データセンターネットワークアーキテクチャ

データセンターとは、通信ネットワークを用いて相互接続されたリソース（コンピューティング、ストレージ、ネットワーク）のプールです。[ 1 ] [ 2 ]データセンターネットワーク（DCN）は、データセンター内のすべてのリソースを相互接続するため、データセンターにおいて極めて重要な役割を果たします。DCNは、クラウドコンピューティングの増大する需要に対応するために、数万台、あるいは数十万台のサーバーを接続できる拡張性と効率性を備えている必要があります。[ 3 ] [ 4 ]今日のデータセンターは、相互接続ネットワークによって制約を受けています。[ 5 ]

データセンターネットワークトポロジの種類

データセンターネットワークは複数のカテゴリに分けることができます。[ 6 ]

データセンターネットワークアーキテクチャの種類

3層

従来の3 層 DCN アーキテクチャは、アクセス層、集約層、コア層の 3 層のネットワークスイッチで構成される、マルチルートのツリーベースのネットワークトポロジに従います。 [ 10 ]最下層のサーバーは、エッジ層スイッチの 1 つに直接接続されます。集約層スイッチは、複数のアクセス層スイッチを相互接続します。すべての集約層スイッチは、コア層スイッチによって相互に接続されます。コア層スイッチは、データセンターをインターネットに接続する役割も担います。 3 層は、データセンターで使用される一般的なネットワークアーキテクチャです。[ 10 ]ただし、3 層アーキテクチャでは、増大するクラウドコンピューティングの需要に対応できません。[ 11 ] 3 層DCN の上位層は、非常にオーバーサブスクリプションされています。 [ 3 ]さらに、スケーラビリティは 3 層 DCN におけるもう 1 つの大きな問題です。3 層アーキテクチャが直面する主な問題には、スケーラビリティ、フォールトトレランス、エネルギー効率、および断面帯域幅があります[ 5 ]

太った木

ファットツリー DCN アーキテクチャは、従来の 3 層 DCN アーキテクチャが直面していたオーバーサブスクリプションと断面帯域幅の問題を軽減します。ファットツリー DCN は、Clos トポロジを使用したコモディティ ネットワーク スイッチ ベースのアーキテクチャを採用しています。[ 3 ]ファットツリー トポロジのネットワーク要素も、アクセス レイヤー、アグリゲート レイヤー、コア レイヤーのネットワーク スイッチの階層構造に従います。ただし、ネットワーク スイッチの数は 3 層 DCN よりはるかに多くなります。アーキテクチャはk個のポッドで構成され、各ポッドには (k/2) 2 個のサーバー、k/2 個のアクセス レイヤー スイッチ、k/2 個のアグリゲート レイヤー スイッチが含まれます。コア レイヤーには (k/2) 2 個のコア スイッチが含まれ、各コア スイッチは各ポッドの 1 つのアグリゲート レイヤー スイッチに接続されます。ファットツリー トポロジは、各ラックの合計帯域幅とツリーの最上位レベルで使用可能な帯域幅に応じて、最大 1:1 のオーバーサブスクリプション比と完全な二分帯域幅を提供できます[ 3 ]上位ツリーブランチは通常、下位ブランチに対して1:5の比率でオーバーサブスクリプションされており、この問題はツリーの最上位レベルでさらに深刻化し、最上位レベルでは最大1:80または1:240に達することもあります。[ 12 ] ファットツリーアーキテクチャは、カスタマイズされたアドレス指定方式とルーティングアルゴリズムを使用します。スケーラビリティはファットツリーDCNアーキテクチャにおける主要な課題の1つであり、ポッドの最大数は各スイッチのポート数と等しくなります。[ 11 ]

DCell

DCellは、1台のサーバーが1台のサーバーに直接接続される、サーバー中心のハイブリッドDCNアーキテクチャです。[ 4 ] DCellアーキテクチャのサーバーには、複数のネットワークインターフェイスカード（NIC）が装備されています。 DCellは、再帰的に構築されたセルの階層に従います。セル0は、複数のレベルに配置されたDCellトポロジの基本単位および構成要素であり、上位レベルのセルには複数の下位層のセルが含まれます。セル0は、 n台のサーバーと1つの汎用ネットワークスイッチを含むDCellトポロジの構成要素です。ネットワークスイッチは、セル0内のサーバーを接続するためにのみ使用されます。セル1にはk = n + 1個のセル0のセルが含まれ、同様にセル2にはk * n + 1個のdcell 1が含まれます。 DCellは非常にスケーラブルなアーキテクチャで、セル0にサーバーが6台しかない4レベルのDCellで約326万台のサーバーを収容できます[ 13 ]しかし、DCell DCNアーキテクチャでは、クロスセクション帯域幅とネットワーク遅延が大きな問題となる。[ 1 ]

