डेटा सेंटर नेटवर्क आर्किटेक्चर

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डेटा सेंटर एक संचार नेटवर्क का उपयोग करके आपस में जुड़े हुए संसाधनों (अभिकलनात्मक, संग्रहण , नेटवर्क) का एक समुच्चय है।[1][2] डेटा सेंटर नेटवर्क (डीसीएन) डेटा सेंटर में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि यह सभी डेटा सेंटर संसाधनों को एक साथ जोड़ता है। क्लाउड कम्प्यूटिंग की निरंतर बढ़ती मांगों को संभालने के लिए डीसीएन को दसियों या सैकड़ों हजारों सर्वरों को जोड़ने के लिए मापनीय और कुशल होने की आवश्यकता है।[3][4] आज के डेटा सेंटर अंतःसंयोजन नेटवर्क द्वारा बाधित हैं।[5]


डेटा सेंटर नेटवर्क सांस्थितिकी के प्रकार

डेटा सेंटर नेटवर्क को कई अलग-अलग श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।[6]

  • स्थिरीकृत सांस्थितिकी
  • नम्य सांस्थितिकी
    • पूरी तरह से प्रकाशीय
      • ओएसए ( प्रकाशीय स्विचिंग संरचना )
    • संकरित
      • सी-थ्रू
      • हेलियोस

डेटा सेंटर नेटवर्क के प्रकार

तीन स्तरीय डीसीएन

पारम्परिक तंत्र तीन स्तरीय डीसीएन संरचना एक मल्टी-रूटेड ट्री नेटवर्क का अनुसरण करता है, जो नेटवर्क स्विच की तीन परतों, अर्थात् अभिगम, सामूहिक संसाधन और कोर लेयर्स से बना होता है।[10] सबसे निचली परतों में सर्वर (कंप्यूटिंग) एज परत स्विच में से एक से सीधे जुड़ा हुआ है। डीसेल सेल के पुनरावर्ती रूप से निर्मित पदानुक्रम का अनुसरण करता है। कुल परत स्विच एक साथ कई अभिगम परत स्विच को अंतःसंबंध करते हैं। सभी समग्र परत स्विच कोर परत स्विच द्वारा एक दूसरे से जुड़े हुए हैं। डेटा सेंटर को इंटरनेट से जोड़ने के लिए कोर परत स्विच भी जिम्मेदार हैं। त्रि-स्तरीय डेटा केंद्रों में उपयोग किया जाने वाला सामान्य नेटवर्क संरचना है।[10]हालाँकि, त्रि-स्तरीय वास्तुकला क्लाउड कंप्यूटिंग की बढ़ती माँग को संभालने में असमर्थ है।[11] त्रि-स्तरीय डीसीएन की उच्च परतें अत्यधिक ओवरसब्सक्राइब्ड हैं।[3]इसके अतिरिक्त, त्रि-स्तरीय डीसीएन में मापनीयता एक और प्रमुख समस्या है। त्रि-स्तरीय संरचना द्वारा सामना की जाने वाली प्रमुख समस्याओं में मापनीयता, गलती सहनशीलता, ऊर्जा दक्षता और अनुप्रस्थ काट बैंड विस्तार सम्मिलित हैं। डेटा सेंटर के भीतर नेटवर्क आधारभूत संरचना द्वारा ऊर्जा की खपत डेटा केंद्रों में लगभग 50% तक बढ़ने की उम्मीद है। त्रि-स्तरीय संरचना सांस्थितिकी की उच्च परतों पर उद्यम-स्तर के नेटवर्क उपकरणों का उपयोग करता है जो बहुत महंगा और बिजली की खपत करते हैं।[5]


