nec‐ 早稲田大学技術交流会

NEC‐早稲田大学技術交流会

サーバ負荷分散における OpenFlow を用いた省電力法

2011/12/26 石井翔　早稲田大学　基幹理工学研究科　情報理工学専攻　後藤研究室修士 2 年

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背景

• 震災をきっかけに、省電力化が課題に• サーバ負荷分散システムについても

省電力化を考える必要あり

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サーバ負荷分散システムの省電力化の既存手法

• サーバ負荷分散システムにおいて、サーバの待機を行うことで動的に稼働サーバ数を制御する手法 [1]

• ただし、 DNS (Domain Name System) を用いたサーバ負荷分散システムについては考慮されていない• DNS キャッシュがあるため、動的な制御に向かない

⇒ 本研究はここに注目

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[1] Takayuki Imada, Mitsuhisa Sato, Yoshihiko Hotta, Hideaki Kimura, Power management of distributed web savers by controlling server power state and traffic prediction for QoS, Graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, IEEE International Symposium on Parallel and Distributed Processing (IPDPS) , pp.1-8, April 2008.

ユーザ群 Suspend

!

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研究目的と提案手法

• DNS (Domain Name System) を用いたサーバ負荷分散法を改善

• OpenFlow を用いることで、可用性を維持しつつ短時間でサーバを待機状態にし、消費電力を削減

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研究目的

提案手法

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OpenFlow

• コントローラでスイッチを集中制御• 一連の通信をフロー※として扱い、フローごとに制御

Switch hardwareSwitch

hardwareSwitch

hardware

Switch hardware

OpenFlow Controller (Server Software)

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※ ここで述べるフローは以下のパラメータの組み合わせ

受信したスイッチのポート送信元 MAC アドレス宛先 MAC アドレスVLAN のタグ ID送信元 IP アドレス宛先 IP アドレス送信元ポート番号宛先ポート番号

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既存手法におけるサーバ待機の問題点

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Internet

ユーザ群

DNS サーバwww.example.com

www.example.com= IP1, IP2, IP3, IP4

IP1 IP2 IP3 IP4

キャッシュサーバ

待機に時間がかかる

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通信中待機不可


IP4 のサーバを待機したい

サーバの待機の際、キャッシュが切れるまで要求が到着してしまう

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DNS ラウンドロビン＋提案手法での省電力


Internet

ユーザ群

DNS サーバwww.example.com


IP1 IP2 IP3 IP4


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IP4 のサーバを待機したい

Openflow

早期のサーバ待機が可能

転送

待機可能 !!

Controller

待機時、キャッシュにより到着した要求をアドレスを

書き換えて転送

サーバ待機時の提案手法の動作


待機決定前待機対象のサーバへの通信が終わるまで

待機実行

OpenFlowコントローラ

待機対象のサーバ

OpenFlowスイッチ

待機決定時に通信途中の通信のみを待機対象のサーバに転送（コントローラを使ってフロー単位で定義）

他のOpenFlowスイッチへ

他のOpenFlowスイッチへ

待機

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待機決定

待機対象のサーバへのパケットが0

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実証実験

• 提案手法が電力を削減できることを示す

• 実験の方針 :• 実験 1: サーバ待機の省電力効果測定• 実験 2: 待機決定から待機実行までの時間比較• 実験 3: 実トラヒックへの提案手法の電力削減量算出

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実験 1 ( サーバ待機の省電力効果測定 ) 結果

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Min Max Avg

待機所要時間 [s]

2 3 3

Min Max Avg

稼働時消費電力 [W]

62 63 62

待機時消費電力 [W]

1 1 1

表 1.1 稼働時と待機時の消費電力

表 1.2 待機時の所要時間

• サーバ待機の所要時間と消費電力を測定• 3 秒で、 1W と高速で低い消費電力まで抑えられ、

サーバ待機の省電力に対する有効性が示された

図 1 待機時のサーバの消費電力推移

3 秒で 1W まで削減

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実験 2 ( サーバの待機決定から待機実行までの時間比較 ) 概要

• サーバの待機を決定してから実行可能となるまでの時間を測定

• 提案手法を用いた場合と、そうでない場合で比較

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待機決定待機実行待機対象のサーバへの通信が無くなる

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実験 2 ( サーバの待機決定から実行までの時間比較 ) 実験環境


疑似 DNS ラウンドロビンクライアント

OpenFlow スイッチ※ 1 台のスイッチ内で仮想的に 2 台に分離

ソフトウェアルータ

Layer 2 スイッチ

サーバ 1 サーバ 2

• 実機で構築• 現在 OpenFlow スイッチによる

IP アドレス書き換えが低速なため、 MAC アドレス書き換えを用いて実装

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転送

待機OpenFlow コントローラ

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実験 2 ( 待機決定から待機実行までの時間比較 ) 実験結果


• 少ないほど良い• 提案手法の場合はキャッシュ時間に関わら

ず高速に待機可能となることが示された2011/12/26

図 2 待機決定から待機実行可能となるまでの時間比較

提案手法は常に 2~3 秒

既存手法は大きく増加

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実験 3 ( 実トラヒックへの提案手法の電力削減量算出 ) 概要

• 一日の実トラヒックを測定• ある商用ネットワークにおいて、ポート 80 (HTTP) の

セッション数を測定したもの

• 実トラヒックに対してサーバ稼働数を設定し、提案手法の一日での電力削減量を算出

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実験 3 ( 実トラヒックへの提案手法の電力削減量算出 ) 仮定する環境


Internet

ユーザ群

DNS サーバ

www.example.com


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Openflow Controller

実験システムのパラメータは実験 1, 2, 3 と同一とする .

