JP6275263B2 - 大規模データセンターネットワークのためのトラフィック工学 - Google Patents
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Description
本願は、その開示を本明細書に引用により援用する2013年12月23日に出願された米国特許出願第14/139,150号の継続出願である。
コンピュータデータセンターでは、多数の異なるホストを用いて大量のデータを処理し、保存し、転送する。各ホストは、1つ以上のプロセッサと、メモリと、インターフェイスとを含み得る。サーバ等のホストは、ラック内に配置されることが多く、1ラック当たり複数のサーバが収容される。各ラックは、次のスイッチング層との通信のためのトップオブラック(top-of-rack)(「TOR」)スイッチを有する場合がある。このスイッチング層は、二分化された大量の局所トラフィックを提供するスイッチ(「ミドルブロック」)のクラスタを含み得る。さらに、複数のミドルブロックは、より大きなクラスタ(「ファブリックブロック」)に論理的にグループ分けされる場合がある。これによって、多重レベルのスイッチング配置が生まれる。
本開示のある局面は、さまざまな情報に基づいて、一組の終端間(end-to-end)経路を通るデータセンターネットワーク内のブロック間トラフィックの帯域幅割当てを決定する。これは、多数の最適化目標とヒューリスティックな注水(water-filling)戦略を用いることにより、不必要な経路を生成することを回避するとともに実際に必要なときには利用できないであろう経路を決定することを回避する。
min(demand(MBs, FBd), spf_capacity(MBs, MBd))
を最大にするサブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つのソースミドルブロックMBsを、ネットワーク経路で使用するために選択するステップを含み、上記条件において、spf_capacity(MBs, MBd)は、ソースミドルブロックMBsと宛先ミドルブロックMBdの間の最短経路容量を表わし、demand(MBs, FBd)は、ソースミドルブロックMBsと宛先ファブリックブロックFBdの間の要求を表わす。
本開示の局面、特徴、および利点は、以下の実施形態の説明および添付の図面を参照しながら検討されたときに理解されるであろう。異なる図面における同一の参照番号は、同一のまたは同様の要素を示す場合がある。さらに、以下の説明は限定的なものではなく、本技術の範囲は、以下の請求項とその均等物によって定められる。代表的な実施形態に従う特定のプロセスが、線図として表現されている図面に示されているが、これは、本明細書で明記されていない限り、必要条件ではない。異なるプロセスは、異なる順序でまたは同時に実行されてもよい。ステップは、特に記載されていない限り、追加されるまたは削除される場合もある。
1.サービスのクラスの維持、
2.マクシミン公平性、
3.スーパーブロック内のマクシミン公平性、
4.経路距離の最短化、
5.経路の総数の最小化、および
6.所与の要求を満たすのに必要な経路の数の最小化
を含み得る。
min(demand(MBs, FBd), spf_capacity(MBs, MBd))
を最大にするミドルブロックを選択する。ここで、spf_capacity(MBs, MBd)は、ソースミドルブロックMBsと前記宛先ミドルブロックMBdの間の最短経路容量(shortest path capacity)を表わし、demand(MBs, FBd)は、ソースミドルブロックMBsと宛先ファブリックブロックFBdの間の要求(demand)を表わす。
MB1.s2[0]---MB1.s3[2]---MB2.s3[4]---MB2.s2[0]
MB1.s2[0]---MB1.s3[1]---MB2.s3[3]---MB2.s2[1]
とすることができる。ここで、括弧内の数字は、経路が通る特定のs2およびs3チップを特定している。
ダイクストラ(Dijkstra)単一ソース最短経路アルゴリズムの変形を実現して最短経路を計算することが可能である。本明細書に記載の技術の局面において使用するこの変形において、入力はソースMB(src)および残余のミドルブロックグラフである。このアルゴリズムは、srcから他のノード各々への最短経路すべてを発見する。グラフ内のノードごとに、このアルゴリズムは、srcからこのノードまでのすべての最短経路に対応する先行要素(predecessors)のリストを作成する。
再帰的関数を用いて、所与のソースノード(src)から所与の宛先ノード(dst)までの最大容量最短経路を発見してもよい。srcとdstに加えて、再帰的関数は、入力として、srcからdstまでの最短経路に対応するdstの先行要素のリストを取る。この関数は、この先行要素を1つずつ調べ、最小化関数に従って最後のホップの容量(the capacity of the last hop)を計算する。
last_hop_capacityが、これまでにわかっている最大経路容量よりも小さい場合は、この先行要素をそれ以上考慮する理由はない。そうでなければ、この関数はこの先行要素に対して再帰的に呼び出され、この先行要素を用いる全経路容量は、min(last_hop_capacity, max capacity path from src to predecessor)となる。この経路容量がそれまでに発見された最大値よりも大きい場合は、最大値が更新される。この再帰は、すでに発見されている最大容量経路の再計算を回避するためにキャッシュを用いる。
