[論文レビュー] A Flat and Scalable Data Center Network Topology Based on De Bruijn Graphs

Frank Dürr|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2016

Interconnection Networks and Systems被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、階層的スイッチを排除し、ハードウェアコストを低減するために、De Bruijnグラフを用いた平坦でスケーラブルなデータセンターネットワークトポロジーを提案する。TCAMにおけるプレフィックスマッチングを活用することで、最小限のフォワーディングテーブルエントリで効率的で低オーバーヘッドのルーティングを実現し、対数的ルート長を達成。コンmodityスイッチ上での展開が可能であり、ClosネットワークにおけるECMPと比較して25%のスループット低下があるものの、Leaf-Spineトポロジーの実用的代替案を提供する。

ABSTRACT

Due to the requirement of hosting tens of thousands of hosts in today's data centers, data center networks strive for scalability and high throughput on the one hand. On the other hand, the cost for networking hardware should be minimized. Consequently, the number and complexity (e.g. TCAM size) of switches has to be minimized. These requirements led to network topologies like Clos and Leaf-Spine networks only requiring a shallow hierarchy of switches---two levels for Leaf-Spine networks. The drawback of these topologies is that switches at higher levels like Spine switches need a high port density and, thus, are expensive and limit the scalability of the network. In this paper, we propose a data center network topology based on De Bruijn graphs completely avoiding a switch hierarchy and implementing a flat network topology of top-of-rack switches instead. This topology guarantees logarithmic (short) path length. We show that the required routing logic can be implemented by standard prefix matching operations in hardware (TCAM) allowing for using commodity switches without any modification. Moreover, forwarding requires only a very small number of forwarding table entries, saving costly and energy-intensive TCAM.

研究の動機と目的

• 高ポート密度のスパinesスイッチに依存する従来のClosおよびLeaf-Spineデータセンターネットワークのスケーラビリティとコストの制限を解決すること。
• 階層的設計とは異なり、ハードウェア複雑性とコストを低減するための平坦で定数次数のネットワークトポロジーを代替として探求すること。
• De Bruijnグラフが、効率的でハードウェア実装可能なルーティングを備えたスケーラブルな平坦トポロジーを提供できるかを調査すること。
• 現実的なトラフィックパターン下での、De BruijnベースのルーティングとLeaf-SpineおよびランダムトポロジーにおけるECMPとのパフォーマンスのトレードオフを評価すること。
• De Bruijnルーティングが、コンmodityスイッチ上での最小限のTCAM領域を使用して、効率的にハードウェア実装可能であることを実証すること。

提案手法

• トポロジーオンラック（ToR）スイッチを定数次数（例：d=2）で直接相互接続する、De Bruijnグラフを用いた平坦なデータセンターネットワークトポロジーを設計する。
• TCAMにおけるプレフィックスマッチング操作を用いてDe Bruijnルーティングを実装し、最小限のテーブルエントリ（128スイッチのトポロジーにおいてToRスイッチ1台あたり最大28エントリ）でハードウェアレベルのフォワーディングを実現する。
• ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）アーキテクチャを用いてDe Bruijnベースのネットワークを管理・設定し、動的制御と監視を可能にする。
• De Bruijnグラフの数学的構造を活用して、確率的ルート発見に依存せずに、対数的ルート長と決定的ルーティングを保証する。
• シミュレーションを用いたパフォーマンス評価により、De BruijnトポロジーをLeaf-Spine（LS/ECMP）、ランダムグラフ（Random/ECMP）、およびDe Bruijn with ECMP（DB/ECMP）と比較する。
• ランダムなホスト間接続とラック間トラフィック比を想定し、ネットワークサイズの変化（8〜128台のToRスイッチ）に伴うTCPスループットをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 De Bruijnグラフベースのトポロジーは、高ポート密度のスパインスイッチを必要とせずに、ToRスイッチのスケーラブルで平坦な相互接続を達成できるか？
• RQ2 TCAMを用いたハードウェア実装において、De Bruijnルーティングは最小限のテーブルエントリでどれほど効率的に実装可能か？
• RQ3 TCPスループットという観点で、最新のLeaf-Spine ECMPトポロジーと比較して、平坦なDe Bruijnトポロジーのパフォーマンスペナルティはどの程度か？
• RQ4 同じDe Bruijnトポロジー内でのDe BruijnルーティングとECMPルーティングの間で、スループットとルーティング複雑性の観点からどのように比較できるか？
• RQ5 現実的なラック間トラフィック条件下で、De Bruijnネットワークと平坦なランダムグラフのパフォーマンスはどのように比較できるか？

主な発見

• De Bruijnベースのトポロジーは、定数次数で対数的ルート長を達成し、階層的スパインスイッチを必要とせずに、ToRスイッチのスケーラブルな相互接続を実現する。
• De Bruijnルーティングは、TCAMにおけるプレフィックスマッチングのみで実装可能であり、128スイッチのトポロジーにおいてToRスイッチ1台あたり最大28のフォワーディングテーブルエントリで十分であり、TCAM使用量を顕著に削減する。
• 128スイッチ（5120ホスト）の規模で、De Bruijn/DBRoutingトポロジーのスループットは、Leaf-Spine/ECMP性能の25%に低下するが、ランダムグラフの35%に比べて優位である。
• De Bruijnルーティング（DB/DBRouting）は、同じDe Bruijnトポロジー内でのECMPルーティングの79%から97%のスループットを達成しており、ルーティングアルゴリズム自体に最小限のオーバーヘッドがあることが示唆される。
• De BruijnとLeaf-Spine間のパフォーマンスギャップの主な要因は、長めのルート長に起因するものであり、ルーティングの非効率さではない。De Bruijnルーティングは、同じトポロジー内でのECMPルーティングを上回る性能を示している。
• クラウドトラフィックの80%がラック内トラフィックである現実的な状況下では、De BruijnとLeaf-Spineネットワークのパフォーマンスギャップが縮小する可能性があり、このような環境ではDe Bruijnのコストパフォーマンストレードオフがより有利になる。