[論文レビュー] PowerTCP: Pushing the Performance Limits of Datacenter Networks

Vamsi Addanki, Oliver Michel+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2021

Software-Defined Networks and 5G被引用数 14

ひとこと要約

PowerTCP は、現在のスループットと帯域幅遅延積の積として定義されるネットワークパワーに応じて反応することで、データセンターネットワークの性能を向上させる新しいコグネッション制御アルゴリズムである。これにより、より速く正確なウィンドウ調整が可能となり、DCQCN や TIMELY よりも 80% 低いテールフローフルーショック時間、再構成可能なデータセンターでは 2 倍低いテールレイテンシーを達成している。また、インバンドテレメトリを用いて高いスループットを維持し、最小限のキューイング遅延を実現している。

ABSTRACT

Increasingly stringent throughput and latency requirements in datacenter networks demand fast and accurate congestion control. We observe that the reaction time and accuracy of existing datacenter congestion control schemes are inherently limited. They either rely only on explicit feedback about the network state (e.g., queue lengths in DCTCP) or only on variations of state (e.g., RTT gradient in TIMELY). To overcome these limitations, we propose a novel congestion control algorithm, PowerTCP, which achieves much more fine-grained congestion control by adapting to the bandwidth-window product (henceforth called power). PowerTCP leverages in-band network telemetry to react to changes in the network instantaneously without loss of throughput and while keeping queues short. Due to its fast reaction time, our algorithm is particularly well-suited for dynamic network environments and bursty traffic patterns. We show analytically and empirically that PowerTCP can significantly outperform the state-of-the-art in both traditional datacenter topologies and emerging reconfigurable datacenters where frequent bandwidth changes make congestion control challenging. In traditional datacenter networks, PowerTCP reduces tail flow completion times of short flows by 80% compared to DCQCN and TIMELY, and by 33% compared to HPCC even at 60% network load. In reconfigurable datacenters, PowerTCP achieves 85% circuit utilization without incurring additional latency and cuts tail latency by at least 2x compared to existing approaches.

研究の動機と目的

• バーストトラフィックおよび動的トポロジーの下で反応が遅いコグネッション制御アルゴリズムが引き起こすデータセンターネットワークの性能ボトルネックを解消すること。
• 従来のコグネッション制御方式が、キュー長などの絶対的ネットワーク状態や RTT の勾配といった変化率にのみ反応するという根本的な制限を克服すること。
• 帯域幅が頻繁に変化する再構成可能なデータセンターにおいて、高速かつ正確で安定したコグネッション制御を実現すること。
• ネットワークパワーを測定するインバンドネットワークトレメトリを活用することで、高いスループットと最小限のキューイング遅延を実現し、コグネッションウィンドウを調整すること。
• 従来型および新興のデータセンターアーキテクチャの両方において、フローフルーショック時間とネットワーク利用率を向上させること。

提案手法

• ネットワーク電流（スループット）と電圧（帯域幅遅延積）の積として定義される「ネットワークパワー」の概念を導入し、ボトルネックリンクの有効利用度をモデル化する。
• インラインネットワークトレメトリ（INT）を用いて、キュー長や RTT といったリアルタイムのネットワーク状態を測定し、ネットワークパワーを正確に算出する。
• ネットワークパワーの変化に応じて反応するウィンドウ調整メカニズムを設計することで、従来の電圧または電流のみに依存する方式よりも高速かつ正確な応答を実現する。
• インスタント・ネットワークパワーの値に基づいて動的にコグネッションウィンドウを調整する制御則を定式化し、安定性と高速収束を保証する。
• 既存のデータセンタートランスポートスタックとシームレスに統合可能な送信元ベースの TCP 向けアルゴリズムとして PowerTCP を実装する。
• トレース駆動シミュレーションおよび実世界のテストベッドを用いて、従来のファットツリー構造と再構成可能なデータセンターネットワーク（RDCNs）の両方でアルゴリズムを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワークの絶対的状態と傾向（すなわちパワー）の両方に反応するコグネッション制御アルゴリズムが、従来の電圧または電流ベースの方式よりも優れた性能を発揮できるか？
• RQ2 再構成可能なデータセンターにおけるバーストトラフィックパターンと頻繁な帯域幅再設定の下で、PowerTCP はどの程度の性能を示すか？
• RQ3 PowerTCP は、高いスループットと低いキューイング遅延を維持しながら、テールフローフルーショック時間をどの程度短縮できるか？
• RQ4 RDCNs において、追加のキューイング遅延を負担せずに、近似的に 100% の回路利用率を達成できるか？
• RQ5 動的ネットワークトポロジー環境下で、PowerTCP の反応速度と正確性は、HPCC や DCQCN、TIMELY といった最先端のアルゴリズムと比べてどの程度か？

主な発見

• 60% のネットワーク負荷下で、PowerTCP は DCQCN や TIMELY よりもテールフローフルーショック時間を 80% 低減した。
• 再構成可能なデータセンターでは、PowerTCP は追加の遅延を負担せずに 85% の回路利用率を達成し、スループットとキューイング遅延の両面で HPCC や reTCP を上回った。
• 再構成可能なデータセンター環境下で、PowerTCP は既存のアプローチと比較して、テールキューイングレイテンシーを最低でも 2 倍短縮した。
• reTCP が高用量のプリバッファリング誘発遅延に苦しむのとは対照的に、PowerTCP は reTCP よりも最低でも 5 倍のテールレイテンシー低減を達成した。
• PowerTCP は、完全な帯域幅利用を達成しながらも、ほぼゼロのキュー長を維持しており、優れた安定性と応答性を示した。
• 解析的および実験的結果から、ネットワークパワーに基づくウィンドウ調整が、電圧または電流のみに依存する制御則よりも、より高速な収束性と優れた公平性を実現することが確認された。