2013年度 研究成果報告書

Advanced Network Architecture Research Group

4. 次世代データセンターネットワークアーキテクチャに関する研究

4.1 データセンターにおける仮想化制御に関する研究

4.1.1 データセンターにおける環境変動に適応した経路制御手法に関する研究

データセンターでは,サーバ間が連携して多量のデータを処理することにより,様々なオンラインサービスを提供している.サーバ間のトラヒックパターンは1秒以下といった短い間隔で著しく変化する.そのため,このような急激なトラヒックパターンの変化に対応しつつ,サーバ間に十分な帯域を確保可能な手法が必要とされている.トラヒックパターンが変化する状況下で,サーバ間に十分な帯域を確保するためには,トラヒック状況に応じた経路を設定することが必要となる.しかしながら,短い間隔で発生するトラヒック変動に対応した適切な経路を集中制御で設定することは,トラヒック情報の収集・経路計算の負荷の問題があり,困難である.この問題に対して,本研究では,ネットワーク内の各スイッチがデータセンターネットワークのサブセットとなる複数の論理トポロジーの情報を保持し,論理トポロジーの情報と自身の出力リンクの輻輳状況をもとに,トラヒックの転送に用いる論理トポロジーを自律的に決めることにより,トラヒックパターン変動後も十分な帯域を確保することが可能な経路制御手法を提案した.また,この経路制御手法に用いる論理トポロジーを特定のリンクに負荷が集中しないように構築する手法も提案した.そして,シミュレーション評価により,提案手法が,トラヒックが存在する全サーバーペア間に十分な帯域を確保することができることを示している.


[関連発表論文]
  • 下間 雄太, 大下 裕一, 村田 正幸, “データセンターにおける輻輳回避のためのルーティング用論理トポロジーの構築手法,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-180), pp. 217-222, March 2014.
  • Yuta Shimotsuma, “Preconfiguring robust logical topologies with autonomous routing for data center networks,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2014.

4.1.2 データセンターネットワーク省電力化のための仮想ネットワーク制御技術に関する研究

データセンター内では,サーバ間の連携により多量のデータを処理しており,データセンターの処理性能を確保するためには,サーバ間を十分な帯域・低遅延で接続できるネットワークを構成する必要がある.一方,データセンターの省電力のためにはネットワーク内の機器数を必要最小限にし,消費電力を抑えることが必要とされる.本研究では,電気スイッチと光スイッチを用いて構成されたデータセンターネットワーク上に,サーバ間に確保可能な帯域といった通信要求を満たしつつ,必要な論理リンク数が少ない仮想ネットワークを構築し,仮想ネットワークに用いられない機器の電源を落とすことにより低消費電力化を達成する手法を提案している.評価結果より,提案手法によって構築された仮想ネットワークは,従来型データセンターネットワークとして提案された構造を仮想ネットワークとして構築した場合の半分のリンク数で,サーバ間に十分な帯域を確保することができることが明らかとなった.


[関連発表論文]
  • Yuya Tarutani, Yuichi Ohsita and Masayuki Murata, “Virtual network reconfiguration for reducing energy consumption in optical data centers,” submitted for publication, January 2014.
  • 樽谷優弥, 大下裕一, 村田正幸, “データセンターにおける省電力な仮想ネットワーク構築手法,” 電子情報通信学会総合大会, March 2014.

4.1.3 マルチテナント型データセンターにおける省電力と耐故障性を両立した仮想ネットワークの収容方法

データセンターでは,1つのデータセンターネットワーク内に,複数の企業(ユーザ)のサービスを収容し,物理資源や運用コストを低減するマルチテナント方式がとられている.テナント用ネットワークでは,故障発生時にサービスが停止してしまわないように,耐故障性を考慮した物理ネットワークへの割り当てが求められる.一方で,クラウドサービスの普及に伴う,データセンターの大規模化に伴い,データセンターにおける消費電力が問題となってきている.耐故障性のために多くの機器を使用してテナント用仮想ネットワークを構築すると消費電力の増加を招き,消費電力を抑えるために,少ない機器でテナント用仮想ネットワークを構築すると耐故障性が確保できない.本研究では,データセンターネットワーク上で,省電力性と耐故障性の両立を行うことのできるテナント用仮想ネットワークを収容する手法について提案する.


[関連発表論文]
  • 樽谷 優弥, 大下 裕一, 村田 正幸, “省電力性と耐故障性を両立するマルチテナント用仮想ネットワーク制御,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-193), pp. 293-298, March 2014.

