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. マルチテナント型データセンターにおける仮想ネットワーク配置
マルチテナント型データセンターでは、基盤となる物理ネットワークが備える性能を余すことなくテナントに配分し、かつ、物理ネットワークの障害がテナントに与える影響を抑えるため、テナントを構成する仮想ネットワークを物理ネットワーク上に適切に配置することが必要になる。本報告では、仮想ネットワークの性能と可用性の向上を目的に、まず、仮想ネットワークが得る利用可能帯域と障害により失う帯域の差分を有効帯域と定義し、仮想ネットワークの配置問題を定式化する。次に、障害復旧手続きを規定した上で、仮想ネットワークの集約状態に応じて、物理ネットワークの障害時における仮想ネットワークの障害復旧時間が変化するモデルを提案する。最後に、計算機シミュレーションを行い、有効帯域を最大化する仮想ネットワークの配置は、物理ネットワークの帯域を使い切り、かつ、障害による停止時間を、利用可能帯域を最大化する配置に比べ1/3 程度に低減できることを示した。
[関連発表論文]
- Yukio Ogawa, Go Hasegawa, and Masayuki Murata, “Virtual network allocation for fault tolerance with bandwidth efficiency in a multi-tenant data center,” in Proceedings of IEEE Cloudcom 2014, December 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
近年構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, per-formance, and energy-efficiency,” in Handbook on Data Centers, Springer, February 2015.
- 大下 裕一, “世代データセンターネットワーク,” 光産業技術振興協会光ネットワーク産業・技術研究会 公開討論会, February 2015.
- 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の設計,” 電子情報通信学会技術研究報告 (IN2014-104), vol. 114, pp. 37-42, January 2015.
4.2.2. 大規模な仮想データセンターネットワークを構成する手法
大規模なデータセンターでは、サーバの故障による離脱や、新たなサーバの追加といった環境変動が頻繁に発生し、それらの環境変動への対応を少ないメッセージ交換で可能とするデータセンターネットワークが必要とされている。本研究では、仮想化されたデータセンターネットワークにおいて、仮想クラスタを導入することにより、大規模ネットワークにおいて、環境変動への対応を少ないメッセージ交換により瞬時に行うことができる手法を提案した。本提案では、同一のアプリケーションに関係する仮想マシンなど、頻繁に通信を行う仮想マシンを一つの仮想クラスタにまとめる。また、各仮想クラスタには、仮想ネットワーク内の複数のスイッチを割り当てる。各仮想クラスタに割り当てられたスイッチは、Abstraction layerと呼ばれる層を形成する。クラスタ内の通信は、Abstraction layer内のスイッチを介して行われ、他クラスタへの通信は、Abstraction layerのスイッチを介して、他のクラスタに対応するスイッチへ送られる。Abstraction layerを構成することにより、各仮想クラスタ内のサーバの追加・離脱といった環境変動は、対応するAbstraction layer内のスイッチの設定変更のみで対応が可能となるため、大規模なデータセンターにおいても、メッセージ交換を増大させることなく処理可能となる。
本研究では、シミュレーション評価により、仮想クラスタを構成することにより、サーバ故障時の対応に必要なメッセージ交換を少なく抑えることができることを明らかにした。
[関連発表論文]
- Ali Kashif Bashir, Yuichi Ohsita, and Masayuki Murata, “Abstraction layer based dis-tributed architecture for virtualized data centers,” in Proceedings of The Sixth Interna-tional Conference on Cloud Computing, GRIDs, and Virtualization, March 2015.
- Ali Kashif Bashir, Yuichi Ohsita, and Masayuki Murata, “A distributed virtual data center network architecture for the future internet,” 電子情報通信学会技術研究報告 (IN2014-165), vol. 114, pp. 261266, March 2015.
4.2.3. 光ネットワーク技術を用いたデータセンターネットワークの省電力化手法
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,” Journal of Optical Com-munications and Networking, vol. 6, no. 10, pp. 925-942, October 2014.
4.3. データセンターネットワークのVLSI化に関する研究
4.3.1. パススイッチを利用した低消費電力なチップ内ネットワーク構成
回路集積技術の進展により、複数のコアを一つのチップに集約した、マルチコアチップが構築されるようになっている。さらに、多くのコアを収容した、メニーコアチップの検討も進められている。従来、チップ内のコア間は、バスで接続されていた。しかしながら、チップ内のコア数が増えると、バスがボトルネックとなり、コア間の通信を収容しきれない。そこで、パケットスイッチを用いたネットワークをチップ内に構成し、そのネットワークを用いてコア間の通信を収容することが検討されている。このチップ内に構成されたネットワークはネットワークオンチップと呼ばれる。ネットワークオンチップでは、各パケットスイッチが中継するトラヒックが多くなると、多くの電力を消費する。そのため、コア間の通信を低消費電力で収容することは、ネットワークオンチップの構成において重要な課題である。
本研究では、コア間の通信を低消費電力で収容するために、パケットスイッチで構成された層の上に、パスネットワークで構成された層を積層し、パスネットワークの設定により、任意のパケットスイッチ間にパスを構築することが可能とする。パスネットワークの利用資源を管理する資源管理コントローラと、各パケットスイッチにおいて経由するトラヒックを観測し、資源管理コントローラに当該パケットスイッチが出発点となるパスの構築要求を出す分散コントローラを配置する。そして、分散、コントローラと資源管理コントローラの連携により、各時刻のトラヒック状況に合わせたパスの構築を行う。本研究では、提案したパスネットワークとパケットスイッチを用いたネットワークオンチップと、一般的に用いられるパケットスイッチネットワークを用いたネットワークオンチップを比較し、提案手法が低消費電力でコア間のトラヒックを収容できることを明らかにした。また、パスネットワーク層の構成技術として、有線パススイッチを用いた場合と、無線アンテナを導入した場合の比較を行い、それぞれの技術を用いて構成したパスネットワークが低消費電力な通信収容を実現できる条件を明らかにした。
[関連発表論文]
- Takahide Ikeda, Yuichi Ohsita and Masayuki Murata, “3D network structures using circuit switches and packet switches for on-chip data centers,” International Journal On Advances in Networks and Services, vol. 7, no. 1&2, pp. 73-84, June 2014.
- Takahide Ikeda, Yuichi Ohsita and Masayuki Murata, “Proposal and evaluation of en-ergy-efficient network-on-chip architecture with integrating packet and path switches,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka Uni-versity, February 2015.
- 池田 崇栄, 大下 裕一, 村田 正幸, “パケットスイッチとパススイッチを組み合わせた低消費電力なネットワークオンチップ構成の提案と評価,” 電子情報通信学会技術研究報告 (IN2014-128), vol. 114, pp. 43-48, March 2015.