Trends in Optical Switching Based Network Technologies for Next-Generation Data Centers

1. 광 DCN 구조 연구 동향

광 DCN에 대해서는 다양한 구조가 연구되고 있으며 크게 분류하면 전자식 스위칭과 광 스위칭을 혼용하여 사용하도록 하는 전자/광 하이브리드(EPS+OCS) 구조와 광 스위칭 만을 사용하는 전광(OPS+OCS) 구조가 있다. 이들은 (그림 1)과 같이 발전되어 갈 것으로 보인다.

(그림 1)

DCN 기술의 발전 추세

지금까지 제안된 대표적인 구조들이 <표 1>에 정리되어 있다[2], [3]. 전자/광 하이브리드 구조는 Helios, c-Through, WDM-PON, OSA, HOS, FISSION 등에서 제안하고 있다. Helios에 사용되는 OCS 스위치는 MEMS 기술을 사용하며 WDM을 지원한다. MEMS에서 소비되는 전력은 EPS 스위치에 비해 포트당 약 50배나 절감되는 것으로 확인되었다[6]. c-Through는 HyPac 구성 방법을 도입하여, 하위에 랙 간 고속 통신을 위해 OCS를 구성하고, 상위에 EPS를 구성한다[7]. WDM-PON은 랙 간 통신을 위한 수동 광 네트워크(PON) 구조와 랙 내부 통신을 위한 전통적인 이더넷 스위칭(EPS)을 결합한 하이브리드 솔루션을 이용하였다[8]. OSA는 다른 하이브리드 구조와 달리 ToR 외에 전자식 콤포넌트를 사용하지 않는 MEMS/WSS 기반의 동적 재구성이 가능한 구조이다[9]. HOS는 기존의 전자식 애그리게이션 스위치와 코어 스위치를 HOS 엣지와 코어 노드로 대체한 것으로 에지 노드는 EPS를 사용하고 코어 노드는 MEMS와 SOA를 사용하여 회선 및 패킷 스위칭이 가능하도록 구성하였다[10]. FISSION은 광 버스 백플레인과 EPS 스위치를 결합하여 수백만 서버 연결을 지원할 수 있도록 하였다[11].

<표 1>

제안된 광 DCN 기술들

전광 스위칭 기반의 광 DCN 기술의 주요 특징은 다음과 같다. Space-WL은 새로운 공간-파장 스위치 구조를[12], STIA는 새로운 공간-시간 상호연결 구조를 제안하였으며[13], LIONS는 고성능 데이터센터를 위한 수동 AWGR 기반 저지연 상호연결 광 네트워크 스위치를 제안하여 파장 할당 방식의 광라벨 스위칭을 실현하였다[14]. TONAK LION은 LIONS 스위치의 개선 버전으로 분산 전광 토큰 및 전광 NACK 구조의 AWGR 기반 TONACK 스위치를 제안하여 확장성 한계를 극복하였다[15]. MIMO-OFDM은 CAWG 소자, MIMO 및 PSD 기술에 기반한 새로운 DCN 구조를 도입하였다[16]. Data Vortex는 고성능 컴퓨팅 및 데이터센터 연결을 위한 분산 상호연결 네트워크 구조를 제안하였으며[17], Petabit는 3단 Clos 네트워크 기반의 버퍼 없는 광 스위치 구조를 제안하여 프레임 기반 스위칭을 실현하였다[18]. All-to-All은 AWGR과 FTL에 의한 채널 본딩 기반 파장 라우팅(WR) 기술을 이용한 구조를 제안하였다[19].

또한, LIGHTNESS는 SDN 제어와 결합되어 데이터센터내 연결 서비스를 제공하는 전광 하이브리드 OPS/ OCS 구조를 제안하였으며[20], COSIGN은 SDN과 전광 기술 기반 TDM/WDM 다중 구조를 제안하였다[21]. NEPHELE는 SDN 기술로 제어되는 이더넷 광 TDMA 데이터센터 네트워크 구조를 채택하였다[22]. 그리고 HOPR은 광 라벨 처리기, 광 스위치, 공유 버퍼를 사용하여 광 DCN을 구성하였다[23].

