Reconfigurable data center networks (DCNs) enhance traditional architectures with optical circuit switches (OCSs), enabling dynamic reconfiguration of inter-pod links, i.e., the logical topology. Optimizing this topology is crucial for adapting to traffic dynamics but is challenging due to its combinatorial nature. The complexity increases further when demands can be distributed across multiple paths, requiring joint optimization of topology and routing. We propose Alternating Topology and Routing Optimization (ATRO), a unified framework that supports both one-hop topology optimization (where traffic is routed via direct paths) and multi-hop joint optimization (where routing is also optimized). Although these settings differ in constraints, both are combinatorially hard and challenge solver-based methods. ATRO addresses both cases efficiently: in the one-hop case, it guarantees the global optimum via an accelerated binary search; in the multi-hop case, it alternates between topology and routing updates, with routing steps optionally accelerated by existing traffic engineering (TE) methods. ATRO supports warm-starting and improves solution quality monotonically across iterations. ATRO remains competitive even when paired with solver-free TE methods, forming a fully solver-free optimization pipeline that still outperforms prior approaches in runtime and maximum link utilization across diverse workloads.


翻译:可重构数据中心网络(DCN)通过引入光路交换机(OCS)增强了传统架构,实现了跨机架间链路(即逻辑拓扑)的动态重构。优化此拓扑对于适应流量动态至关重要,但由于其组合性质而极具挑战性。当流量需求可分布在多条路径上时,复杂性进一步增加,这要求对拓扑和路由进行联合优化。我们提出了交替式拓扑与路由优化(ATRO),这是一个统一框架,同时支持单跳拓扑优化(流量通过直接路径路由)和多跳联合优化(路由也参与优化)。尽管这两种场景在约束条件上存在差异,但两者均属于组合难题,对基于求解器的方法构成挑战。ATRO能高效处理两种情况:在单跳场景中,通过加速二分搜索保证获得全局最优解;在多跳场景中,采用拓扑更新与路由更新交替进行的方式,其中路由步骤可选择性地利用现有流量工程(TE)方法进行加速。ATRO支持热启动,并在迭代过程中单调提升解的质量。即使与无求解器的TE方法结合,ATRO仍保持竞争力,形成一个完全无需求解器的优化流程,在多种工作负载下,其运行时间和最大链路利用率仍优于现有方法。

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