この方法(「get_path」)は、ソースノード(MBs)と宛先ノード(MBd)をパラメータとして得て、これらのノード間の容量が空でない最短経路を発見する。これは、以下の3つのステップに従ってその経路探索を拡大する。第1に、ソースと宛先の間に帯域幅を割当てるのに使用した最後の経路にまだいくらかの容量がある場合は、この経路を使用する。このために、システムは常に、すべてのノード対のノード間に割当てるために使用した最後の経路を覚えている(たとえばキャッシュに格納する)。第2に、このプロセスは、最短経路計算アルゴリズムの直前の呼出しによって発見された最短経路の中から、最大容量最短経路を発見する。戻された経路の容量が空でない場合はこの経路を使用する。第3に、最短経路計算アルゴリズムを呼び出して新たな最短経路を探すが、今回は、グラフ内のソースから他のすべてのノードまでのみである。次に、発見した最短経路の中から、最大容量最短経路を発見する。ここで、戻された経路の容量が空でない場合はこの経路を使用する。
この方法(「allocate_path」)は、経路と要求をパラメータとして得て、この経路にmin(path capacity, demand)を割当てる。すべてのリンクおよびすべてのノード(ミドルブロック)に対し、残容量が維持される。
この方法(「index_path」)は、経路をパラメータとして得る。所与の経路内のすべてのノードとリンクに対し、経路識別子を、ノード/リンクを通る経路のリストに追加し、逆インデックスを作成する。これにより、システムは、再割当て用の関連経路を考慮するだけで、リンクおよびノードの故障に対して効率的に反応することができる。たとえば、2つの経路すなわちp1=(a,b,c)とp2(d、b、c、e)が存在する場合、システムは、リンクについて以下のインデックス(と、同様にノードのインデックス)を得るであろう。
(a,b):p1
(b,c):p1,p2
(d,b):p2
(c,e):p2
この技術のある局面に従い、経路は固有経路IDによって表わされる。固有経路IDは、経路内の一連のノードIDをハッシュすることによって作成されてもよい。
このプロセス(「widest_path」)における入力は、ソースファブリックブロックFBs、宛先ミドルブロックMB、および容量を示す定数DELTAである。目標は、ソースファブリックブロックFBs内の「最良」ミドルブロックを発見し、このソースミドルブロックと所与のミドルブロックMBの間の次の有用な経路にDELTAを割当て、使用した経路にインデックスを付けることである。このプロセスは、適切なソースミドルブロックが発見されなかった場合、「最良」のソースミドルブロックまたはナル(null)を返す。
a)MBへの次の有用な経路の少なくともDELTA容量と、MBを囲むスーパーブロックへの満たされていない少なくともDELTA要求を有し、
b)MBへの最小距離を有し、
c)MBを囲むファブリックブロックへの満たされていない最大要求を有する、
ソースミドルブロックである。
このプロセス(「allocate_bandwidth」)において、入力は、ミドルブロックからファブリックブロックへの要求であり、出力は満たされていない要求に対応付けられたグラフ内のノード間の割当てである。このプロセスは、可能な宛先ファブリックブロックを経由して循環する。宛先ファブリックブロックごとに、このプロセスは、現在の宛先ミドルブロックを維持し、割当てのためにファブリックブロックを考慮するたびに、その宛先ファブリックブロック内のミドルブロックを経由して循環する。このシステムはまた、「燃やされたターゲットミドルブロック」のリストを格納する。これらのブロックは、プロセスがソースを発見することができていない宛先ミドルブロックである。このため、将来これらを再び考慮する理由はない。このプロセスは、グラフ内のすべてのミドルブロックが「尽くされた(burned)」ときに終了する。
本開示のある局面に従うと、物理リンクが故障したとき、このシステムは、このリンクを通るすべての経路の割当て解除を行なってもよい。グラフ内で、物理リンクは、2つのミドルブロック間のエッジの一部であり、したがって、物理リンクの故障は、結果としてエッジ容量の減少を引起す。よって、正しい容量の割当て解除(deallocate)によってこの新たな容量に見合うようにする必要がある。割当て解除(「deallocate_paths_through_link」)は、経路の逆インデックスを用いて、影響を受けた可能性がある経路を発見する。
エッジ容量(capacities)更新(update)プロセス(「capacities_update_delta」)は、フォームの対(エッジ、容量デルタ(delta))のリストを入力として用いる。このプロセスはリストを評価する。リスト内のエッジごとに、容量が減少していれば、このプロセスは割当て解除(「deallocate_paths_through_link」)を呼び出した後にリンク容量を更新する。リストの作成後、システムは、満たされていない要求があるか否か判断するために検査する。あれば、allocate_bandwidthプロセスを呼び出してインクリメンタルな帯域幅割当てを試みる。なお、リンク容量が変わらない場合または増加した場合、このプロセスは、割当て解除を行なう必要はないが、システムは、場合によっては、割当て解除が行なわれた場合、満たされていない前の要求を満たすことができる。
ここで、通知を通して受けたイベントのリストは、プロセスに対する入力として扱われる。出力は、真/偽として扱われ得る。出力は、割当て変更があった場合は真であり、そうでなければ偽である。ここで、変更リストは同じエンティティ(リンク/ノード)を2回含むことはないと想定する。イベントの処理順序は重要ではないはずである。システムは、エッジから、このエッジのデルタ容量へのマップを維持する。システムはまた、リンクのセット(P)を維持する。この一組のリンクとは、システムが、そのエンドポイントスイッチのうちの1つに対する「リンクアップ」イベントまたはノードアップイベントを受けた、一組のリンクである。
