Síťové architektury datových center - Data center network architectures

Datové centrum je fond zdrojů (výpočetních, úložných, síťových) propojených pomocí komunikační sítě . Data Center Network (DCN) má v datovém centru klíčovou roli , protože propojuje všechny prostředky datového centra dohromady. DCN musí být škálovatelné a efektivní pro připojení desítek nebo dokonce stovek tisíc serverů, aby zvládly rostoucí požadavky cloud computingu . Dnešní datová centra jsou omezena propojovací sítí.

Typy topologie sítě datových center

Sítě datových center lze rozdělit do několika samostatných kategorií.

  • Opravená topologie
  • Flexibilní topologie
    • Plně optický
      • OSA (Optical Switching Architecture)
    • Hybridní
      • c-Through
      • Heliosi

Typy sítě datových center

Třístupňová DCN

Odkaz třívrstvá DCN architektura následuje multi-kořeny stromů na bázi topologie sítě, složený ze tří vrstev síťové přepínače, tedy přístup, agregát a jádrových vrstvách. Tyto servery v nejnižších vrstvách jsou připojeny přímo k jednomu z přepínačů okraj vrstvy. Přepínače agregační vrstvy se vzájemně propojují s několika přepínači přístupové vrstvy. Všechny přepínače agregační vrstvy jsou navzájem propojeny přepínači základní vrstvy. Přepínače základní vrstvy jsou také zodpovědné za připojení datového centra k internetu . Třívrstvá je běžná síťová architektura používaná v datových centrech. Třívrstvá architektura však nedokáže zvládnout rostoucí poptávku po cloud computingu. Vyšší vrstvy třístupňových DCN jsou vysoce přepsány. Navíc je škálovatelnost dalším zásadním problémem třístupňových DCN. Mezi hlavní problémy, kterým čelí třístupňová architektura, patří škálovatelnost, odolnost proti chybám, energetická účinnost a šířka pásma průřezu. Třívrstvá architektura využívá síťová zařízení na podnikové úrovni ve vyšších vrstvách topologie, které jsou velmi drahé a náročné na energii.

Tlustý strom DCN

Fat Tree DCN architektura snižuje problém s předplatným a šířkou pásma, se kterým se potýká starší třístupňová architektura DCN. Fat Tree DCN využívá architekturu založenou na komoditních síťových přepínačích využívajících topologii Clos . Síťové prvky v topologii tlustých stromů také sledují hierarchickou organizaci síťových přepínačů v přístupových, agregačních a základních vrstvách. Počet síťových přepínačů je však mnohem větší než u třístupňového DCN. Architektura se skládá z k lusků, kde každý pod obsahuje, (k/2) 2 servery, k/2 přepínače přístupové vrstvy a k/2 přepínače agregační vrstvy v topologii. Vrstvy jádra obsahují (k/2) 2 přepínače jádra, kde každý z přepínačů jádra je připojen k jednomu přepínači agregované vrstvy v každém z modulů. Topologie tukových stromů může nabídnout poměr předplatného až 1: 1 a plnou šířku pásma v závislosti na celkové šířce pásma každého stojanu v porovnání s šířkou pásma, která je k dispozici na nejvyšších úrovních stromu. Vyšší větve stromů jsou obvykle přepsány na své nižší větve poměrem 1: 5, přičemž problém se komplikuje na nejvyšších úrovních stromů, včetně až 1:80 nebo 1: 240, na nejvyšších úrovních. Architektura tlustého stromu používá přizpůsobené schéma adresování a směrovací algoritmus . Škálovatelnost je jedním z hlavních problémů architektury DCN typu fat tree a maximální počet lusků se rovná počtu portů v každém přepínači.

DCell

DCell je hybridní architektura DCN zaměřená na server, kde je jeden server přímo připojen k jednomu serveru. Server v architektuře DCell je vybaven několika kartami síťového rozhraní (NIC). DCell sleduje rekurzivně vybudovanou hierarchii buněk. Buňka 0 je základní jednotkou a stavebním kamenem topologie DCell uspořádaných do více úrovní, kde buňka vyšší úrovně obsahuje více buněk nižší vrstvy. Buňka 0 je stavebním kamenem topologie DCell, která obsahuje n serverů a jeden přepínač komoditní sítě. Síťový přepínač se používá pouze k připojení serveru v buňce 0 . Buňka 1 obsahuje k = n + 1 buňka 0 buněk a podobně buňka 2 obsahuje k * n + 1 dcell 1 . DCell je vysoce škálovatelná architektura, kde čtyřúrovňový DCell s pouhými šesti servery v buňce 0 pojme přibližně 3,26 milionu serverů. Kromě velmi vysoké škálovatelnosti zobrazuje architektura DCell také velmi vysokou strukturální odolnost. Šířka pásma průřezu a latence sítě je však v architektuře DCell DCN zásadním problémem.

