収納に何が必要か知ってる？ 平らにするためにもっとドーナツが必要だ

ストレージネットワークを構成するアダプタ、スイッチ、ルータ、ディレクターといった階層構造は扱いにくく、複雑でコストもかかるため、サーバーとストレージデバイスを直接接続する、よりフラットな方式に置き換える必要があります。これが、スタートアップ企業Rockport Networksからのネットワークに関するメッセージです。

現在のファットツリー型およびスパイン＆リーフ型のネットワークアーキテクチャは、経済的なスケーラビリティを阻害し、クラウドコンピューティングや分析の妨げになる傾向があると指摘されています。比較的限られたスケーラビリティ、柔軟性、そしてコスト削減を実現するために、現在のネットワークハードウェアをソフトウェア定義しようとするよりも、ストレージネットワークアーキテクチャ、ひいてはネットワークアーキテクチャそのものを再考する方が賢明です。

この会社は、CEO の Doug Carwardine、CTO の Dan Oprea、COO の Michael McLay というストレージとネットワークのベテラン 3 人によって 2012 年にオタワで設立されて以来、目立たずに活動してきました。

そのアイデアは、ネットワーク内のストレージノードとサーバーノードを、光ケーブルのダイレクトインターコネクト（トーラスメッシュ）を用いて直接相互接続するというものです。トーラスメッシュとは、その相互接続方式を幾何学的に表現したもので、円形の断面を持つリング状の構造で、リングの中央に穴が開いています。ドーナツをイメージしてください。

これは新しいことではありません。トーラスメッシュ接続は、長年にわたり高性能コンピューティング環境の相互接続に使用されてきました。

ロックポートのCTO、ダン・オプレア氏は、同社のトーラスはダイレクト・インターコネクト方式であると述べていますが、この2つの用語は同義ではありません。どちらか一方だけが存在する場合もあります。スーパーコンピュータは、ダイレクト・インターコネクトではないトーラス・ネットワーク方式を採用しています。

オプレア氏によると、ロックポートがトーラスを使いたかったのは、その特性の 1 つがソース ノードと宛先ノード間のホップ数を最小限に抑えることであり、「そのため、ジャンプがはるかに高速になる」からだといいます。

また、Direct Interconnect の特性、つまり、スパインとリーフの設計ではできない、すべてのノードでトラフィックを追加または削除する機能も必要でした。

ロックポート社によると、ダイレクト・インターコネクトは最も効果的な接続方法として広く認識されている一方で、機器間の配線が非常に複雑な方法であることも認識されています。同社は、高基数接続と短い配線距離による簡素化により、配線の課題を解決したと主張しています。ダイレクト・インターコネクトは、データセンター内のデータノードを相互接続する最も効率的な方法であり、飛躍的な線形拡張性を提供すると同社は述べています。

このため、Rockport のソフトウェアは、そのアーキテクチャのパフォーマンスとスケーラビリティを、より大規模なエンタープライズ市場にもたらすことになります。

トーラスネットワークの概念

このトーラス メッシュのアイデアがネットワークにどのように適用されるかは独創的であり、これは明らかにネットワーク エンジニアではないストレージ担当記者がそれをどのように想定しているかを示しています。

3つのノードが一辺に並び、その下に3×3のノードが並んだグリッドを想像してみてください。上部のグリッドノードはオレンジ色で、赤い線で相互接続されています。下部のグリッドノードは黄色で、青い線で相互接続されています。垂直に並んだノードは緑色の垂直線で接続されており、次のような概念が生まれます。

ここで、線がグリッド内のノード間のネットワークパスであり、どのノードもこれらの論理リンク線を使って他のノードと通信できると想像してみてください。左上のノードから右下のノードまで、4つの中間ノードとそれらの間の5つのホップ（リンク）を使って、複数のパスをたどることができます。わかりましたか？

ノードが増え、グリッドが 30 x 30 ノードの 2 層に拡張されたと想像してください。基本的な考え方は同じですが、今度は左上から右下のノードへのパスに約 50 個の中間ノードとリンクが含まれることになります。わかりましたか? 次に、これを 100 x 100 ノードの 2 層のグリッドに拡張します。パスはどんどん長くなり、約 200 個の中間ノードとホップが必要になります。これは明らかに許容できません。そこで、ここで少し想像上の飛躍をしてみましょう。このグリッドを平らな柱の周りに巻き付け、想像上の 3D 空間で、左端のノードセットが右端のノードセットの下にくるように配置します。

このチューブの断面が、トーラスドーナツチューブの円形断面であると想像してください。グリッドの左上ノードから右下ノードまでのネットワークパスは、中間ノードとホップが100強にまで大幅に短縮されています。

ここで、もう一つ想像上の飛躍が必要です。準備はいいですか？ グリッドの前面と背面のエッジも拡張され、前面と背面のエッジが接する円が描かれ、エッジ上のノードが互いに直接向き合うようになります。これで、上記の青いトーラスドーナツ画像に示すように、3次元トーラスメッシュトポロジが完成しました。

3次元ノードがすべて別の次元で接続された状態、つまり4次元トーラスメッシュトポロジーを想像してみてください。そして5次元、あるいは6次元へと拡張していくと、文字通り数十億台のデバイスをサポートできるようになります。次元が追加されるにつれて、グリッド内の以前は遠く離れていたメンバー間のリンクが大幅に短くなり、ホップ数とレイテンシが低減します。典型的な4次元または6次元トーラスメッシュでは、1桁のホップ数で5,000台以上のデバイスが接続されます。Oprea氏によると、グリッドの両端の次元（ノード数）が均等であればあるほど、トーラスダイレクトインターコネクトネットワークの性能は向上し、例えば10 x 10グリッドは5 x 15グリッドよりも優れています。

以下は、6 x 7 グリッド (42 データ ノード) を持つ Rockport 2D 構成です。

次にこれを 3D に拡張します。

さらにそれを拡張するには 4D が必要です。

最後に、IT ラックを使用した Rockport Direct Interconnect の概念図を示します。