A SCALABLE, COMMODITY DATA CENTER NETWORK ARCHITECTURE FAT-TREE

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO

Prof. Dr. Luiz Fernando Bittencourt

Campinas, aos 30 de Junho de 2015

A SCALABLE, COMMODITY DATA CENTER NETWORK ARCHITECTURE

***FAT-TREE***

Aluno: Joaquim Domingos Mussandi

jdmussandy@gmail.com

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Agenda • Introdução • Conceitos básicos • Artigo • Objetivo • Análise Comentários finais

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Aplicações importantes que cluster incluem classes:

• Computação científica • Análise financeira

• Análise e armazenamento de dados • Serviços de rede em grande escala

Muitas aplicações devem trocar informações com nós remotos para prosseguir com sua computação local.

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Opções de alto nível para construção de clusters em larga escala:

• InfiniBand ou Myrinet • Muito caras

• Não compativeis com aplicações TCP/IP

• Switches Ethernet e roteadores para conexão de máquinas em

cluster.

• Não modifica os aplicativos, sistema operacional e o Hardware

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Escalabilidade: manipular uma porção crescente de trabalho de

forma uniforme, ou estar preparado para crescer.

Cluters: conjunto de computadores, que utiliza um tipo especial

de sistema operacional.

Data center: ambiente projetado para abrigar servidores e

outros componentes.

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Arquitetura: conjunto de camadas e protocolo de rede.

Topologia: canal no qual o meio de rede está conectado aos

computadores e outros componentes.

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Projetar uma arquitetura de comunicação de data center que atenda:

• Construir Largura de banda de interconexão Escalável:

• host arbitrário no data center comunica com host a largura de

banda total da sua interface da rede local.

• Economias de escala:

• Fazer barato Ethernet off-the-shelf

• Compatibilidade com versões anteriores: • Ethernet

• TCP/IP

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• Duas Camadas (Core e Edge) 5K a 8K hosts.

• Três Camadas (Core , Aggregation e Edge ): maior que 8K hosts •Switches Edge: (48-288) Portas 10 GigE para conexão com a

camada superior.

•Switches Aggregation e core (32-128):porta de 10 GigE

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•Equal-Cost Multipath (ECMP)

•Realizar divisão da carga estática entre os fluxos.

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•Extensões simples para o encaminhamento de IP para utilizar efetivamente o alto fan-out disponível a partir de Fat-Tree.

•Empacotamento como técnica utilizada para melhorar essa sobrecarga

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Clos Networks/Fat- Trees 1/2

K-ary Fat-Tree: topologia de três camadas (edge, aggregation and core) • Cada pod contem 2 camadas de k/2 switches

• k-portas na cama borda liga k/2 hosts • Cada switch core liga k pods - (k/2)2

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• Difusão de tráfego entre pods tira proveito da estrutura da topologia.

• O uso da tabela de roteamento de dois níveis que se espalha o tráfego de saída com base nos bits de ordem inferior do IP de destino.

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- Formalizaram o endereçamento com as seguintes condições: • Switch pod: 10.pod.switch.1

• Core Switch: 10.k.j.i.

• O endereço de um host: 10.pod.switch.ID

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Duas técnica opcionais de roteamento dinâmico:

• Reconhecer os pacotes subsequentes do mesmo fluxo, e encaminha-los na mesma porta de saída.

• Periodicamente volta a atribuir um número mínimo de fluxo nas portas de saída para minimizar qualquer disparidade entre a capacidade de fluxo agregado nas diferentes portas

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• Edge Switches

Detecta os fluxo de saída cujo tamanho aumenta acima do limite predefinido, e enviar periodicamente notificações para uma escalonador central especificando a origem e o destino para todos os grandes fluxos ativos.

• Escalonamento central

Replicado, rastreia todos os fluxos grande ativos e tenta

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• Lower-to upper-layer Switches: • Tráfego inter e intra-pod

• Upper-layer to core switches • Tráfego inter e intra-pod

Resiste as duas classes de falhas

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Implementação 1/3

Para validar a arquitetura de comunicação descrita, construíram: • Protótipo simples dos algoritmos de encaminhamento

• Completaram o protótipo usando NetFPGAs que contém uma implementação roteador IPv4 que aproveita TCAMs.

• Fizeram modificações em menos de 100 linhas de código adicional • Não introduziu nenhuma latência

• Elementos clique pode realizar funcionalidade no roteador complexo e protocolos em software.

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• Criaram e um novo elemento Click de TwoLevelTable.

• Geraram uma versão de 4 portas análoga ao roteador IP com modificação adicional

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Implementação – Classificação do Fluxo 3/3

FlowClassifier é uma alternativa para TwoLevelTable na difusão do tráfego.

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Para medir a largura de banda total bisection Fat-Tree • Geraram um pacote de benchmark

• Mapeamentos de comunicação • 4 portas Fat-Tree • Switch TwoLevelTable • FlowClassifier • FlowScheduler. Avaliação

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• 16 Hosts

• 20 Switches

• 10 máquinas físicas

• ProCurve 2900 Switch de 48 portas • CPUs dual-core Intel Xeon a 2,33 GHz • A largura de banda limitada a 96Mbit/s

Descrição do Experimento

• Cache de 4096KB • 4 GB de RAM

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• Switches Myrinet empregam topologia Fat-Tree e têm sido popular em cluster.

• InfiniBand também atinge largura de banda escalável usando variantes de topologias de Clos.

•OSPF2 e ECMP têm técnicas de roteamento semelhantes

• Multi-caminho aproveita propriedades particulares da topologia Fat-Tree para conseguir um bom desempenho.

• MPP processamento massivo e paralelo.

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• Aproveita commodity switches Ethernet

• Fornece grande largura de banda escalável para clusters

• Apresentaram técnicas de roteamento compatíveis com versões

anteriores

• Custo significativamente baixo.

• Baixo consome de energia elétrica • Alcança largura de banda bisection

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Comentários finais 2/2

•Melhor desempenho em grande escala •Robustez

•Uma instância da arquitetura fat-Tree emprega 48 portas Ethernet

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Referências Bibliográficas

• M. Fares, et al. A Scalable, Commodity Data Center Network Architecture. Agosto, 2008, Pg, 63 – 74

• A. Cleber et al. Equilibrando Energia, Redundância e Desempenho em Redes de Centros de Dado, 2015, Pg.7 – 10.

• Mellanox Technologies. Deploying HPC Cluster with Mellanox InfiniBand Interconnect Solutions. 2014.

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Referências Bibliográficas

• TeleCorp-https://www.telecorp.com.br/glossario/data-center/ - Acessado

28/06/2015.

• Wikipédia - https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_de_rede - Acessado 29/06/2015 • One Shot Design -

http://fabiomontoro.blogspot.com.br/2013/02/topologia-de-rede-tia-942-1.html Acessado 10/05/2015

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