[论文解读] A Flat and Scalable Data Center Network Topology Based on De Bruijn Graphs

Frank Dürr|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2016

Interconnection Networks and Systems被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于德布鲁因图的平面化、可扩展数据中心网络拓扑，通过消除层级交换机降低硬件成本。利用TCAM中的前缀匹配实现高效、低开销的路由，且转发表条目极少，该方法实现对数级路径长度，并可在通用交换机上部署——尽管相比Clos网络中的ECMP，吞吐量降低了25%，但仍为传统叶-脊拓扑提供了一种可行的替代方案。

ABSTRACT

Due to the requirement of hosting tens of thousands of hosts in today's data centers, data center networks strive for scalability and high throughput on the one hand. On the other hand, the cost for networking hardware should be minimized. Consequently, the number and complexity (e.g. TCAM size) of switches has to be minimized. These requirements led to network topologies like Clos and Leaf-Spine networks only requiring a shallow hierarchy of switches---two levels for Leaf-Spine networks. The drawback of these topologies is that switches at higher levels like Spine switches need a high port density and, thus, are expensive and limit the scalability of the network. In this paper, we propose a data center network topology based on De Bruijn graphs completely avoiding a switch hierarchy and implementing a flat network topology of top-of-rack switches instead. This topology guarantees logarithmic (short) path length. We show that the required routing logic can be implemented by standard prefix matching operations in hardware (TCAM) allowing for using commodity switches without any modification. Moreover, forwarding requires only a very small number of forwarding table entries, saving costly and energy-intensive TCAM.

研究动机与目标

• 解决依赖高密度端口脊交换机的传统Clos和叶-脊数据中心网络在可扩展性和成本方面的局限性。
• 探索平面化、恒定度数的网络拓扑作为分层设计的替代方案，以降低硬件复杂度和成本。
• 研究德布鲁因图是否能够提供一种可扩展的平面拓扑，并支持高效、硬件可实现的路由。
• 在真实流量模式下，评估基于德布鲁因图的路由与叶-脊及随机拓扑中ECMP的性能权衡。
• 证明基于德布鲁因图的路由可在通用交换机上通过极小的TCAM空间实现高效硬件部署。

提出的方法

• 设计一种基于德布鲁因图的平面化数据中心网络拓扑，其中机架顶部（ToR）交换机以恒定度数（例如d=2）直接互连。
• 通过TCAM中的前缀匹配操作实现德布鲁因路由，支持硬件级转发，且每台ToR交换机的表项极少（在128台交换机的拓扑中最多28项）。
• 采用软件定义网络（SDN）架构管理并配置基于德布鲁因图的网络，实现动态控制与监控。
• 利用德布鲁因图的数学结构，保证对数级路径长度和确定性路由，无需依赖概率性路径发现机制。
• 通过基于仿真的性能评估，将德布鲁因拓扑与叶-脊（LS/ECMP）、随机图（Random/ECMP）以及德布鲁因图加ECMP（DB/ECMP）进行对比。
• 模拟不同网络规模（8至128台ToR交换机）下的TCP吞吐量，涵盖随机主机间连接及不同机架间流量比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于德布鲁因图的拓扑能否在不依赖高密度端口脊交换机的情况下，实现对ToR交换机的可扩展平面互联？
• RQ2 使用TCAM实现德布鲁因路由的硬件效率如何，且在表项极少的情况下？
• RQ3 与最先进的叶-脊ECMP拓扑相比，平面德布鲁因拓扑在TCP吞吐量方面存在多大的性能损失？
• RQ4 在相同德布鲁因拓扑中，德布鲁因路由与ECMP路由在吞吐量和路由复杂度方面表现如何？
• RQ5 在真实机架间流量条件下，德布鲁因网络与平面随机图的性能表现如何？

主要发现

• 基于德布鲁因图的拓扑以恒定度数实现对数级路径长度，可在无需层级脊交换机的情况下实现对ToR交换机的可扩展互联。
• 德布鲁因路由仅需TCAM中的前缀匹配即可实现，128台交换机的拓扑中每台ToR交换机最多仅需28个转发表项，显著减少TCAM使用量。
• 在128台交换机（5120台主机）时，德布鲁因/DBRouting拓扑的吞吐量降至叶-脊/ECMP性能的25%，而随机图为35%。
• 德布鲁因路由（DB/DBRouting）在相同德布鲁因拓扑中可达到ECMP路由吞吐量的79%至97%，表明路由算法本身开销极低。
• 德布鲁因与叶-脊之间的性能差距主要源于更长的路径长度，而非路由效率低下，因为德布鲁因路由在相同拓扑中优于ECMP。
• 在高机架内流量（占云流量80%）的真实场景中，德布鲁因与叶-脊网络的性能差距可能缩小，使德布鲁因在该环境下更具成本-性能优势。