AWS เปิดตัว Resilient Network Graphs เพิ่มความเร็ว 33% ลด…

AWS เปิดตัวสถาปัตยกรรมเครือข่ายใหม่ที่เรียกว่า **Resilient Network Graphs (RNG) โดยอ้างว่าให้ความเร็วสูงขึ้นถึงหนึ่งในสามและประหยัดพลังงานได้ถึง 40 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับการออกแบบเครือข่ายแบบลำดับชั้นแบบเดิม การเปลี่ยนแปลงนี้มีผลต่อประสิทธิภาพการให้บริการของศูนย์ข้อมูล Amazon ทั้งในระดับต้นทุนและการลดคาร์บอน ซึ่งอาจส่งผลต่อการดำเนินธุรกิจของลูกค้า AWS จำนวนมากทั่วโลก

Overview

ระบบเครือข่ายแบบลำดับชั้นดั้งเดิมของศูนย์ข้อมูลมักถูกอธิบายเป็นโครงสร้าง “องค์กร” ที่อุปกรณ์หนึ่งต้องส่งข้อมูลผ่านอุปกรณ์ระดับบนจนถึงอุปกรณ์ระดับบนต่อไป เพื่อให้ถึงปลายทางที่อยู่ใน “แผนก” อื่น ตามที่ Matt Rehder รองประธานวิศวกรรมเครือข่ายระดับโลกของ AWS กล่าวไว้ การออกแบบนี้ทำให้การกำหนดกฎการส่งต่อข้อมูลง่ายขึ้น แต่ก็สร้างคอขวดและทำให้ทรัพยากรบางส่วนไม่ได้ใช้งานเต็มที่

การออกแบบ RNG นั้นอ้างอิงจากทฤษฎีกราฟสุ่ม (random graph theory) ซึ่งต่างจากโครงสร้างต้นไม้แบบเดิมโดยใช้กราฟแบบแบน (flat graph) ที่เชื่อมต่อเราเตอร์ผ่านการจัดวางสายเคเบิลที่ผสมผสานระหว่างการกำหนดลำดับและความสุ่ม การผสมผสานนี้ทำให้ข้อมูลสามารถเดินทางได้หลายเส้นทางโดยไม่ต้องผ่านจุดศูนย์กลางเดียวที่อาจเป็นคอขวด

Technical Details

RNG ใช้ อัลกอริทึมการส่งต่อชื่อ Spraypoint เพื่อคำนวณเส้นทางที่เหมาะสมระหว่างโหนดต่าง ๆ ระบบยังรวมอุปกรณ์ออปติก Shufflebox ที่ทำหน้าที่ “สลับ” สายไฟเบอร์ที่ต่อเข้าและออกจากอุปกรณ์ ทำให้เส้นทางดูเหมือนสุ่มแต่ในความเป็นจริงถูกจัดการอย่างมีโครงสร้างเพื่อให้สอดคล้องกับการทำงานของกราฟแบน

• ประสิทธิภาพ: เร็วขึ้นถึง **33 % เมื่อเทียบกับโครงสร้างลำดับชั้น
• พลังงาน: ประหยัดพลังงานได้ **40 %
• อุปกรณ์หลัก: เราเตอร์, Spraypoint routing, Shufflebox optical device

การใช้ Shufflebox ช่วยลดความซับซ้อนของการจัดสายเคเบิลในศูนย์ข้อมูล เนื่องจากในกราฟสุ่มแบบดั้งเดิมสายเคเบิลจะกระจัดกระจายและยากต่อการจัดการ การสลับสัญญาณภายใน Shufflebox ทำให้สายไฟเบอร์ที่ต่อเข้าไปอาจออกจากพอร์ตที่สุ่มได้โดยอัตโนมัติ ซึ่งเป็นวิธีการ “ทำให้เครือข่ายสุ่มดูเหมือนเป็นระเบียบ” ตามที่ Rehder ชี้แจง

Development History

แนวคิดกราฟสุ่มสำหรับเครือข่ายเริ่มถูกเสนอโดยนักวิชาการในปี 2012 แต่โครงการ Jellyfish ที่พัฒนาโดย Amazon Researchers พบปัญหาเรื่องความหน่วงเวลาในเซิร์ฟเวอร์ภายในแร็คและความจำกัดของหน่วยความจำอุปกรณ์เครือข่าย ทำให้ไม่สามารถนำไปผลิตได้จริง

