[논문 리뷰] Better Algorithms for Hybrid Circuit and Packet Switching in Data Centers

Liang Liu, Long Gong외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 18.

Interconnection Networks and Systems참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 데이터 센터에서 하이브리드 회로 및 패킷 스위칭을 위한 두 가지 새로운 알고리즘—2-hop Eclipse와 Best First Fit (BFF)—을 제안한다. 2-hop Eclipse는 잔여 용량(슬랙)을 통한 간접 라우팅을 가능하게 하여 Eclipse++에 비해 더 낮은 계산 비용으로 성능을 향상시킨다. 반면 BFF는 회로 스위치의 부분 재구성 기능을 활용하여 높은 처리량을 달성하면서도 복잡도를 크게 감소시켜 기존 방법들보다 효율성과 확장성 면에서 뛰어나다.

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.

연구 동기 및 목표

• growing traffic 및 대역폭 수요 증가에 따라 기존 데이터 센터 네트워크의 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 대부분의 트래픽이 고대역폭 회로 스위치로 오프로드되도록 하이브리드 DCN에서 회로 스위치 스케줄링을 최적화하여 느린 패킷 스위치의 부담을 최소화하기 위해.
• 하이브리드 스위칭에서 전송 시간과 계산 비용을 줄이면서도 높은 처리량을 유지하기 위해.
• 간접 라우팅과 부분 재구성 기능이 회로 스위치에서 스케줄링 효율성을 향상시키는 데 잠재력을 지녀야 하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 2-hop Eclipse는 최대 비용 조정 유용도를 갖는 매칭을 반복적으로 선택하는 탐욕 휴리스틱을 사용하여, 기존 연결의 잔여 용량(슬랙)을 통해 간접 라우팅을 가능하게 하여 자원 활용도를 향상시킨다.
• 이 알고리즘은 직접 라우팅 제약 조건 하에 작동하지만, 이전 매칭에서 유도된 슬랙을 활용하여 추가 트래픽을 간접적으로 라우팅함으로써, 더 낮은 복잡도로 Eclipse++의 성능을 모방한다.
• BFF(Best First Fit)는 부분 재구성 가능한 회로 스위치를 대상으로 하며, 높은 유용도 매칭을 우선순위로 삼고 가용 슬랙과 재구성 창을 동적으로 반영하는 탐욕 전략을 사용한다.
• BFF는 부분 재구성을 통해 스위치 구성에 대한 점진적 업데이트를 허용함으로써 전체 재구성의 필요성을 줄여 지연 시간과 계산 비용을 감소시킨다.
• 두 알고리즘 모두 하이브리드 스위칭 문제를 이원 매칭 스케줄링 작업으로 모델링하며, 목표는 총 전송 시간을 최소화하고 회로 스위칭 트래픽을 최대화하는 것이다.
• 알고리즘들은 비영제로 재구성 지연과 대역폭 제약 조건과 같은 현실적인 제약 조건 하에서 평가되었으며, 총 전송 시간과 계산 복잡도를 성능 측정 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잔여 용량을 통한 간접 라우팅이 높은 계산 비용 없이 하이브리드 스위칭에서 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 회로 스위치의 부분 재구성 기능을 어떻게 활용하면 스케줄링 성능을 향상시키고 복잡도를 낮출 수 있는가?
• RQ3 하이브리드 스위칭 알고리즘이 Eclipse++ 수준의 성능을 달성하면서도 상당히 낮은 계산 오버헤드를 가지는가?
• RQ4 하이브리드 회로 및 패킷 스위칭 스케줄링에서 성능(처리량)과 계산 복잡도 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 2-hop Eclipse는 전체 흐름 계산을 피하기 때문에 계산 복잡도를 크게 낮추면서도 전송 시간 감소 측면에서 Eclipse++과 유사한 성능을 달성한다.
• BFF는 Eclipse++ 및 기타 최첨단 알고리즘과 유사하거나 더 우수한 성능을 보이며, 계산 복잡도가 상당히 낮아 대규모 데이터 센터에 더 확장 가능하다.
• 2-hop Eclipse에서 슬랙 용량을 통한 간접 라우팅 사용은 전체 재구성 없이도 효과적인 트래픽 오프로드를 가능하게 하여 자원 활용도를 향상시킨다.
• BFF의 부분 재구성 기능 활용은 더 자주이고 효율적으로 구성 업데이트를 수행할 수 있게 하여 정지 시간을 줄이고 전체 처리량을 향상시킨다.
• 두 알고리즘 모두 총 전송 시간 측면에서 기존 솔루션을 능가하며, BFF는 계산 효율성 향상에서 가장 두드러진 개선을 보였다.
• 제안된 알고리즘은 간접 라우팅과 부분 재구성 기능을 하나의 프레임워크 안에서 효과적으로 결합한 최초의 사례로, 현대 하이브리드 데이터 센터 네트워크에 실용적이고 확장 가능한 솔루션을 제공한다.