Le reti geografiche (WAN), le spine dorsali globali e i cavalli di battaglia dell'Internet di oggi che collegano miliardi di computer su continenti e oceani, sono le fondamenta dei moderni servizi online. Poiché il COVID-19 ha posto una dipendenza vitale dai servizi online, le reti odierne stanno lottando per fornire un'elevata larghezza di banda e disponibilità imposte dai carichi di lavoro emergenti relativi all'apprendimento automatico, alle videochiamate e all'assistenza sanitaria.
Per connettere le WAN su centinaia di chilometri, i cavi in fibra ottica che trasmettono dati utilizzando la luce sono infilati nei nostri quartieri, fatti di fili incredibilmente sottili di vetro o plastica noti come fibre ottiche. Sebbene siano estremamente veloci, non sono sempre affidabili: possono facilmente rompersi da intemperie, temporali, incidenti e persino animali. Questi strappi possono causare danni gravi e costosi, con conseguenti interruzioni del servizio di emergenza, perdita di connettività a Internet e impossibilità di utilizzare le app per smartphone.
Gli scienziati del Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) del MIT hanno recentemente escogitato un modo per preservare la rete quando la fibra è inattiva e ridurre i costi. Il loro sistema, chiamato "ARROW", riconfigura la luce ottica da una fibra danneggiata a una sana, mentre utilizza un algoritmo online per pianificare in modo proattivo potenziali tagli di fibra in anticipo, in base alle richieste di traffico Internet in tempo reale.
ARROW è costruito sull'incrocio di due diversi approcci: "ingegneria del traffico sensibile ai guasti (TE)", una tecnica che indirizza il traffico dove si trovano le risorse di larghezza di banda durante i tagli di fibra e "riconfigurazione della lunghezza d'onda", che ripristina le risorse di larghezza di banda non riuscite riconfigurando la luce.
Sebbene questa combinazione sia potente, il problema è matematicamente difficile da risolvere a causa della sua durezza NP nella teoria della complessità computazionale.
Il team ha creato un nuovo algoritmo che può essenzialmente creare "LotteryTickets" come un'astrazione per il "problema di riconfigurazione della lunghezza d'onda" su fibre ottiche e alimentare solo le informazioni essenziali nel "problema di ingegneria del traffico". Questo funziona insieme al loro "metodo di ripristino ottico" che sposta la luce dalla fibra tagliata a fibre sane "surrogate" per ripristinare la connettività di rete. Il sistema tiene conto anche del traffico in tempo reale per ottimizzare il throughput di rete massimo.
Utilizzando simulazioni su larga scala e un banco di prova, ARROW potrebbe trasportare 2x-2.4x più traffico senza dover distribuire nuove fibre, pur mantenendo la rete altamente affidabile.
“ARROW può essere utilizzato per migliorare la disponibilità del servizio e aumentare la resilienza dell'infrastruttura Internet contro i tagli di fibra. Rinnova il modo in cui pensiamo alla relazione tra i guasti e la gestione della rete: in precedenza i guasti erano eventi deterministici, dove guasto significava guasto, e non c'era modo di aggirarlo se non il sovraprovisioning della rete", afferma il postdoc del MIT Zhizhen Zhong "Con ARROW, alcuni guasti possono essere eliminati o parzialmente ripristinati, e questo cambia il modo in cui pensiamo alla gestione della rete e all'ingegneria del traffico, aprendo opportunità per ripensare i sistemi di ingegneria del traffico, i sistemi di valutazione del rischio e anche le applicazioni emergenti”. Gestire la riconfigurabilità.
La progettazione delle odierne infrastrutture di rete, sia nei datacenter che nelle reti geografiche, segue ancora il "modello di telefonia" in cui gli ingegneri di rete trattano lo strato fisico delle reti come una scatola nera statica senza riconfigurabilità.
Di conseguenza, l'infrastruttura di rete è attrezzata per trasportare la domanda di traffico peggiore in tutti i possibili scenari di guasto, rendendola inefficiente e costosa. Tuttavia, le reti moderne dispongono di applicazioni elastiche che potrebbero trarre vantaggio da un livello fisico riconfigurabile dinamicamente, per consentire un throughput elevato, una bassa latenza e un ripristino senza interruzioni dai guasti, che ARROW consente di abilitare.
Nei sistemi tradizionali, gli ingegneri di rete decidono in anticipo quanta capacità fornire nel livello fisico della rete. Potrebbe sembrare impossibile cambiare la topologia di una rete senza cambiare fisicamente i cavi, ma poiché le onde ottiche possono essere reindirizzate utilizzando minuscoli specchi, sono in grado di apportare modifiche rapide: non è necessario ricablare. Questo è un regno in cui la rete non è più un'entità statica ma una struttura dinamica di interconnessioni che può cambiare a seconda del carico di lavoro.
Immagina un ipotetico sistema di metropolitana in cui alcuni treni potrebbero guastarsi di tanto in tanto. L'unità di controllo della metropolitana vuole pianificare come distribuire i passeggeri su percorsi alternativi considerando tutti i possibili treni e il traffico su di essi. Utilizzando ARROW, poi, in caso di guasto di un treno, la centralina si limita ad annunciare ai passeggeri i migliori percorsi alternativi per ridurre al minimo i loro tempi di viaggio ed evitare congestioni.
"Il mio obiettivo a lungo termine è rendere più efficienti le reti di computer su larga scala e, infine, sviluppare reti intelligenti che si adattino ai dati e all'applicazione", afferma il professore del MIT Manya Ghobadi, che ha supervisionato il lavoro. "Avere una topologia ottica riconfigurabile rivoluziona il modo in cui pensiamo a una rete, poiché l'esecuzione di questa ricerca richiede la rottura delle ortodossie stabilite da molti anni nelle implementazioni WAN".
Per distribuire ARROW nelle reti geografiche reali, il team ha collaborato con Facebook e spera di lavorare con altri fornitori di servizi su larga scala. “La ricerca fornisce le prime informazioni sui vantaggi della riconfigurazione. Il sostanziale potenziale di miglioramento dell'affidabilità è interessante per la gestione della rete nella dorsale di produzione". afferma Ying Zhang, un ingegnere del software manager di Facebook che collabora a questa ricerca.
“Siamo entusiasti del fatto che ci sarebbero molte sfide pratiche da affrontare per portare ARROW dalle idee dei laboratori di ricerca ai sistemi del mondo reale che servono miliardi di persone e possibilmente ridurre il numero di interruzioni del servizio che sperimentiamo oggi, come meno notizie su come fibra i tagli influiscono sulla connettività Internet", afferma Zhong. "Speriamo che ARROW possa rendere la nostra Internet più resistente ai guasti con costi inferiori".
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