Mohamed Al-Fares Alexander Loukissas Amin Vahdat MO809 - Tópicos em Sistemas Distribuídos Daniel de Souza Kamiya RA

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1 A Scalable, Commodity Data Center Network Architecture Mohamed Al-Fares Alexander Loukissas Amin Vahdat MO809 - Tópicos em Sistemas Distribuídos Daniel de Souza Kamiya RA

2 Introdução Duas opções de fabric para clusters de grande escala: Utilização de hardware e protocolos de comunicação especializados (InfiniBand; Myrinet): - Permitem clusters de milhares de nós e alta largura de banda; - Não usam peças commodity, sendo, portanto, mais caros; - Não são compatíveis com aplicações TCP/IP. Utilização de switches e roteadores commodity para interligar as máquinas do cluster: - Infraestrutura com gerenciamento familiar; - Largura de banda pouco escalável; - Aumento da largura de banda produz aumento não linear dos custos.

3 Objetivos Projetar uma arquitetura de rede de data center que possua as seguintes características: Largura de banda escalável: servidores devem ser capazes de se comunicar na velocidade da placa de rede. Economia de escala: utilização de switches Ethernet baratos. Compatibilidade com tecnologias usuais: sistema deve ser compatível com Ethernet e TCP/IP.

4 Topologia de Datacenter Atual Switches Edge: (48-288) portas GigE para conexão com os servidores. Portas 10 GigE para conexão com a camada superior. Switches Aggregation e Core: (32-128) portas 10 GigE. Two tier (Core e Edge): 5K a 8K servidores. Three tier (Core, Aggregation e Edge): > 8K servidores.

5 Topologia Atual: Oversubscription A velocidade do enlace para um nível mais alto não corresponde à soma de todos os enlaces de nível mais baixo. 5:1, hosts usarão somente 20% da banda. Multiplexação dos recursos de rede para reduzir a quantidade de enlaces e equipamentos, sem comprometer o desempenho da rede. Artifício utilizado para diminuição de custo. Para placas 1Gb/s, valores típicos de fator de oversubscription são 2,5:1 (400 Mbps) e 8:1 (125Mbps). Fator 1:1 é possível, porém custo é proibitivo.

6 Topologia Atual: Multi-path Routing Utilização máxima da rede entre pares de servidores requer o uso de árvores com múltiplas raízes (múltiplos switches core) e técnicas de múltiplos caminhos, tais como o algoritmo Equal-Cost Multi-Path (ECMP). ECMP realiza um balanceamento de carga estático se caminhos de mesmo custo estiverem disponíveis. ECMP sozinho não é solução, pois não leva em conta a velocidade do tráfego na tomada decisão. ECMP limita o número de múltiplos caminhos (8-16) e o número de entradas nas tabelas de roteamento cresce bastante com o número de caminhos, aumentando o custo e latência da busca na tabela.

7 Topologia Atual: Custo Oversubscription reduz custos. O custo para um mesmo número de servidores reduz com o aumento do fator de oversubscription. Fat-tree se mostrou promissora como uma arquitetura escalável a um custo moderado.

8 Topologia Atual: Custo Topologia Fat-tree apresentou boa escalabilidade, o custo total caiu mais rapidamente e mais cedo Não houve necessidade de uplinks mais velozes na topologia Fat-tree.

9 Clos Networks/Fat-Trees Fat-tree é baseado no trabalho de Clos (Switches Telefônicos). Para K pods, cada um contendo duas camadas de K/2 switches e K switches core. Metade das K portas dos switches das camada inferior ligam-se aos servidores. A outra metade das K portas são ligadas aos switches superiores. K/2 portas dos switches superiores são ligadas aos switches core. Nesta arquitetura, no total podem ser conectados k 3 /4 servidores.

10 Clos Networks/Fat-Trees Exemplo: Para K = 4 Temos 4 switches core Temos 2 switches de borda e 2 switches de agregação por pod, cada um com 4 portas. Cada switch de borda se liga a 2 hosts e as dois switches de agregação Cada switch de agregação se liga a dois switches core..

11 Vantagens da topologia Fat-tree Todos os switches são idênticos, permitindo o uso de opções de baixo custo. É rearranjável e não-bloqueante. Existe algum conjunto de caminhos que irá saturar toda a rede disponível entre hosts da topologia. Atingir uma taxa de oversubscription de 1:1 na prática pode ser difícil devido a necessidade de prevenir a reordenação de pacotes TCP.

12 Arquitetura Proposta Modificação na estrutura da tabela de roteamento. Atribuição de endereços IP aos hosts. Introdução do conceito de tabela de roteamento de dois níveis (utilizada no roteamento multi-path). Classificação e escalonamento do tráfego (métodos alternativos de roteamento multi-path). Tolerância a falhas.