การพัฒนา RNG เริ่มต้นเมื่อประมาณสามปีที่แล้วเมื่อ Seshadhri Comandur จาก University of California, Santa Cruz ตอบข้อความใน Slack ของ Ratul Mahajan ผู้เชี่ยวชาญด้านเครือข่ายของ Amazon ที่กำลังมองหาผู้เชี่ยวชาญด้านทฤษฎีกราฟและการส่งต่อ Rehder อธิบายว่าการสำเร็จของ RNG เกิดจากการรวมความรู้ด้านวิชาการกับประสบการณ์การพัฒนาฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ของ AWS ตลอด 15 ปีที่ผ่านมา

ทีมงานรวมถึง Giacomo Bernardi นักวิทยาศาสตร์ประยุกต์อาวุโสของ AWS และผู้เชี่ยวชาญคนอื่น ๆ ทำให้ AWS กลายเป็นบริษัทแรกที่สามารถนำเครือข่ายแบน (flat network) ไปใช้ในระดับศูนย์ข้อมูลจริง ๆ

Performance & Efficiency

จากการทดสอบภายใน RNG ให้ผลลัพธ์ว่าความเร็วของการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นถึง หนึ่งในสาม โดยที่การใช้งานแบนด์วิธของเซิร์ฟเวอร์หลักสามารถจัดสรรได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น “ไม่ใช่ทุกคนจะพูดคุยกับกันทุกครั้ง” Rehder กล่าว ซึ่งหมายความว่าการอิมพอร์ต (oversubscription) สามารถทำได้โดยไม่ทำให้เกิดคอขวด

การประหยัดพลังงานถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ไม่เพียงแต่ช่วยลดค่าใช้จ่ายของ Amazon แต่ยังมีผลต่อการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกตามที่บริษัทระบุว่า “คาดว่าจะช่วยประหยัดพันล้านดอลลาร์จากฮาร์ดแวร์และลดการปล่อย CO₂ อย่างมีนัยสำคัญ”

Deployment & Impact

จนถึงตอนนี้ RNG ได้ถูกเปิดใช้ในศูนย์ข้อมูลของ AWS ที่ ไอร์แลนด์, เยอรมนี, และสเปน และแผนการของบริษัทคือการนำเทคโนโลยีนี้ไปติดตั้งในส่วนใหญ่ของศูนย์ข้อมูลทั่วโลกภายในสิ้นปีนี้ การนำ RNG ไปใช้กับเซิร์ฟเวอร์ฐานข้อมูลหลักของ AWS ทำให้ลูกค้าได้รับประสิทธิภาพที่สูงขึ้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงแอปพลิเคชันเดิม

ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมคลาวด์อาจเป็นการเร่งให้ผู้ให้บริการอื่น ๆ ต้องพิจารณาโครงสร้างเครือข่ายใหม่เพื่อคงความสามารถในการแข่งขัน ทั้งในด้านต้นทุนพลังงานและประสิทธิภาพการส่งต่อข้อมูล

Analysis

การเปลี่ยนจากโครงสร้างลำดับชั้นไปสู่กราฟแบนที่ผสมผสานการสุ่มและการกำหนดลำดับแสดงให้เห็นถึงการพัฒนาที่สำคัญของสถาปัตยกรรมศูนย์ข้อมูล การแก้ไขปัญหาความซับซ้อนของการจัดสายเคเบิลด้วย Shufflebox ถือเป็นนวัตกรรมที่ทำให้แนวคิดกราฟสุ่มกลายเป็นไปได้จริง

แม้ RNG จะยังอยู่ในช่วงแรกของการเปิดตัว การที่ AWS สามารถทำให้เทคโนโลยีนี้ทำงานได้ในสเกลใหญ่บ่งบอกถึงศักยภาพของการทำงานร่วมระหว่างการวิจัยเชิงทฤษฎีกับการปฏิบัติจริง หากผลลัพธ์ตามที่คาดการณ์ไว้สำเร็จ จะทำให้ศูนย์ข้อมูลคลาวด์ทั่วโลกมีแนวโน้มจะย้ายไปใช้โครงสร้างเครือข่ายที่คล้ายคลึงกันในอนาคต

Summary

AWS เปิดตัว **Resilient Network Graphs (RNG) ที่ให้ความเร็วสูงขึ้นถึงหนึ่งในสามและประหยัดพลังงาน 40 เปอร์เซ็นต์ การออกแบบนี้ใช้กราฟแบนพร้อมอัลกอริทึม Spraypoint และอุปกรณ์ Shufflebox เพื่อลดคอขวดและความซับซ้อนของสายเคเบิล การใช้งานเริ่มต้นในศูนย์ข้อมูลไอร์แลนด์, เยอรมนี, และสเปน และคาดว่าจะขยายไปยังศูนย์ข้อมูลส่วนใหญ่ของบริษัทภายในปีนี้.