Сетевые архитектуры центров обработки данных

Дата -центр — это пул ресурсов (вычислительных, хранилищ, сетевых), соединенных между собой с помощью сети связи . ^[1]^[2] Сеть центра обработки данных (DCN) играет ключевую роль в центре обработки данных , поскольку она соединяет все ресурсы центра обработки данных вместе. Сети DCN должны быть масштабируемыми и эффективными, чтобы соединять десятки или даже сотни тысяч серверов и удовлетворять растущие потребности облачных вычислений . ^[3]^[4] Сегодняшние центры обработки данных ограничены межсетевыми сетями. ^[5]

Типы топологий сетей центров обработки данных

Сети центров обработки данных можно разделить на несколько отдельных категорий. ^[6]

Фиксированная топология
- Древовидный
  - Базовое дерево
  - Сеть Клос
    - ВЛ2
    - Жирное дерево
      - Аль-Фарес и др. ^[7]
      - Портленд ^[8]
      - Айви ^[9]
- Рекурсивный
  - DCell
  - BCube
  - МДКуб
  - ФиКонн
Гибкая топология
- Полностью оптический
  - OSA (архитектура оптической коммутации)
- Гибридный
  - c-Через
  - Гелиос

Типы сетевых архитектур центров обработки данных

Трехуровневый

Устаревшая состоящей трехуровневая архитектура DCN соответствует топологии сети на основе многокорневого дерева, из трех уровней сетевых коммутаторов, а именно уровней доступа, агрегирования и ядра. ^[10] Серверы . на нижних уровнях подключены напрямую к одному из коммутаторов пограничного уровня Коммутаторы совокупного уровня соединяют между собой несколько коммутаторов уровня доступа. Все коммутаторы совокупного уровня соединены друг с другом коммутаторами уровня ядра. Коммутаторы уровня ядра также отвечают за подключение центра обработки данных к Интернету . Трехуровневая — это обычная сетевая архитектура, используемая в центрах обработки данных. ^[10] Однако трехуровневая архитектура не способна удовлетворить растущий спрос на облачные вычисления. ^[11] На более высоких уровнях трехуровневой сети DCN наблюдается сильное превышение подписки. ^[3] Более того, масштабируемость — еще одна важная проблема в трехуровневой DCN. Основные проблемы, с которыми сталкивается трехуровневая архитектура, включают масштабируемость, отказоустойчивость, энергоэффективность и пропускную способность поперечного сечения. Трехуровневая архитектура использует сетевые устройства корпоративного уровня на более высоких уровнях топологии, которые являются очень дорогими и энергоемкими. ^[5]

Жирное дерево

Архитектура DCN с «толстым деревом» уменьшает проблему переподписки и пропускной способности, с которой сталкивается устаревшая трехуровневая архитектура DCN. «Толстое дерево» DCN использует архитектуру на базе обычных сетевых коммутаторов с топологией Clos . ^[3] Сетевые элементы в топологии «толстого дерева» также соответствуют иерархической организации сетевых коммутаторов на уровнях доступа, агрегации и ядра. Однако количество сетевых коммутаторов намного больше, чем в трехуровневой DCN. Архитектура состоит из k модулей, каждый из которых содержит (k/2) ² серверы, коммутаторы уровня доступа k/2 и коммутаторы совокупного уровня k/2 в топологии. Основные слои содержат (k/2) ² коммутаторы ядра, где каждый из коммутаторов ядра подключен к одному коммутатору совокупного уровня в каждом из модулей. Топология «толстого дерева» может обеспечить коэффициент переподписки до 1:1 и полную полосу пропускания пополам. ^[3] в зависимости от общей пропускной способности каждой стойки и пропускной способности, доступной на самых высоких уровнях дерева. Высшие ветви дерева обычно переподписаны по отношению к своим нижним ветвям в соотношении 1:5, при этом проблема усугубляется на самых высоких уровнях дерева, в том числе до 1:80 или 1:240 на самых высоких уровнях. ^[12] Архитектура толстого дерева использует настраиваемую схему адресации и алгоритм маршрутизации . Масштабируемость является одной из основных проблем в архитектуре DCN с «толстым деревом», и максимальное количество модулей равно количеству портов в каждом коммутаторе. ^[11]