13 Arquitetura: Roteamento Motivações para mudanças no roteamento: - OSPF utiliza-se da contagem de hop para sua métrica de shortestpath (melhor caminho sempre é o mais curto). - Na k-ésima Fat-tree existem (k/2)^2 menores caminhos entre qualquer dois hosts de diferentes pods, porém somente um é o escolhido. - Switches concentram o tráfego para uma subnet através de uma única porta. - Necessário desenvolver um roteamento que seja simples e tire vantagem da estrutura da topologia.

14 Arquitetura: Roteamento Solução: Uso de tabelas de roteamento de dois níveis para espalhar o tráfego baseando-se nos bits menos significativos do endereço IP de destino. Endereços IP são alocados no bloco /8. Pod switches:10.pod.switch.1 (esq p/ dir, baixo p/ cima) pod: número do Pod [0, k-1] switch: posição do switch no Pod [0, k-1] Core switch:10.k.j.i j e i: coordenadas do switch na grade de switches core [1, (k/2)] (começando em cima e à esquerda) Servidores: 10.pod.switch.id (esq p/ dir) id: posição do servidor na sub-rede [2, (k/2)+1]

15 Arquitetura: Roteamento 10.k.j.i 10.pod.switch pod.switch.id

16 Arquitetura: Two Level Routing Table Cada entrada da tabela primária (prefixo,porta) pode ter um ponteiro para uma tabela secundária (sufixo,porta) ou um número de porta de terminação. Uma tabela secundária pode ser apontada por mais de um prefixo de primeiro nível. As entradas nas tabelas são estáticas, não mudam com o comportamento do tráfego. Exemplos: - IP destino : pacote enviado para porta 1. - IP destino : pacote enviado para porta 3.

17 Arquitetura: Two Level Routing Table As tabelas de roteamento de dois níveis podem ser implementadas em hardware usando memórias TCAM, reduzindo a latência de busca. CAM permite buscas paralelas em um único ciclo. TCAM permite o armazenamento de prefixos e sufixos, pois utiliza bits 0, 1 e don t care (X). Prefixos e sufixos indexam uma memória RAM que armazena o endereço IP do próximo salto e a porta de saída.

18 Arquitetura: Two Level Routing Table

19 Arquitetura: Algoritmo de Roteamento Algoritmo gerador da tabela de roteamento de switches de agregação. É atribuído prefixos de terminação para sub-redes em um mesmo pod. Para comunicações inter-pods, os switches de um pod possuem um prefixo padrão /0 com a tabela secundária coincidindo com os identificadores dos hosts (byte menos significativo do endereço IP de destino).

20 Arquitetura: Algoritmo de Roteamento Algoritmo gerador da tabela de roteamento de switches core Cada switch core está conectado com todos os pods. Switches core possuem somente prefixos de terminação /16, apontando para os pods de destino.

21 Arquitetura: Classificação de Fluxo Previne o congestionamento local. A atribuição de tráfego a uma porta é realizada com base no fluxo e não com base no host de destino. Um fluxo é definido como uma sequencia de pacotes com a mesma origem, destino, portas, etc. Para os switches pod, todos os pacotes de um mesmo fluxo são encaminhados para uma mesma porta de saída e periodicamente os fluxos são distribuídos para outras portas, promovendo uma distribuição mais uniforme dos fluxos nas diferentes portas.

22 Arquitetura: Escalonamento de Fluxo Previne o congestionamento global Gerenciamento de fluxo para evitar que grandes fluxos compartilhem um mesmo link. Switches edge detectam qualquer fluxo de saída cujo tamanho cresça além de um certo limite e enviam uma notificação sobre tais fluxos para o escalonador central. O escalonador central acompanha todos os grandes fluxos ativos e tenta atribuí-los, se possível, para diferentes links.

23 Arquitetura: Tolerância a Falhas Caminhos redundantes estão presentes na Fat-tree podem ser utilizados para fornecer tolerância a falhas. Protocolo broadcast de falha permite que switches criem rotas alternativas em caso de falha de link ou switches. Cada switch mantém uma sessão de detecção de encaminhamento bidirecional (BFD) com seus vizinhos para determinar quando um link ou switch falhe. Link pode falhar entre switches das camadas inferior e superior (intra-pod) e entre switches da camada superior e switches core. A falha em um switch da camada inferior levará a uma desconexão. Necessário usar switches redundantes nas folhas.