광 DCN을 구성하는 요소 기술은 OCS 스위치, OPS 스위치, 광 ToR 스위치, 광 스위칭 제어 기술 등이 있으며, 주요 부품 및 소자로는 TWC, AWG, MEMS, WSS, FTL, BMR 등이 있다. 이를 <표 2>에 정리하였다.

<표 2>

광 DCN을 구성하는 요소 기술

2. 주요 광 DCN 기술 연구 프로젝트

본 절에서는 데이터센터 내 적용을 위한 광 네트워크 기술 관련 연구 프로젝트와 관련 기술에 대해 살펴본다. 데이터센터 광 네트워크 관련한 주요 연구 프로젝트로는 유럽의 FP7 및 H2020 프로그램을 통한 몇몇 프로젝트와 일본 NICT 프로그램을 통한 HOPR이 있다. <표 3>은 광 DCN 관련 연구 프로젝트들을 요약하였다.

<표 3>

광 DCN 기술 연구 프로젝트

유럽에서는 LIGHTNESS[20]와 COSIGN[21] 프로젝트가 F7 프로그램에서 수행되었고, 현재 H2020 프로그램에서 NEPHELE[22] 프로젝트가 진행되고 있다. LIGHTNESS는 데이터센터용 인프라를 제공하는 것을 목표로 Hybrid OPS/OCS DCN 구조를 제안하였다[20]. COSIGN은 최신 광 기술을 최대한 사용하여 미래 광 DCN에 적용할 수 있는 솔루션을 제안하였다[24]. NEPHELE는 slotted TDMA와 WDM 기술을 이용하여 확장성이 큰 데이터센터 내 광 네트워크 구조를 제안하여 검증 중에 있다[22], [25].

가. LIGHTNESS

LIGHTNESS의 DCN 구조는 (그림 2)와 같이 기존 이더넷 스위치 기반 DCN의 평탄(Flattened) 구조에 이더넷 스위치 대신에 OPS와 OCS를 적용하여 구성한다. OPS의 경우 SOA와 라벨 처리기를 사용하여 4×4 패킷 스위칭을 실현하였으며, OCS의 경우 Polatis 파이버 스위치를 사용하여 100×100회선 스위칭 용량을 실현하였다. 100G 용량을 처리하는 FPGA 기반 광 NIC는 랙 간 통신용으로 10×10G DWDM CFP와 랙내 통신용으로 24×10G VCSEL MiniPod 인터페이스를 구비하고 있으며, 트래픽 전달은 데이터의 특성에 따라 구분하여 다른 스위칭 경로로 전달하도록 한다. 즉, 용량이 크고 실시간성을 요구하지 않는 데이터 트래픽은 OCS로 전달하고 용량이 작으며 실시간성이 중요한 트래픽은 OPS로 전달한다. 랙 간 연결을 위한 광 ToR 스위치는 WSS 또는 AWG를 사용하며, 포트당 100Gbps DP-QPSK 데이터 25개 파장을 지원할 수 있다. WSS 광 ToR의 경우 가변 파장, AWG 광 ToR의 경우 고정 파장을 사용한다. 사용된 NIC, OPS, OCS, ToR 스위치는 중앙 집중형의 SDN 기반 통합 제어 평면에 의해 제어된다[26].

(그림 2)

LIGHTNESS DCN 구조[20]

LIGHTNESS에서 ToR과 연결되어 DC 내 및 DC 간 스위칭을 수행하는 OCS 노드는 (그림 3)과 같이 AoD 구조를 적용하였다. AoD 구조는 3D MEMS 스위치와 여러 광 신호처리 모듈들(SSS, OPS 스위치, EDFA 등)이 연결되는 광 백플레인과 노드 입출력으로 구성된다. AoD 구조에서는 여러 광 모듈들 간 연결이 고정되어 있지 않아 수요에 따라 유연하게 조정할 수 있는 장점이 있다[20].