फैट ट्री डीसीएन

फैट ट्री डीसीएन संरचना ओवरसब्सक्रिप्शन और अनुप्रस्थ काट बैंड विस्तार की समस्या को कम करता है जिसका सामना लीगेसी तीन स्तरीय डीसीएन संरचना को करना पड़ता है। फैट ट्री डीसीएन क्लॉस नेटवर्क का उपयोग करते हुए सामग्री नेटवर्क स्विच आधारित संरचना का उपयोग करता है।[3]फैट ट्री सांस्थितिकी में नेटवर्क तत्व भी अभिगम , एग्रीगेट और कोर परत में नेटवर्क स्विच के पदानुक्रमित संगठन का अनुसरण करते हैं। हालाँकि, नेटवर्क स्विच की संख्या त्रि-स्तरीय डीसीएन से बहुत बड़ी है।डीसेल सेल के पुनरावर्ती रूप से निर्मित पदानुक्रम का अनुसरण करता है। संरचना k पॉड से बना है, जहाँ प्रत्येक पॉड में, (k/2) टोपोलॉजी में 2 सर्वर, k/2 अभिगम परत स्विच, और k/2 एग्रीगेट परत स्विच होता है। कोर परतों में सम्मिलित हैं (k/2)2 कोर स्विच जहां प्रत्येक कोर स्विच प्रत्येक पॉड्स में एक समग्र परत स्विच से जुड़ा होता है। फैट ट्री सांस्थितिकी 1:1 ओवरसब्सक्रिप्शन अनुपात और पूर्ण द्विभाजन बैंड विस्तार की पेशकश कर सकती है,[3]ट्री के उच्चतम स्तर पर उपलब्ध बैंड विस्तार बनाम प्रत्येक रैक की कुल बैंड विस्तार के आधार पर होती है। उच्च ट्री की शाखाओं को सामान्यतः 1:5 के अनुपात में उनकी निचली शाखाओं के लिए ओवरसब्सक्राइब किया जाता है, उच्चतम स्तर पर 1:80 या 1:240 सहित उच्चतम ट्री स्तरों पर समस्या जटिल होती है।[12] फैट ट्री संरचना एक सीमा शुल्क एड्रेसिंग स्कीम और रूटिंग कलन विधि का उपयोग करता है। मापनीयता फैट ट्री डीसीएन संरचना में प्रमुख प्रकरणों में से एक है और पॉड्स की अधिकतम संख्या प्रत्येक स्विच में पोर्ट की संख्या के बराबर है।[11]


डीसेल

डीसेल एक सर्वर-केंद्रित संकरित डीसीएन संरचना है जहां एक सर्वर सीधे एक सर्वर से जुड़ा होता है।[4] डीसेल संरचना में एक सर्वर कई नेटवर्क इंटरफेस कार्ड ( एनआईसी ) से सुसज्जित है। डीसेल सेल के पुनरावर्ती रूप से निर्मित पदानुक्रम का अनुसरण करता है। एक सेल 0 कई स्तरों में व्यवस्थित डीसेल सांस्थितिकी की मूल इकाई और बिल्डिंग ब्लॉक है, जहाँ एक उच्च स्तर की सेल में कई निचली परत सेल होती हैं। सेल 0 डीसेल सांस्थितिकी का निर्माण खंड है, जिसमें n सर्वर और एक सामग्री नेटवर्क स्विच सम्मिलित है। नेटवर्क स्विच का उपयोग केवल सर्वर को सेल के भीतर जोड़ने के लिए किया जाता है। एक सेल K= N+ 1 सेल सम्मिलित है सेल, और इसी तरह एक सेल K2* N1+ 1 डीसेल सम्मिलित है। डेटा सेंटर को इंटरनेट से जोड़ने के लिए कोर परत स्विच भी जिम्मेदार हैं। सेल एक अत्यधिक मापनीय संरचना है जहां सेल में केवल छह सर्वरों के साथ चार स्तर का डी'सेल है, लगभग 3.26 मिलियन सर्वर समायोजित कर सकते हैं। बहुत उच्च मापनीयता के अतिरिक्त, डीसेल संरचना बहुत उच्च संरचनात्मक मजबूती दर्शाता है।[13] हालाँकि, डीसेल डीसीएन संरचना में अनुप्रस्थ काट बैंड विस्तार और नेटवर्क लेटेंसी एक प्रमुख समस्या है।[1]


अन्य

कुछ अन्य प्रसिद्ध डीसीएन में बीक्यूब,[14] कैमक्यूब,[15] फिकॉन,[16] जेलिफ़िश,[17] और स्केफिडा है।[18] प्रत्येक के साथ जुड़े लाभ और कमियों के साथ-साथ विभिन्न डीसीएन की गुणात्मक चर्चा उपलब्ध कराई गई है।[2]


