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Título: RDNA : arquitetura definida por resíduos para redes de data centers
Autor(es): Liberato, Alextian Bartholomeu
Orientador: Martinello, Magnos
Data do documento: 24-Ago-2018
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Recentemente, temos observado o crescente uso das tecnologias de informação e da comunicação. Instituições e usuários simplesmente necessitam de alta qualidade na conectividade de seus dados, com expectativa de acesso instantâneo a qualquer hora e em qualquer lugar. Um elemento essencial para garantir qualidade na conectividade da nuvem é a arquitetura da rede de comunicação no Data Center (DCNs - Data Center Networks). Isso ocorre porque uma parte significativa do tráfego da Internet é baseada na comunicação de dados e no processamento que acontece dentro da infraestrutura do Data Center (DC). No entanto, os protocolos de roteamento, a forma de encaminhamento e gerenciamento que são executados atualmente, se revelam insuficientes para atender as demandas atuais por conectividade na nuvem. Isto ocorre principalmente pela dependência da operação de busca nas tabelas de encaminhamento, levando à um incremento de latência fim a fim, ademais, mecanismos de recuperação tradicionais utilizam estados adicionais nas tabelas, aumentando a complexidade nas rotinas de gerenciamento, além de reduzir drasticamente a escalabilidade de proteção nas rotas. Outra dificuldade é a comunicação multicast dentro do DC, as soluções existentes são complexas de implementar e não suportam a configuração dos grupos nas taxas atuais requeridas. Neste contexto, essa tese explora o sistema numérico de resíduos centrado no Teorema Chinês do Resto (TCR) como fundamento, aplicado no projeto de um novo sistema de roteamento para DCN. Mais especificamente, introduzimos a arquitetura RDNA que avança o estado da arte a partir de uma simplificação do modelo de encaminhamento para o núcleo, baseado em uma operação de resíduo (resto da divisão). Nesse sentido, a rota é definida como resíduo entre um identificador de rota e identificadores locais (números primos) atribuídos aos switches de núcleo. Os switches de borda, recebem entradas configurando os fluxos de acordo com a política de rede definida pelo controlador. Cada fluxo é mapeado na borda, através de um identificador de rota principal e um emergencial. Essas operações de resíduos permitem encaminhar os pacotes pela respectiva porta de saída. Em situações de falha, o identificador de rota emergencial viabiliza rápida recuperação enviando os pacotes por uma porta de saída alternativa. A RDNA é escalável assumindo uma topologia 2-tier Clos Network amplamente utilizada em DCNs. Com o objetivo de confrontar a RDNA com outros trabalhos da literatura, analisamos a escalabilidade em termos de número de bits necessário para comunicação unicast e multicast. Na análise, variou-se o número de nós na rede, o grau dos nós e o número de hosts físicos para cada topologia. Na comunicação unicast, a RDNA reduziu em 4.5 vezes o tamanho do cabeçalho, comparada à proposta COXCast. Na comunicação multicast, um modelo de programação linear foi concebido para minimizar uma função polinomial. A RDNA reduziu em até 50% o tamanho do cabeçalho comparando com a mesma quantidade de membros por grupo. Como prova de conceito, dois protótipos foram implementados, um no ambiente emulado Mininet e outro na plataforma NetFPGA SUME. Os resultados mostraram que a RDNA alcança latência determinística no encaminhamento dos pacotes, 600 nanosegundos no tempo de comutação por elemento de núcleo, recuperação de falha ultra-rápida na ordem de microssegundos e sem variação de latência (jitter) no núcleo da rede.
Recently, we have seen the increasing use of information and communication technologies. Institutions and users simply require high-quality connectivity of their data, expecting instant access anytime, anywhere. An essential element for providing quality in the connectivity is the architecture of the communication network in Data Center Networks (DCNs). This is because a significant part of Internet traffic is based on data communication and processing that takes place within the Data Center (DC) infrastructure. However, the routing protocols, the forwarding model, and management that are currently running, prove to be insufficient to meet the current demands for cloud connectivity. This is mainly due to the dependency on the table lookup operation, that leads to an end-to-end latency increment. Besides, traditional recovery mechanisms have used additional states in the switch tables, increasing the complexity of management routines, and drastically reducing the scalability for routes protection. Another difficulty is the multicast communication within DC, existing solutions are complex to implement and do not support group configuration at the current required rates. In this context, this thesis explores the numerical system of residues centered in the Chinese remainder theorem (CRT) as a foundation, applied in the design of a new routing system for DCN. More specifically, we introduce RDNA architecture that advances the state-of-the-art from a simplification of the forwarding model to the core, based on the remainder of the division (modulo). In this sense, the route is defined as a residue between a route identification and local identification (prime numbers) assigned to the core switches. Edge switches receive inputs by configuring flows according to the network policy defined by the controller. Each flow is mapped to the edge, through a primary and an emergency route identification. These residue operations allow forwarding the packet through the respective output port. In failure situations, the emergency route identification enables fast recovery by sending the packets through an alternate output port. RDNA is scalable by assuming a 2-tier Clos Network topology widely used in DCNs. In order to compare RDNA with other works of the literature, we analyzed the scalability in terms of the number of bits required for unicast and multicast communication. In the analysis, the number of nodes in the network, the degree of the nodes and the number of physical hosts for each topology were varied. In unicast communication, the RDNA reduced by 4.5 times the header size, compared to the COXCast proposal. In multicast communication, a linear programming model is designed to minimize a polynomial function. RDNA reduced header size by up to 50% compared to the same number of members per group. As proof of concept, two prototypes were implemented, one in the Mininet emulated environment and another in the NetFPGA SUME platform. The results presented that RDNA achieves deterministic latency in packet forwarding, 600 nanoseconds in switching time per core element, ultra-fast failure recovery in the order of microseconds and no latency variation (no jitter) in the core network.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/10987
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