DCell

DCell — это серверно-ориентированная гибридная архитектура DCN, в которой один сервер напрямую подключен к другому серверу. ^[4] Сервер в архитектуре DCell оснащен несколькими сетевыми картами (NIC). DCell следует рекурсивно построенной иерархии ячеек. Ячейка ₀ является базовой единицей и строительным блоком топологии DCell, расположенной на нескольких уровнях, где ячейка более высокого уровня содержит несколько ячеек нижнего уровня. Ячейка ₀ является строительным блоком топологии DCell, которая содержит n серверов и один стандартный сетевой коммутатор. Сетевой коммутатор используется только для подключения сервера внутри ячейки ₀ . Ячейка ₁ содержит k=n+1 ячеек _{ячейки 0} , и аналогично ячейка ₂ содержит k * n + 1 dcell ₁ . DCell представляет собой высокомасштабируемую архитектуру, в которой четырехуровневая DCell всего с шестью серверами в ячейке ₀ может вместить около 3,26 миллиона серверов. Помимо очень высокой масштабируемости, архитектура DCell отличается очень высокой структурной надежностью. ^[13] Однако поперечная полоса пропускания и задержка в сети являются серьезной проблемой в архитектуре DCell DCN. ^[1]

Другие

Некоторые из других известных DCN включают BCube, ^[14] Камкуб, ^[15] ФиКонн, ^[16] Желейная рыба, ^[17] и Скафида. ^[18] Доступно качественное обсуждение различных DCN, а также преимуществ и недостатков, связанных с каждым из них. ^[2]

Проблемы

Масштабируемость — одна из главных проблем DCN. ^[3] С появлением облачной парадигмы центры обработки данных должны масштабироваться до сотен тысяч узлов. Помимо обеспечения огромной масштабируемости, сети DCN также должны обеспечивать высокую пропускную способность. Современные архитектуры DCN, такие как трехуровневая DCN, предлагают плохую поперечную полосу пропускания и имеют очень высокий коэффициент превышения подписки вблизи корня. ^[3] Архитектура DCN с толстым деревом обеспечивает коэффициент превышения подписки 1:1 и высокую пропускную способность, но страдает от низкой масштабируемости, ограниченной k = общее количество портов в коммутаторе. DCell предлагает огромную масштабируемость, но обеспечивает очень низкую производительность при большой сетевой нагрузке и схемах трафика «один ко многим».

Анализ производительности DCN

Количественный анализ трехуровневой архитектуры, архитектуры «толстого дерева» и архитектуры DCell для сравнения производительности (на основе пропускной способности и задержки) выполняется для различных шаблонов сетевого трафика. ^[1] DCN с «толстым деревом» обеспечивает высокую пропускную способность и низкую задержку по сравнению с трехуровневым соединением и DCell. DCell страдает от очень низкой пропускной способности при высокой сетевой нагрузке и шаблонах трафика от одного до нескольких. Одной из основных причин низкой пропускной способности DCell является очень высокий коэффициент превышения подписки на каналах, соединяющих ячейки самого высокого уровня. ^[1]

Структурная надежность и возможность подключения DCN

DCell демонстрирует очень высокую устойчивость к случайным и целенаправленным атакам и сохраняет большую часть своего узла в гигантском кластере даже после 10% целевых сбоев. ^[13] множественные сбои, как целевые, так и случайные, по сравнению с «толстым деревом» и трехуровневыми DCN. ^[19] Одной из основных причин высокой надежности и возможности подключения DCell является ее множественная связь с другими узлами, чего нет в «толстом дереве» или трехуровневых архитектурах.

