數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的無線通信技術

1、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的無線通信技術數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的無線通信技術隨著云技術的日益開展，諸如云儲存、云計算、云平臺等云應用效勞得到了各界的廣泛關注。近年來，世界各大公司競相構建大型數(shù)據(jù)中心來為云效勞提供硬件支持。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(dn)是構建數(shù)據(jù)中心的一個重要部分，它需要能聯(lián)結百萬臺效勞器，同時亦能為云技術提供適宜的帶寬。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡通?；?層拓撲構造：核心層、聚集層、邊緣層。常見數(shù)據(jù)中心內部網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。在圖1中，位于機架內的效勞器通過架頂式交換機互聯(lián)，同時，它們與會聚層和核心層的交換機組成了一個多根樹。由于核心層的根節(jié)點數(shù)量有限，當數(shù)據(jù)中心負載較大時，這些節(jié)點容易成為整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的瓶頸。故

2、而在網(wǎng)絡實際通信中，效勞器之間數(shù)據(jù)傳輸所能到達的吞吐量可能比實際可用帶寬低許多。為理解決網(wǎng)絡中部分節(jié)點過熱問題，人們開場研究數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲構造和路由協(xié)議等優(yōu)化問題，這些研究大多采用添加新途徑的方法(尤其是互不相交的途徑)以便增加端到端吞吐量。這些方法獲得了一定成效，然而在以太網(wǎng)中，人們仍然難以應對大量的高突發(fā)流量，這是因為以太網(wǎng)中的靜態(tài)鏈路和有限網(wǎng)絡接口會引起部分效勞器堵塞，從而對其他效勞器產生副作用。另外，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡通常需要大量效勞器合作完成一項任務，此時，高負載的效勞器可能會進一步降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡性能。通常人們嘗試借助有線鏈接以外的其他媒介來解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中節(jié)點過熱、效勞器擁塞等問

3、題，無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(dn)就是其中之一。本文將綜述近年來無線通信技術在數(shù)據(jù)中心領域的開展現(xiàn)狀與關鍵問題，并從設計構造與性能優(yōu)化兩個方面詳細展示當前學術界對無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的研究成果。1無線數(shù)據(jù)中心開展現(xiàn)狀與存在的問題由于無線通信在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡應用中的特殊性，無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡和基于有線的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡存在很大區(qū)別。隨著極高頻(ehf)技術(特別是60ghz無線通信技術)的引入，用高速率的無線通信傳輸數(shù)據(jù)成為了現(xiàn)實(吞吐量可達4gbit/s)，從而使在數(shù)據(jù)中心中應用無線通信技術成為可能。于是，2021年出現(xiàn)了首篇討論在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中應用60ghz無線通信技術的論文1，文章提出用無線鏈接交換部分

4、有線鏈接，可以降低布線復雜度，降低冷卻開銷，減少大量的本錢，從而大幅進步數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的性能。此外，60ghz無線通信技術在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的應用還有其他幾大優(yōu)勢：(1)7ghz的可用頻譜(5764ghz)使得采用60ghz無線通信技術可以提供到達吉比特每秒量級速度的多條鏈接。(2)60ghz頻段在減少無線信號干擾的同時也減少了被監(jiān)聽的時機。(3)無線網(wǎng)絡更益于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的擴容和提升。(4)無線網(wǎng)絡可以按需建立，它能動態(tài)改變數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲構造，使其更合適當前網(wǎng)絡環(huán)境。2021年，美國微軟研究院的kandula等人2指出可以增加新的飛路(flyays)來緩解部分熱節(jié)點(htnde)的擁塞狀況。

5、之后，另有數(shù)十篇學術論文從設計構建和性能優(yōu)化兩個方面討論無線通信技術在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的應用。在設計構建的方面，當前研究主要借助波束成形技術和特殊物理環(huán)境3使60ghz無線通信技術可以有效部署在數(shù)據(jù)中心中。該方向的研究目的是證實無線通信技術應用在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的可行性和優(yōu)越性。人們提出各種新穎的機架擺放形式并嘗試利用天花板反射4等方法來更好地把無線通信技術應用到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中。在性能優(yōu)化方面，除了前文提到的飛路策略以外，目前研究方向主要集中于無線通信在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的調度問題，即無線網(wǎng)絡中的信道分配問題。目前的研究5-7多嘗試應用啟發(fā)式算法通過分流解決部分節(jié)點過熱問題，從而使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡整體吞吐