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17:00:0017:05:0017:10:0017:15:0017:20:0017:25:0017:30:0017:35:0017:40:0017:45:0017:50:0017:55:0018:00:0018:05:0018:10:0018:15:0018:20:0018:25:0018:30:0018:35:0018:40:0018:45:0018:50:0018:55:0019:00:0019:05:0019:10:0019:15:0019:20:0019:25:0019:30:0019:35:0019:40:0019:45:0019:50:0019:55:0020:00:0020:05:0020:10:0020:15:0020:20:0020:25:0020:30:0020:35:0020:40:0020:45:0020:50:0020:55:0021:00:0021:05:0021:10:0021:15:0021:20:0021:25:0021:30:0021:35:0021:40:0021:45:0021:50:0021:55:0022:00:0022:05:0022:10:0022:15:0022:20:0022:25:0022:30:0022:35:0022:40:0022:45:0022:50:0022:55:0023:00:0023:05:0023:10:0023:15:0023:20:0023:25:0023:30:0023:35:0023:40:0023:45:0023:50:0023:55:000:00:000:05:000:10:000:15:000:20:000:25:000:30:000:35:000:40:000:45:000:50:000:55:001:00:001:05:001:10:001:15:001:20:001:25:001:30:001:35:001:40:001:45:001:50:001:55:002:00:002:05:002:10:002:15:002:20:002:25:002:30:002:35:002:40:002:45:002:50:002:55:003:00:003:05:003:10:003:15:003:20:003:25:003:30:003:35:003:40:003:45:003:50:003:55:004:00:004:05:004:10:004:15:004:20:004:25:004:30:004:35:004:40:004:45:004:50:004:55:005:00:005:05:005:10:005:15:005:20:005:25:005:30:005:35:005:40:005:45:005:50:005:55:006:00:006:05:006:10:006:15:006:20:006:25:006:30:006:35:006:40:006:45:006:50:006:55:007:00:007:05:007:10:007:15:007:20:007:25:007:30:007:35:007:40:007:45:007:50:007:55:008:00:008:05:008:10:008:15:008:20:008:25:008:30:008:35:008:40:008:45:008:50:008:55:009:00:009:05:009:10:009:15:009:20:009:25:009:30:009:35:009:40:009:45:009:50:009:55:0010:00:0010:05:0010:10:0010:15:0010:20:0010:25:0010:30:0010:35:0010:40:0010:45:0010:50:0010:55:0011:00:0011:05:0011:10:0011:15:0011:20:0011:25:0011:30:0011:35:0011:40:0011:45:0011:50:0011:55:0012:00:0012:05:0012:10:0012:15:0012:20:0012:25:0012:30:0012:35:0012:40:0012:45:0012:50:0012:55:0013:00:0013:05:0013:10:0013:15:0013:20:0013:25:0013:30:0013:35:0013:40:0013:45:0013:50:0013:55:0014:00:0014:05:0014:10:0014:15:0014:20:0014:25:0014:30:0014:35:0014:40:0014:45:0014:50:0014:55:0015:00:0015:05:0015:10:0015:15:0015:20:0015:25:0015:30:0015:35:0015:40:0015:45:0015:50:0015:55:0016:00:0016:05:0016:10:0016:15:0016:20:0016:25:0016:30:0016:35:0016:40:0016:45:0016:50:0016:55:0017:00:000

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

70,000

80,000

90,000

100,000

0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 140,000 160,000 180,000 200,000 220,000

Only DNS RoundrobinProposedSYN/ACK Count

Time [JST]

Po

we

r [W

h]

Se

ssio

n C

ou

nt

実験 3 ( 実トラヒックへの提案手法の電力削減量算出 )実トラヒックへの提案手法の適用結果

DNS キャッシュ時間 =3600 [s]

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• DNS ラウンドロビンのみの待機と比べて 5.9% 電力量を削減

• 待機を行わない場合と比べて 51.5% 電力量を削減

この部分の電力が削減

172011/12/262011/12/26 NEC-早稲田大学技術

交流会

• いずれの場合においても電力量の削減に成功• 提案手法を実環境に適用した場合の省電力効果が示された

実験 3 ( 実トラヒックへの提案手法の電力削減量算出 )実トラヒックへの提案手法の適用結果

最大で消費電力を17% 削減

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 10,000,000

11,000,000

12,000,000

13,000,000

14,000,000

15,000,000

16,000,000

17,000,000

18,000,000

TraditionalProposed

DNS Cache Time [Sec]

Po

we

r [W

h]

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まとめ

• DNS によるサーバ負荷分散環境において、OpenFlow スイッチを使ってキャッシュ時間の遅れを補うことで省電力を実現した

• DNS のキャッシュ時間が長いほど提案手法の削減効果が上がることが示された

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• 御清聴ありがとうございました

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