Энергоэффективность DCN

Обеспокоенность по поводу энергетических потребностей и воздействия центров обработки данных на окружающую среду усиливается. ^[5] Энергоэффективность является одной из основных задач современного сектора информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Считается, что сетевая часть центра обработки данных потребляет около 15% общего потребления киберэнергии. В 2010 году около 15,6 млрд кВтч энергии было использовано исключительно инфраструктурой связи в центрах обработки данных по всему миру. ^[20] Ожидается, что потребление энергии сетевой инфраструктурой в центрах обработки данных увеличится примерно до 50%. ^[5] Стандарт IEEE 802.3az был стандартизирован в 2011 году и использует метод адаптивной скорости соединения для повышения энергоэффективности. ^[21] Более того, в архитектурах «толстого дерева» и DCell используется обычное сетевое оборудование, которое по своей сути является энергоэффективным. Консолидация рабочей нагрузки также используется для повышения энергоэффективности за счет консолидации рабочей нагрузки на нескольких устройствах для отключения или перехода в режим сна неработающих устройств. ^[22]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д К. Билал, Су Хан, Л. Чжан, Х. Ли, К. Хаят, С. А. Мадани, Н. Мин-Аллах, Л. Ван, Д. Чен, М. Икбал, К.-З. Сюй и А.Ю. Зомайя, «Количественное сравнение современных архитектур центров обработки данных», « Параллелизм и вычисления: практика и опыт», том. 25, нет. 12, стр. 1771-1783, 2013.
^ Jump up to: ^а ^б М. Нурмохаммадпур, К.С. Рагхавендра, «Управление трафиком центра обработки данных: понимание методов и компромиссов», IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. ПП, нет. 99, стр. 1-1.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж М. Аль-Фарес, А. Лукиссас, А. Вахдат, Масштабируемая сетевая архитектура стандартного центра обработки данных 2, в: Конференция ACM SIGCOMM 2008 по передаче данных 3, Сиэтл, Вашингтон, 2008 г., стр. 63–74.
^ Jump up to: ^а ^б К. Го, Х. Ву, К. Тан, Л. Ши, Ю. Чжан, С. Лу, DCell: масштабируемая и отказоустойчивая сетевая структура для центров обработки данных, ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38 (4) (2008) 75 –86.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д К. Билал, С.У. Хан и А.Ю. Зомайя, «Зеленые сети центров обработки данных: проблемы и возможности», на 11-й Международной конференции IEEE по передовым технологиям (FIT), Исламабад, Пакистан, декабрь 2013 г., стр. 229–234.
^ Лю, Ян; Муппала, Джогеш К.; Вирарагаван, Малати ; Линь, Донг; Хамди, Мунир (2013). «Топологии сетей центров обработки данных: исследовательские предложения». В Лю, Ян; Муппала, Джогеш К.; Вирарагаван, Малати ; Лин, Донг (ред.). Сети центров обработки данных: топологии, архитектуры и характеристики отказоустойчивости . Springer Briefs по информатике. Чам: Международное издательство Springer. стр. 15–31. дои : 10.1007/978-3-319-01949-9_3 . ISBN 978-3-319-01949-9 .
^ Аль-Фарес, Мохаммед; Лукиссас, Александр; Вахдат, Амин (2008). «Масштабируемая стандартная сетевая архитектура центров обработки данных» . Материалы конференции ACM SIGCOMM 2008 по передаче данных . Сиэтл, Вашингтон, США: ACM Press. стр. 63–74. дои : 10.1145/1402958.1402967 . ISBN 978-1-60558-175-0 . S2CID 65842 .
^ Ниранджан Майсур, Радика; Памборис, Эндрю; Фаррингтон, Натан; Хуанг, Нельсон; Мири, Рай; Радхакришнан, Шивасанкар; Субраманья, Викрам; Вахдат, Амин (16 августа 2009 г.). «PortLand: масштабируемая отказоустойчивая сетевая структура центра обработки данных второго уровня» . Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM . 39 (4): 39–50. дои : 10.1145/1594977.1592575 . ISSN 0146-4833 .
^ Аль-Фарес, Мохаммед; Радхакришнан, Шивасанкар; Рагхаван, Барат; Хуанг, Нельсон; Вахдат, Амин (28 апреля 2010 г.). «Хедера: динамическое планирование потоков для сетей центров обработки данных» . Материалы 7-й конференции USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем . НСДИ'10. Сан-Хосе, Калифорния: Ассоциация USENIX: 19.
^ Jump up to: ^а ^б Cisco, Руководство по проектированию инфраструктуры центра обработки данных Cisco 2.5, Cisco Press, 2010.
^ Jump up to: ^а ^б Билал и др., «Таксономия и обзор зеленых сетей центров обработки данных», « Компьютерные системы будущего».
^ Гринберг, Альберт и др. «VL2: масштабируемая и гибкая сеть центров обработки данных». Материалы конференции ACM SIGCOMM 2009 по передаче данных. 2009.
^ Jump up to: ^а ^б К. Билал, М. Манзано, С.У. Хан, Э. Калле, К. Ли и А.Я. Зомайя, «О характеристике структурной устойчивости сетей центров обработки данных», IEEE Transactions on Cloud Computing, vol. 1, нет. 1, стр. 64–77, 2013.
^ Го, Чуаньсюн и др. «BCube: высокопроизводительная серверно-ориентированная сетевая архитектура для модульных центров обработки данных». Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM 39.4 (2009): 63-74.
^ Коста, П. и др. CamCube: центр обработки данных на основе ключей. Технический отчет MSR TR-2010-74, Microsoft Research, 2010.
^ Ли, Дэн и др. «FiConn: Использование резервного порта для соединения серверов в центрах обработки данных». ИНФОКОМ 2009, IEEE. ИИЭР, 2009.
^ Сингла, Анкит и др. «Медуза: случайное объединение центров обработки данных в сеть». 9-й симпозиум USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем (NSDI). 2012.
^ Дьярмати, Ласло и Туан Ань Тринь. «Scafida: архитектура центров обработки данных, основанная на безмасштабной сети». Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM 40.5 (2010): 4-12.
^ М. Мансано, К. Билал, Э. Калле и С.У. Хан, «О связности сетей центров обработки данных», IEEE Communications Letters, vol. 17, нет. 11, стр. 2172-2175, 2013.
^ Билал, К.; Хан, СУ; Зомая, А.Ю. (декабрь 2013 г.). «Зеленые сети центров обработки данных: проблемы и возможности» (PDF) . 2013 11-я Международная конференция «Передовые рубежи информационных технологий» . стр. 229–234. дои : 10.1109/FIT.2013.49 . ISBN 978-1-4799-2503-2 . S2CID 7136258 .
^ К. Билал, С.У. Хан, С.А. Мадани, К. Хаят, М.И. Хан, Н. Мин-Аллах, Дж. Колодзей, Л. Ван, С. Зеалли и Д. Чен, «Обзор экологических коммуникаций с использованием Adaptive Link». Скорость», « Кластерные вычисления», том. 16, нет. 3, стр. 575-589, 2013 г.
^ Хеллер, Брэндон; Ситхараман, Шринивасан; Махадеван, Прия; Якумис, Яннис; Шарма, Пунит; Банерджи, Суджата ; МакКаун, Ник (2010). «ElasticTree: экономия энергии в сетях центров обработки данных» (PDF) . Материалы 7-го симпозиума USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем, NSDI 2010, 28-30 апреля 2010 г., Сан-Хосе, Калифорния, США . Ассоциация ЮСЕНИКС. стр. 249–264.

