RDNA: Arquitetura Definida por Resíduos para Redes de Data Centers

Nome: Alextian Bartholomeu Liberato
Tipo: Tese de doutorado
Data de publicação: 24/08/2018
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
Magnos Martinello Orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
Leobino Nascimento Sampaio Examinador Externo
Magnos Martinello Orientador
Rodolfo da Silva Villaca Examinador Interno
Vinicius Fernandes Soares Mota Examinador Interno

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."

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