Doblando la luz para una Internet más barata

Las redes de área amplia (WAN), la columna vertebral global y los caballos de batalla de la Internet actual que conectan miles de millones de computadoras en continentes y océanos, son la base de los servicios en línea modernos. Dado que COVID-19 ha depositado una dependencia vital en los servicios en línea, las redes de hoy están luchando por ofrecer un alto ancho de banda y disponibilidad impuesta por las cargas de trabajo emergentes relacionadas con el aprendizaje automático, las videollamadas y la atención médica.

Para conectar WAN a lo largo de cientos de millas, los cables de fibra óptica que transmiten datos mediante la luz se colocan en nuestros vecindarios, hechos de hilos increíblemente delgados de vidrio o plástico conocidos como fibras ópticas. Si bien son extremadamente rápidos, no siempre son confiables: pueden escapar fácilmente del clima, tormentas eléctricas, accidentes e incluso animales. Estos desgarros pueden causar daños severos y costosos, lo que resulta en interrupciones del servicio 911, pérdida de conectividad a Internet e incapacidad para usar aplicaciones de teléfonos inteligentes.

Los científicos del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial del MIT (CSAIL) idearon recientemente una forma de preservar la red cuando la fibra está inactiva y reducir los costos. Su sistema, llamado «ARROW», reconfigura la luz óptica de una fibra dañada a otra sana, mientras utiliza un algoritmo en línea para planificar proactivamente posibles cortes de fibra con anticipación, basándose en las demandas del tráfico de Internet en tiempo real.

ARROW se basa en la encrucijada de dos enfoques diferentes: «ingeniería de tráfico con detección de fallas (TE)», una técnica que dirige el tráfico hacia donde están los recursos de ancho de banda durante los cortes de fibra, y «reconfiguración de longitud de onda», que restaura los recursos de ancho de banda fallidos mediante la reconfiguración la luz.

Aunque esta combinación es poderosa, el problema es matemáticamente difícil de resolver debido a su dureza NP en la teoría de la complejidad computacional.

El equipo creó un algoritmo novedoso que esencialmente puede crear «LotteryTickets» como una abstracción para el «problema de reconfiguración de la longitud de onda» en las fibras ópticas y solo introducir información esencial en el «problema de la ingeniería de tráfico». Esto funciona junto con su «método de restauración óptica» que mueve la luz de la fibra cortada a fibras saludables «sustitutas» para restaurar la conectividad de la red. El sistema también tiene en cuenta el tráfico en tiempo real para optimizar el rendimiento máximo de la red.

Usando simulaciones a gran escala y un banco de pruebas, ARROW podría transportar entre 2 y 2,4 veces más tráfico sin tener que implementar nuevas fibras, mientras que mantiene la red altamente confiable.

«ARROW se puede utilizar para mejorar la disponibilidad del servicio y mejorar la resistencia de la infraestructura de Internet contra cortes de fibra. Renueva la forma en que pensamos sobre la relación entre fallas y administración de red; anteriormente, las fallas eran eventos deterministas, donde falla significaba falla, y no No había manera de evitarlo, excepto sobreaprovisionar la red «, dice el postdoctorado del MIT Zhizhen Zhong, autor principal de un nuevo artículo sobre ARROW. «Con ARROW, algunas fallas pueden eliminarse o restaurarse parcialmente, y esto cambia la forma en que pensamos sobre la administración de redes y la ingeniería de tráfico, lo que abre oportunidades para repensar los sistemas de ingeniería de tráfico, los sistemas de evaluación de riesgos y las aplicaciones emergentes también».

Gestionar la reconfigurabilidad

El diseño de las infraestructuras de red actuales, tanto en centros de datos como en redes de área amplia, todavía sigue el «modelo de telefonía» en el que los ingenieros de redes tratan la capa física de las redes como una caja negra estática sin reconfigurabilidad.

Como resultado, la infraestructura de red está equipada para soportar la demanda de tráfico del peor de los casos en todos los escenarios de falla posibles, lo que la hace ineficiente y costosa. Sin embargo, las redes modernas tienen aplicaciones elásticas que podrían beneficiarse de una capa física reconfigurable dinámicamente, para permitir un alto rendimiento, baja latencia y una recuperación perfecta de fallas, lo que ARROW ayuda a habilitar.

En los sistemas tradicionales, los ingenieros de redes deciden de antemano cuánta capacidad proporcionar en la capa física de la red. Puede parecer imposible cambiar la topología de una red sin cambiar físicamente los cables, pero dado que las ondas ópticas se pueden redirigir utilizando espejos diminutos, son capaces de realizar cambios rápidos: no es necesario volver a cablear. Este es un ámbito en el que la red ya no es una entidad estática, sino una estructura dinámica de interconexiones que puede cambiar según la carga de trabajo.

Imagine un hipotético sistema de metro en el que algunos trenes pueden fallar de vez en cuando. La unidad de control del metro quiere planificar cómo distribuir a los pasajeros a rutas alternativas considerando todos los trenes y el tráfico posibles en ellos. Usando FLECHA, entonces, cuando un tren falla, la unidad de control simplemente anuncia a los pasajeros las mejores rutas alternativas para minimizar su tiempo de viaje y evitar la congestión.

«Mi objetivo a largo plazo es hacer que las redes de computadoras a gran escala sean más eficientes y, en última instancia, desarrollar redes inteligentes que se adapten a los datos y las aplicaciones», dice el profesor del MIT Manya Ghobadi, quien supervisó el trabajo. «Tener una topología óptica reconfigurable revoluciona la forma en que pensamos en una red, ya que realizar esta investigación requiere romper las ortodoxias establecidas durante muchos años en las implementaciones de WAN».

Para implementar ARROW en redes de área amplia del mundo real, el equipo ha estado colaborando con Facebook y espera trabajar con otros proveedores de servicios a gran escala. «La investigación proporciona una visión inicial de los beneficios de la reconfiguración. El potencial sustancial en la mejora de la confiabilidad es atractivo para la administración de redes en la columna vertebral de producción». dice Ying Zhang, gerente de ingeniería de software en Facebook que colabora en esta investigación.

«Estamos entusiasmados de que haya muchos desafíos prácticos por delante para llevar ARROW de las ideas del laboratorio de investigación a los sistemas del mundo real que sirven a miles de millones de personas, y posiblemente reducir la cantidad de interrupciones del servicio que experimentamos hoy, como menos informes de noticias sobre cómo la fibra los recortes afectan la conectividad a Internet «, dice Zhong. «Esperamos que ARROW pueda hacer que nuestra Internet sea más resistente a fallas con un costo menor».

Zhong escribió el artículo junto con la profesora del MIT Manya Ghobadi, el estudiante graduado del MIT Alaa Khaddaj, Jonathan Leach, Ying Zhang y Yiting Xia de Facebook. Presentarán la investigación sobre ARROW en la conferencia SIGCOMM de ACM.

El trabajo fue dirigido por MIT y está siendo evaluado para su implementación en Facebook.