[논문 리뷰] High throughput data center topology design

Ankit Singla, P. Brighten Godfrey외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 02.

Interconnection Networks and Systems참고 문헌 26인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 균일한 트래픽 하에서 동일한 스위치로 구성된 데이터센터 네트워크에 대해 처음으로 비자명한 스루풋 상한선을 확립하며, 무작위 네트워크 구조가 이 상한선에 몇 퍼센트 내외로 도달함을 보여준다. 이 통찰을 바탕으로 이질적 네트워크 구조를 설계하여, 기존 장비를 사용한 실세계 구현 사례인 VL2에서 최대 43% 높은 스루풋을 달성함을 입증한다.

ABSTRACT

With high throughput networks acquiring a crucial role in supporting data-intensive applications, a variety of data center network topologies have been proposed to achieve high capacity at low cost. While this work explores a large number of design points, even in the limited case of a network of identical switches, no proposal has been able to claim any notion of optimality. The case of heterogeneous networks, incorporating multiple line-speeds and port-counts as data centers grow over time, introduces even greater complexity.In this paper, we present the first non-trivial upper-bound on network throughput under uniform traffic patterns for any topology with identical switches. We then show that random graphs achieve throughput surprisingly close to this bound, within a few percent at the scale of a few thousand servers. Apart from demonstrating that homogeneous topology design may be reaching its limits, this result also motivates our use of random graphs as building blocks for design of heterogeneous networks. Given a heterogeneous pool of network switches, we explore through experiments and analysis, how the distribution of servers across switches and the interconnection of switches affect network throughput. We apply these insights to a real-world heterogeneous data center topology, VL2, demonstrating as much as 43% higher throughput with the same equipment.

연구 동기 및 목표

• 균일한 트래픽 하에서 동일한 스위치로 구성된 데이터센터 네트워크 구조에 대해 스루풋의 이론적 상한선을 확립하기.
• 기존의 네트워크 구조, 특히 무작위 그래프가 이 이론적 한계에 실제로 얼마나 가까이 도달하는지 조사하기.
• 동일한 네트워크에서의 통찰을 선형 속도와 포트 수가 다른 스위치가 혼합된 이질적 데이터센터로 확장하기.
• 이질적 네트워크에서 서버 분포와 스위치 간 상호연결을 최적화하여 스루풋을 극대화하기.
• 실세계 데이터센터 네트워크 구조(VL2)에서 제안된 설계를 검증하여 기존 하드웨어를 사용해도 상당한 스루풋 향상을 달성할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 균일한 트래픽 패턴 하에서 동일한 스위치로 구성된 어떤 네트워크 구조에 대해서도 비자명한 이론적 스루풋 상한선을 유도하기.
• 무작위 그래프 모델을 후보 네트워크 구조로 활용하여 이론적 스루풋 상한선에 얼마나 가까이 도달하는지 평가하기.
• 스위치의 이질성—특히 선형 속도와 포트 수의 차이—가 종단 간 네트워크 스루풋에 미치는 영향 분석하기.
• 시뮬레이션과 분석 모델링을 활용하여 서버가 스위치에 어떻게 분포되어 있고, 스위치 간 상호연결 패턴이 어떤 영향을 미치는지 연구하기.
• 유도된 설계 원칙을 적용하여 실세계 VL2 데이터센터 네트워크 구조를 재구성하고, 스위치 수준의 자원 할당과 상호연결 구조에 중점을 두기.
• 동일한 물리적 장비를 사용하여 원본과 최적화된 네트워크 간 비교 실험을 통해 성능 향상을 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 트래픽 하에서 동일한 스위치로 구성된 어떤 네트워크 구조라도 달성할 수 있는 이론적 최대 스루풋은 얼마인가?
• RQ2 무작위 그래프 기반 네트워크 구조는 현실적인 규모의 데이터센터에서 이 이론적 스루풋 상한선에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ3 선형 속도와 포트 수의 차이가 있는 스위치의 이질성이 종단 간 네트워크 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이질적 스위치에 서버를 어떻게 분포시키고 상호연결 패턴을 구성해야 스루풋을 극대화할 수 있는가?
• RQ5 제안된 설계 원칙은 추가 하드웨어 없이도 실세계 데이터센터(VL2)에서 상당한 스루풋 향상을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 논문은 균일한 트래픽 하에서 동일한 스위치로 구성된 데이터센터 네트워크에 대해 처음으로 비자명한 이론적 스루풋 상한선을 확립한다.
• 무작위 그래프 기반 네트워크 구조는 스케일이 클수록 이 이론적 상한선에 몇 퍼센트 내외로 도달하며, 이는 동일한 설계가 성능 한계에 거의 도달하고 있음을 시사한다.
• 이질적 네트워크에서는 서버가 스위치에 어떻게 분포되어 있고, 상호연결 구조가 스루풋에 상당한 영향을 미치며, 최적의 구성이 상당한 성능 향상을 이끌어낸다.
• 실세계 VL2 네트워크에 적용했을 때, 제안된 설계는 추가 장비 없이도 기존 하드웨어만으로도 네트워크 스루풋을 최대 43% 향상시킨다.
• 결과적으로, 스위치 수준의 자원 할당과 상호연결 계획을 신중히 수립하면 물리적 인프라를 업그레이드하지 않더라도 상당한 성능 향상을 이룰 수 있음을 보여준다.
• 이론적 상한선은 기준이 되며, 현재의 동일한 네트워크 설계는 이론적 최적에 거의 도달하고 있음을 보여주지만, 이질적 구성에서는 여전히 상당한 향상 여지가 있음을 시사한다.