超高速ネットワークのためのデータ・レゼボワール

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1 超高速ネットワークのためのデータ・レゼボワール
東京大学大学院理学系研究科 情報科学専攻 平木　敬 ２００１年１月９日

2 概要 ネットワーク（LAN，WAN) の方向性 SUPER SINET計画 東大における理学研究へのネットワーク利用
超高速ネットワーク通信の困難点 データレゼボワ-ルの概要 基本方式・基本設計 今後の課題

3 ３６年で、約１００万倍の速度向上、１００万倍のメモリ増大 大域ネットワーク ２MFLOPS, １Mバイトメモリ （CDC6600)
情報システムのあり方 過去から現在まで １９６４年　　汎用計算機システム元年 IBM360 CDC6600 HITAC５０２０ ２０００年　MPP時代　（ASCIを除く） IBM　SP　Power3　１．４TFLOPS,３７５MHｚ　１３３６CPU,1.3TB 日立　SR-8000　　　１TFLOPS, 896CPU (112PE) ３６年で、約１００万倍の速度向上、１００万倍のメモリ増大 大域ネットワーク ５０Kｂｐｓ(１９６９）から　１０Gｂｐｓ（２０００））　　３０年で２０万倍の速度増加 ２MFLOPS,　１Mバイトメモリ　（CDC6600) ０．６５MFLOPS，　　　　　　２５６Kバイトメモリ　（HITAC5020)

4 CDC6600

5 IBM/360　モデル６７

6 IBM　SP　Power3

7 （著作権法に触れています。ごめんなさい ⇒ KEK)
SR-8000 （著作権法に触れています。ごめんなさい　⇒　KEK)

8 情報システムの変身 過去４回の大きな変革 現在 汎用コンピュータ 電子計算機の誕生 イーサネット WWW 1940 1950 1960
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

9 Loadmap of LAN and WAN

10 Loadmap of computing systems
FLOPS 30 10 32G 27 10 1G 1Y Parallel Computers 32M 1Z Vector Computers 1E 1M 1P 64K 8K 16K 4K 1T Processor Chips 1K 1G 256 64 1M 16 70 80 90 2000 2010 2020 2030 2040 2050

11 科学研究における情報システム利用形態 Numerical Intensive Computation (NIC)
シミュレーション、QCD計算、物性理論計算 入力パラメータ：少量、モデル計算中心：大計算量、可視化出力 スーパーコンピュータは、NICに特化した形態 ネットワーク利用：遠隔使用、画像出力、メールやWebなど Data Intensive Computation 実験データ解析、予測、診断 観測データ、精密画像、人工衛星データ：大容量入力 データ並列型の計算（並列化に向く）→　クラスタの利用 同一データセットによる、計算の繰り返し ネットワーク利用：データ通信、分散データベース Bandwidth Intensive Computation 動画像、Grid、クラスタ計算 ネットワークバンド幅が、情報処理の主なボトルネック ネットワーク利用：プロセス間通信、リアルタイム画像 短レイテンシ、高バンド幅

12 東大 Internet すばる 天文台 宇宙研 高エネ研 CERN 科技庁 気象庁 Computing Servers １００Mbps
UTnet 現在の方法 （磁気テープによる データ通信） １００Mbps 気象庁 Computing Servers

13 例えば、10Gbps 実質 1０Gbps 使うとして 100 TB/day 4.5 TB/hour たとえば
1 時間に DLT 100 本 程度 full-animation 100 本程度(polygon) たとえば地震計16000台（1台 64Kbps ＠気象庁) １０Ｇｂｐｓは将来への中間地点

14 ネットワーク制御 (error rate, latency + Window 制御) ネットワークI/F （パケットの授受）
１０Gｂｐｓは計算機屋には楽でない 　ネットワーク制御 (error rate, latency + 　　Window 制御) ネットワークI/F （パケットの授受） 　I/Oバスバンド幅 Software Overhead（OS,ライブラリ） Disk I/O (read 20MB/ドライブ 　　　　　　　　　 write １0MB/ドライブ) Data Resevoir の必要性

