Enabling(Topological(Flexibility(for( …Topological(Flexibility(for(DataCenters(Using(...

49
Enabling Topological Flexibility for Data Centers Using OmniSwitch Yi#ng Xia , Mike Schlansker , T. S. Eugene Ng , Jean Tourrilhes Rice University , HP Labs HotCloud 2015 § § * * * §

Transcript of Enabling(Topological(Flexibility(for( …Topological(Flexibility(for(DataCenters(Using(...

Enabling  Topological  Flexibility  for  Data  Centers  Using  OmniSwitch    

Yi#ng  Xia  ,  Mike  Schlansker  ,  T.  S.  Eugene  Ng  ,  Jean  Tourrilhes    

Rice  University  ,  HP  Labs    

HotCloud  2015  

§   §  *   *  

*  §  

TradiPonal  data  centers  

Aggrega&on)switch))

Core)switch)

Top3of3Rack)(ToR))switch))

•  Fixed  network  topology  •  MulP-­‐rooted  tree  structure  of  Ethernet  switches  •  Bandwidth  oversubscripPon  •  OpPcal  fibers  and  transceivers  for  fast  transmission  

1  

Aggrega&on)switch))

Core)switch)

Top3of3Rack)(ToR))switch))

3 21

•  Limited  traffic  opPmizaPon  

2  

Problems  of  fixed  topology  

Aggrega&on)switch))

Core)switch)

Top3of3Rack)(ToR))switch))

3 21

•  Limited  traffic  opPmizaPon  

Problems  of  fixed  topology  

2  

Aggrega&on)switch))

Core)switch)

Top3of3Rack)(ToR))switch))

3 21

•  Limited  traffic  opPmizaPon  

Problems  of  fixed  topology  

2  

•  Limited  traffic  opPmizaPon  •  Complex  wiring  •  Poor  expansion  

Problems  of  fixed  topology  

3  

•  Limited  traffic  opPmizaPon  •  Complex  wiring  •  Poor  expansion  •  High  redundancy  cost  

Problems  of  fixed  topology  

4  

Backup  switch  

Backup  link  

SoluPon:  topological  flexibility  

•  Dynamic  cable  rewiring    •  Can  be  achieved  using  circuit  switch  

5  

•  Dynamic  cable  rewiring    •  Can  be  achieved  using  circuit  switch    •  Circuit  switch            -­‐  dedicated  links            -­‐  many  possible  topologies            -­‐  configured  by  so6ware  

A B C D 5  

SoluPon:  topological  flexibility  

SoluPon:  topological  flexibility  

•  Dynamic  cable  rewiring    •  Can  be  achieved  using  circuit  switch    •  Circuit  switch            -­‐  dedicated  links            -­‐  many  possible  topologies            -­‐  configured  by  so6ware  

A B C D 5  

SoluPon:  topological  flexibility  

•  Dynamic  cable  rewiring    •  Can  be  achieved  using  circuit  switch    •  Circuit  switch            -­‐  dedicated  links            -­‐  many  possible  topologies            -­‐  configured  by  so6ware  

A B C D 5  

3 21

Topological  flexibility  example  

6  

3 21

3 21

Topological  flexibility  example  

6  

3 21

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  Front  Panel  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  Front  Panel  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  Front  Panel  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

OmniSwitch  architecture  

OmniSwitch  architecture  

•  Modular  design  •  Small  opPcal  circuit  switches  •  Interleaving  opPcal  and  Ethernet  switches  •  1  out  of  5  Ethernet  switch  as  backup  •  16  fibers  bundled  into  1  mulPlink   7  

128 port x 5Ethernet

Stack

128 Ports

...

4x5 port x 128Circuit Switch

Stack

SpareSwitch

Photonic Conversion

Front View of OmniSwitch Panel

8 M

ultil

ink

Con

nect

ors

Multilink16 x 25G

FrontPanel

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  Front  Panel  

OmniSwitch  mesh  network  

1 2

6 5

3

4

8

7

3 4

2 1

768 Port384 Port

3072 Port

768 Port384 Port

3072 Port

3 4

2 1

(a)

(b) 8  

OmniSwitch  tree  network  1 Spine

OmniSwitch

4 LeafOmniSwitches32 uplink cables

1536 Port 768 Port384 Port

3072 Port

(a)

(b)

1536 Port

3072 Port 9  

Benefits  of  OmniSwitch  •  Easy  wiring              -­‐  mul8links              -­‐  automa8c  internal  wiring  

•  Incremental  expansion              -­‐  add  equipments  in  cabinet              -­‐  purchase  new  cabinets    

