Arquitecturas de red de centros de datos

Un centro de datos es un conjunto de recursos (computacionales, de almacenamiento, de red) interconectados mediante una red de comunicación . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Una red de centro de datos (DCN) desempeña un papel fundamental en un centro de datos , ya que interconecta todos los recursos del mismo. Las DCN deben ser escalables y eficientes para conectar decenas o incluso cientos de miles de servidores y así gestionar la creciente demanda de la computación en la nube . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Los centros de datos actuales están limitados por la red de interconexión. ^{[ 5 ]}

La adopción de la computación en la nube híbrida ha influido en el diseño de las redes de centros de datos modernos. Al integrar la infraestructura local con entornos de nube pública y privada, las organizaciones pueden distribuir aplicaciones y cargas de trabajo en múltiples ubicaciones. Como resultado, los recursos del centro de datos ya no necesitan estar físicamente ubicados en el mismo lugar y pueden comunicarse a través de arquitecturas de red interconectadas . ^{[ 6 ]}

Las redes de centros de datos se pueden dividir en varias categorías separadas. ^{[ 7 ]}

• Topología fija
  • Basado en árboles
    • Árbol básico
    • Red Clos
      • VL2 ^{[ 8 ]}
      • Árbol gordo
        • Al-Fares et al. ^{[ 9 ]}
        • Portland ^{[ 10 ]}
        • Hedera ^{[ 11 ]}
  • Recursivo
    • DCell ^{[ 4 ]}
    • BCube ^{[ 12 ]}
    • MDCube ^{[ 13 ]}
    • FiConn ^{[ 14 ]}
  • Departamento
    • RNG ^{[ 15 ]}
• Topología flexible
  • Totalmente óptico
    • OSA (Arquitectura de conmutación óptica)
  • Híbrido
    • c-A través ^{[ 16 ]}
    • Helios ^{[ 17 ]}

La escalabilidad es uno de los desafíos más importantes para las DCN. ^{[ 3 ]} Con la llegada del paradigma de la nube, los centros de datos deben escalar hasta cientos de miles de nodos. Además de ofrecer una escalabilidad inmensa, las DCN también deben proporcionar un ancho de banda de sección transversal alto. Las arquitecturas DCN actuales, como la DCN de tres niveles, ofrecen un ancho de banda de sección transversal bajo y poseen una relación de sobreasignación muy alta cerca de la raíz. ^{[ 3 ]} La arquitectura DCN de árbol gordo proporciona una relación de sobreasignación de 1:1 y un ancho de banda de sección transversal alto, pero sufre de una escalabilidad baja limitada a k = número total de puertos en un conmutador. DCell ofrece una escalabilidad inmensa, pero proporciona un rendimiento muy bajo bajo una carga de red pesada y patrones de tráfico de uno a muchos.

Se realiza un análisis cuantitativo de las arquitecturas de tres niveles, árbol gordo y DCell para comparar su rendimiento (en función del rendimiento y la latencia) con diferentes patrones de tráfico de red. ^{[ 1 ]} La DCN de árbol gordo ofrece un alto rendimiento y una baja latencia en comparación con las arquitecturas de tres niveles y DCell. DCell sufre un rendimiento muy bajo bajo una alta carga de red y patrones de tráfico de uno a muchos. Una de las principales razones del bajo rendimiento de DCell es la alta tasa de sobreasignación en los enlaces que interconectan las celdas de nivel superior. ^{[ 1 ]}

La DCell muestra una robustez muy alta frente a ataques aleatorios y dirigidos, y conserva la mayor parte de sus nodos en el clúster gigante incluso después de un 10 % de fallos dirigidos. ^{[ 20 ]} múltiples fallos, ya sean dirigidos o aleatorios, en comparación con las DCN de árbol gordo y de tres niveles. ^{[ 24 ]} Una de las principales razones de la alta robustez y conectividad de la DCell es su conectividad múltiple con otros nodos que no se encuentra en las arquitecturas de árbol gordo o de tres niveles.

La preocupación por las necesidades energéticas y los impactos ambientales de los centros de datos se está intensificando. ^{[ 5 ]} La eficiencia energética es uno de los principales desafíos del sector de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) actuales . Se estima que la parte de red de un centro de datos consume alrededor del 15 % del consumo energético total de los ciberespacios. Alrededor de 15.600 millones de kWh de energía fueron utilizados únicamente por la infraestructura de comunicaciones dentro de los centros de datos en todo el mundo en 2010. ^{[ 25 ]} Se espera que el consumo energético de la infraestructura de red dentro de un centro de datos aumente a alrededor del 50 % en los centros de datos. ^{[ 5 ]} El estándar IEEE 802.3az se estandarizó en 2011 y utiliza una técnica de velocidad de enlace adaptativa para la eficiencia energética. ^{[ 26 ]} Además, las arquitecturas fat tree y DCell utilizan equipos de red comerciales que son inherentemente eficientes en energía. La consolidación de carga de trabajo también se utiliza para la eficiencia energética al consolidar la carga de trabajo en pocos dispositivos para apagar o suspender los dispositivos inactivos. ^{[ 27 ]}