 

interconnect the ToR switches 

(10Gbps)

Rack Layer: Top‐of‐Rack (ToR) 

switches are used to connects 

the servers in a rack (1Gbps)

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

ToR switches Aggregate Switches 10 Gbps Rack Core switches Servers Internet

Rack Rack Rack 10 Gbps Data Center

Content switches & Load balance

(11)

Data Center Networks

ToR switches Aggregate Switches 10 Gbps Rack Core switches Servers Internet

Rack Rack Rack 10 Gbps Data Center

Content switches & Load balance

(12)

Optics Interconnects Hierarchy

[Source: IBM, Internal Optical Interconnects ]

(13)

From Opaque to Transparent

So far optical interconnect have been only used 

for point‐to‐point interconnects mainly for higher 

bandwidth  and better density

(14)

Opaque to transparent networks

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

Telecommunications

Data Centers 

(15)

How green is all‐optical?

Current switches consume 

a high amount of energy 

for the 

E/O

O/E

buffers

and 

Switch Fabrics

(16)

Need for All‐optical Interconnects

We need 

High bandwidth

Low latency

scalable

energy efficient 

Data Centers 

Networks that can sustain the exponential 

increase of the network traffic

All‐Optical Interconnects:

No need for buffering

Switching can be performed using passive 

components at the 

wavelength‐level 

(e.g. splitters, 

wavelength switching ‐ AWGR)

Higher bandwidth (wavelength multiplexing)

Lower latency

Lower power consumption, footprint, carbon 

emissions

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(17)

Future Data Center Networks

We need 

high‐radix, scalable, energy efficient 

Data Centers that can sustain the exponential 

increase of the network traffic

Current

[Source: Cisco, “Petabit Optical Switch for Data Center Networks”, “Scaling Networks in Large Data Centers”, Facebook

Future Data Center Networks

Terabit Optical

Interconnect 

WDM Links

High power 

consumption 

due to O/E, E/O 

and switches

(18)

The optical “toolbox”

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

AWGR

Wavelength switching

WSS

Wavelength and spatial switching

Coupler

Optical MEMS

Spatial switching

(19)

A Survey on Optical Interconnects

In the last years there are several research 

papers that propose the use of optical 

interconnects for Data Center networks. 

There are two main categories:

Hybrid Schemes 

(Commodity networks enhanced 

with optical circuits)

All‐optical

schemes

Packet‐based schemes

Circuit‐based schemes

(20)

C‐Through Architecture

C‐Through

Architecture was 

introduced in 2010 (Rice U, CM, 

Intel)

The ToR switches are connected 

both to an electrical packet‐based 

network (i.e. Ethernet) and an 

optical circuit‐based network.

Pros: 

Ease to upgrade the current 

networks

Cons: 

The circuit switch network can only 

provide a matching on the graph of 

racks.

Reconfiguration time takes several 

ms

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013 [Source: A Survey on Optical Interconnects for Data Centers, C. Kachris,  IEEE Surveys and Tutorials]

(21)

Helios Architecture

Helios

was introduced in 2010 by 

UCSD

Helios is similar to the c‐Through 

architecture but it is based on WDM 

links (superlinks) that aggregates 

several wavelengths.

These superlinks can carry up to w x 

10 Gbps (where w is the number of 

wavelengths; from 1 to 32).

Pros: 

Higher bandwidth per link

Cons: 

The circuit switch network can only 

provide a partial matching on the 

graph of racks.

Reconfiguration time takes several ms

(22)

DOS Architecture

The DOS architecture was 

introduced in 2010 by UC 

Davis

The switching in the DOS 

architecture is based on 

Arrayed Waveguide Grating 

Router (AWGR) that allows 

contention resolution 

in 

the wavelength domain.

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(23)

DOS Architecture

The optical switch fabric consists 

of an array of tunable 

wavelength converters (one 

TWC

for each node), an 

AWGR

and a 

loopback shared buffer. 

Each node can access any other 

node through the AWGR by 

configuring the transmitting 

wavelength of the TWC.

The switch fabric is configured 

by the control plane that 

controls the TWC and the label 

extractors (

LEs

).

(24)

DOS Architecture

Pros:

Fast switching 

Elimination of Aggregate switches

Cons: 

Complex content resolution, 

arbitration

High power consumption due to 

multiple O/E and E/O converters 

(in SDRAM and in Label 

extractors)

Scalability (number of ports in 

the AWGR)

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(25)

Petabit Architecture

Petabit

Architectuer was introduced 

in 2011 by Polytechnic Institute of 

New York

Petabit

switch fabric is based on 

AWGR and tunable wavelength 

converters

The Petabit switch fabric adopts a 

three‐stage Clos network

and each 

stage consists of an array of AGWRs 

that are used for the passive routing 

of packets.

The switch is combined efficiently 

with electronic buffering (in the line 

cards) and scheduling.

(26)

Petabit Architecture

The main difference compared to the 

DOS architecture is that Petabit

switch does not use any buffers 

inside the switch fabric (thus 

avoiding the power hungry E/O and 

O/E conversion). 

Instead, the congestion management 

is performed using electronic buffers 

in the Line cards and an efficient 

scheduling algorithm.

