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データセンターは、通信ネットワークを使用して相互接続されたリソース（コンピューティング、ストレージ、ネットワーク）のプールです。[1] [2]データセンターネットワーク（DCN）は、データセンターのすべてのリソースを相互接続するため、データセンターで極めて重要な役割を果たします。クラウドコンピューティングの需要の高まりに対応するために、DCNは数万または数十万のサーバーを接続できるスケーラブルで効率的である必要があります。[3] [4]今日のデータセンターは、相互接続ネットワークによって制約されています。[5]
データセンターネットワークトポロジの種類
データセンターネットワークは複数のカテゴリに分けることができます。[6]
- 固定トポロジ
- 柔軟なトポロジー
- 完全光学式
- OSA (光スイッチングアーキテクチャ)
- ハイブリッド
- c-スルー
- ヘリオス
- 完全光学式
データセンターネットワークアーキテクチャの種類
3層
従来の3 層 DCN アーキテクチャは、アクセス層、集約層、コア層の 3 層のネットワーク スイッチで構成される、マルチルート ツリー ベースのネットワーク トポロジに従います。[ 10 ]最下層のサーバーは、エッジ層スイッチの 1 つに直接接続されます。集約層スイッチは、複数のアクセス層スイッチを相互接続します。すべての集約層スイッチは、コア層スイッチによって相互に接続されます。コア層スイッチは、データ センターをインターネットに接続する役割も担います。3 層は、データ センターで使用される一般的なネットワーク アーキテクチャです。[10]ただし、3 層アーキテクチャでは、クラウド コンピューティングの需要の高まりに対応できません。[11] 3 層 DCN の上位層は、非常にオーバーサブスクライブされています。[3]さらに、スケーラビリティは、3 層 DCN のもう 1 つの大きな問題です。3 層アーキテクチャが直面する主な問題には、スケーラビリティ、フォールト トレランス、エネルギー効率、および断面帯域幅があります。3 層アーキテクチャでは、トポロジの上位層で、非常に高価で電力を消費するエンタープライズ レベルのネットワーク デバイスを使用します。[5]
太った木
ファット ツリー DCN アーキテクチャは、従来の 3 層 DCN アーキテクチャが直面するオーバーサブスクリプションとクロスセクション帯域幅の問題を軽減します。ファット ツリー DCN は、Clos トポロジを使用したコモディティ ネットワーク スイッチ ベースのアーキテクチャを採用しています。[3]ファット ツリー トポロジのネットワーク要素も、アクセス レイヤー、アグリゲート レイヤー、コア レイヤーのネットワーク スイッチの階層構造に従います。ただし、ネットワーク スイッチの数は 3 層 DCN よりはるかに多くなります。アーキテクチャはk 個のポッドで構成され、各ポッドには (k/2) 2 個のサーバー、k/2 個のアクセス レイヤー スイッチ、k/2 個のアグリゲート レイヤー スイッチがトポロジ内にあります。コア レイヤーには (k/2) 2 個のコア スイッチが含まれ、各コア スイッチは各ポッドの 1 つのアグリゲート レイヤー スイッチに接続されています。ファット ツリー トポロジは、各ラックの合計帯域幅とツリーの最上位レベルで使用可能な帯域幅に応じて、最大 1:1 のオーバーサブスクリプション比と完全な二分帯域幅を提供できます[3]。上位ツリーブランチは、通常、下位ブランチに対して 1:5 の比率でオーバーサブスクライブされ、この問題はツリーの最上位レベルでさらに複雑になり、最上位レベルでは最大 1:80 または 1:240 になります。[12] ファットツリーアーキテクチャは、カスタマイズされたアドレス指定スキームとルーティングアルゴリズムを使用します。スケーラビリティは、ファットツリー DCN アーキテクチャの主要な問題の 1 つであり、ポッドの最大数は各スイッチのポートの数に等しくなります。[11]
DCell