चुनौतियां

मापनीयता डीसीएन के लिए सबसे प्रमुख चुनौतियों में से एक है।[3]क्लाउड प्रतिमान के आगमन के साथ, डेटा केंद्रों को सैकड़ों हजारों नोड्स तक स्केल करने की आवश्यकता होती है। अत्यधिक मापनीयता प्रदान करने के अतिरिक्त, उच्च क्रॉस-सेक्शन बैंड विस्तार प्रदान करने के लिए डीसीएन की भी आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त , फैट ट्री और डीसेल संरचना सामग्री नेटवर्क उपकरण का उपयोग करते हैं जो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा कुशल है। डेटा सेंटर के भीतर नेटवर्क आधारभूत संरचना द्वारा ऊर्जा की खपत डेटा केंद्रों में लगभग 50% तक बढ़ने की उम्मीद है। वर्तमान डीसीएन संरचना, जैसे तीन स्तरीय डीसीएन निष्फल क्रॉस-सेक्शन बैंड विस्तार प्रदान करते हैं और रूट के पास बहुत अधिक सब्सक्रिप्शन अनुपात रखते हैं।[3]फैट ट्री डीसीएन संरचना 1:1 ओवरसब्सक्रिप्शन अनुपात और उच्च अनुप्रस्थ काट बैंड विस्तार प्रदान करता है, लेकिन यह एक स्विच में k = पोर्ट की कुल संख्या तक सीमित कम मापनीयता से ग्रस्त है। डीसेल अत्यधिक मापनीयता प्रदान करता है, लेकिन यह भारी नेटवर्क लोड और एक-से-कई ट्रैफ़िक पैटर्न के तहत बहुत निष्फल प्रदर्शन करता है।

डीसीएन का प्रदर्शन विश्लेषण

विभिन्न नेटवर्क ट्रैफ़िक पैटर्न के लिए प्रदर्शन तुलना (थ्रूपुट और विलंबता के आधार पर) के लिए त्रि-स्तरीय, फैट ट्री और डीसेल संरचना का मात्रात्मक विश्लेषण किया जाता है।[1]फैट ट्री डीसीएन त्रि-स्तरीय और डीसेल की तुलना में उच्च थ्रूपुट और कम विलंबता प्रदान करता है। उच्च नेटवर्क लोड और एक से कई ट्रैफ़िक पैटर्न के तहत डीसेल बहुत कम थ्रूपुट से ग्रस्त है। डीसेल के निम्न थ्रुपुट के प्रमुख कारणों में से एक उन लिंक्स पर सब्सक्रिप्शन अनुपात से बहुत अधिक है जो उच्चतम स्तर की सेल को आपस में जोड़ते हैं।[1]


डीसीएन की संरचनात्मक मजबूती और कनेक्टिविटी

डीसेल यादृच्छिक और लक्षित हमलों के खिलाफ बहुत उच्च मजबूती प्रदर्शित करता है और लक्षित विफलता के 10% के बाद भी अपने अधिकांश नोड को विशाल क्लस्टर में बनाए रखता है।[13]फैट ट्री और तीन स्तरीय डीसीएन की तुलना में मल्टीपल फेल्योर्स चाहे प्रयोजन हों या रैंडम होता है।[19] डीसेल की उच्च मजबूती और संयोजकता के प्रमुख कारणों में से एक इसकी अन्य नोड्स से कई संयोजकता है जो फैट ट्री या तीन स्तरीय संरचना में नहीं पाई जाती है।

डीसीएन की ऊर्जा दक्षता

डेटा केंद्रों की ऊर्जा जरूरतों और पर्यावरणीय प्रभावों के बारे में चिंताएं तेज हो रही हैं।[5]कुशल ऊर्जा उपयोग आज के सूचना और संचार प्रौद्योगिकी (आईसीटी) क्षेत्र की प्रमुख चुनौतियों में से एक है। मापनीयता डीसीएन के लिए सबसे प्रमुख चुनौतियों में से एक है। डेटा सेंटर के नेटवर्किंग हिस्से को समग्र साइबर ऊर्जा उपयोग का लगभग 15% उपयोग करने के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। 2010 में दुनिया भर में डेटा केंद्रों के भीतर संचार अवसंरचना द्वारा लगभग 15.6 बिलियन किलोवाट ऊर्जा का उपयोग किया गया था।[20] डेटा सेंटर के भीतर नेटवर्क आधारभूत संरचना द्वारा ऊर्जा की खपत डेटा केंद्रों में लगभग 50% तक बढ़ने की उम्मीद है।[5]IEEE 802.3az मानक को 2011 में मानकीकृत किया गया है जो ऊर्जा दक्षता के लिए अनुकूली लिंक दर तकनीक का उपयोग करता है।[21] इसके अतिरिक्त , फैट ट्री और डीसेल संरचना सामग्री नेटवर्क उपकरण का उपयोग करते हैं जो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा कुशल है। कार्यभार समेकन का उपयोग निष्क्रिय उपकरणों को पावर-ऑफ या स्लीप करने के लिए कुछ उपकरणों पर कार्यभार को समेकित करके ऊर्जा दक्षता के लिए भी किया जाता है।[22]


संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 K. Bilal, S. U. Khan, L. Zhang, H. Li, K. Hayat, S. A. Madani, N. Min-Allah, L. Wang, D. Chen, M. Iqbal, C.-Z. Xu, and A. Y. Zomaya, "Quantitative Comparisons of the State of the Art Data Center Architectures," Concurrency and Computation: Practice and Experience, vol. 25, no. 12, pp. 1771-1783, 2013.
  2. ↑ 2.0 2.1 M. Noormohammadpour, C. S. Raghavendra, "Datacenter Traffic Control: Understanding Techniques and Trade-offs," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. PP, no. 99, pp. 1-1.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 M. Al-Fares, A. Loukissas, A. Vahdat, A scalable, commodity data center 2 network architecture, in: ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data 3 Communication, Seattle,WA, 2008, pp. 63–74.
  4. ↑ 4.0 4.1 C. Guo, H. Wu, K. Tan, L. Shi, Y. Zhang, S. Lu, DCell: a scalable and fault tolerant network structure for data centers, ACM SIGCOMM Computer Communication Review 38 (4) (2008) 75–86.
  5. ↑ 5.0 5.1 5.2 5.3 K. Bilal, S. U. Khan, and A. Y. Zomaya, "Green Data Center Networks: Challenges and Opportunities," in 11th IEEE International Conference on Frontiers of Information Technology (FIT), Islamabad, Pakistan, December 2013, pp. 229-234.
  6. ↑ Liu, Yang; Muppala, Jogesh K.; Veeraraghavan, Malathi; Lin, Dong; Hamdi, Mounir (2013), Liu, Yang; Muppala, Jogesh K.; Veeraraghavan, Malathi; Lin, Dong (eds.), "Data Center Network Topologies: Research Proposals", Data Center Networks: Topologies, Architectures and Fault-Tolerance Characteristics, SpringerBriefs in Computer Science (in English), Cham: Springer International Publishing, pp. 15–31, doi:10.1007/978-3-319-01949-9_3, ISBN 978-3-319-01949-9, retrieved 2021-02-10
  7. ↑ Al-Fares, Mohammad; Loukissas, Alexander; Vahdat, Amin (2008). "एक स्केलेबल, कमोडिटी डेटा सेंटर नेटवर्क आर्किटेक्चर". Proceedings of the ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data Communication - SIGCOMM '08 (in English). Seattle, WA, USA: ACM Press: 63–74. doi:10.1145/1402958.1402967. ISBN 978-1-60558-175-0. S2CID 65842.
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  9. ↑ Al-Fares, Mohammad; Radhakrishnan, Sivasankar; Raghavan, Barath; Huang, Nelson; Vahdat, Amin (2010-04-28). "Hedera: dynamic flow scheduling for data center networks". Proceedings of the 7th USENIX Conference on Networked Systems Design and Implementation. NSDI'10. San Jose, California: USENIX Association: 19.
  10. ↑ 10.0 10.1 Cisco, Cisco Data Center Infrastructure 2.5 Design Guide, Cisco Press, 2010.
  11. ↑ 11.0 11.1 Bilal et al., "A Taxonomy and Survey on Green Data Center Networks," Future Generation Computer Systems.
  12. ↑ Greenberg, Albert, et al. "VL2: a scalable and flexible data center network." Proceedings of the ACM SIGCOMM 2009 conference on Data communication. 2009.
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  14. ↑ Guo, Chuanxiong, et al. "BCube: a high performance, server-centric network architecture for modular data centers." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 39.4 (2009): 63-74.
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  16. ↑ Li, Dan, et al. "FiConn: Using backup port for server interconnection in data centers." INFOCOM 2009, IEEE. IEEE, 2009.
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  18. ↑ Gyarmati, László, and Tuan Anh Trinh. "Scafida: A scale-free network inspired data center architecture." ACM SIGCOMM Computer Communication Review 40.5 (2010): 4-12.
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  20. ↑ Bilal, K.; Khan, S. U.; Zomaya, A. Y. (December 2013). "Green Data Center Networks: Challenges and Opportunities" (PDF). 2013 11th International Conference on Frontiers of Information Technology: 229–234. doi:10.1109/FIT.2013.49. ISBN 978-1-4799-2503-2. S2CID 7136258.
  21. ↑ K. Bilal, S. U. Khan, S. A. Madani, K. Hayat, M. I. Khan, N. Min-Allah, J. Kolodziej, L. Wang, S. Zeadally, and D. Chen, "A Survey on Green Communications using Adaptive Link Rate," Cluster Computing, vol. 16, no. 3, pp. 575-589, 2013
  22. ↑ Heller, Brandon, et al. "ElasticTree: Saving Energy in Data Center Networks." NSDI. Vol. 10. 2010.
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