15 10Gbps通信制御 Ethernet 基本パケット長 ＝ １．５Kバイト NIC NIC １００ms （東大 ⇔ CERN)
６ms(東大　⇔　KEK) 10μs 100μs 100μs 10μs 125　MB 7．5　MB 125KB 12.5KB 5K 8 83 83K

16 やっかいな問題 Slow Startによるウィンドウサイズ成長（小さいファイルの場合） 誤り発生によるウィンドウサイズの縮小
自己相関による多数ストリームの不安定性 QoSの協調動作（総合的バンド幅保証） 信頼性層バッファの大規模化 TCPウィンドウ 送信側 ACK 受信側

17 スーパーSINETによるデータ通信 東大 一橋 Internet すばる 天文台 宇宙研 高エネ研 CERN 科技庁 気象庁
Data Cache Server 天文台 宇宙研 Data Storage Stations 高エネ研 CERN 科技庁 スーパーSINET 関連部分 気象庁 Computing Servers UTnet

18

19 一般的な処理の流れ （バランスの一般法則）
１TIPS（TFLOPS) １TB　Memory １００GB　Disk １０GIPS（GFLOPS) １０GB　Memory １TB　Disk ８０命令/バイト入出力 １Gbps １~１０Gbps １０Gｂｐｓ ８０００命令/バイト入出力 １０GIPS １０GB　Memory １００TB　Disk １０GIPS １０GB　Memory １００TB　Disk １０Gb/s ８命令/バイト入出力

20 Performance of MBCF on 100BASE-TX
Hardware Work Station SPARCstation 20 (85 MHz SuperSPARC × 1) NIC Sun Microsystems Fast Ethernet SBus Adapter 2.0 Network SMC TigerStack TX (non-switching 100BASE-TX HUB) Bay Networks BayStack 350T (switching 100BASE-TX HUB) OS SSS-CORE Ver. 1.1 MBCF/100BASE-TX , Peak Band-width (Unit: Mbyte/sec) data size (byte) 4 16 64 256 1024 1408 MBCF_WRITE, Half-duplex 0.31 1.15 4.31 8.56 11.13 11.48 MBCF_WRITE, full-duplex 0.34 1.27 4.82 9.63 11.64 11.93 MBCF/100BASE-TX , One way latency (μsec) data size (byte) 4 16 64 256 1024 MBCF_WRITE 24.5 27.5 34 60.5 172 MBCF_FIFO 32 40.5 73 210.5 MBCF_SIGNAL 49 52.5 93 227.5

21 Peak Bandwidth on 100BASE-TX

22 Round-trip latency on 100BASE-TX

23 MBCF TCP/IP MBCF TCP/IP
Performance of MBCF Hardware Workstation Sun Microsystems Ultra 60 (450 MHz UltraSPARC-II × 1) NIC Sun Microsystems GigabitEthernet/P 2.0 Adapter Network (direct connection by a cross cable) OS and protocol SSS-CORE Ver. 2.3 MBCF Solaris 2.6 TCP/IP MBCF/1000BASE-SX , Peak band-width (Mbyte/sec) data size (byte) 4 16 64 256 1024 1408 MBCF 2.29 5.67 22.30 55.41 78.22 80.92 TCP/IP 0.09 0.43 1.67 5.56 12.79 20.21 MBCF/1000BASE-SX , One way latency (μsec) data size (byte) 4 16 64 256 1024 MBCF 9.6 11.0 11.5 16.2 35.9 TCP/IP 95.08 95.22 95.39 99.45 114.15

24 Peak Bandwidth by 1000BASE-SX (MBCF_WRITE)

25 One way latency with 1000BASE-SX(MBCF_WRITE)

26 ハードウェアによる超高速単一データストリームの実現
ハードウェア解とソフトウェア解 ハードウェアによる超高速単一データストリームの実現 専用ネットワークプロセッサによるプロトコル処理 ワイヤスピードの実現 計算機内部バスバンド幅による制限 ディスクとのバンド幅による制限 バッファ領域 ＴＣＰのウィンドウ制御の問題点 ソフトウェアによる超高速単一データストリームの実現 クラスタ計算システムによるデータ転送 Ｌ４スイッチングによる単一データストリーム化とワイヤスピードの実現 ＴＣＰの統一のとれた制御 ストレージレベルでのネットワーク化 流量制御、特に遠距離通信における衝突の制御

