[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出在存储区域网络（SANs）中采用网络编码存储（NCS），通过随机线性网络编码降低阻塞概率，从而减少能耗，在企业级SAN中实现20%–50%的节能效果，主要通过减少所需磁盘和服务器数量达成。

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.

研究动机与目标

• 对存储区域网络（SANs）中网络编码存储（NCS）的节能效果进行建模与量化分析。
• 利用M/G/K/K排队模型分析UNCOD和CODED存储方案在SAN中的阻塞概率。
• 证明NCS通过驱动间信息耦合与有效服务单元的增加，优于传统未编码复制方案。
• 将阻塞概率的降低转化为企业级SAN中可量化的能效与财务节约。

提出的方法

• 将SAN建模为独立的M/G/K/K队列，分析未编码与网络编码存储下的阻塞概率。
• 采用映射技术将SAN存储与检索过程表示为具有K个服务器、一般服务时间与有限容量的排队系统。
• 应用随机线性网络编码（RLNC）原理实现NCS，支持文件片段在多个磁盘间编码与解码。
• 推导在M/G/K/K模型下未编码与编码方案的阻塞概率解析表达式。
• 基于PUE、每比特服务器与路由器能耗以及通信负载，构建能耗模型，估算SAN总能耗。
• 利用折现现金流模型与净现值（NPV）计算，将阻塞概率的改善转化为财务节约。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统未编码存储相比，网络编码存储（NCS）在SAN中如何降低阻塞概率？
• RQ2 在企业级SAN中，NCS的节能效果在条带化率提高时是否具有可扩展性？
• RQ3 NCS中驱动间的信息耦合与简单文件分块合并相比，在性能与效率方面有何差异？
• RQ4 在真实企业级SAN中，NCS可实现的能效与财务节约幅度有多大？
• RQ5 NCS的优势在何种程度上依赖于流量负载及请求到达的独立性？

主要发现

• NCS通过驱动间信息耦合与有效服务单元的增加，比未编码存储更有效地降低阻塞概率。
• 在企业级SAN中，NCS的节能效果在20%至50%之间，具体取决于条带化率与负载条件。
• 阻塞概率的改善随条带化率提高而良好扩展，表明更高条带化率可提升能效。
• 在典型SAN配置下，存储数据量减少24 TB可使一台服务器停机，实现27 W/TB的能效节约。
• 对于典型企业级SAN，NCS带来的财务节约在10年周期内估算净现值（NPV）为404万至1010万美元。
• 当流量负载为中等至较高且请求混合度足够时，NCS的优势最为显著，验证了Kleinrock独立性假设。