Bus-RSN: Giải pháp tô-pô mạng liên kết dạng lai cho các trung tâm dữ liệu cỡ vừa, tiết kiệm chi phí và đáp ứng không gian mở

g trường hợp đó, Bus-RSN
cung cấp khả năng linh hoạt trong việc kết nối giữa hai
vùng xác định bằng cách thay đổi một số kết nối trong
vùng 𝑧1 tới một số nút mạng trong vùng 𝑧2. Bằng cách
thay thế các thiết bị switch (chuyển mạch) tại các bus-node
từ loại 8 cổng lên 12 cổng, làm gia tăng các cầu kết nối tới
các bus-node khác trong vùng 𝑧2. Đồng thời cấu hình lại
địa chỉ của các nút được chọn trong vùng đó, sao cho tương
đồng với các địa chỉ các nút trong vùng nhưng không cần
30
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
thay đổi vị trí (địa lý) của các nút đó. Có thể thấy rõ là,
việc thay thế switch cũng như chi phí cho cáp mạng so với
tổng chi phí xây dựng DC là không đáng kể và các switch
được thay thế có thể tận dụng lại trong việc mở rộng DC
sau này. Ví dụ, yêu cầu tính toán cần zone 𝑧1 và block 𝑏5,
𝑏6, thuộc zone 𝑧2. Với tính linh hoạt của Bus-RSN, hiệu
suất tính toán có thể tăng lên bằng cách thêm liên kết giữa
các bus-node thuộc zone 𝑧1 và bus-node của block 𝑏5 và
𝑏6. Như vậy, chúng ta chỉ cần thay 2 switch có 8 port, 1
switch tương ứng với bus-node thuộc zone 𝑧−1 và 1 switch
tương ứng với bus-node của 𝑏5 hoặc 𝑏6, bằng loại switch
12 port. Với cấu hình hiện tại, mỗi bus-node khi liên kết
đến zone khác cần 15m cáp mạng. Chi phí cho sự thay
đổi này là: 12*500*2 + 15*10 = 12.150 (USD), so với chi
phí xây dựng ban đầu là chỉ tăng thêm khoảng 2,2% – khá
khiêm tốn!
Chúng tôi tiếp tụ khảo sát chi phí với kịch bản 2.
Được thiết kế để phù hợp với các không gian phân biệt
nên Bus-RSN sử dụng cáp mạng ít nhất trong 4 tô-pô
mạng với các kích thước được thử nghiệm, 1344 m ở kích
thước 128 và 14861 ở kích thước 1024. Với kích thước 128,
JellyFish sử dụng nhiều hơn 5.89 lần số lượng cáp mạng
mà Bus-RSN cần, con số này là 6.5 với kích thước 1024.
Kết quả chi tiết được thể hiện trong Hình 9-a.
Hình 9-b là kết quả chi tiết khi khảo sát tổng chi phí cho
các tô-pô mạng dựa trên kịch bản thí nghiệm. Trong cùng
một điều kiện (chi phí lắp đặt, chi phí vật liệu. . . ) Bus-RSN
là tô-pô có chi phí thấp nhất. Do các mạng kết nối có cùng
số lượng switch, Bus-RSN sử dụng ít cáp mạng nhất (Hình
7) nên không khó hiểu khi Bus-RSN có chi phi lắp đặt
tiết kiệm nhất trong kịch bản thử nghiệm, khoảng 726.573
USD ở kích thước 64 và 5.914.163 USD ở kích thước 1024.
Trong khi đó, chi phí cần cho mô hình JellyFish hơn 38.9%
so với Bus-RSN.
Chúng tôi tiến hành khảo sát kỹ hơn, mô phỏng việc lắp
đặt DC trên các sàn tương tự thực tế bằng 2 cấu hình. Cấu
hình 1 với DC được triển khai trong 4 zone có khoảng cách
đồng đều nhau và cách nhau 15 mét. Trong cấu hình 2, giả
sử rằng, ban đầu DC được lắp đặt 2 zone 𝑧1 và 𝑧2 cạnh
nhau, với khoảng cách cáp kết nối là 15 mét (cùng tầng, ví
dụ tầng 1). Sau đó, DC được mở rộng với 𝑧3 được lắp đặt
ở tầng trên (ví dụ tầng 2), cách tầng 2 là 15m. Cuối cùng,
DC tiếp tục được mở rộng với 𝑧4, 15m cao hơn tầng 3.
