[論文レビュー] Isolating Mice and Elephant in Data Centers

Wenxue Cheng, Fengyuan Ren+4 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2016

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ひとこと要約

本稿では、データセンターネットワークにおける遅延に敏感な「マウス」フローとスループットに敏感な「イーリーフ」フローを別々のキューに分離することで、ホップバイホップ（例：PFC）およびエンドツーエンド（例：QCN）のフロー制御を独立して適用できるようにする。シミュレーションの結果、マウスフローの遅延が最低30％改善され、リンク利用率がほぼ100％に達することを確認した。これは、競合する混在制御メカニズムによって引き起こされる性能劣化を解消するものである。

ABSTRACT

Data centers traffic is composed by numerous latency-sensitive "mice" flows, which is consisted of only several packets, and a few throughput-sensitive "elephant" flows, which occupy more than 80% of overall load. Generally, the short-lived "mice" flows induce transient congestion and the long-lived "elephant" flows cause persistent congestion. The network congestion is a major performance inhibitor. Conventionally, the hop-by-hop and end-to-end flow control mechanisms are employed to relief transient and persistent congestion, respectively. However, in face of the mixture of elephants and mice, we find the hybrid congestion control scheme including hop-by-hop and end-to-end flow control mechanisms suffers from serious performance impairments. As a step further, our in-depth analysis reveals that the hybrid scheme performs poor at latency of mice and throughput of elephant. Motivated by this understanding, we argue for isolating mice and elephants in different queues, such that the hop-by-hop and end-to-end flow control mechanisms are independently imposed to short-lived and long-lived flows, respectively. Our solution is readily-deployable and compatible with current commodity network devices and can leverage various congestion control mechanisms. Extensive simulations show that our proposal of isolation can simultaneously improve the latency of mice by at least 30% and the link utilization to almost 100%.

研究の動機と目的

• ホップバイホップおよびエンドツーエンドの両方のフロー制御が適用される状況下で、短時間のマウスフローと長時間のイーリーフフローを共存させた場合に生じる性能劣化を調査すること。
• PFCとQCNが共有キュー内で相互作用する混合トラフィック環境における性能劣化の根本的原因を特定すること。
• マウスとイーリーフのフロー制御メカニズムを分離することで、遅延とスループットの両方を向上させる実用的でハードウェア互換性のあるソリューションを設計すること。
• マウスとイーリーフを分離することで、それぞれホップバイホップおよびエンドツーエンドのフロー制御を最適に活用できることを検証すること。この際、ハードウェアの変更は不要である。

提案手法

• ネットワークスイッチでマウスとイーリーフを別々のキューに分離することで、それらのフロー制御メカニズムを分離すること。
• マウスフローにのみホップバイホップのフロー制御（例：PFC）を適用し、一時的な混雑に対処すること。
• イーリーフフローにのみエンドツーエンドのフロー制御（例：QCN）を適用し、持続的な混雑を管理すること。
• さまざまなトラフィックパターンとフロー制御の組み合わせを評価するために、広範なシミュレーションを実施すること。
• ハードウェアの変更や新しいプロトコルの導入なしに、既存のコンsumerネットワークデバイスを活用すること。
• マウスフローの遅延、イーリーフフローのスループット、および全体のリンク利用率への影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホップバイホップおよびエンドツーエンドの両方のフロー制御が適用される状況で、マウスとイーリーフが1つのキューに共存すると、性能がどのように劣化するか？
• RQ2 共有キュー内でPFCとQCNが相互作用することで、マウスおよびイーリーフの両方の性能が劣化する理由は何か？
• RQ3 マウスとイーリーフを別々のキューに分離することで、ホップバイホップおよびエンドツーエンドのフロー制御メカニズム間の相互干渉を排除できるか？
• RQ4 キューの分離によって、マウスフローの遅延およびリンク利用率において、どの程度のパフォーマンス向上が達成可能か？
• RQ5 提案された分離ソリューションは、既存のコンsumerスイッチハードウェア上で、変更なしに展開可能か？

主な発見

• PFCとQCNのメカニズム間で汚染された混雑信号が発生するため、マウスとイーリーフが1つのキューに共存すると、深刻な性能劣化が生じる。
• マウスフローにはホップバイホップのフロー制御（PFC）のみで十分であり、イーリーフフローにはエンドツーエンドのフロー制御（QCN）のみで十分であるため、両方を併用する方式の必要性がなくなる。
• マウスとイーリーフを別々のキューに分離することで、共有キューでの統合制御と比較して、マウスフローの遅延が最低30％改善される。
• 分離方式では、リンク利用率がほぼ100％にまで上昇し、ハイブリッド制御アプローチを著しく上回る。
• 提案されたソリューションは、コンsumerスイッチ上で容易に展開可能であり、既存のハードウェアやプロトコルの変更を必要としない。
• キュー分離アプローチは、一時的混雑制御と持続的混雑制御の間の衝突を効果的に解消し、両方のフロー種別に対して最適なパフォーマンスを実現できる。