DCellは、1台のサーバーが1台のサーバーに直接接続される、サーバー中心のハイブリッドDCNアーキテクチャです。[4] DCellアーキテクチャのサーバーには、複数のネットワークインターフェイスカード（NIC）が装備されています。 DCellは、再帰的に構築されたセルの階層に従います。 セル0は、複数のレベルに配置されたDCellトポロジの基本単位および構成要素であり、上位レベルのセルには複数の下位層のセルが含まれます。 セル0は、 n台のサーバーと1つの汎用ネットワークスイッチを含むDCellトポロジの構成要素です。 ネットワークスイッチは、セル0内のサーバーを接続するためにのみ使用されます。 セル1にはk = n + 1個のセル0セルが含まれ、同様にセル2にはk * n + 1個のdcell 1が含まれます。 DCellは、セル0に6台のサーバーのみを含む4レベルのDCellで約326万台のサーバーを収容できる、非常にスケーラブルなアーキテクチャです。[13]しかし、DCell DCNアーキテクチャでは、クロスセクション帯域幅とネットワーク遅延が大きな問題となる。[1]
その他
その他のよく知られているDCNとしては、BCube、[14]、 Camcube、[15]、 FiConn、[16]、 Jelly fish、[17] 、Scafida [18]などがあります。さまざまなDCNに関する定性的な議論と、それぞれの利点と欠点が公開されています。[2]
課題
スケーラビリティは、DCN にとって最も重要な課題の 1 つです。[3]クラウド パラダイムの出現により、データ センターは数十万のノードにまで拡張する必要があります。DCN は、膨大なスケーラビリティを提供することに加えて、高断面帯域幅を提供することも求められています。3 層 DCN などの現在の DCN アーキテクチャは、断面帯域幅が貧弱で、ルート付近で非常に高いオーバーサブスクリプション率を備えています。[3]ファット ツリー DCN アーキテクチャは、1:1 のオーバーサブスクリプション率と高断面帯域幅を提供しますが、スイッチ内のポートの総数がkに制限されるため、スケーラビリティが低いという問題があります。DCell は膨大なスケーラビリティを提供しますが、ネットワーク負荷が高く、1 対多のトラフィック パターンではパフォーマンスが非常に低くなります。
DCN のパフォーマンス分析
3 層、ファット ツリー、DCell アーキテクチャの定量分析により、さまざまなネットワーク トラフィック パターンでパフォーマンス比較 (スループットとレイテンシに基づく) が行われます。[1]ファット ツリー DCN は、3 層や DCell と比較して、高いスループットと低いレイテンシを実現します。DCell は、ネットワーク負荷が高く、1 対多のトラフィック パターンの場合、スループットが非常に低くなります。DCell のスループットが低い主な理由の 1 つは、最上位のセルを相互接続するリンクでのオーバー サブスクリプション比率が非常に高いことです。[1]
DCNの構造的堅牢性と接続性
DCellはランダム攻撃や標的型攻撃に対して非常に高い堅牢性を示し、標的型障害が10%発生した後でも、巨大クラスター内のノードの大部分を保持します。[13]ファットツリーや3層DCNと比較すると、標的型かランダムかを問わず複数の障害が発生します。[19] DCellの堅牢性と接続性が高い主な理由の1つは、ファットツリーや3層アーキテクチャには見られない、他のノードへの複数の接続性です。
DCNのエネルギー効率
データセンターのエネルギー需要と環境への影響に関する懸念が高まっています。[5] エネルギー効率は、今日の情報通信技術(ICT) 部門の大きな課題の 1 つです。データセンターのネットワーク部分は、サイバーエネルギー使用量全体の約 15% を消費すると言われています。2010 年には、世界中のデータセンター内の通信インフラストラクチャだけで約 156 億 kWh のエネルギーが使用されました。[20]データセンター内のネットワークインフラストラクチャによるエネルギー消費は、データセンターで約 50% に増加すると予想されています。[5] IEEE 802.3az標準は、エネルギー効率のためにアダプティブリンクレート技術を使用する 2011 年に標準化されました。[21]さらに、ファットツリーと DCell アーキテクチャは、本質的にエネルギー効率の高いコモディティネットワーク機器を使用します。ワークロード統合も、エネルギー効率のために使用され、少数のデバイスにワークロードを統合して、アイドル状態のデバイスを電源オフまたはスリープ状態にします。[22]
参考文献
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