6、量最大化，以及整體利用率最大化。圖2展示了當前將無線通信技術應用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的相關研究方向、分支構造、及最新開展現(xiàn)狀。其中左分支為設計構建，包含了波束成形、空間排布、以及完全無線等構建技術，而右分支主要介紹了無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的優(yōu)化問題，如無線鏈接調度問題。其中對應的年份表示該技術的發(fā)表年份。盡管上述研究提出了一些解決方案，但離構建性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡仍存在一定差距，要將60ghz無線通信技術很好地應用在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中，至少還需要面對以下挑戰(zhàn)：(1)如何克制傳輸范圍限制。盡管60ghz無線通信技術可以到達很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，也具有很寬的頻譜，但是傳輸范圍極其有限；另一個問題就是因為氧原子吸

7、收這個頻段，信號衰減非常迅速。因此60ghz無線通信技術的有效傳輸范圍大約只有10。(2)如何擺放物理設備。機柜的擺放構造需要經(jīng)過細致考慮，無論是星型構造抑或方陣構造，都要設計好配套的路由和中繼機制。(3)如何設計準確的無線調度機制。為了緩解熱節(jié)點的擁塞，建立無線鏈接后，需要使用正確的信道分配算法保證各信道互不干擾。現(xiàn)有的研究成果針對信道問題建模，利用遺傳算法等啟發(fā)式算法來解決干擾問題，但無法保證算法優(yōu)劣性，也無法準確求出算法近似比，在性能表現(xiàn)上存在較大不確定性。(4)如何保證全局性能最優(yōu)。保證全局性能最優(yōu)即指無線傳輸?shù)男阅?通常由吞吐量衡量)應該考慮全局工作完成時間。接下來的內容將針對無線網(wǎng)

8、絡設計構建與無線通信優(yōu)化問題兩個方面進展闡述。我們將從技術開展歷程入手分析無線網(wǎng)絡設計與構建技術，而根據(jù)不同優(yōu)化方案的討論著眼于無線通信優(yōu)化問題。2無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的設計與構建為了在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中使用無線通信，我們首先從物理層面上考慮在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中使用60ghz無線通信技術的可行性以及實用性，并通過合理的機柜擺放及無線節(jié)點空間排布，形成有效整體系統(tǒng)構造，使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡性能得到大幅進步。2.160ghz無線通信技術在之前提到的對飛路系統(tǒng)8的研究中，kandula等人使用了hxi公司制造的設備，它能提供雙工60ghz的鏈接。研究結果顯示，無線信號強度隨著間隔 的增加而迅速減小，即無線覆蓋范圍有

9、限。另外，多路效應有可能使得在間隔 較遠時，信號變化會較大。但是通過有向天線可以讓信號浮動大幅減小，在25處的浮動也不超過5db，并保證超過1間隔 的高吞吐量(4內吞吐量可達2gbit/s)。圖3(左上)是有向天線例如，圖3(左中)是該天線的號角(hrn)部分示意。有向天線同時可以隔離鏈接并實現(xiàn)空間重用。在一個典型的數(shù)據(jù)中心中，在機架上直線排列的60ghz鏈接可以保證無線鏈接的穩(wěn)定性。除了飛路系統(tǒng)外，幾乎所有的數(shù)據(jù)中心無線通信設計方案中都使用了有向天線技術3,9。另一方面，除了有向天線技術，數(shù)據(jù)中心中的無線通信還使用了波束成形技術和波束轉向技術。這些技術的使用可以進步鏈接傳輸速率并借頻譜復用技

10、術來增大數(shù)據(jù)傳輸帶寬。2.2空間排布技術空間排布問題中首先考慮的是播送半徑問題。前面提到過60ghz無線通信技術的天線覆蓋范圍極其有限，播送半徑只有10左右。圖3(左下)示意了有向天線在數(shù)據(jù)中心的播送范圍。其中每一個小格表示1個2448英寸的機柜，10個機柜排成一排，排與排之間橫向間隔 10英尺，縱向間隔 6英尺。圖中的圓形代表在某個機柜頂端60ghz無線通信設備的10播送范圍。由圖中可以看出，即使10的播送半徑也足以覆蓋17排效勞器，對于大多數(shù)據(jù)中心來說可滿足其傳輸要求。假設一個數(shù)據(jù)中心中有n個機柜。當采用傳統(tǒng)有線排布方法時，我們可以采用集中式交換機架構造，這樣做的好處是線的數(shù)量與n同一個數(shù)