[comparison-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д К. Билал, Су Хан, Л. Чжан, Х. Ли, К. Хаят, С. А. Мадани, Н. Мин-Аллах, Л. Ван, Д. Чен, М. Икбал, К.-З. Сюй и А.Ю. Зомайя, «Количественное сравнение современных архитектур центров обработки данных», « Параллелизм и вычисления: практика и опыт», том. 25, нет. 12, стр. 1771-1783, 2013.

[architecture-2] Jump up to: ^а ^б М. Нурмохаммадпур, К.С. Рагхавендра, «Управление трафиком центра обработки данных: понимание методов и компромиссов», IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. ПП, нет. 99, стр. 1-1.

[fat-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж М. Аль-Фарес, А. Лукиссас, А. Вахдат, Масштабируемая сетевая архитектура стандартного центра обработки данных 2, в: Конференция ACM SIGCOMM 2008 по передаче данных 3, Сиэтл, Вашингтон, 2008 г., стр. 63–74.

[dcell-4] Jump up to: ^а ^б К. Го, Х. Ву, К. Тан, Л. Ши, Ю. Чжан, С. Лу, DCell: масштабируемая и отказоустойчивая сетевая структура для центров обработки данных, ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38 (4) (2008) 75 –86.

[fit-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д К. Билал, С.У. Хан и А.Ю. Зомайя, «Зеленые сети центров обработки данных: проблемы и возможности», на 11-й Международной конференции IEEE по передовым технологиям (FIT), Исламабад, Пакистан, декабрь 2013 г., стр. 229–234.

[6] Лю, Ян; Муппала, Джогеш К.; Вирарагаван, Малати ; Линь, Донг; Хамди, Мунир (2013). «Топологии сетей центров обработки данных: исследовательские предложения». В Лю, Ян; Муппала, Джогеш К.; Вирарагаван, Малати ; Лин, Донг (ред.). Сети центров обработки данных: топологии, архитектуры и характеристики отказоустойчивости . Springer Briefs по информатике. Чам: Международное издательство Springer. стр. 15–31. дои : 10.1007/978-3-319-01949-9_3 . ISBN 978-3-319-01949-9 .