Với thiết kế 4 zone, tổng chiều dài cáp của Bus-RSN thấp
hơn nhiều chiều dài cáp của JellyFish, chỉ bằng 22,18% và
17,43% với kích thước 128 và 256 (Bảng 4), tương ứng.
Với cấu hình 2, khoảng cách giữa các zone tăng lên đáng
kể, thì tổng chiều dài cáp của Bus-RSN vẫn duy trì mức
thấp hơn của Jellyfish, ví dụ chỉ chiếm 22,75% tại kích
thước mạng 256.
Ngoài ra, chúng tôi thực nghiệm với 4 sàn có kích thước
Hình 9. Tổng chiều dài cáp và tổng chi phí triển khai kết nối theo
kịch bản 2
và khoảng cách khác nhau, các mặt sàn có kích thước 𝑧1,
𝑧2 và 𝑧3 lần lượt là 32 nút và 𝑧4 là 128, tổng nút toàn
mạng là 224 nút. Kết quả thực nghiệm cho thấy, Bus-RSN
sử dụng ít cáp mạng hơn 83,19% và đạt tổng chi phí thấp
hơn 11,2% khi so sánh với JellyFish. Lý do chính là bởi số
lượng cáp kết nối giữa các nút mạng liên vùng của tô-pô
nhiều và tỏ ra bất lợi khi kết nối giữa các phòng máy chủ
đặt cách xa nhau. Do vậy, mô hình Bus-RSN phù hợp với
điều kiện triển khai thực tế khi các phòng lắp đặt máy chủ
được bố trí ở xa nhau và có kích thước khác nhau.
Bảng IV
TỔNG CÁP MẠNG TRONG TRƯỜNG HỢP KHÁC
NHAU VỀ KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC ZONE
Cấu hình 1 (15 mét đều)
Tổng nút BR-HRA-4-4 JF-kSPR-4 Tỉ lệ %
64 653,95 3.304,90 19,79%
128 1.734,40 7.819,10 22,18%
256 3.145,05 18.042,40 17,43%
512 7.404,80 46.776,40 15,83%
Cấu hình 2 (khoảng cách không đều)
64 798,70 3.422,60 23,34%
128 1.870,25 8.220,60 22,75%
256 3.293,95 19.058,40 17,28%
512 7.563,20 49.048,10 15,42%
31
Tập 2020, Số 1, Tháng 6
V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất mô hình tô-pô lai
Bus-RSN nhằm giải quyết bài toán xây dựng DC của các
doanh nghiệp nhỏ và vừa. Với đặc thù thiết kế nhắm đến
tính kinh tế và linh hoạt, Bus-RSN có thể lắp đặt trong
không gian gồm nhiều phòng/sàn phân biệt. Ngoài ra, chi
phí đầu tư ban đầu để xây dựng DC theo mô hình này phù
hợp với các doanh nghiệp có nguồn vốn hạn hẹp. Tính linh
hoạt trong khả năng mở rộng giúp doanh nghiệp có thể mở
rộng DC một cách dễ dàng.
Các kết quả thí nghiệm được chúng tôi tổng hợp và trình
bày chi tiết tại phần IV. Với những kết quả đạt được, có thể
thấy rằng, Bus-RSN là một mô hình mạng tiềm năng khi
sở hữu các tham số hiệu năng tốt và chi phí lắp đặt khiêm
tốn.