「ノードアップ」イベントの場合は、ノードに接触するすべての進入または退出リンクについて、このプロセスはリンクを上記セットPに追加する。すべてのイベントが処理された後に、このプロセスはセットPを評価する。Pの中のすべてのリンクについて、リンクが有用であれば、このプロセスは、このリンクを含むエッジはこの時点で容量が増加しているはずであることを思い出す。デルタは、単一リンク容量の量が正である。
Claims (20)
- 相互に通信する複数のファブリックブロックと各ファブリックブロック内の1つ以上のミドルブロックとを有するコンピュータネットワーク内のトラフィック工学の方法であって、前記方法は、
1つ以上のプロセッサによって、前記複数のファブリックブロックの中からソースファブリックブロックFBsを識別するステップと、
ラウンドロビン順序で、前記複数のファブリックブロックの各宛先ファブリックブロックを評価するステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、ラウンドロビン順序で、選択された宛先ファブリックブロックFBd内の1つの宛先ミドルブロックMBdを選ぶステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、ラウンドロビン順序で、ソースファブリックブロックFBsを選択するステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、前記ソースファブリックブロックFBs内のすべてのミドルブロックの中からソースミドルブロックのサブセットMを識別するステップとを含み、前記ソースミドルブロックのサブセットは、前記宛先ミドルブロックMBdまでの利用できる経路長が最短であると識別されたものであり、
前記1つ以上のプロセッサによって、以下の条件
min(demand(MBs, FBd), spf_capacity(MBs, MBd))
を最大にする前記サブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つのソースミドルブロックMBsを、ネットワーク経路で使用するために選択するステップを含み、前記条件において、spf_capacity(MBs, MBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ミドルブロックMBdの間の最短経路容量を表わし、demand(MBs, FBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ファブリックブロックFBdの間の要求を表わす、方法。 - 前記条件を最大にするソースミドルブロックと宛先ミドルブロックの選択を繰返すことによって帯域幅割当てを容易にするルート計算グラフを生成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ソースファブリックブロックごとに、宛先ファブリックブロックへの要求を、前記宛先ファブリックブロック内の故障がない各ミドルブロック間で等しく分割するステップをさらに含む、請求項1または2に記載の方法。
- 各ミドルブロックを単一ノードとしてスケールアウトするステップと、
ミドルブロックごとにすべてのミドルブロックレベル経路を求めるステップと、
ミドルブロックレベル経路ごとにトンネルテーブルをセットアップするステップとをさらに含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。 - 満たされた要求がすべての要求ではない場合、残りのブロック間帯域幅を識別するステップをさらに含む、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 複数の優先グループに対して前記方法を繰返し実行するステップをさらに含む、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記複数の優先グループ各々の中のサービスのクラスごとに前記方法を繰返し実行するステップをさらに含む、請求項6に記載の方法。
- 前記複数の優先グループの中のサービスの各クラスに重み付けを適用するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
- アップリンクイベントとダウンリンクイベントのうちの少なくとも一方に基づいて、前記ソースミドルブロックMBsの選択を更新するステップをさらに含む、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 1つ以上のプロセッサを備えたシステムであって、前記1つ以上のプロセッサは、
コンピュータネットワーク内で相互に通信する複数のファブリックブロックの中からソースファブリックブロックFBsを識別するように構成され、
ラウンドロビン順序で、前記複数のファブリックブロックの各宛先ファブリックブロックを評価するように構成され、
ラウンドロビン順序で、選択された宛先ファブリックブロックFBd内の1つの宛先ミドルブロックMBdを選ぶように構成され、
ラウンドロビン順序で、ソースファブリックブロックFBsを選択するように構成され、
前記ソースファブリックブロックFBs内のすべてのミドルブロックの中からソースミドルブロックのサブセットMを識別するように構成され、前記ソースミドルブロックのサブセットは、前記宛先ミドルブロックMBdまでの利用できる経路長が最短であると識別されたものであり、
