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次世代データセンターネットワークのアーキテクチャー

2010年2月16日(火)
小宮 崇博

リソースの結合に必要な技術

以下では、リソース・プールを構築するために必要な技術を掘り下げる。まず第1に、低遅延かつ広帯域であることが重要であり、このうえで信頼性の確保も求められる。特に、メモリをリソース・プール化する場合は、性能に関してシビアになる。

低遅延はどのようなネットワークでも求められるが、メモリのリソース・プールを構築するとなると、遅延時間は100ナノ秒(0.1マイクロ秒)程度でなければならない。このクラスのネットワークを構築可能なネットワーク技術となると、現時点ではInfiniBandくらいである。

現在普通に使われている10Gbit Ethernet(10GbE)を使う限り、米Brocade Communications Systems(Brocade)の製品や米Arista NetworksのASIC(特定用途向けIC)技術でも、サブマイクロ秒程度の遅延が発生する。このため、Ethernet技術を使うのであれば、もう少し技術が進歩する必要がある。

一方、帯域という側面では、Ethernetの10Gビット/秒(およそ1Gバイト/秒)という帯域幅は、やや狭いと言わざるを得ない。米IntelのNehalemアーキテクチャーのプロセッサ間インターコネクト技術であるQPI(QuickPath Interconnect)は、25Gバイト/秒の帯域幅を持つからである。この差は大きく、メモリの利用形態によっては顕在化する。

メモリ共有型アプリケーションだけでなく、例えば、仮想サーバーのマイグレーションを実行するアプリケーションや、マルチノード・クラスタ環境でチェック・ポイント処理を実行するアプリケーションなどで、ノード間の帯域幅が問題になる。これらのアプリケーションでは、メモリ空間をディスクやほかのノードに書き出す処理を行うからである。

ただし、EthernetにせよFibre Channel(FC)にせよ、複数回線を束ねるリンク・アグリゲーションやトランキングなどを使えば帯域を拡大できる。特に、BrocadeのBrocade ISL TrunkingやPCI-Expressのマルチレーン通信では、複数のリンクにフレーム単位で分散する機能やバイト・ストライピングと呼ぶ技術により、より効率よく複数のリンクを使用できる。

多くのデータセンターではレイヤー2ネットワークにSTP(スパニング・ツリー・プロトコル)を使用しているため、ブロッキング・ポートによって同一構成では帯域が狭いという弱点がある。Fibre ChannelではFSPH(Fabric Shortest Path First)と呼ぶ技術によって解決しているが、Ethernetでは標準化が待たれている。

ロスレス性(信頼性)の確保やオフロード処理が重要

低遅延/広帯域に加えて、リソース・エリア・ネットワークではロスレス(Lossless)性が求められる。

そもそも低遅延性が求められるため、プロトコル・レベルでのエラー・リカバリはオーバー・ヘッドが大きすぎる。したがって、バッファ・オーバー・フローしないようなフロー制御が必要になる。現在ではFibre Channel(FC)や、Converged Enhanced Ethernet(CEE)やCisco Data Center Ethernetなどの次世代Ethernet技術によって、このようなフロー制御が実現されている。

もう1つリソース・エリア・ネットワークで必要になる技術が、別のハードウエアを用いた処理のオフロードである。メモリ通信やI/O通信は、その低遅延性からCPU処理すると高価についてしまうため、別のハードウエアで処理をオフロードすることが重要である。これはまさに、メインフレームにおける「チャネル」そのものである。

オフロードする機能はプロトコル処理だけではない。もっとも重要なのは「ファブリック・インテリジェント・サービス」である。これは、リソースの動的追加や経路の動的な変更に必須となる機能である。TCP/IPでこうしたサービスを構成することはできない。なぜなら、I/Oやメモリ通信はOS起動前に構成されていなければならないからである。

なお、データセンター・ネットワークを支えるネットワーク機器は、性能だけでなく消費電力も重要である。例えば、「Brocade NetIron MLX」(10Gビット/秒あたり81.1ワット)や「Brocade DCX backbone director」(1Gビット/秒あたり0.44ワット)は、他ベンダーの同等構成より50%から1000%ほど効率がよい。

次ページでは、リソース・エリア・ネットワークを広域へと拡張するための技術を解説する。

ブロケードコミュニケーションズシステムズ
UNIXサーバメーカや運用管理ソフトウェアメーカでSEを勤め、2001年からブロケードに所属。主にFC-SANスイッチのプリセールスに携わり、2008年からは新技術、新製品の開発などの日本での技術サポートを行なう。現在は、ソリューション・マーケティングとして、FC-SANだけではなく、LAN/WANやI/O仮想化なども含めた広範なネットワークソリューションの提供に向け活動をしている。個人的にもストレージエリアネットワーク啓蒙のためのメーリングリストを主催している。
http://groups.yahoo.co.jp/group/san-tech/

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