Trong kịch bản thử nghiệm 1, các tham số hiệu năng:
đường kính mạng, average path length và độ trễ truyền tin
trung bình giữa một cặp nút không phải là điểm mạnh Bus-
RSN khi đạt giá trị kém hơn của JellyFish nhưng không
phải là kém nhiều, ví dụ độ trễ kém 12,61% khi so với
JellyFish ở kích thước mạng 128, nhưng độ trễ này là chấp
nhận được trong các ứng dụng nhỏ, DC vừa và nhỏ.
Tuy nhiên, khi thực hiện kịch bản thử nghiệm 2, Bus-
RSN cho thầy kết quả tốt khi các tham số hiệu năng và chi
phí đều tốt nhất. Ví dụ: độ dài trung bình đường định tuyến
của JellyFish hơn Bus-RSN khoảng 60% ở kích thước 128
và 20% ở kích thước 1024.
Trong cả 2 kịch bản thử nghiệm, tổng chiều dài cáp và chi
chí thiết bị tiết kiệm của Bus-RSN đều tốt hơn so với các
tô-pô trên. Trong kịch bản thử nghiệm 1, tổng trung bình
cáp ít hơn 81,53% và nhờ thế tổng chi phí giảm 23,08%
khi so với JellyFish ở kích thước mạng 128. Với kịch bản
2, JellyFish sử dụng nhiều cáp mạng hơn 5.89 lần số lượng
cáp mạng mà Bus-RSN cần ở kích thước 128, con số này
là 6.5 ở kích thước 1024.
Cấu trúc mạng có thể lắp đặt với switch thương mại cùng
với số lượng cáp mạng nhỏ dẫn đến chi phí để đầu tư xây
dựng DC theo mô hình Bus-RSN là khá tiết kiệm so với
các mô hình khác. Như vậy, mô hình Bus-RSN tiềm năng,
phù hợp với các DC cỡ vừa và nhỏ, mà trong đó không
đòi hỏi tốc độ tính toán thật cao (chấp nhận độ trễ) nhưng
đảm bảo chi phí lắp đặt thấp.
Trong phạm vi của bài báo này, mô hình Bus-RSN mới
chỉ được phân tích và đánh giá thông qua các thông số hiệu
năng cơ sở (yếu tố đồ thị) mà chưa được thử nghiệm trong
môi trường giả lập thực tế. Trong tương lai, chúng tôi dự
định sẽ đánh giá các yếu tố hiệu năng nâng cao như thông
lượng và điện năng tiêu thụ của mạng để có thể đưa ra
đánh giá đầy đủ nhất về mô hình Bus-RSN.
Ghi nhận
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học
và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số
102.02-2017.316.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kiều Thành Chung, Nguyễn Tiến Thành, Nguyễn
Khanh Văn, ”Một tiếp cận thiết kế công cụ phần mềm
đánh giá hiệu năng mạng liên kết kích thước lớn”,
Chuyên san Các công trình Nghiên cứu và Phát triển
Công nghệ thông tin và Truyền thông, 2019
[2] Singla, Ankit and Hong, Chi-Yao and Popa, Lu-
cian and Godfrey, P Brighten, "Jellyfish: Networking
data centers randomly", Presented as part of the
9th {USENIX} Symposium on Networked Systems
Design and Implementation ({NSDI} 12), 225-238,
2012
[3] Luo, Lailong and Guo, Deke and Li, Wenxin and
Zhang, Tian and Xie, Junjie and Zhou, Xiaolei, "Com-
pound graph based hybrid data center topologies",
Frontiers of Computer Science, 9, 6, 860-874, 2015
[4] Al-Fares, Mohammad and Loukissas, Alexander and
Vahdat, Amin, "A scalable, commodity data center
network architecture", ACM SIGCOMM computer
communication review, 38, 4, 63-74, 2008
[5] Lebiednik, Brian and Mangal, Aman and Tiwari,
Niharika, "A survey and evaluation of data center net-
work topologies", arXiv preprint arXiv:1605.01701,
2016
[6] Guo, Deke and Chen, Tao and Li, Dan and Liu,
Yunhao and Liu, Xue and Chen, Guihai, "BCN: Ex-
pansible network structures for data centers using hi-
erarchical compound graphs",2011 Proceedings IEEE