Ostatní

Mezi další známé DCN patří BCube, Camcube, FiConn, Jelly fish a Scafida. Byla zpřístupněna kvalitativní diskuse o různých DCN spolu s výhodami a nevýhodami spojenými s každou z nich.

Výzvy

Škálovatelnost je jednou z hlavních výzev DCN. S příchodem cloudového paradigmatu musí datová centra škálovat až stovky tisíc uzlů. Kromě toho, že DCN nabízejí obrovskou škálovatelnost, jsou také povinny poskytovat vysokou šířku pásma průřezu. Současné architektury DCN, jako je třístupňová DCN, nabízejí špatnou šířku pásma průřezu a mají velmi vysoký poměr předplatného poblíž kořene. Fat tree DCN architektura poskytuje poměr předplatení 1: 1 a vysokou šířku pásma průřezu, ale trpí nízkou škálovatelností omezenou na k = celkový počet portů v přepínači. DCell nabízí obrovskou škálovatelnost, ale poskytuje velmi špatný výkon při vysokém zatížení sítě a vzorcích provozu jeden na mnoho.

Analýza výkonu DCN

Kvantitativní analýza třívrstvých, tlustých stromových a DCell architektur pro srovnání výkonu (na základě propustnosti a latence) se provádí pro různé vzorce síťového provozu. Tlustý strom DCN poskytuje vysokou propustnost a nízkou latenci ve srovnání s třívrstvým a DCell. DCell trpí velmi nízkou propustností při vysokém zatížení sítě a jedním až mnoha vzory provozu. Jedním z hlavních důvodů nízké propustnosti DCell je velmi vysoký poměr předplatného u odkazů, které propojují buňky nejvyšší úrovně.

Strukturální robustnost a konektivita DCN

DCell vykazuje velmi vysokou odolnost proti náhodným a cíleným útokům a ponechává si většinu svého uzlu v obřím klastru i po 10% cíleného selhání. vícenásobné selhání, cílené nebo náhodné, ve srovnání s tlustým stromem a třístupňovými DCN. Jedním z hlavních důvodů vysoké robustnosti a konektivity DCell je jeho vícenásobné připojení k jiným uzlům, které se nenachází v tlustých stromových nebo tříúrovňových architekturách.

Energetická účinnost DCN

Obavy z energetických potřeb a dopadů datových center na životní prostředí sílí. Energetická účinnost je jednou z hlavních výzev dnešního odvětví informačních a komunikačních technologií (ICT). Síťová část datového centra spotřebovává přibližně 15% celkové spotřeby počítačové energie. V roce 2010 celosvětově spotřebovala komunikační infrastruktura v datových centrech po celém světě přibližně 15,6 miliardy kWh energie. Očekává se, že spotřeba energie síťovou infrastrukturou v datovém centru se v datových centrech zvýší na přibližně 50%. V roce 2011 byl standardizován standard IEEE 802.3az, který využívá technologii adaptivní rychlosti připojení pro energetickou účinnost. Architektury fat tree a DCell navíc používají zařízení komoditní sítě, které je ze své podstaty energeticky účinné. Konsolidace pracovní zátěže se také používá pro energetickou účinnost konsolidací pracovní zátěže na několika zařízeních k vypnutí nebo uspání nečinných zařízení.