その他

その他のよく知られているDCNとしては、BCube、[ 14 ]、Camcube、[ 15 ] 、 FiConn、[ 16 ]、 Jelly fish、[ 17 ]、Scafida [ 18 ]などがあります。さまざまなDCNに関する定性的な議論と、それぞれの利点と欠点が公開されています。[ 2 ]

課題

スケーラビリティは、DCN にとって最大の課題の 1 つです。[ 3 ]クラウド パラダイムの到来により、データセンターは数十万ノードまで拡張する必要が生じています。DCN は、非常に高いスケーラビリティを提供することに加えて、広い断面帯域幅も提供する必要があります。3 層 DCN などの現在の DCN アーキテクチャは、断面帯域幅が貧弱で、ルート付近のオーバーサブスクリプション比が非常に高くなります。[ 3 ]ファット ツリー DCN アーキテクチャは、1:1 のオーバーサブスクリプション比と広い断面帯域幅を実現しますが、スケーラビリティが低く、kはスイッチ内のポートの総数に制限されます。DCell は非常に高いスケーラビリティを提供しますが、ネットワーク負荷が高く、1 対多のトラフィック パターンではパフォーマンスが非常に低くなります。

DCNのパフォーマンス分析

3層、ファットツリー、DCellアーキテクチャの性能比較（スループットとレイテンシに基づく）を、異なるネットワークトラフィックパターンに対して定量的に分析した。[ 1 ]ファットツリーDCNは、3層およびDCellと比較して、高いスループットと低いレイテンシを実現する。DCellは、ネットワーク負荷が高く、1対多のトラフィックパターンではスループットが非常に低くなる。DCellのスループットが低い主な理由の1つは、最上位セルを相互接続するリンクにおけるオーバーサブスクリプション率が非常に高いことである。[ 1 ]

DCNの構造的堅牢性と接続性

DCellはランダム攻撃や標的型攻撃に対して非常に高い堅牢性を示し、標的型障害が10%発生した後でも、巨大クラスタ内のノードの大部分を保持します。[ 13 ]標的型かランダムかを問わず、複数の障害に対して、ファットツリーや3層DCNと比較して高い堅牢性を示します。[ 19 ] DCellの高い堅牢性と接続性の主な理由の1つは、ファットツリーや3層アーキテクチャには見られない、他のノードへの複数の接続性です。

DCNのエネルギー効率

データセンターのエネルギー需要と環境への影響に関する懸念が高まっています。[ 5 ]エネルギー効率は、今日の情報通信技術（ICT）分野における主要な課題の1つです。データセンターのネットワーク部分は、サイバーエネルギー使用量全体の約15%を消費すると言われています。2010年には、世界中のデータセンター内の通信インフラだけで約156億kWhのエネルギーが消費されました。[ 20 ]データセンター内のネットワークインフラによるエネルギー消費量は、データセンターで約50%に増加すると予想されています。[ 5 ] IEEE 802.3az規格は、エネルギー効率向上のためにアダプティブリンクレート技術を利用する規格として2011年に標準化されました。[ 21 ]さらに、ファットツリーおよびDCellアーキテクチャでは、本質的にエネルギー効率の高い汎用ネットワーク機器が使用されます。ワークロード統合もエネルギー効率向上に利用され、少数のデバイスにワークロードを統合することで、アイドル状態のデバイスの電源をオフにしたりスリープ状態にしたりします。[ 22 ]