27 超高速ネットワークの有効利用への障壁 超高速ネットワークプロセッサ 光通信方式 → １０００Gbpsまで
暗号化/復号化通信　 →　数１０Mbps　で限界か？ 　　現状では超高速ネットワークの効率的活用は無理 　ギガビット・イーサネットを最大能力で生かすネットワーク方式 （メモリベースプロセッサ：MBP2　の研究・開発）

28 ユーザレベル通信用ネットワークインタフェースVLSIの新規開発 MBCF、TCP/IPのインタフェースカード上での実現
MBP2プロジェクト ギガビット・イーサネットを用いる ユーザレベル通信用ネットワークインタフェースVLSIの新規開発 MBCF、TCP/IPのインタフェースカード上での実現 暗号化/復号化のハードウェア的実現 フィールドプログラマブル 　　・ゲートアレイを用いた 　　プロトタイプ

29 現在のクラスタ計算システム Beowulf class cluster Linux and Windows
Single user system MPI based message passing communication Gang scheduling Linux and Windows multi-image operating environment Very high overheads due to kernel structure Lack of migration capability Use of specialized network hardware e.g. myrinet memory mapped communication

30 高速ネットワークを利用したい理学系プロジェクト
実験 現在、テープでデータを物理的に運んでいる 理学系で15 project 程度（ over Gbit は２か３） グラフィックス/CAD (full-screen, interactive) 現在、画像サイズ/rate /リアルタイム性を我慢 大域cluster コンピュータ 100Mｂｐｓ～１G ｂｐｓで PC-cluster が組める。 （SR8000 cluster はおそらく非現実的）

31 超高速ネットワークを要する理学系の研究プロジェクト
理研 理学系研究科 学内研究センタ 放医研 原研 原子核科学 研究センタ 高エネルギー実験データ 素粒子物理 国際研究センタ CERN （ジュネーブ） 高エネ研 物理学専攻 生物科学専攻 医科学研究所 ゲノム情報 生物化学専攻 三島 岡崎 京大 地球惑星科学専攻 地震研 天文学専攻 海外 データベース 地震・気象情報 天文学教育 研究センタ 海半球研究センタ （気象庁） 気候システム 研究センタ すばる （米国・ハワイ） フェルミ・ラボ （米国・イリノイ） 化学専攻 地殻化学研究センタ 天文観測データ 国立天文台 情報科学専攻 木曾観測所 宇宙科学研 初期宇宙 研究センタ 地球シミュレーション 衛星観測データ 地球変動研究所 空間情報科学 研究センター 人工衛星観測データ 情報基盤センター 地質調査所 衛星観測データ 新情報処理開発機構 Global　Grid 高エネ研 工業技術院 原研 超高速ネットワークを要する理学系の研究プロジェクト 富士通研究所

32 関連プロジェクト

33 Data　Resevoir ・格納速度 　　１０Ｇをリアルタイム保証するストレージシステムを、学内の計算ファシ　　　リティに分散して配置することはコスト面から現実的でない ・バンド幅保証 　　通信データのキャッシングは、バンド幅保証が困難な学内ネットワークの先　ではなく、東大への入り口で行うことが必要である。 ・拡張性 　　シングルストリームの超高速性が要請される幹線ネットワーク接続と、運　　用に弾力性があり、かつ多数の通信が錯綜する学内ネットワーク接続のイ　　分離 ・信頼性 　　　極高速ネットワーク上でのTCP通信は、非常に高い信頼性と、最適化された 　TCPプロトコル制御が求められる。学内レベルではレイテンシが２桁以上　　小さいため、信頼性／バンド幅保証に関する制約を著しく小さくすることが　可能であり、また既存機器とのコンパチビリティや運用上の最適パラメータ　設 定でも問題が発生しない

