Analysis of ring

As tradicionais arquiteturas de rede para datacenters são baseadas em um modelo co- nhecido como arquitetura de três camadas (three-tier architecture) [12]. A camada inferior, conhecida como camada de acesso (access tier/edge tier), interliga os servi- dores do datacenter utilizando switches de acesso através dos enlaces de acesso. Cada um desses switches são conectados a outros pertencentes à camada superior, deno- minada camada de agregação (aggregation tier). Por fim, os switches localizados na camada de agregação são interconectados através dos vários switches presentes na ca- mada núcleo (core tier). Cada uma das ligações entre uma camada inferior e a camada imediatamente superior podem contar com mais de um enlace de rede por redundância, garantindo maior disponibilidade da rede.

Nessas redes também existem roteadores, responsáveis por fazer a ligação dos servidores do datacenter com a Internet, normalmente conectando-se aos switches da camada núcleo. Entretanto, a maior parte dos elementos da rede são switches de ca- mada 2 (Layer 2 switches), que encaminham pacotes utilizando o protocolo Ethernet. O motivo para a predominância desses equipamentos é a sua grande capacidade de pro- cessamento com baixo custo, o que reduz o custo total de interligar todos os servidores do datacenter.

O uso de switches de camada 2 implica que todos os servidores estão no mesmo domínio de broadcast da rede Ethernet. Isso significa que uma inundação (flood) na rede, como um ARP Request [45] por exemplo, envolverá todos os servidores. Para evitar esse problema e fazer melhor uso dos recursos os servidores são organizados em grupos isolados utilizando-se VLANs [38]. Como o protocolo de camada 2 normalmente utilizado é o Ethernet, um algoritmo de árvore geradora mínima (minimum spanning

Núcleo

Agregação

Acesso

Servidores

Figura 2.10. Tradicional Arquitetura de Rede de Datacenters em Três Camadas

tree) também é utilizado para remover caminhos redundantes na rede, fazendo com que apenas alguns canais sejam utilizados para todo o tráfego. Por esse motivo, embora a topologia física de um datacenter siga uma arquitetura de três camadas, podendo ser vista como uma floresta (grafo) com várias raízes (os core switches), na prática os pacotes são roteados de acordo com uma topologia lógica definida por VLANs e árvores geradoras.

A escalabilidade em uma rede com essa arquitetura é obtida através da instalação de switches de diferentes capacidades em cada uma de suas camadas. Quanto mais próximo à raiz, maior deve ser a capacidade do switch, que é responsável por processar todo o tráfego trocado entre os switches das camadas inferiores. Para aumentar a capacidade da rede, é necessário utilizar switches com enlaces de maior capacidade, ou agrupar diversos enlaces para fazer a ligação entre dois switches. Essa abordagem é conhecida como escalabilidade vertical (scale-up). Um exemplo seria ligar os servidores aos switches de acesso com enlaces de 100 Mbps, ligar aqueles switches por enlaces de 1 Gbps aos switches de agregação, que seriam ligados aos switches do núcleo por enlaces de 10 Gbps.

Usualmente, entretanto, a capacidade agregada dos enlaces em um determinado nível é menor que capacidade agregada dos enlaces no nível imediatamente inferior. Isso é denominado oversubscription em inglês, indicando que a capacidade de um nível não foi dimensionada para atender ao pior caso de tráfego no nível inferior.

Apesar de ser muito utilizada, devido ao problema deoversubscription, a arquite- tura de rede em três camadas é considerada um dos principais problemas relacionados

ao desempenho da rede de datacenters. Essa topologia limita severamente a largura de banda de bisseção (bisection bandwidth) da rede — largura de banda disponível entre dois pontos quaisquer da rede, considerando o pior caso — quando consideramos os enlaces próximos à raiz da árvore. Esses enlaces apresentam alta oversubscription, variando de 10:1 a 80:1 a relação entre a capacidade da rede de acesso e da rede nú- cleo [19]. Além disso, a topologia não possibilita a escalabilidade horizontal (scale-out) — que permite a inserção de mais elementos na rede sem sobrecarregar os já existentes. Prover garantias de tráfego em ambientes que utilizam uma topologia de rede de três camadas é uma tarefa difícil, pois é necessário considerar a capacidade e a demanda de cada enlace da rede para realizar alocação de tráfego considerando as garantias exigidas por cada cliente. Para isso, seria necessário conhecer toda a topologia da rede e quais são os enlaces utilizados por cada fluxo, tornando a tarefa complicada para a escala de um datacenter.

Levando em consideração os problemas da arquitetura de três camadas, vários trabalhos de pesquisa produziram novas topologias de rede para datacenter escalá- veis [1, 20–22, 41, 42, 50]. Muitas dessas propostas também apresentam soluções ca- pazes de prover escalabilidade para a largura de banda de bisseção utilizando chavea- mento de múltiplos caminhos (multi-path switching) [20, 41, 50]. Nesse caso, havendo uma multiplicidade de caminhos em um nível da árvore, todos os caminhos podem ser igualmente utilizados para encaminhar pacotes entre dois pontos quaisquer. Isso não é possível em uma rede tradicional, onde diferentes caminhos teriam que ser atribuídos a diferentes VLANs e o tráfego de uma VLAN não poderia ser transferido para enla- ces de outras. Outra forma de reduzir o problema da largura de banda de bisseção é garantir que máquinas virtuais que precisem trocar um grande volume de mensagens sejam colocadas em máquinas físicas próximas na rede de acesso, de forma a minimizar o número de enlaces da rede que cada fluxo atravessa [35, 38].

Tecnologias que reduzem o impacto da largura de banda de bisseção escalável permitem que o problema de problema de controlar o tráfego garantindo as exigências de cada cliente enfoque apenas os enlaces de acesso. Se uma solução de controle de tráfego é capaz de garantir as demandas de cada cliente no seu acesso à rede, garan- tidamente a rede tem recursos para levar o tráfego até o seu destino. Nesse contexto, este trabalho explora esse fato, focando no problema de controle de tráfego nos enla- ces de acesso, considerando que outras soluções existem para resolver o problema da capacidade interna da rede.