以下の条件
min(demand(MBs, FBd), spf_capacity(MBs, MBd))
を最大にする前記サブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つのソースミドルブロックMBsを、ネットワーク経路で使用するために選択するように構成され、前記条件において、spf_capacity(MBs, MBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ミドルブロックMBdの間の最短経路容量を表わし、demand(MBs, FBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ファブリックブロックFBdの間の要求を表わす、システム。 - 前記1つ以上のプロセッサはさらに、前記条件を最大にするソースミドルブロックと宛先ミドルブロックの選択を繰返すことによって帯域幅割当てを容易にするルート計算グラフを生成するように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサはさらに、ソースファブリックブロックごとに、宛先ファブリックブロックへの要求を、前記宛先ファブリックブロック内の故障がない各ミドルブロック間で等しく分割するように構成される、請求項10または11に記載のシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサはさらに、
各ミドルブロックを単一ノードとしてスケールアウトし、
ミドルブロックごとにすべてのミドルブロックレベル経路を求め、
ミドルブロックレベル経路ごとにトンネルテーブルをセットアップするように、構成される、請求項10から12のいずれか1項に記載のシステム。 - 前記1つ以上のプロセッサはさらに、満たされた要求がすべての要求ではない場合、残りのブロック間帯域幅を識別するように構成される、請求項10から13のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサはさらに、複数の優先グループに対し、前記条件を最大にする前記サブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つを選択することを繰返し実行するように構成される、請求項10から14のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサは、前記複数の優先グループ各々の中のサービスのクラスごとに前記条件を最大にする前記サブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つを選択することを繰返し実行するように構成される、請求項15に記載のシステム。
- 前記1つ以上のプロセッサはさらに、前記複数の優先グループの中のサービスの各クラスに重み付けを適用するように構成される、請求項16に記載のシステム。
- アップリンクイベントとダウンリンクイベントのうちの少なくとも一方に基づいて、前記ソースミドルブロックMBsの選択を更新することをさらに含む、請求項10から17のいずれか1項に記載のシステム。
- 1つ以上のプロセッサに方法を実行させるためのプログラムであって、前記方法は、相互に通信する複数のファブリックブロックと各ファブリックブロック内の1つ以上のミドルブロックとを有するコンピュータネットワーク内のトラフィック工学の方法であって、前記方法は、
1つ以上のプロセッサによって、前記複数のファブリックブロックの中からソースファブリックブロックFBsを識別するステップと、
ラウンドロビン順序で、前記複数のファブリックブロックの各宛先ファブリックブロックを評価するステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、ラウンドロビン順序で、選択された宛先ファブリックブロックFBd内の1つの宛先ミドルブロックMBdを選ぶステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、ラウンドロビン順序で、ソースファブリックブロックFBsを選択するステップと、
前記1つ以上のプロセッサによって、前記ソースファブリックブロックFBs内のすべてのミドルブロックの中からソースミドルブロックのサブセットMを識別するステップとを含み、前記ソースミドルブロックのサブセットは、前記宛先ミドルブロックMBdまでの利用できる経路長が最短であると識別されたものであり、
前記1つ以上のプロセッサによって、以下の条件
min(demand(MBs, FBd), spf_capacity(MBs, MBd))
を最大にする前記サブセットM内のソースミドルブロックMBsのうちの1つのソースミドルブロックMBsを、ネットワーク経路で使用するために選択するステップを含み、前記条件において、spf_capacity(MBs, MBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ミドルブロックMBdの間の最短経路容量を表わし、demand(MBs, FBd)は、前記ソースミドルブロックMBsと前記宛先ファブリックブロックFBdの間の要求を表わす、プログラム。 - 前記方法は、前記条件を最大にするソースミドルブロックと宛先ミドルブロックの選択を繰返すことによって帯域幅割当てを容易にするルート計算グラフを生成するステップをさらに含む、請求項19に記載のプログラム。
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