[論文レビュー] Better Algorithms for Hybrid Circuit and Packet Switching in Data Centers

Liang Liu, Long Gong+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Interconnection Networks and Systems参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、データセンタにおけるハイブリッド回路・パケットスイッチングのための2つの新規アルゴリズム—2ホップエクリプスとベストファーストフィット（BFF）—を提案する。2ホップエクリプスは、余剰容量（スラック）を介した間接ルーティングを可能にすることで、計算コストを低減しつつエクリプス++を上回る性能を実現する。一方、BFFは回路スイッチの部分再構成を活用し、大幅に低減された複雑性で高いスループットを達成し、従来の手法を効率性とスケーラビリティの両面で上回る。

ABSTRACT

Hybrid circuit and packet switching for data center networking (DCN) has received considerable research attention recently. A hybrid-switched DCN employs a much faster circuit switch that is reconfigurable with a nontrivial cost, and a much slower packet switch that is reconfigurable with no cost, to interconnect its racks of servers. The research problem is, given a traffic demand matrix (between the racks), how to compute a good circuit switch configuration schedule so that the vast majority of the traffic demand is removed by the circuit switch, leaving a remaining demand matrix that contains only small elements for the packet switch to handle. In this paper, we propose two new hybrid switch scheduling algorithms under two different scheduling constraints. Our first algorithm, called 2-hop Eclipse, strikes a much better tradeoff between the resulting performance (of the hybrid switch) and the computational complexity (of the algorithm) than the state of the art solution Eclipse/Eclipse++. Our second algorithm, called BFF (best first fit), is the first hybrid switching solution that exploits the potential partial reconfiguration capability of the circuit switch for performance gains.

研究の動機と目的

• 増大するトラフィックと帯域幅の需要に伴い、従来のデータセンターネットワークのスケーラビリティの限界を是正すること。
• ハイブリッドDCNにおける回路スイッチのスケジューリングを最適化し、大部分のトラフィックを高帯域幅の回路スイッチにオフロードすることで、遅延の高いパケットスイッチの負荷を最小限に抑えること。
• ハイブリッドスイッチングにおいて伝送時間を短縮し、計算コストを低減しつつ高いスループットを維持すること。
• 回路スイッチにおける間接ルーティングと部分再構成の可能性を検討し、スケジューリング効率を向上させること。

提案手法

• 2ホップエクリプスは、コスト補正付き利得が最大のマッチングを反復的に選択するグリーディーヒューリスティックを用い、既存接続の残余容量（スラック）を介した間接ルーティングを可能にすることで、リソース利用効率を向上させる。
• アルゴリズムは直接ルーティング制約下で動作するが、過去のマッチングからのスラックを活用して追加トラフィックを間接的にルーティングし、完全なマルチ・コンmodityフロー計算を回避することで、エクリプス++と同等のパフォーマンスを低い複雑性で実現する。
• BFF（ベストファーストフィット）は、部分再構成可能な回路スイッチを想定し、高い利得を持つマッチングを優先するグリーディー戦略を採用。利用可能なスラックと再構成ウィンドウに応じて動的に適応する。
• BFFは、回路スイッチ構成の段階的更新を可能にすることで、完全再構成の必要を減らし、結果として遅延と計算コストを低減する。
• 両アルゴリズムは、ハイブリッドスイッチング問題を、回路スイッチングトラフィックを最大化することで総伝送時間を最小化する二部マッチングスケジューリングタスクとしてモデル化する。
• アルゴリズムは、非ゼロの再構成遅延と帯域制限といった現実的な制約下で評価され、性能は総伝送時間と計算複雑性の観点から測定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 余剰容量（スラック）を介した間接ルーティングは、高い計算コストを伴わず、ハイブリッドスイッチングで効果的に活用可能か？
• RQ2 回路スイッチの部分再構成をどのように活用すれば、スケジューリングパフォーマンスを向上させるとともに複雑性を低減できるか？
• RQ3 ハイブリッドスイッチングアルゴリズムは、大幅に低い計算オーバーヘッドでエクリプス++と同等のパフォーマンスを達成可能か？
• RQ4 ハイブリッド回路・パケットスイッチングスケジューリングにおいて、パフォーマンス（スループット）と計算複雑性のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 2ホップエクリプスは、完全なマルチ・コンmodityフロー計算を回避することで、計算複雑性を顕著に低減しつつ、伝送時間短縮の面でエクリプス++と同等のパフォーマンスを達成する。
• BFFはエクリプス++や他の最先端手法と同等またはそれ以上のパフォーマンスを達成するが、計算複雑性が著しく低く抑えられており、大規模データセンタでのスケーラビリティに優れる。
• 2ホップエクリプスにおけるスラック容量を用いた間接ルーティングの活用により、完全再構成を要せず回路スイッチへの効果的なトラフィックオフロードが可能になり、リソース利用効率が向上する。
• BFFが部分再構成を活用することで、より頻繁かつ効率的な構成更新が可能になり、無駄な待機時間を削減し、全体のスループットが向上する。
• 両アルゴリズムとも、総伝送時間の観点で既存のソリューションを上回り、特にBFFは計算効率の向上が顕著に見られる。
• 本研究で提案されたアルゴリズムは、単一のフレームワーク内で間接ルーティングと部分再構成を効果的に統合した最初のものであり、現代のハイブリッドデータセンターネットワークにおける実用的でスケーラブルなソリューションを提供する。