4.2 光通信技術を用いたデータセンターネットワーク構成に関する研究

4.2.1 光パケットスイッチを用いたデータセンターネットワーク構成に関する研究

近年建築が進められている大規模データセンターでは,数千台から数万台の多数のサーバが配置され,サーバ間で連携をとることにより,データの処理が行われている.データセンターで効率的な処理を行うためには,サーバ間に十分な通信帯域を確保する必要がある.そのため,サーバ間に十分な帯域を確保することができるようなトポロジー構造の検討がこれまでも行われていた.しかしながら,従来の電気パケットスイッチを用いた構成では,十分な帯域を確保するためには,消費電力が大きくなってしまう.消費電力を低く抑えつつ,十分な帯域のネットワークを構成する方法として,光パケットスイッチを用いることが考えられる.しかしながら,光パケットスイッチは帯域が大きいため,1 台の故障の影響が大きい.そこで,本研究では,故障が発生しても,サーバ間の接続性を確保しつつ,十分な帯域を確保することができる光パケットスイッチを用いたデータセンターネットワークの構造を提案している.そして,シミュレーション評価により,提案する構造では,故障が発生した場合にも,サーバ間の接続性を維持しつつ,十分な帯域を確保できることを確認した.


[関連発表論文]
  • Yuichi Ohsita, and Masayuki Murata, “Optical data center networks; architecture, performance, and energy-efficiency,” in Handbook on Data Centers, S. U. Khan and A. Y. Zomaya, Eds., Springer-Verlag, New York, 2014 (in press).
  • Ken-ichi Kitayama, Soumitra Debnath, Yuki Yoshida, Ryo Takahashi, Atsushi Hiramatsu, Yuichi Ohsita, Masayuki Murata, and Masahiro Hayashitani, “Green and smart data center networks based on optical packet switching with flow control,” IEEE Summer Topicals, Photonics in Data Centers, July 2013. (Invited Talk)

4.2.2 光電子融合型パケットルータを用いたデータセンターを対象とした低消費電力化のための経路制御手法

データセンター内では複数のサーバが連携して一つの大きな処理を行なっており,データセンターの処理性能を確保するためには,広帯域・低遅延でサーバ間を接続するネットワークが必要となる.その一方,ネットワークがデータセンター全体に占める消費電力の割合は小さくなく,データセンターの消費電力を削減するためには,サーバや空調の低消費電力化のみではなく,ネットワーク低消費電力化も必須である.

これらの問題を解決する機器として,光電子融合型パケットルータの開発が進められている.光電子融合型パケットルータでは,光スイッチと電気のバッファを持つ機器であり,パケットの衝突等が発生しない場合は,光・電気の変換を行わずに,高速かつ低消費電力な通信が可能となる.また,必要に応じて電気バッファを用いることにより,集中的なパケット送信スケジューリングを行うことなく,パケットロス率を十分低く抑えることができる.

光電子融合型パケットルータを用いて構築されたデータセンターネットワークでは,必要な箇所のみバッファの電源を投入することにより,通信性能を劣化させることなく低消費電力化ができると期待できる.そこで,本研究では,バッファの電源の切断による省電力化も考慮に入れた,低消費電力で十分な通信帯域を確保するための経路制御手法を提案した.

評価の結果,遅延最小化を目的とした手法と比較して,提案手法が遅延に関する性能要件を満たした上で消費電力を34% 程度削減可能なことが分かった.


[関連発表論文]
  • 西島孝通, 小泉佑揮, 大下裕一, 村田正幸, "光電子融合型パケットルータを用いたデータセンターネットワーク向け低消費電力化制御の一検討," 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-179), pp. 211-216, March 2014.
  • 大下 裕一, 西島 孝通, 小泉 佑揮, 村田 正幸, “光技術と電気技術の融合によるデータセンターネットワーク,” 電子情報通信学会 総合大会ソサイエティ特別企画, March 2014 .

4.3 データセンターネットワークのチップ化に関する研究

4.3.1 データセンターのための 3 次元オンチップ型ネットワークに関する研究

近年,情報処理におけるデータセンターの持つ役割が大きくなり,データセンターで処理されるデータ量が増加している.年々増加する大量のデータを処理するために,数万台以上のサーバを収容する大規模データセンターが構築されるようになっている.データセンターが大規模になるにつれ,その消費電力は大きなものとなり,低消費電力なデータセンターの構築が大きな課題となっている.データセンターの処理を低消費電力で実現する手法として,Network on Chip (NoC) の技術を用いる事により,データセンター内のサーバ間のネットワークを1 チップに集約するオンチップ型データセンターの検討が進められている.

本研究では,オンチップ型データセンターに適したネットワーク構造として,パケット交換スイッチと回線交換スイッチを,複数階層のチップを積層した3 次元チップ上に立体的に配置することにより,低消費電力と低遅延を両立可能なデータセンター向け3 次元オンチップ型ネットワークの構造を検討している.検討の結果,パケット交換スイッチから全階層の回線交換スイッチにリンクを構築し,各サーバに該当するコアに接続されたパケット交換スイッチはすべて同一階層に配置し,それ以外の階層は回線交換スイッチのみで構成した構成が,遅延・消費電力,いずれの観点においても優れていることが分かった.


[関連発表論文]
  • Takahide Ikeda, Yuichi Ohsita, Masayuki Murata, “3D on-chip datacenter networks using circuit switches and packet switches,” in Proceedings of The Eighth International Conference on Systems and Networks Communications, pp. 125-130, October 2013. (Best Paper Award)“
  • 池田 崇栄, 大下 裕一, 村田 正幸, “データセンターに適した3次元オンチップ型ネットワーク構造の検討と評価,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-20), pp. 49-54, May 2013.