Data center optical networks : short- and long-term solutions

par Miquel Angel Mestre Adrover

Thèse de doctorat en Electronique et communications

Sous la direction de Badr-Eddine Benkelfat.

Soutenue le 21-10-2016

à Evry, Institut national des télécommunications , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris) (1971-2017) (Université) , Département Electronique et Physique / EPH (laboratoire) et de Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Réseaux optiques pour les centres de données : solutions à court et long terme


  • Résumé

    Les centres de données deviennent de plus en plus importants, allant de petites fermes de serveurs distribuées à des grandes fermes dédiées à des tâches spécifiques. La diffusion de services "dans le nuage" conduit à une augmentation incessante de la demande de trafic dans les centres de données. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution des réseaux dans les centres de données et proposons des solutions à court et à long terme pour leur intra-connexion physique. Aujourd'hui, la croissance de la demande de trafic met en lumière la nécessité urgente d’interfaces à grande vitesse capables de faire face à la bande passante exigeant de nouvelles applications. Ainsi, à court terme, nous proposons de nouveaux transpondeurs optiques à haut débit, mais à faible coût, permettant la transmission de 200 Gb /s utilisant des schémas de modulation en intensité et à détection directe. Plusieurs types de modulations d’impulsions en amplitude avancées sont explorés, tout en augmentant la vitesse à des débits symboles allant jusqu’à 100 GBd. La génération électrique à haute vitesse est réalisé grâce à un nouveau convertisseur analogique-numérique intégré, capable de doubler les vitesses des entrées et de générer des signaux à plusieurs niveaux d’amplitude. Cependant, le trafic continuera sa croissance. Les centres de données actuels reposent sur plusieurs niveaux de commutateurs électroniques pour construire un réseau d'interconnexion capable de supporter une telle grande quantité de trafic. Dans une telle architecture, la croissance du trafic est directement liée à une augmentation du nombre des composants du réseau, y-compris les commutateurs avec plus de ports, les interfaces et les câbles. Le coût et la consommation d'énergie qui peut être attendus à l'avenir est intenable, ce qui appelle à une réévaluation du réseau. Par conséquent, nous présentons ensuite un nouveau concept fondé sur la commutation de "slots" optiques (Burst Optical Slot Switching, i.e. BOSS) dans lequel les serveurs sont connectés via des nœuds BOSS à travers des anneaux de fibres multiplexé en longueur d'onde et en temps, et organisés dans une topologie en tore. Au cours de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre des nœuds BOSS; en particulier, la matrice de commutation et les transpondeurs optiques. L'élément principal au sein de la matrice de commutation est le bloqueur de slots, qui est capable d'effacer n’importe quel paquet (slot) sur n’importe quelle longueur d'onde en quelques nanosecondes seulement. D'une part, nous explorons l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs comme portes optiques à utiliser dans le bloqueur des slots, et étudier leur cascade. D'autre part, nous développons un bloqueur de slots intégré monolithiquement capable de gérer jusqu'à seize longueurs d'onde avec la diversité de polarisation. Ensuite, nous présentons plusieurs architectures de transpondeur et nous étudions leur performance. La signalisation des transpondeurs doit répondre à deux exigences principales: le fonctionnement en mode paquet et la résistance au filtrage serré. D'abord, nous utilisons des transpondeurs élastiques qui utilisent des modulations Nyquist N-QAM, et qui adaptent le format de modulation en fonction du nombre de nœuds à traverser. Ensuite, nous proposons l'utilisation du multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence en cohérence optique (CO-OFDM). Avec une structure de paquet inhérente et leur grande adaptabilité fréquentielle, nous démontrons que les transpondeurs CO-OFDM offrent une capacité plus élevée et une meilleure portée que leurs homologues Nyquist. Finalement, nous comparons notre solution BOSS avec la topologie Clos replié utilisée aujourd'hui. Nous montrons que notre architecture BOSS nécessite 400 fois moins de transpondeurs et de câbles que les réseaux de commutation électronique d'aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à des centres de données hautement évolutifs et durables


  • Résumé

    Data centers are becoming increasingly important and ubiquitous, ranging from large server farms dedicated to various tasks such as data processing, computing, data storage or the combination thereof, to small distributed server farms. The spread of cloud services is driving a relentless increase of traffic demand in datacenters, which is doubling every 12 to 15 months. Along this thesis we study the evolution of data center networks and present short- and long-term solutions for their physical intra-connection. Today, rapidly-growing traffic in data centers spotlights the urgent need for high-speed low-cost interfaces capable to cope with hungry-bandwidth demanding new applications. Thereby, in the short-term we propose novel high-datarate low-cost optical transceivers enabling up to 200 Gb/s transmission using intensity-modulation and direct-detection schemes. Several advanced pulse amplitude modulation schemes are explored while increasing speeds towards record symbol-rates, as high as 100 GBd. High-speed electrical signaling is enabled by an integrated selector-power digital-to- analog converter, capable of doubling input baud-rates while outputting advance multi-level pulse amplitude modulations. Notwithstanding, data centers’ global traffic will continue increasing incessantly. Current datacenters rely on high-radix all-electronic Ethernet switches to build an interconnecting network capable to pave with such vast amount of traffic. In such architecture, traffic growth directly relates to an increase of networking components, including switches with higher port-count, interfaces and cables. Unsustainable cost and energy consumption that can be expected in the future calls for a network reassessment. Therefore, we subsequently present a novel concept for intra-datacenter networks called burst optical slot switching (BOSS); in which servers are connected via BOSS nodes through wavelength- and time-division multiplexed fiber rings organized in a Torus topology. Along this thesis we investigate on the implementation of BOSS nodes; in particular, the switching fabric and the optical transceivers. The main element within the switching fabric is the slot blocker, which is capable of erasing any packet of any wavelength in a nanosecond time-scale. On the one hand, we explore the use of semiconductor optical amplifiers as means of gating element to be used within the slot blocker and study their cascadability. On the other hand we develop a monolithically integrated slot blocker capable of handling up to sixteen wavelength channels with dual-polarization diversity. Then we present several transceiver architectures and study their performances. Transceivers’ signaling needs to fulfill two main requirements: packet-mode operation, i.e. being capable of recovering few microsecond –long bursts; and resiliency to tight filtering, which occurs when cascading many nodes (e.g. up to 100). First we build packet-mode Nyquist-pulse-shaped N-QAM transceivers, which adapt the modulation format as a function of the number of nodes to traverse. Later we propose the use of coherent-optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). With inherent packet structure and high spectral tailoring capabilities, we demonstrate that CO-OFDM-based transceivers offer higher capacity and enhanced reach than its Nyquist counterpart. Finally, we compare our BOSS solution to today’s Folded Clos topology, and show that our BOSS architecture requires x400 fewer transponders and cables than today’s electronic switching networks, which paves the way to highly scalable and sustainable datacenters


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