To accommodate explosive data traffic, today's data centers are considering introducing optical switch-based networking technologies that have characteristics of low latency, low power, and ease of expansion compared to conventional electrical switch-based networking technologies with a hierarchical architecture. However, circuit-based optical switching has the disadvantage of lacking flexibility in the optical network by providing a limited number of optical paths in a point-to-point manner. This switching also requires a dual management of packets and circuits due to the long reconfiguration time of circuit switching. In addition, packet-based optical switching has attempted to accommodate layer-2 packets with optical technology, but has faced practical limitations such as the complexity of optical control processing and the difficulty of buffering with forward-and-store schemes (i.e., fiber delay line and O-E-O loopback buffer) in optical switches. In this thesis, to address these problems, we present a packet-switched optical network (PSON) architecture design with a photonic frame wrapper that can generate variable-size photonic frames for optically interconnected intra-DCN. The proposed architecture applies a store-and-forward buffer scheme (i.e., virtual output queue based input buffer) and can increase network utilization by minimizing guard-time insertion in the optical switch domain.
In this thesis, we report on an experimental realization of a PSON that is capable of variable-size photonic frame transmission in intra-DCN. The experimental results of PSON are also presented to demonstrate the feasibility of the PSON solution as an integrated system. In reality, the traffic in DCN is non-uniform because a variety of applications are deployed and placed non-uniformly across racks. The conventional maximal matching scheduling algorithm guarantees 100% performance in uniform traffic, but is not effective in non-uniform traffic. To improve the performance of non-uniform traffic, we introduce a new scheduling algorithm called coordinated-round robin pointer (C-RRP). The C-RRP achieves higher throughput and lower latency for non-uniform traffic than conventional algorithms. Inter-DCN communication degrades network efficiency due to long delays. As a result, the dynamics of the tunable laser are degraded in the proposed PSON where one input tunable laser is shared by N destination outputs. To overcome this, we introduce a photonic frame wrapper with proxy solution to fully exploit the gain of the proposed architecture even in inter-DCN communication with long delays, which is compliant with standard TCP instances at end nodes. In inter-DCN communication, the proxy solution demonstrates a noticeable TCP performance enhancement compared with the photonic frame wrapper in terms of bandwidth efficiency and end-to-end delay by theoretical and OPNET simulation analyses.
폭발적인 데이터 트래픽을 수용하기 위해 오늘날의 데이터센터는 계층 구조를 갖는 기존의 전기 스위치 기반 네트워킹 기술에 비해 대기 시간은 낮고, 전력 소모가 적으며, 확장이 용이한 특성을 가진 광 스위치 기반 네트워킹 기술을 도입할 것을 고려하고 있다. 그러나, 회선 기반 광 스위치를 기반으로 하는 하이브리드 광 데이터센터 네트워크 구조는 점-대-점 방식으로 제한된 수의 광 경로를 제공함으로써 광 네트워크의 유연성이 부족하고, 경로 재구성 시간이 길어 패킷과 회선의 이원화된 관리가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 패킷 기반 전광 데이터센터 네트워크 구조는 광 기술로 레이어-2 패킷을 수용하기 위한 시도를 하였으나, 복잡한 광 제어 구조 및 고가의 파이버 지연-라인, 광-전기-광 루프백 버퍼와 같은 전달-저장 방식 버퍼구조를 적용함으로써 광 스위치에서 버퍼링의 어려움등 실용화 한계에 직면해 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 학위논문에서는 광학적으로 상호 연결된 데이터 센터 네트워크 내부에서 저장-전달 방식의 입력 버퍼 구조를 채택하고, 가드 타임 삽입을 최소화하여 네트워크 효율을 증가시키는 가변 크기 포토닉 프레임의 처리가 가능한 패킷 스위칭 광 네트워크 구조를 제시한다.
본 학위논문에서는 가변 크기 포토닉 프레임 전송이 가능한 패킷 스위칭 광 네트워크의 타당성과 미래 데이터 센터 네트워크의 대안으로서의 현실가능성을 증명하기 위하여, 광 데이터 센터 통합 테스트 베드에서의 개념 검증 실험을 수행하고, 광 기술로 레이어-2 이더넷 서비스를 수용하여 실용화 가능성을 보여준다. 실제로, 데이터 센터 내부의 트래픽은 다양한 애플리케이션이 전개되고 랙 전체에 비 균등하게 배치되므로 비 균일한 특성을 가진다. 종래의 맥시멀 매칭 스케쥴링 알고리즘은 균일 트래픽에서는 100% 성능을 보장하지만, 비 균일 트래픽에 대해서는 효과적이지 못하다. 따라서, 본 저자는 광 데이터센터 네트워크내에서 기존 알고리즘보다 비 균일 트래픽에 대한 처리량과 지연 시간이 향상된 새로운 스케쥴링 알고리즘을 소개한다. 마지막으로, 데이터 센터간 통신은 긴 지연으로 인한 네트워크의 효율이 저하된다. 이로 인해, 하나의 입력 가변 레이져를 N 개의 목적지 출력이 공유하는 제안 구조에서 가변 레이저의 다이나믹스가 저하된다. 이를 극복하기 위해, 본 저자는 엔드 노드의 표준 TCP 인스턴스와 호환되는 긴 지연이 있는 데이터 센터간 통신에서도 긴 지연으로 인한 네트워크 효율 저하의 영향을 줄이고, 제안된 구조의 이득을 최대한 활용할 수 있는 TCP 프록시 솔루션을 소개한다. 데이터 센터간 통신에서 프록시 솔루션은 이론적 분석 및 OPNET 시뮬레이션 분석을 통해 대역폭 효율성 및 엔드-투-엔드 지연과 관련하여 TCP 성능 향상을 입증한다.