Reference

  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 a AY Zomaya, „Kvantitativní srovnání stavů architektur datových center,“ Souběžnost a výpočet: praxe a zkušenosti, sv. 25, č. 12, s. 1771-1783, 2013.
  2. ^ a b M. Noormohammadpour, CS Raghavendra, „Datacenter Traffic Control: Understanding Techniques and Trade-off“, IEEE Communications Surveys & Tutorials, sv. PP, č. 99, s. 1-1.
  3. ^ a b c d e f M. Al-Fares, A. Loukissas, A. Vahdat, A scalable, commodity data center 2 network architecture, in: ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data 3 Communication, Seattle, WA, 2008, pp. 63–74.
  4. ^ a b C. Guo, H. Wu, K. Tan, L. Shi, Y. Zhang, S. Lu, DCell: škálovatelná a odolná proti chybám síťová struktura pro datová centra, ACM SIGCOMM Kontrola počítačové komunikace 38 (4) ( 2008) 75–86.
  5. ^ a b c d K. Bilal, SU Khan a AY Zomaya, „Green Data Center Networks: Challenges and Opportunities“, v 11. mezinárodní konferenci IEEE o hranicích informačních technologií (FIT), Islamabad, Pákistán, prosinec 2013, str. 229-234.
  6. ^ Liu, Yang; Muppala, Jogesh K .; Veeraraghavan, Malathi; Lin, Dong; Hamdi, Mounir (2013), Liu, Yang; Muppala, Jogesh K .; Veeraraghavan, Malathi; Lin, Dong (eds.), „Topologie sítě datových center: Návrhy výzkumu“ , Sítě datových center: topologie, architektury a charakteristiky tolerance vůči chybám, SpringerBriefs v informatice, Cham: Springer International Publishing, s. 15–31, doi : 10.1007/978-3-319-01949-9_3 , ISBN 978-3-319-01949-9, vyvolány 2021-02-10
  7. ^ Al-Fares, Mohammad; Loukissas, Alexander; Vahdat, Amin (2008). „Škálovatelná, komoditní síťová architektura datových center“ . Sborník z konference ACM SIGCOMM 2008 o datové komunikaci - SIGCOMM '08 . Seattle, WA, USA: ACM Press: 63. doi : 10,1145/1402958.1402967 . ISBN 978-1-60558-175-0. S2CID  65842 .
  8. ^ Niranjan Mysore, Radhika; Pamboris, Andreas; Farrington, Nathan; Huang, Nelson; Miri, Pardis; Radhakrishnan, Sivasankar; Subramanya, Vikram; Vahdat, Amin (2009-08-16). „PortLand: škálovatelná síťová struktura datového centra vrstvy 2 odolná vůči chybám“ . Kontrola počítačové komunikace ACM SIGCOMM . 39 (4): 39–50. doi : 10,1145/1594977,1592575 . ISSN  0146-4833 .
  9. ^ Al-Fares, Mohammad; Radhakrishnan, Sivasankar; Raghavan, Barath; Huang, Nelson; Vahdat, Amin (2010-04-28). „Hedera: dynamické plánování toků pro sítě datových center“ . Sborník příspěvků ze 7. konference USENIX o návrhu a implementaci síťových systémů . NSDI'10. San Jose, Kalifornie: USENIX Association: 19.
  10. ^ a b Cisco, Cisco Data Center Infrastructure 2.5 Design Guide, Cisco Press, 2010.
  11. ^ a b Bilal et al., „Taxonomie a průzkum na sítích zelených datových center“, Počítačové systémy budoucí generace.
  12. ^ Greenberg, Albert a kol. „VL2: škálovatelná a flexibilní síť datových center.“ Sborník příspěvků z konference ACM SIGCOMM 2009 o datové komunikaci. 2009.
  13. ^ a b K. Bilal, M. Manzano, SU Khan, E. Calle, K. Li a AY Zomaya, „On the Characterization of the Structural Robustness of Data Center Networks,“ IEEE Transactions on Cloud Computing, sv. 1, č. 1, s. 64-77, 2013.
  14. ^ Guo, Chuanxiong, et al. „BCube: vysoce výkonná síťová architektura zaměřená na server pro modulární datová centra.“ Recenze počítačové komunikace ACM SIGCOMM 39.4 (2009): 63-74.
  15. ^ Costa, P., et al. CamCube: datové centrum založené na klíčích. Technická zpráva MSR TR-2010-74, Microsoft Research, 2010.
  16. ^ Li, Dan a kol. "FiConn: Použití záložního portu pro propojení serveru v datových centrech." INFOCOM 2009, IEEE. IEEE, 2009.
  17. ^ Singla, Ankit a kol. „Medúza: Síťová datová centra náhodně.“ 9. USENIX Symposium on Design and Implementation Networked Systems (NSDI). 2012.
  18. ^ Gyarmati, László a Tuan Anh Trinh. "Scafida: Architektura datového centra inspirovaná sítí bez měřítka." Recenze počítačové komunikace ACM SIGCOMM 40.5 (2010): 4-12.
  19. ^ M. Manzano, K. Bilal, E. Calle a SU Khan, „O konektivitě sítí datových center“, IEEE Communications Letters, sv. 17, č. 11, s. 2172-2175, 2013.
  20. ^ Bilal, K .; Khan, SU; Zomaya, AY (prosinec 2013). „Sítě zelených datových center: výzvy a příležitosti“ (PDF) . 2013, 11. mezinárodní konference o hranicích informačních technologií : 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 a D. Chen, „Průzkum zelené komunikace pomocí adaptivního odkazu Sazba, „ Cluster Computing, sv. 16, č. 3, s. 575-589, 2013
  22. ^ Heller, Brandon a kol. „ElasticTree: Úspora energie v sítích datových center.“ NSDI. Sv. 10. 2010.