INFOCOM, 61-65, 2011
[7] Guo, Chuanxiong and Wu, Haitao and Tan, Kun and
Shi, Lei and Zhang, Yongguang and Lu, Songwu,
"Dcell: a scalable and fault-tolerant network structure
for data centers", Proceedings of the ACM SIG-
COMM 2008 conference on Data communication, 75–
86, 2008
[8] Koibuchi, Michihiro and Matsutani, Hiroki and
Amano, Hideharu and Hsu, D Frank and Casanova,
Henri, "A case for random shortcut topologies for
HPC interconnects", 2012 39th Annual International
Symposium on Computer Architecture (ISCA), 177–
188, 2012
[9] Farrington, Nathan and Porter, George and Radhakr-
ishnan, Sivasankar and Bazzaz, Hamid Hajabdolali
and Subramanya, Vikram and Fainman, Yeshaiahu and
Papen, George and Vahdat, Amin, "Helios: a hybrid
electrical/optical switch architecture for modular data
centers", Proceedings of the ACM SIGCOMM 2010
conference, 339–350, 2010
32
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
[10] Guo, Chuanxiong and Lu, Guohan and Li, Dan and
Wu, Haitao and Zhang, Xuan and Shi, Yunfeng and
Tian, Chen and Zhang, Yongguang and Lu, Songwu,
"BCube: a high performance, server-centric network
architecture for modular data centers", Proceedings
of the ACM SIGCOMM 2009 conference on Data
communication, 63–74, 2009
[11] Gyarmati, László and Trinh, Tuan Anh, "Scafida: A
scale-free network inspired data center architecture",
ACM SIGCOMM Computer Communication Review,
40, 5, 4–12, 2010
[12] Wu, Haitao and Lu, Guohan and Li, Dan and Guo,
Chuanxiong and Zhang, Yongguang, "MDCube: a
high performance network structure for modular data
center interconnection", Proceedings of the 5th inter-
national conference on Emerging networking experi-
ments and technologies, 25–36, 2009
[13] Greenberg, Albert and Hamilton, James R and Jain,
Navendu and Kandula, Srikanth and Kim, Changhoon
and Lahiri, Parantap and Maltz, David A and Patel,
Parveen and Sengupta, Sudipta, "VL2: a scalable
and flexible data center network", Proceedings of the
ACM SIGCOMM 2009 conference on Data commu-
nication, 51–62, 2009
[14] Shin, Ji-Yong and Wong, Bernard and Sirer, Emin
Gu¨n, "Small-world datacenters", Proceedings of the
2nd ACM Symposium on Cloud Computing, 1–13,
2011
[15] Yu, Ye and Qian, Chen, "Space shuffle: A scalable,
flexible, and high-bandwidth data center network",
2014 IEEE 22nd International Conference on Network
Protocols, 13–24, 2014
[16] Fujiwara, Ikki and Koibuchi, Michihiro and Matsutani,
Hiroki and Casanova, Henri, "Skywalk: A topology for
HPC networks with low-delay switches", 2014 IEEE
28th International Parallel and Distributed Processing
Symposium, 263–272, 2014
[17] Kim, John and Dally, Wiliam J and Scott, Steve
and Abts, Dennis, "Technology-driven, highly-scalable
dragonfly topology", 2008 International Symposium
on Computer Architecture, 77–88, 2008
[18] Niranjan Mysore, Radhika and Pamboris, Andreas and
Farrington, Nathan and Huang, Nelson and Miri, Par-
dis and Radhakrishnan, Sivasankar and Subramanya,
Vikram and Vahdat, Amin, "Portland: a scalable
fault-tolerant layer 2 data center network fabric",
Proceedings of the ACM SIGCOMM 2009 conference
on Data communication, 39–50, 2009
[19] Wang, Guohui and Andersen, David G and Kaminsky,
Michael and Papagiannaki, Konstantina and Ng, TS
