[论文解读] Better Algorithms for Hybrid Circuit and Packet Switching in Data Centers

Liang Liu, Long Gong+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Interconnection Networks and Systems参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了两种新颖的算法——2跳Eclipse和最佳优先匹配（BFF）——用于数据中心中的混合电路与分组交换。2跳Eclipse通过利用剩余容量（空闲容量）实现间接路由，在计算成本更低的情况下，性能优于Eclipse++；BFF则通过利用电路交换机的部分重配置，实现高吞吐量的同时显著降低复杂度，在效率和可扩展性方面优于现有方法。

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.

研究动机与目标

• 解决传统数据中心网络在流量和带宽需求不断增长背景下的可扩展性限制问题。
• 优化混合数据中心网络中电路交换机的调度，使大部分流量能卸载至高带宽电路交换机，从而最小化对较慢分组交换机的负载。
• 在保持高吞吐量的前提下，降低混合交换中的传输时间和计算成本。
• 探索在电路交换机中通过间接路由和部分重配置提升调度效率的潜力。

提出的方法

• 2跳Eclipse使用贪心启发式算法，迭代选择成本调整后效用最大的匹配对，通过现有连接中的剩余容量（空闲容量）实现间接路由，从而提升资源利用率。
• 该算法在直接路由约束下运行，但利用先前匹配对产生的空闲容量，实现额外流量的间接路由，其性能可媲美Eclipse++，同时计算复杂度更低。
• BFF（最佳优先匹配）专为部分可重配置的电路交换机设计，采用贪心策略，优先选择高效益匹配对，同时动态适应可用空闲容量和重配置窗口。
• BFF通过允许对电路交换机配置进行增量式更新，实现部分重配置，从而减少对完整重配置的需求，降低延迟和计算成本。
• 两种算法均将混合交换问题建模为二分图匹配调度任务，目标是通过最大化电路交换流量来最小化总传输时间。
• 算法在现实约束条件下进行评估，包括非零重配置延迟和带宽限制，性能指标包括总传输时间和计算复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不产生高计算成本的前提下，有效利用空闲容量实现间接路由？
• RQ2 如何通过电路交换机的部分重配置提升调度性能并降低复杂度？
• RQ3 能否设计一种混合交换算法，在显著降低计算开销的前提下，实现与Eclipse++相当的性能？
• RQ4 在混合电路与分组交换调度中，性能（吞吐量）与计算复杂度之间存在何种权衡？

主要发现

• 2跳Eclipse在传输时间减少方面达到与Eclipse++相当的性能，同时通过避免完整多商品流计算，显著降低了计算复杂度。
• BFF在性能上与Eclipse++及其他最先进算法相当或更优，但计算复杂度显著更低，使其在大规模数据中心中更具可扩展性。
• 2跳Eclipse通过空闲容量实现的间接路由，有效将流量卸载至电路交换机，且无需完整重配置，提升了资源利用率。
• BFF对部分重配置的利用，使得配置更新更频繁且高效，减少了空闲时间，提升了整体吞吐量。
• 两种算法在总传输时间方面均优于现有方案，其中BFF在计算效率方面表现最显著的提升。
• 所提出的算法是首个在单一框架中有效结合间接路由与部分重配置的方法，为现代混合数据中心网络提供了实用且可扩展的解决方案。