Pros:

Highly scalable

Elimination of contention buffers

Cons:

High number of tunable wavelength 

converters

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(27)

Proteus Architecture

The 

Proteus

architecture is an 

all‐optical architecture that is 

based on Wavelength Selective 

Switch (

WSS

) modules and an 

optical switching matrix that is 

based on MEMS.

The optical wavelengths are 

combined using a multiplexer 

and are routed to a WSS. 

The WSS multiplex each 

wavelength to up to k different 

groups and each group in 

connected to a port in the 

MEMS optical switch.

(28)

Proteus Architecture

The switching configuration of the MEMS 

determines which set of ToRs are 

connected 

directly

In case that a TOR switch has to 

communicate with a ToR switch that is 

not 

directly connected

, then it uses hop‐by‐

hop communication. 

Proteus must ensure that the 

entire ToR 

graph is connected 

when performing the 

MEMS reconfiguration.

Pros: 

Lower power consumption due to the 

elimination of the aggregate switches

(73 kW compared to 160kW of a Reference 

design)

Cons: 

High reconfiguration time when the MEMS 

switch needs to be reconfigured

High Cost due to the number of WSS required

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

(29)

OFDM‐based Interconnects

Optical interconnects can be enhanced by the 

exploitation of OFDM subcarriers

OFDM can provide better spectral efficiency and 

fine‐grain bandwidth allocation

Conventional WDM

OFDM WDM

Single channels

Super-channels

(i.e. OFDM)

(30)

OFDM‐based interconnects

In the 

WSS‐based OFDM 

scheme each node consists of a 

rack that accommodates several servers and each rack uses 

a Top‐of‐the‐Rack (ToR) switch to communicate with other 

racks. 

Each ToR switch has several optical transceivers (e.g. 1Gbps 

SFP) to connect to the servers and one or more 

optical 

OFDM transceivers

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013 Optical Switching Matrix TR X λ1  λ2  λ3 … λ8 WSS Coupler MUX WSS‐based  Optical   Switching WSS‐based  Optical  Switching ToR λ1  λ2  λ3 … λ8  ToR λ1  λ2  λ3 … λ8 ToR OFD M TR X OFD M TR X OFD M TR X OFD M TRX OFD M TRX OFD M TRX OFD M TRX OFD M TR X OF D M TR X OF D M TR X OF D M TR X OF D M [C. Kachris, I. Tomkos, “Optical OFDM‐based Data Center Networks, OFC 2012]

(31)

OFDM‐based interconnects

Power reduction 

is achieved though the use of less 

number of transceivers but enhanced with OFDM for 

better spectral efficiency

Optical Switching Matrix

TRX

λ1  λ2  λ3 … λ8 WSS Coupler MUX WSS‐based  Optical   Switching WSS‐based  Optical  Switching ToR λ1  λ2  λ3 … λ8  ToR λ1  λ2  λ3 … λ8 ToR

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFDM

TRX

OFD

M

TRX

OFD

M

TRX

OFD

M

TRX

OFD

M

0 50 100 150 200 250 300 80 160 240 320 Po we C o ns umpti o n  (kW) Number of Racks Power consumption of optical ToR Switches WDM‐WSS OFDM‐WSS Figure 5. Power consumption of OFDM‐WSS

(32)

The “Cascade” effect

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

1 Watt 

save in the server or the network level result in 

cumulative savings of about 

2.84 Watts 

in total power 

consumption 

[Source: “Berk‐Tek: The Choice for Data Center Cabling”, September 2008

(33)

Conclusions

Future Data Center Network will require high 

bandwidth networks to face the traffic of cloud 

computing

However the power consumption will have to 

remain almost the same

Optical Interconnects looks as a promising 

solution in providing

high bandwidth

low latency

and 

energy efficient interconnects

(34)

Questions?

C. Kachris, I. Tomkos

A Survey on Optical Interconnects for Data Centers, IEEE Survey and Tutorials, 2012

C. Kachris, K. Bergman, I. Tomkos, 

“Optical Interconnects for Future Data Center Networks“,

Springer Publication, end of 2012

Bibliography on optical interconnects for data centers

www.ait.gr/ait_web_site/Researcher/kachris/optical_interconnect_bibliography.htm

Thank you!

Christoforos Kachris

[email protected]

C. Kachris, Athens Infromation Technology (AIT), ONDM 2013

References

Related documents

The key idea of this work is to modify the Ambrosio– Tortorelli approximation of Mumford–Shah model, which is traditionally used for image segmentation, so that the new functional

 By installing a small number of network ports at each server and using COTS mini-switches as crossbars, and putting routing intelligence at the server side, BCube forms

The results confirmed our expectations, indicating that countries with higher government effec- tiveness tend to have lower number of people killed and affected

Since hypertension is the most important risk factor for CVS 4,5 and successful treatment of hyper- tension results in significant reduction of these events, 6 we hypothesized that

The test lab at Faiveley has used a number of different rigs and equipment throughout the years for various tests of the TBUs.. When going through these a total of

In this paper we hope we demonstrated a basic description of the concept of early warning signs in projects and how performance measurement can be utilized as one of the tools which,

► T-Trainers: train Master Trainers, Leaders, and facilitate participant workshops..

In accordance with our requirements as highlighted by the Civil Contingencies Act (2004) and the Operating Framework for 2010/2011, this is to give the Board an update on the