24 Arquitetura: Tolerância a Falhas

25 Arquitetura: Tolerância a Falhas Falha de link entre switches da camada superior e inferior: Tráfego de saída inter e intra-pod originado em um switch da camada inferior: custo do link classificado como infinito. Nenhum novo fluxo é atribuído ao link. Outro switch da camada superior é escolhido. Tráfego intra-pod através de switch da camada superior: switch notifica todos switches da camada inferior. Evitam utilizar portas notificadas para novos fluxos. Tráfego Inter-pod entrando no switch da camada superior: switch comunica a todos os switches core conectados a ele sua incapacidade de realizar o tráfego. Switch core propaga informação aos switches de camada superior conectados a ele em outros pods. Switches de camada superior evitam o switch core afetado.

26 Arquitetura: Tolerância a Falhas Falha de link entre camada superior e switch core: Tráfego inter-pod de saída: tabela de roteamento local marca o link afetado como indisponível e escolhe localmente outro switch core. Tráfego inter-pod de entrada: switch core notifica todos os outros switches da camada superior diretamente ligados a ele da sua incapacidade para transportar o tráfego. Switches da camada superior evitam o switch core afetado.

27 Arquitetura: Consumo de energia e calor Fat-tree: Consumo de energia 56,6% menor Dissipação de calor 56,5% menor Valor calculado com base nas especificações dos fabricantes. Medida a partir da implementação será realizada em trabalhos futuros.

28 Implementação Foi construído um protótipo dos algoritmos de roteamento com NetFPGA, contendo uma implementação de um roteador IPv4 que usa TCAM. Para avaliações de maior escala, foi construído um protótipo usando Click, um software que suporta a implementação de roteadores experimentais. Elementos implementados no Click Router Software - TwoLevelTable: Inicializada com informações préconfiguradas. - FlowClassifier: Distribui o tráfego igualmente entre as portas. - FlowReporter + FlowScheduler: aloca grandes fluxos em caminhos distintos.

29 Avaliação Objetivo: medir a largura de banda da arquitetura. Comparado 4 port Fat-tree usando switches TwoLevelTable, FlowClassifier, FlowScheduler contra sua árvore hierárquica com oversubscription 3.6:1

30 Avaliação: Estratégias Random: hosts se comunicam na rede com igual probabilidade; Stride(i): host(x) se comunica com host(x+i) mod 16; Staggered Prob (SubnetP,PodP): host se comunica com outro host em sua subnet com probabilidade SubnetP, com outro host em seu pod com probabilidade PodP e com qualquer outro host com prob 1-SubnetP-PodP; Inter-pod Incoming: Pods se comunicam com diferentes hosts em um mesmo pod, usando o mesmo sw core; Same-ID Outgoing: hosts em uma mesma subnet se comunicam com diferentes hosts em qualquer lugar da rede, de forma que os hosts de destino possuam o mesmo byte ID.

31 Uso da Rede: Avaliação: Resultados Árvore tradicional: alto grau de saturação; Two-Level Table: melhor, mas falha pela natureza estática; Flow Classification: melhora devido ao comportamento dinâmico, porém ainda imperfeito, pois só evita congestionamento local; Flow Scheduling apresentou melhor resultado, por possuir uma visão global.

32 Packaging Aumento do número de cabos é desvantagem de Fat-tree. Solução proposta:

33 Packaging Cada pod é composto por 12 racks com 48 máquinas cada um, e 48 switches GiE de 48 portas. Os 48 switches são colocados em um rack centralizado. Cabos move-se em conjuntos de 12 de pod para pod e em conjuntos de 48 de racks para switches. Comprimento total de cabo é minimizado com os racks de máquinas ao redor do rack de switches em duas dimensões.

34 Trabalhos Relacionados Muitas interconexões de processamento paralelo estão sendo organizadas como fat-tree, por exemplo: Thinking Machines e SGI. Myrinet: - Também emprega topologia fat-tree; - Popular para supercomputadores baseados em clusters; - Vantagem: Baixa latência; - Desvantagem: Hosts responsáveis pelo balanceamento de carga. Infiniband: - Popular para ambientes de computação de alta performance - Largura de banca escalável; - Também usa fat-tree; - Restrição: Impõe sua própria camada de protocolo de rede.

35 Conclusões Largura de banda é o gargalo da escalabilidade em clusters de grande escala; As soluções existentes são caras e limitam o tamanho do cluster; Fat-tree: - Largura de banda escalável com custo significativamente menor; - Mantém compatibilidade com TCP/IP e Ethernet; - Grande número de switches commodity podem substituir switches high-end em data centers da mesma forma que clusters de PCs substituem supercomputadores;

36 Agradecimentos

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