[論文レビュー] Toward Sustainable Networking: Storage Area Networks with Network Coding

Ulric J. Ferner, Muriel Médard+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ストレージエリアネットワーク（SANs）におけるネットワーク符号化ストレージ（NCS）を提案し、ランダム線形ネットワーク符号化を用いてブロッキング確率を低下させることで、エネルギー消費を削減する。企業規模のSANsにおいて、必要となるドライブおよびサーバーの数を削減することで、20–50%のエネルギー節約を達成する。

ABSTRACT

This manuscript provides a model to characterize the energy savings of network coded storage (NCS) in storage area networks (SANs). We consider blocking probability of drives as our measure of performance. A mapping technique to analyze SANs as independent M/G/K/K queues is presented, and blocking probabilities for uncoded storage schemes and NCS are derived and compared. We show that coding operates differently than the amalgamation of file chunks and energy savings are shown to scale well with striping number. We illustrate that for enterprise-level SANs energy savings of 20-50% can be realized.

研究の動機と目的

• SANにおけるネットワーク符号化ストレージ（NCS）のエネルギー節約をモデル化・定量化すること。
• 非符号化および符号化ストレージ方式の両方に対して、M/G/K/Kキューイングモデルを用いてSANのブロッキング確率を分析すること。
• NCSがドライブ間の情報結合を活用し、有効なサービスユニットを増加させることで、従来の非符号化レプリケーションを上回ることを示すこと。
• ブロッキング確率の低減を、企業規模のSANにおける測定可能なエネルギーおよび財務的節約に変換すること。

提案手法

• 非符号化およびネットワーク符号化ストレージの両方の状況下で、ブロッキング確率を分析するために、SANを独立したM/G/K/Kキューとしてモデル化する。
• SANのストレージおよびリトリーブを、K台のサーバー、一般サービス時間、有限容量を持つキューイングシステムとして表現するためのマッピング技術を適用する。
• ランダム線形ネットワーク符号化（RLNC）の原則を用いてNCSを実装し、ファイル断片を複数のドライブにわたって符号化・復号化可能にする。
• M/G/K/Kモデル下での非符号化および符号化方式におけるブロッキング確率の解析的表現を導出する。
• PUE、1ビットあたりのサーバーおよびルータのエネルギー消費、通信負荷に基づくエネルギー消費モデルを導入し、SAN全体のエネルギー消費を推定する。
• 割引キャッシュフロー法およびNPV計算を用いて、ブロッキング確率の改善を財務的節約に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク符号化ストレージ（NCS）は、SANにおける従来の非符号化ストレージと比較して、どのようにブロッキング確率を低減するか？
• RQ2 企業規模のSANにおいて、ストリップングレートの上昇に伴い、NCSによるエネルギー節約はどの程度スケーリングするか？
• RQ3 NCSにおけるドライブ間の情報結合は、単純なファイル断片の統合と比較して、性能および効率面でどのように異なるか？
• RQ4 実世界の企業規模SANにおいて、NCSを用いることで達成可能なエネルギーおよび財務的節約の規模はどの程度か？
• RQ5 NCSの利点は、トラフィック負荷およびリクエスト到着の独立性にどのように依存するか？

主な発見

• NCSはドライブ間の情報結合を可能にし、有効なサービスユニットを増加させることで、非符号化ストレージよりもブロッキング確率をより効果的に低減する。
• 企業規模のSANにおいて、NCSによるエネルギー節約は、ストリップングレートおよび負荷状態に応じて20%から50%の範囲で変動する。
• ブロッキング確率の改善は、ストリップングレートの上昇に伴い良好にスケーリングされ、高いストリップングがエネルギー効率を向上させることを示している。
• 24 TBのデータ保存量の削減により、1台のサーバーをシャットダウン可能となり、一般的なSAN構成において27 W/TBのエネルギー節約が達成される。
• 企業規模のSANにおいて、NCSによる財務的節約は、10年間の期間で推定NPV（正の現在価値）が404万ドルから1,010万ドルに達する。
• NCSの利点は、適度から高めのトラフィック負荷および十分なリクエストの混合状態において顕著であり、Kleinrockの独立性仮定が妥当であることを裏付けている。