•  Efficient  backup              -­‐  1:5  vs.  1:1  redundancy  

•  Traffic  opPmizaPon              -­‐  traffic  locality              -­‐  load  balancing  

•  Cost  effecPveness            -­‐  cheap  small  op8cal  circuit  switches            -­‐  constrained  flexibility   10  

128  Port  x  5  Ethernet  Stack  

4  x  5  Port  x  128  Circuit  Switch  Stack  

Photonic  Conversion  

Spare  Switch  Front  Panel  

Control  plane  

•  ExisPng  rouPng  schemes  do  not  work            -­‐  need  to  configure  topology  &  rou8ng  •  Data  center  administered  by  single  enPty            -­‐  centralized  network  controller  •  OpPcal  switches  configured  by  so`ware  •  RouPng  enforced  by  many  possible  mechanisms            -­‐  OpenFlow  protocol            -­‐  VLAN            -­‐  source  rou8ng  •  Control  logic  customized  to  use  cases  

11  

VM  clustering:  a  case  study  

•  Tenant  refers  to  a  cluster  of  VMs  •  VM  only  talks  to  other  VMs  in  the  same  tenant  •  Localize  traffic  within  tenant  •  Tenant  management,  not  flow  management  •  Input:  pipe  model  •  Output:              1)  opPcal  switch  secngs            2)  placement  of  VLs                        on  physical  links    

VM  Virtual  Link  (VL)  

1Gbps  

12  

Control  algorithm  

•  Hard  problem            -­‐  NP-­‐complete  for  fixed  topology            -­‐  search  space  larger  for  OmniSwitch    •  Tree-­‐structured  OmniSwitch  cabinets  •  IteraPve  from  bodom  up  •  VMs  already  placed  à  beder  topology  &  rouPng  •  Search  space  small            -­‐  uplinks  on  switches            -­‐  permuta8ons  on  small  op8cal  switches  •  Configure  topology  and  rouPng  at  the  same  Pme     13  

Control  algorithm  

•  Hard  problem            -­‐  NP-­‐complete  for  fixed  topology            -­‐  search  space  larger  for  OmniSwitch    •  Tree-­‐structured  OmniSwitch  cabinets  •  IteraPve  from  bodom  up  •  VMs  already  placed  à  beder  topology  &  rouPng  •  Search  space  small            -­‐  uplinks  on  switches            -­‐  permuta8ons  on  small  op8cal  switches  •  Configure  topology  and  rouPng  at  the  same  Pme     13  

768 Port384 Port

3072 Port

1 SpineOmniSwitch

4 LeafOmniSwitches32 uplink cables

1536 Port

EvaluaPons  

•  Tenant  provisioning  scenario  •  Smart  VM  placement  vs.  flexible  topology  •  Systems  compared  ü  dumb              -­‐  con8guous  VM  placement  +  ECMP  rou8ng  +  fixed  Clos  network  ü  SecondNet              -­‐  SecondNet  VM  placement  and  rou8ng  +  fixed  Clos  network  ü  OmniSwitch              -­‐  con8guous  VM  placement  +  VM  clustering  algorithm  +  OmniSwitch  network  ü  OmniSwitch  (big  OCS)              -­‐  same  as  above,  but  1  big  op8cal  switch  in  each  OmniSwitch  cabinet  

14  

Bandwidth  rejecPon  rate  

15  

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Load

Band

widt

h Re

ject

ion

Rate

dumb + fixed ClosSecondNet + fixed ClosOmniSwitchOmniSwitch (big OCS)

bw  rejecPon  rate  =  rejected  bw  /  requested  bw  load  =  tenant  size  *  arrival  rate  *  duraPon  /  #VM  

Transmission  hop  count  

dumb   SecondNet   OmniSwitch   OmniSwitch  (big  OCS)  

4.422   4.164   3.217   3.048  

16  

Average  hop  count  when  load  =  0.8  

ComputaPon  Pme  

17  

101 102 103102

103

104

105

106

107

108

109

1010

Tenant Size (#VM)

Com

puta

tion

Tim

e (u

s)

SecondNet − load = 0.2SecondNet − load = 0.5SecondNet − load = 0.8OmniSwitch − load = 0.2OmniSwitch − load = 0.5OmniSwitch − load = 0.8

1s  

17min  

Conclusion  •  OmniSwitch  is  a  modular  data  center  architecture  •  Integrated  opPcal  switches  and  Ethernet  switches  for  

topological  flexibility  and  large-­‐scale  connecPvity  •  Topological  flexibility  improves  traffic  opPmizaPon  and  

simplifies  network  management  •  VM  clustering  as  a  case  study            -­‐  reduce  transmission  path  length            -­‐  host  more  bandwidth            -­‐  low  computa8on  8me  

18