Adaptive Load Balancing Mechanism for Multipath Transmission in Data Center

Abstract

Various applications require the data center networks to carry their traffic efficiently. The data center networks usually have a hierarchical topology and exhibit distinct traffic patterns, which is different from the traditional Internet. These features have driven the data center networks to reduce the flow completion time (FCT) and to achieve high throughput. One of the possible solutions is balancing network loads across multiple paths by leveraging transport mechanisms like Equal-Cost MultiPath (ECMP) routing. ECMP allows flows to exploit multiple paths by hashing the metadata of the flows. However, due to the random nature of hash functions, ECMP often distributes the traffic unevenly, which makes it hard to utilize the links' full capacity. Thus, we propose an adaptive load balancing mechanism for multiple paths in data centers, called MaxPass, to complement ECMP. A sender adaptively selects and dynamically changes multiple paths depending on the current network status like congestion. To monitor the network status, the corresponding receiver transmits a probe packet periodically to the sender

its loss indicates a traffic congestion. We implemented MaxPass using commodity switches and carry out the quantitative analysis on the ns-2 simulator to show that MaxPass can improve the FCT and the throughput.

데이터 센터 내에서 동작하는 다양한 어플리케이션들은 네트워크 트래픽을 보다 효율적으로 사용할 것을 요구한다. 데이터 센터 네트워크는 기존의 인터넷과는 다른 다중 루트 계층적 토폴로지로 구성되어 있으며, 다양한 트래픽 패턴을 가지고 있다. 이러한 특징으로 인해 데이터 센터 네트워크는 짧은 플로우 처리 완료 시간 (Flow Completion Time)과 높은 처리량 (Throughput)을 요구한다. 데이터 센터가 요구하는 조건들을 만족시키기 위한 방법 중 하나로는 등가 다중 경로 (Equal-Cost Multi-Path)와 같은 라우팅 기법을 활용하여 네트워크 부하를 서로 다른 링크에 분산시키는 것이 있다. 등가 다중 경로 라우팅 기법은 플로우의 메타 데이터를 해싱하여 플로우가 여러 경로를 이용할 수 있도록 한다. 그러나 랜덤한 결과를 도출하는 해시 함수의 특성에 따라 등가 다중 경로 라우팅 기법은 종종 트래픽을 고르게 분배하지 못함으로써, 링크의 전체 용량을 활용하기에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 데이터 센터 네트워크 환경에 맞는 새로운 부하 균형 배분 기법인 맥스패스 (MaxPass)를 제안한다. 맥스패스 내에서 데이터 송신자는 현재 네트워크 상태에 따라 경로를 동적으로 선택하고 변경한다. 데이터 수신자는 현재 네트워크 상태를 파악하기 위해 탐색 패킷을 주기적으로 송신자에게 보내고, 탐색 패킷 드랍 여부에 따라 혼잡도를 파악한다. 본 논문은 실제 스위치에서 맥스패스를 구현하였으며, ns-2 시뮬레이션을 기반한 실험을 통해 제안한 기법에 관하여 정량적 수치 분석을 수행하고, 플로우 처리 완료 시간과 링크 처리량의 성능 향상이 있음을 보여 준다.