ARROW, un réseau de fibre optique reconfigurable, vise à affronter la fin de la loi de Moore

Les réseaux étendus (WAN), l’épine dorsale mondiale et les chevaux de bataille de l’Internet d’aujourd’hui qui connectent des milliards d’ordinateurs sur les continents et les océans, sont à la base des services en ligne modernes. Comme COVID-19 a placé une dépendance vitale sur les services en ligne, les réseaux d’aujourd’hui ont du mal à fournir une bande passante et une disponibilité élevées imposées par les charges de travail émergentes liées à l’apprentissage automatique, aux appels vidéo et aux soins de santé.

Pour connecter des WAN sur des centaines de kilomètres, des câbles à fibres optiques qui transmettent des données à l’aide de la lumière sont enfilés dans nos quartiers, constitués de brins de verre ou de plastique incroyablement minces appelés fibres optiques. Bien qu’ils soient extrêmement rapides, ils ne sont pas toujours fiables : ils peuvent facilement se briser à cause des intempéries, des orages, des accidents et même des animaux. Ces déchirures peuvent causer des dommages graves et coûteux, entraînant des pannes de service 911, une perte de connectivité à Internet et l’impossibilité d’utiliser les applications pour smartphone.

Des scientifiques du Laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT (CSAIL) et de Facebook ont ​​récemment trouvé un moyen de préserver le réseau lorsque la fibre est en panne et de réduire les coûts. Leur système, appelé ARROW, reconfigure la lumière optique d’une fibre endommagée à une fibre saine, tout en utilisant un algorithme en ligne pour planifier de manière proactive les coupures de fibre potentielles à l’avance, en fonction des demandes de trafic Internet en temps réel.

ARROW est construit au carrefour de deux approches différentes : « l’ingénierie du trafic sensible aux pannes », une technique qui oriente le trafic là où se trouvent les ressources de bande passante pendant les coupures de fibre, et la « reconfiguration de la longueur d’onde », qui restaure les ressources de bande passante défaillantes en reconfigurant la lumière.

Bien que cette combinaison soit puissante, le problème est mathématiquement difficile à résoudre en raison de sa dureté NP dans la théorie de la complexité computationnelle.

L’équipe a créé un nouvel algorithme qui peut essentiellement créer des « tickets de loterie » en tant qu’abstraction pour le problème de reconfiguration de longueur d’onde sur les fibres optiques et n’alimenter que les informations essentielles dans le problème d’ingénierie du trafic. Cela fonctionne parallèlement à leur méthode de restauration optique, qui déplace la lumière de la fibre coupée vers des fibres saines pour restaurer la connectivité du réseau. Le système prend également en compte le trafic en temps réel pour optimiser le débit maximal du réseau.

À l’aide de simulations à grande échelle et d’un banc d’essai, ARROW pourrait transporter 2 à 2,4 fois plus de trafic sans avoir à déployer de nouvelles fibres, tout en maintenant le réseau hautement fiable.

« ARROW peut être utilisé pour améliorer la disponibilité des services et la résilience de l’infrastructure Internet contre les coupures de fibre. Il rénove la façon dont nous pensons la relation entre les défaillances et la gestion du réseau. Il n’y avait aucun moyen de contourner ce problème, sauf de sur-provisionner le réseau », explique le postdoctorant du MIT Zhizhen Zhong, l’auteur principal d’un nouvel article sur ARROW. « Avec ARROW, certaines défaillances peuvent être éliminées ou partiellement restaurées, et cela change notre façon de penser la gestion du réseau et l’ingénierie du trafic, ouvrant des opportunités pour repenser les systèmes d’ingénierie du trafic, les systèmes d’évaluation des risques et les applications émergentes également. »

La conception des infrastructures réseau d’aujourd’hui, à la fois dans les centres de données et dans les réseaux étendus, suit toujours le modèle de téléphonie, où les ingénieurs réseau traitent la couche physique des réseaux comme une boîte noire statique sans reconfigurabilité.

En conséquence, l’infrastructure réseau est équipée pour supporter la demande de trafic la plus défavorable dans tous les scénarios de défaillance possibles, ce qui la rend inefficace et coûteuse. Pourtant, les réseaux modernes ont des applications élastiques qui pourraient bénéficier d’une couche physique reconfigurable dynamiquement, pour permettre un débit élevé, une faible latence et une récupération transparente après les pannes, ce qu’ARROW aide à activer.

Dans les systèmes traditionnels, les ingénieurs réseau décident à l’avance de la capacité à fournir dans la couche physique du réseau. Il peut sembler impossible de changer la topologie d’un réseau sans changer physiquement les câbles, mais comme les ondes optiques peuvent être redirigées à l’aide de minuscules miroirs, elles sont capables de changements rapides : aucun recâblage n’est requis. C’est un domaine où le réseau n’est plus une entité statique mais une structure dynamique d’interconnexions qui peut changer en fonction de la charge de travail.

Imaginez un système de métro hypothétique où certains trains pourraient tomber en panne de temps en temps. L’unité de contrôle du métro souhaite planifier la façon de répartir les passagers sur des itinéraires alternatifs tout en tenant compte de tous les trains et trafics possibles. En utilisant ARROW, alors, lorsqu’un train tombe en panne, l’unité de contrôle annonce simplement aux passagers les meilleurs itinéraires alternatifs pour minimiser leur temps de trajet et éviter les embouteillages.

« Mon objectif à long terme est de rendre les réseaux informatiques à grande échelle plus efficaces et, à terme, de développer des réseaux intelligents qui s’adaptent aux données et aux applications », explique Manya Ghobadi, professeure adjointe au MIT, qui a supervisé les travaux. « Avoir une topologie optique reconfigurable révolutionne la façon dont nous pensons à un réseau, car effectuer cette recherche nécessite de briser les orthodoxies établies depuis de nombreuses années dans les déploiements WAN. »

Pour déployer ARROW dans des réseaux étendus du monde réel, l’équipe a collaboré avec Facebook et espère travailler avec d’autres fournisseurs de services à grande échelle. « La recherche fournit un premier aperçu des avantages de la reconfiguration. Le potentiel substantiel d’amélioration de la fiabilité est attrayant pour la gestion de réseau dans la dorsale de production », déclare Ying Zhang, ingénieur logiciel responsable chez Facebook qui a collaboré à cette recherche.

« Nous sommes ravis qu’il y ait de nombreux défis pratiques à relever pour faire passer ARROW des idées de laboratoire de recherche aux systèmes du monde réel qui servent des milliards de personnes, et éventuellement réduire le nombre d’interruptions de service que nous connaissons aujourd’hui, comme moins de reportages sur la façon dont les coupures de fibre affectent la connectivité Internet », explique Zhong. « Nous espérons qu’ARROW pourra rendre notre Internet plus résistant aux pannes à moindre coût. »

Zhong a écrit le journal aux côtés de Ghobadi ; Alaa Khaddaj, étudiante diplômée du MIT ; et les ingénieurs de Facebook Jonathan Leach, Ying Zhang et Yiting Xia. Ils ont présenté la recherche à la conférence SIGCOMM de l’ACM.