As redes de longa distância (WANs), a espinha dorsal global e a força motriz da Internet atual, que conectam bilhões de computadores em continentes e oceanos, são a base dos serviços online modernos. Como o COVID-19 depositou uma confiança vital nos serviços online, as redes de hoje estão lutando para fornecer alta largura de banda e disponibilidade impostas por cargas de trabalho emergentes relacionadas ao aprendizado de máquina, chamadas de vídeo e assistência médica.
Para conectar WANs ao longo de centenas de quilômetros, cabos de fibra ótica que transmitem dados usando luz são colocados em nossa vizinhança, feitos de fios incrivelmente finos de vidro ou plástico conhecidos como fibras óticas. Embora sejam extremamente rápidos, nem sempre são confiáveis: eles podem ser facilmente protegidos contra o clima, tempestades, acidentes e até mesmo animais. Esses rasgos podem causar danos graves e caros, resultando em interrupções do serviço 911, perda de conectividade com a Internet e incapacidade de usar aplicativos de smartphone.
Cientistas do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL) descobriram recentemente uma maneira de preservar a rede quando a fibra está desligada e reduzir custos. Seu sistema, chamado de “ARROW”, reconfigura a luz óptica de uma fibra danificada para uma fibra saudável, enquanto usa um algoritmo online para planejar de forma proativa possíveis cortes de fibra com antecedência, com base nas demandas de tráfego da Internet em tempo real.
ARROW é construído na encruzilhada de duas abordagens diferentes: "engenharia de tráfego ciente de falha (TE)", uma técnica que direciona o tráfego para onde os recursos de largura de banda estão durante os cortes de fibra, e "reconfiguração de comprimento de onda", que restaura recursos de largura de banda com falha reconfigurando a luz.
Embora essa combinação seja poderosa, o problema é matematicamente difícil de resolver por causa de sua dureza NP na teoria da complexidade computacional.
A equipe criou um novo algoritmo que pode essencialmente criar “LotteryTickets” como uma abstração para o “problema de reconfiguração de comprimento de onda” em fibras ópticas e apenas alimentar informações essenciais para o “problema de engenharia de tráfego”. Isso funciona junto com seu “método de restauração óptica”, que move a luz da fibra cortada para “substituir” as fibras saudáveis para restaurar a conectividade da rede. O sistema também leva em consideração o tráfego em tempo real para otimizar o rendimento máximo da rede.
Usando simulações em grande escala e uma base de teste, o ARROW pode transportar 2x-2.4x mais tráfego sem ter que implantar novas fibras, enquanto mantém a rede altamente confiável.
“O ARROW pode ser usado para melhorar a disponibilidade do serviço e aumentar a resiliência da infraestrutura da Internet contra cortes de fibra. Ele renova a maneira como pensamos sobre a relação entre falhas e gerenciamento de rede - anteriormente as falhas eram eventos determinísticos, em que falha significava falha e não havia maneira de contornar isso, exceto provisionar em excesso a rede ”, diz o pós-doutorando do MIT Zhizhen Zhong“ Com o ARROW, algumas falhas podem ser eliminadas ou parcialmente restauradas, e isso muda a maneira como pensamos sobre gerenciamento de rede e engenharia de tráfego, abrindo oportunidades para repensar os sistemas de engenharia de tráfego, sistemas de avaliação de risco e aplicativos emergentes também. ”Gerenciando a reconfigurabilidade.
O projeto das atuais infraestruturas de rede, tanto em datacenters como em redes de longa distância, ainda seguem o “modelo de telefonia”, em que os engenheiros de rede tratam a camada física das redes como uma caixa preta estática sem reconfigurabilidade.
Como resultado, a infraestrutura de rede está equipada para suportar a demanda de tráfego do pior caso em todos os cenários de falha possíveis, tornando-a ineficiente e cara. Ainda assim, as redes modernas têm aplicativos elásticos que podem se beneficiar de uma camada física dinamicamente reconfigurável, para permitir alto rendimento, baixa latência e recuperação contínua de falhas, que o ARROW ajuda a habilitar.
Em sistemas tradicionais, os engenheiros de rede decidem com antecedência quanta capacidade fornecer na camada física da rede. Pode parecer impossível mudar a topologia de uma rede sem mudar fisicamente os cabos, mas como as ondas ópticas podem ser redirecionadas usando pequenos espelhos, elas são capazes de mudanças rápidas: sem necessidade de religamento. Este é um reino onde a rede não é mais uma entidade estática, mas uma estrutura dinâmica de interconexões que pode mudar dependendo da carga de trabalho.
Imagine um sistema de metrô hipotético em que alguns trens podem falhar de vez em quando. A unidade de controle do metrô deseja planejar como distribuir os passageiros em rotas alternativas, considerando todos os trens e o tráfego possíveis. Usando o ARROW, então, quando um trem falha, a unidade de controle apenas anuncia aos passageiros as melhores rotas alternativas para minimizar o tempo de viagem e evitar congestionamentos.
“Meu objetivo de longo prazo é tornar as redes de computadores em grande escala mais eficientes e, por fim, desenvolver redes inteligentes que se adaptem aos dados e aos aplicativos”, diz Manya Ghobadi, professora do MIT, que supervisionou o trabalho. “Ter uma topologia óptica reconfigurável revoluciona a maneira como pensamos em uma rede, pois realizar essa pesquisa requer quebrar as ortodoxias estabelecidas por muitos anos em implantações de WAN. '
Para implantar o ARROW em redes de área ampla do mundo real, a equipe tem colaborado com o Facebook e espera trabalhar com outros provedores de serviços de grande escala. “A pesquisa fornece uma visão inicial dos benefícios da reconfiguração. O potencial substancial na melhoria da confiabilidade é atraente para o gerenciamento de rede no backbone de produção. ” diz Ying Zhang, gerente de engenharia de software do Facebook que colabora nessa pesquisa.
“Estamos entusiasmados com o fato de haver muitos desafios práticos à frente para trazer o ARROW de ideias de laboratórios de pesquisa para sistemas do mundo real que atendem a bilhões de pessoas e, possivelmente, reduzir o número de interrupções de serviço que experimentamos hoje, como menos relatórios de notícias sobre como fibra cortes afetam a conectividade com a Internet ”, diz Zhong. “Esperamos que o ARROW possa tornar nossa Internet mais resistente a falhas com menos custo.”
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