参考文献

  1. ^ a b c d K. Bilal、SU Khan、L. Zhang、H. Li、K. Hayat、SA Madani、N. Min-Allah、L. Wang、D. Chen、M. Iqbal、C.-Z. Xu、AY Zomaya、「最先端のデータセンターアーキテクチャの定量的比較」『並行性と計算：実践と経験』第25巻、第12号、1771-1783頁、2013年。
  2. ^ a b M. Noormohammadpour、CS Raghavendra、「データセンタートラフィック制御：テクニックとトレードオフの理解」、IEEE Communications Surveys & Tutorials、vol. PP、no. 99、pp. 1-1。
  3. ^ a b c d e f M. Al-Fares、A. Loukissas、A. Vahdat、「スケーラブルなコモディティデータセンターネットワークアーキテクチャ」、ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data Communication、ワシントン州シアトル、2008 年、63 ～ 74 ページ。
  4. ^ a b C. Guo、H. Wu、K. Tan、L. Shi、Y. Zhang、S. Lu、「DCell：データセンター向けのスケーラブルでフォールトトレラントなネットワーク構造」、ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38 (4) (2008) 75–86。
  5. ^ a b c d K. Bilal、SU Khan、AY Zomaya、「グリーンデータセンターネットワーク：課題と機会」、第11回IEEE国際情報技術最先端会議（FIT）、パキスタン、イスラマバード、2013年12月、pp. 229-234。
  6. ^劉、楊;ムッパラ、ジョゲシュ K. Veeraraghavan, マラティー州;リン・ドン;ハムディ、ムニール (2013)。 「データセンター ネットワーク トポロジ: 研究提案」。劉、楊では。ムッパラ、ジョゲシュ K. Veeraraghavan, マラティー州;リン・ドン（編）。データセンター ネットワーク: トポロジ、アーキテクチャ、およびフォールト トレランス特性。 Springer のコンピュータ サイエンスに関するブリーフ。チャム：シュプリンガー・インターナショナル・パブリッシング。 pp.  15–31 .土井: 10.1007/978-3-319-01949-9_3。ISBN 978-3-319-01949-9。
  7. ^ Al-Fares, Mohammad; Loukissas, Alexander; Vahdat, Amin (2008). 「スケーラブルなコモディティデータセンターネットワークアーキテクチャ」 . ACM SIGCOMM 2008 データ通信会議議事録. シアトル, ワシントン州, 米国: ACM Press. pp.  63– 74. doi : 10.1145/1402958.1402967 . ISBN 978-1-60558-175-0. S2CID  65842 .
  8. ^ニランジャン・マイソール、ラディカ;アンドレアス、パンボリス。ネイサン・ファリントン。ファン、ネルソン。ミリ、パルディス。ラダクリシュナン、シヴァサンカール。スブラマーニャ、ヴィクラム。ヴァフダット、アミン (2009-08-16)。「PortLand: スケーラブルなフォールトトレラントなレイヤー 2 データセンター ネットワーク ファブリック」。ACM SIGCOMM コンピュータ通信のレビュー。39 (4): 39–50 .土井: 10.1145/1594977.1592575。ISSN 0146-4833。 
  9. ^ Al-Fares, Mohammad; Radhakrishnan, Sivasankar; Raghavan, Barath; Huang, Nelson; Vahdat, Amin (2010-04-28). 「Hedera: データセンターネットワーク向け動的フロースケジューリング」 .第7回USENIXネットワークシステム設計・実装会議議事録. NSDI'10. カリフォルニア州サンノゼ: USENIX Association: 19.
  10. ^ a b Cisco、「Cisco Data Center Infrastructure 2.5 設計ガイド」、Cisco Press、2010 年。
  11. ^ a b Bilal 他、 「グリーン データ センター ネットワークの分類と調査」、 Future Generation Computer Systems。
  12. ^ Greenberg, Albert他「VL2：スケーラブルで柔軟なデータセンターネットワーク」 ACM SIGCOMM 2009データ通信会議議事録。2009年。
  13. ^ a b K. Bilal、M. Manzano、SU Khan、E. Calle、K. Li、AY Zomaya、「データセンターネットワークの構造的堅牢性の特性評価について」、 IEEE Transactions on Cloud Computing、vol. 1、no. 1、pp. 64-77、2013。
  14. ^ Guo, Chuanxiong, et al. 「BCube: モジュラーデータセンター向けの高性能サーバー中心ネットワークアーキテクチャ」ACM SIGCOMM Computer Communication Review 39.4 (2009): 63-74.
  15. ^ Costa, P., et al. CamCube: キーベースのデータセンター. テクニカルレポート MSR TR-2010-74, Microsoft Research, 2010.
  16. ^ Li, Dan, et al. 「FiConn: データセンターにおけるサーバー相互接続のためのバックアップポートの使用」INFOCOM 2009, IEEE. IEEE, 2009.
  17. ^ Singla, Ankit, et al. 「Jellyfish: データセンターのランダムなネットワーク化」第9回USENIXネットワークシステム設計および実装シンポジウム（NSDI）。2012年。
  18. ^ Gyarmati, László, Tuan Anh Trinh. 「Scafida: スケールフリーネットワークに着想を得たデータセンターアーキテクチャ」ACM SIGCOMM Computer Communication Review 40.5 (2010): 4-12.
  19. ^ M. Manzano、K. Bilal、E. Calle、SU Khan、「データセンターネットワークの接続性について」、 IEEE Communications Letters、vol. 17、no. 11、pp. 2172-2175、2013年。
  20. ^ Bilal, K.; Khan, SU; Zomaya, AY (2013年12月). 「グリーンデータセンターネットワーク：課題と機会」(PDF) . 2013 第11回情報技術フロンティア国際会議. pp.  229– 234. doi : 10.1109/FIT.2013.49 . ISBN 978-1-4799-2503-2. S2CID  7136258 .
  21. ^ K. Bilal、SU Khan、SA Madani、K. Hayat、MI Khan、N. Min-Allah、J. Kolodziej、L. Wang、S. Zeadally、D. Chen、「アダプティブリンクレートを使用したグリーン通信に関する調査」、 Cluster Computing、vol. 16、no. 3、pp. 575-589、2013年
  22. ^ Heller, Brandon; Seetharaman, Srinivasan; Mahadevan, Priya; Yiakoumis, Yiannis; Sharma, Puneet; Banerjee, Sujata ; McKeown, Nick (2010). 「ElasticTree：データセンターネットワークの省エネ」（PDF） . Proceedings of the 7th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation, NSDI 2010, April 28-30, 2010, San Jose, CA, USA . USENIX Association. pp.  249– 264.
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