34 データレザボワールの基本要件 遠隔ノード間でのファイルの共有 遠距離通信と近距離通信の分離
１０Gbps　バンド幅の最大限の利用（いわゆるワイヤ・スピード） 近距離での高バンド幅NFSの実現 汎用ハードウェアの利用 汎用ソフトウェアの活用 CPU能力　　　⇒　パケット処理、NFS処理 メモリ量 　　　⇒　バッファ領域、NFSキャッシュ領域 ディスク数　　　⇒　必要なバンド幅の実現 I/Oバス数　　　⇒　必要なバンド幅の実現 NIC数 　　　⇒　必要なバンド幅の実現 ネットワーク/ディスク系のストライピングが必須

35 データレザボワールの実現方式 解１）SMPを用いたファイル共有 解２）SANを用いたファイル共有
NFS　ポート NIC メモリ NIC SWITCH NIC CPU メモリ NIC CPU CPU NIC NIC CPU メモリ 解１）SMPを用いたファイル共有 解２）SANを用いたファイル共有 解３）ローカルディスクを持つクラスタを用いたファイル共有

36 SMPを用いたデータレゼボワ-ル ・ 高価 （SMPのため） ・ メモリ共有が活用されない ・ プログラミングが容易（OSソースがある
NFS　ネットワーク NFS UFS ファイル転送/同期 STRIPING層 ・　高価　（SMPのため） ・　メモリ共有が活用されない ・　プログラミングが容易（OSソースがある 　　　　　　　　　　　　　　　　場合）

37 SANを用いたデータレゼボワ-ル SANのスイッチ または 双頭FCディスク NFS ネットワーク NFS UFS STRIPING層
ファイル転送/同期 SANのスイッチ または 双頭FCディスク

38 クラスタを用いたデータレゼボワ-ル NFS ネットワーク NFS UFS NFS UFS NFS UFS NFS UFS NFS UFS
ストライ ピング層 ファイル 分割制御 ファイル転 送/同期 NFS UFS ストライ ピング層 ファイル 分割制御 ファイル転 送/同期 NFS UFS ストライ ピング層 ファイル 分割制御 ファイル転 送/同期 NFS UFS ストライ ピング層 NFS UFS ストライ ピング層 ファイル 分割制御 ファイル転 送/同期

39 Data Resevoirの構成 Super SINET 10Gbps Data Cache Server Gigabit
例：６４way SMP １６GE NIC L4 Switch 　　１００TBディスク Network Router Data Cache Server Gigabit Ethernet 1Gbps Data Storage Station 例：３２ノードクラスタ 　　Myrinet+GE 　　１０TBディスク Computing Servers

40 バンド幅の計算例 GEの実効転送能力 　　　３００Mbps　＝　37．5MB/s PCIバスの実効転送能力 　　　５２８MB/ｓ　/　４　＝　132MB/s CPUの処理能力 　　　２　×　１GHｚ　/４　＝　５００Mops メモリバス転送能力　　 　　　１３３MHｚ　×　８　/　８　＝　133MB/s CPU Memory GE・I/F PCI64/66（528MB/s） SCSI I/F Ultra160（160MB/s）

41 タイム・スケジュール スーパー・SINET ２００２年初めから稼動予定 データレザボワール・パイロットモデル
１Gbpsネットワークに対応 基本ソフトウェア要素の構築 東大理学系　⇔　KEK,　国立天文台で実験運用 ２００１年１０月　試験開始 ２００２年４月　　運用開始 データ・レザボワール（１０Gbpsモデル） （予算獲得に成功すれば）２００３年３月　試験開始 ２００４年４月　　運用開始 ノード数：約６４ ディスク容量　１０Tバイト程度

42 実験 → 共同実験施設、データのリアルタイム入出力
プロジェクトを支える体制 実験　→　共同実験施設、データのリアルタイム入出力 ネットワーク　→　100Gbpsの実現へ 情報科学技術 ・     OS技術（特に、負荷分散、マイグレーション） ・     セキュリティ技術 ・     高速通信プロトコル技術 ・     Grid用コンパイラ技術 ・     パーフォーマンスツール群 ・     可視化、アニメーション方式 情報科学系のメンバー　　　　平木、稲葉、玉造