Eugene and Kozuch, Michael and Ryan, Michael, "c-
Through: Part-time optics in data centers", Proceed-
ings of the ACM SIGCOMM 2010 conference, 327–
338, 2010
[20] Thorup, Mikkel and Zwick, Uri, "Compact routing
schemes", Proceedings of the thirteenth annual ACM
symposium on Parallel algorithms and architectures,
1–10, 2001
[21] Thanh, Chung Kieu and The, Anh Mai and Bui,
Cuong and Pham, Hai D and Nguyen, Khanh-Van, "An
efficient compact routing scheme for interconnection
topologies based on the random model", Proceedings
of the Eighth International Symposium on Information
and Communication Technology, 189–196, 2017
[22] Dally, William James and Towles, Brian Patrick,
"Principles and practices of interconnection net-
works", 2004
[23] Kieu, Thanh-Chung and Nguyen, Khanh-Van and
Truong, Nguyen T and Fujiwara, Ikki and Koibuchi,
Michihiro, "An interconnection network exploiting
trade-off between routing table size and path length",
2016 Fourth International Symposium on Computing
and Networking (CANDAR), 666–670, 2016
[24] Aljazzar, Husain and Leue, Stefan, "K*: A heuristic
search algorithm for finding the k shortest paths",
Artificial Intelligence, 175, 18, 2129–2154, 2011
[25] Mudigonda, Jayaram and Yalagandula, Praveen and
Mogul, Jeffrey C, "Taming the Flying Cable Monster:
A Topology Design and Optimization Framework for
Data-Center Networks.", USENIX Annual Technical
Conference, 2011
SƠ LƯỢC VỀ CÁC TÁC GIẢ
Kiều Thành Chung
Tốt nghiệp kỹ sư Công nghệ
Thông tin năm 2003, tại Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội
(HUST), Thạc sĩ Công nghệ
Thông tin năm 2010. Năm
2016, tác giả nghiên cứu tại
Viện Công nghệ Thông tin
Quốc Gia Nhật Bản (NII). Hiện
nay là Nghiên cứu sinh tại Viện
Công nghệ Thông tin và Truyền
thông (SoICT)-HUST. Lĩnh vực nghiên cứu: mạng
liên kết, thuật toán định tuyến.
33
Tập 2020, Số 1, Tháng 6
Vũ Quang Sơn
Sinh ngày: 09/06/1999
Hiện là sinh viên ngành công
nghệ thông tin tại Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn
thông.
Tác giả đang học tập và nghiên
cứu tại SEDIC-LAB thuộc
Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
Các lĩnh vực mà tác giả hiện
đang nghiên cứu: mạng liên kết,
thuật toán định tuyến và ứng dụng mô phỏng giả lập
truyền tin.
Nguyễn Đăng Hải
Tốt nghiệp trường Đại học Bách
khoa Hà Nội năm 1995; nhận
bằng Thạc sĩ Tin học tại Viện
tin học Pháp ngữ năm 1997;
nhận học vị Tiến sĩ Khoa học
Máy tinh của trường Thực hành
Công nghệ cao – Cộng hòa
Pháp năm 2010. Hiện là Giảng
viên chính tại bộ môn Khoa
học Máy tính, Viện Công nghệ
thông tin và truyền thông, trường Đại học Bách khoa
Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: tính toán hiệu năng
cao, mô phỏng song song và phân tán, hệ điều hành
nhúng.
Nguyễn Khanh Văn
Tốt nghiệp Kỹ sư Tin học tại Đại
học Bách Khoa năm 1992, Thạc
sỹ Khoa học Máy tính tại Đại
học Wollongong (Úc) năm 2000,
Tiến sĩ Khoa học Máy tính tại
Đại học California-Davis (Mỹ)
năm 2006. Hiện là Phó Giáo sư,
giảng dạy và nghiên cứu tại Viện
Công nghệ thông tin và truyền
thông, Đại học Bách khoa Hà
Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: thuật toán và các mô hình
lý thuyết trong tính toán phân tán và mạng máy tính
(mạng liên kết, mạng cảm biến không dây), an toàn
thông tin.
34