(그림 3)

AoD OCS를 사용한 연결 구조[20]

LIGHTNESS에서 OPS 스위치는 (그림 4)와 같은 구조를 갖는다[20]. 입출력 포트는 N 개(N=F×M, 즉 F개 파이버가 각각 M개의 파장을 가짐)의 포트 수를 가진다. 각 파장은 각 ToR 스위치에 할당된다. 포토닉 스위치는 라벨 처리기, SOA 기반의 B&S 1×F 스위치, 스위치 컨트롤러로 구성된다. 충돌회피 블록은 F×1 파장선택기(WS)와 파장 변환기(WC)로 구성되어 목적지 ToR 스위치에 도달하는 출력 파이버에 동일한 파장이 두 개 이상 할당되지 않도록 한다. 스위칭 정보는 인밴드 RF 톤 라벨링 기술을 사용하여 처리시간을 줄이고 확장성을 개선하였다. 클라이언트 측의 라벨 발생부에서는 M개의 이진 부호화된 RF 톤을 페이로드의 스펙트럼 인밴드에 삽입하여 N개의 파장에 실어 보낸다. 이 방식은 M×N 라벨 비트와 2^M×N 포트로 확장시킬 수 있고, 라벨이 병렬로 처리되어 톤의 수에 관계없이 처리 시간이 결정되는 장점이 있다[26].

(그림 4)

LIGHTNESS의 OPS 스위치 구조[20]

나. COSIGN

COSIGN 프로젝트를 통해 덴마크 공대(Technical University of Denmark)에서 제안한 WDM 링 구조와 영국 브리스톨대학교(UoB)에서 제안한 평탄 구조가 (그림 5)에 나와 있다. WDM 링 구조의 경우, 스위칭 방식은 다차원 SDM/TDM 스위칭으로 스위칭 계위별로 이종의 MCF/Fiber/WDM/TDM 스위치를 적용하여 적절한 단위로 스위칭을 하도록 하였다. SDM 기반 파이버는 MCF, MEF, HCPBF 등이 있다. 특히 NIC 대신에 FPGA 기반 SIC를 사용하여 기능별(CPU, 메모리, 스토리지)로 모아 놓은 컴퓨터 블레이드(Disaggregated computer blade)를 광 스위치와 효율적으로 연결할 수 있도록 하였다. 평탄 구조에서는 풀 메시로 WSS/AWG 기반의 광 ToR 스위치를 사용하여 다른 ToR과 직접 연결하였다. OCS 용 스위치는 MEMS 스위치에 비해 손실이 적은 192x192 Polatis 파이버 스위치[27]를 사용하였고, OPS용 고속 스위치는 InP 기반 칩 기술을 사용한 4×4 AVC OXS 스위치를 사용하여 구성하였다. COSIGN에 사용된 주요 모듈/부품이 (그림 6)에 나와 있다. COSIGN은 광 데이터 평면 자원을 점진적으로 도입함으로써 전광 DCN을 향하여 광 데이터 평면 기술 발전 및 성능 개선을 도모하고 있다[24].

(그림 5)

COSIGN DCN 구조[24]

(그림 6)

COSIGN DCN에 사용된 디바이스들[21]

4×4 AVC 기반 OXS는 (그림 5)와 같이 스위칭 그리드 매트릭스의 크로스 포인트에 위치한 16개의 독립된 스위칭 셀로 구성된다. 각각의 AVC 셀 토폴로지는 On/Off 스위칭을 수행한다. 현재 개발 중인 2세대 4×4 OXS 모듈은 AVC와 유사한 모놀리식 InP 기반 칩 구조로 PDL 특성이 우수하다.

다. NEPHELE

NEPHELE는 (그림 7)과 같이 WDN 링 구조를 기본으로 하고 있으며, 이를 중첩하여 다중 평면 구조로 확장할 수 있다. 광 스위치는 ToR 스위치와 POD 스위치가 있다. POD 스위치는 WDM 링 내에 하나의 노드를 구성하며 몇 개의 랙을 한 그룹으로 묶는다. POD 스위치에서는 POD 내 연결 및 POD 간 연결을 위해 OPS와 OCS 기능을 모두 수행할 수 있다. 이를 위해 POD 스위치는 (그림 8)과 같이 3개의 1×80 AWG와 80개의 1×2 WSS 스위치를 사용하여 80×80 용량을 구현하였다. ToR 스위치와의 연결은 1×2 PLZT 스위치와 커플러로 이루어진다. ToR 스위치는 고속 파장가변 송신기(FTL)와 버스트 모드 수신기(BMR), 데이터 패킷 처리용 FPGA, 4×4 PLZT 스위치를 구비하고 있다. NEPHELE SDN 컨트롤러를 통해 POD 및 ToR 스위치를 제어할 수 있다. DCN의 제어는 TDMA 스케줄러에 의해 수행되는데, TDMA 동작은 타임 슬롯 기반으로 이루어진다. 한 스케줄의 길이는 16.8ms이며, 패킷 길이 200µs와 가드 타임 10µs인 80개의 슬롯을 갖는다. 스케줄의 길이는 요구된 트래픽 패턴에 따라 변할 수 있다.