[7] Аль-Фарес, Мохаммед; Лукиссас, Александр; Вахдат, Амин (2008). «Масштабируемая стандартная сетевая архитектура центров обработки данных» . Материалы конференции ACM SIGCOMM 2008 по передаче данных . Сиэтл, Вашингтон, США: ACM Press. стр. 63–74. дои : 10.1145/1402958.1402967 . ISBN 978-1-60558-175-0 . S2CID 65842 .

[8] Ниранджан Майсур, Радика; Памборис, Эндрю; Фаррингтон, Натан; Хуанг, Нельсон; Мири, Рай; Радхакришнан, Шивасанкар; Субраманья, Викрам; Вахдат, Амин (16 августа 2009 г.). «PortLand: масштабируемая отказоустойчивая сетевая структура центра обработки данных второго уровня» . Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM . 39 (4): 39–50. дои : 10.1145/1594977.1592575 . ISSN 0146-4833 .

[9] Аль-Фарес, Мохаммед; Радхакришнан, Шивасанкар; Рагхаван, Барат; Хуанг, Нельсон; Вахдат, Амин (28 апреля 2010 г.). «Хедера: динамическое планирование потоков для сетей центров обработки данных» . Материалы 7-й конференции USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем . НСДИ'10. Сан-Хосе, Калифорния: Ассоциация USENIX: 19.

[cisco-10] Jump up to: ^а ^б Cisco, Руководство по проектированию инфраструктуры центра обработки данных Cisco 2.5, Cisco Press, 2010.

[taxonomy-11] Jump up to: ^а ^б Билал и др., «Таксономия и обзор зеленых сетей центров обработки данных», « Компьютерные системы будущего».

[vl2-12] Гринберг, Альберт и др. «VL2: масштабируемая и гибкая сеть центров обработки данных». Материалы конференции ACM SIGCOMM 2009 по передаче данных. 2009.

[tcs-13] Jump up to: ^а ^б К. Билал, М. Манзано, С.У. Хан, Э. Калле, К. Ли и А.Я. Зомайя, «О характеристике структурной устойчивости сетей центров обработки данных», IEEE Transactions on Cloud Computing, vol. 1, нет. 1, стр. 64–77, 2013.

[14] Го, Чуаньсюн и др. «BCube: высокопроизводительная серверно-ориентированная сетевая архитектура для модульных центров обработки данных». Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM 39.4 (2009): 63-74.

[15] Коста, П. и др. CamCube: центр обработки данных на основе ключей. Технический отчет MSR TR-2010-74, Microsoft Research, 2010.

[16] Ли, Дэн и др. «FiConn: Использование резервного порта для соединения серверов в центрах обработки данных». ИНФОКОМ 2009, IEEE. ИИЭР, 2009.

[17] Сингла, Анкит и др. «Медуза: случайное объединение центров обработки данных в сеть». 9-й симпозиум USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем (NSDI). 2012.

[18] Дьярмати, Ласло и Туан Ань Тринь. «Scafida: архитектура центров обработки данных, основанная на безмасштабной сети». Обзор компьютерных коммуникаций ACM SIGCOMM 40.5 (2010): 4-12.

[19] М. Мансано, К. Билал, Э. Калле и С.У. Хан, «О связности сетей центров обработки данных», IEEE Communications Letters, vol. 17, нет. 11, стр. 2172-2175, 2013.

[20] Билал, К.; Хан, СУ; Зомая, А.Ю. (декабрь 2013 г.). «Зеленые сети центров обработки данных: проблемы и возможности» (PDF) . 2013 11-я Международная конференция «Передовые рубежи информационных технологий» . стр. 229–234. дои : 10.1109/FIT.2013.49 . ISBN 978-1-4799-2503-2 . S2CID 7136258 .

[21] К. Билал, С.У. Хан, С.А. Мадани, К. Хаят, М.И. Хан, Н. Мин-Аллах, Дж. Колодзей, Л. Ван, С. Зеалли и Д. Чен, «Обзор экологических коммуникаций с использованием Adaptive Link». Скорость», « Кластерные вычисления», том. 16, нет. 3, стр. 575-589, 2013 г.

[22] Хеллер, Брэндон; Ситхараман, Шринивасан; Махадеван, Прия; Якумис, Яннис; Шарма, Пунит; Банерджи, Суджата ; МакКаун, Ник (2010). «ElasticTree: экономия энергии в сетях центров обработки данных» (PDF) . Материалы 7-го симпозиума USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем, NSDI 2010, 28-30 апреля 2010 г., Сан-Хосе, Калифорния, США . Ассоциация ЮСЕНИКС. стр. 249–264.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]