(그림 7)

NEPHELE DCN 구조[25]

(그림 8)

NEPHELE POD 스위치 구성도[22]

라. HOPR

일본 NTT에서는 (그림 9)와 같이 HOPR과 OpenFlow 컨트롤러를 결합한 다차원의 토러스(Torus) 토폴로지 DCN 구조를 제안하였다[23]. 토러스 토폴로지는 간단하고 신속한 라우팅 알고리즘이 가능하여 충돌 회피용 에너지 소모형 버퍼의 사용을 줄일 수 있다. 이 구조에서 OpenFlow 기반의 중앙집중형 제어와 라벨 처리 기반의 분산 제어의 결합으로 단일 하드웨어 플랫폼상에서 OPS와 OCS를 모두 실현할 수 있다. 토러스 DCN은 확장성이 뛰어나고 목적지 루트가 다양하여 노드 장애시 경로보호 능력이 우수하다는 장점이 있으나, 멀티 홉 전송이 필요하다는 단점을 가지고 있다[28]. HOPR은 100Gb/s 링크 속도를 지원하며 라벨 정보를 이용한 패킷 포워딩으로 광 스위칭을 수행한다. 구성을 보면 크게 광 패킷 스위치와 공유 버퍼 두 부분으로 나누며, 광 패킷 스위치는 라벨 처리기, 8×8 광 스위치, FDL로 구성된다. 공유 버퍼는 CMOS와 100G (4×25G) 파장가변/BM 광 송/수신기로 이루어지며, 40G (4×10GbE) ToR 스위치와 광 스위치 간 브릿지 역할을 수행한다. FDL과 공유 버퍼는 충돌 회피용 대체 경로로 사용되며, 또한, FDL은 OCS 패킷 경로용으로도 사용된다[29].

(그림 9)

HOPR과 Torus-DCN 구조[23]

HOPR에서 사용된 고속 광 스위치로는 WR 스위치와 B&S 스위치가 있다. 이 두 스위치의 구조가 (그림 10)에 나와 있다. WR 스위치는 파장 가변 변환기(TWC)와 N×N AWG로 구성된다. AWG의 출력 포트는 입력 파장에 의해 결정되기 때문에 TWC에서 패킷 파장을 원하는 파장으로 변환함으로써 입력 패킷을 원하는 출력 포트로 포워드 시킬 수 있다. WR 광 스위치는 AWG 손실 증가 없이 파장-채널 간격을 좁혀서 포트 수 N을 증가시킬 수 있으므로 확장성이 우수하나, WDM 패킷 처리에 적합하지 않다. B&S 스위치는 1×N 광 스플리터와 광 게이트로 구성되며, 원하는 출력 포트에 연결된 광 게이트를 사용하여 빛을 통과시키거나 차단시킴으로써 광 스위칭이 수행된다. B&S 광 스위치는 스위치 포트 수가 증가하면 분할 손실이 증가하므로 확장성이 제한되나, 광 게이트의 간단한 제어로 빛을 차단 또는 통과시킬 수 있는 장점이 있다. 광 게이트는 EAM 게이트를 사용하였다[23]. <표 4>는 스위치 구조에 따른 HOPR 시작품을 비교한 것이다. B&S 스위치 방식이 소비 전력과 노드 지연에서 우수한 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

(그림 10)

WR 스위치와 B&S 스위치 구조[23]

<표 4>

스위치 구조에 따른 HOPR 비교