11、量級，而后果就是布線會很長；也可以采用分布式交換機構造，這樣做的好處是布線長度大幅縮短，但是布線長度會隨n的增大急劇上升，與n2同數(shù)量級。假如我們采用有線與無線相結合的方式，就可以減少機柜排之間的布線本錢。圖3(右上)展示了用無線代替有線鏈接時可大幅降低布線需求，圖3(右下)從三維角度更好地展現(xiàn)了結合型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的布局。2.3全無線構架技術無線技術的日益成熟使得完全使用無線傳輸技術來構建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡成為可能10。美國康奈爾大學和微軟亞洲研究院的研究者們應用60ghz射頻技術設計了一個非常新穎的數(shù)據(jù)中心。圖4(左)為這種圓形數(shù)據(jù)中心的構造示意圖。研究者設計了新型機柜和效勞器，采用如圖4(右上、

12、右下)所示的構造，這些設備會讓延時更短，總帶寬更大；他們設計了全新的拓撲構造，為端到端的鏈接提供了多條冗余通路；他們也設計了全新的路由協(xié)議，可以讓效勞器用少量內存短時間內計算路由，并保證路由的有效性和較少跳數(shù)。實驗結果顯示，全無線技術會讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的平均網(wǎng)絡延遲更短，容錯才能更強，資金投入大幅減少。在理想化的情況下，全無線構架會帶來更低的造價，更低的能源消耗，以及更低的維護費用?？傮w來說，應用60ghz無線通信技術在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中建立新的鏈路是可行且高效的。通過多維空間利用，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的整體性能可大幅進步，甚至理論上有可能搭建出全無線數(shù)據(jù)中心。然而上述研究多側重于無線通信技術的可行性與如何

13、進步無線傳輸速率，對于無線鏈接調度問題以及新的鏈接和原有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲構造影響方面的研究較少。3無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的通信優(yōu)化3.1飛路設計飛路是利用無線通信技術解決數(shù)據(jù)中網(wǎng)絡中部分過熱點的著名設計方案。此種方案用于解決前文提及的數(shù)據(jù)中心部分節(jié)點過熱的問題。圖5是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡節(jié)點過熱的一個例如。它表現(xiàn)了基于1500臺效勞器間的架頂式交換機產生的應用需求矩陣，其中橫坐標為源架頂式交換機(即發(fā)送端)，縱坐標為匯架頂式交換機(即接收端)，坐標點的顏色深淺表示其需求大校不難發(fā)現(xiàn)，僅有部分交換機對出現(xiàn)較高的需求量，且這些需求量的分布都相對稀疏，但正是這些較熱甚至是過熱的交換機對嚴重影響了整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡

14、的性能。飛路策略的主要思想在于，通過在原有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡拓撲構造中添加一些新的鏈接(即飛路)分流上述過熱的交換機對的數(shù)據(jù)流，從而打破傳輸瓶頸，進步數(shù)據(jù)中心的整體表現(xiàn)。60ghz無線鏈接的帶寬及動態(tài)拓撲構造特性，使得采用無線鏈接作為飛路成為了可行方案。針對降低過熱交換機的通信量這一問題，文章中將優(yōu)化目的定位為最小化最大通信時間，同時需要滿足每條鏈接的傳輸速率不能高于該鏈接的容量，并使用貪心算法每次在最熱節(jié)點對間添加飛路，但這種算法并不能保證結果的最優(yōu)性，僅對無線通信技術在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的使用提出了一個根本設想和一個簡單直接的解決方案。3.2飛路的實現(xiàn)與評估2021年，halperin等人提出了一個

15、更加有效可行的飛路系統(tǒng)，不僅從硬件上提出可行方案，同時通過模擬仿真驗證了該方案很大程度進步了無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的流量，緩解了部分節(jié)點過熱的問題。在文中作者用需求完成時間(td)，即最后一條信息流的完成時間來衡量數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的性能，盡可能降低td。這需要算法可以衡量當前網(wǎng)絡流量大小，準確地放置飛路，并改變路由機制使得飛路得以利用?？紤]到除了直接在熱交換機對間添加飛路，還可以采取間接方式，即經(jīng)由別的效勞器轉發(fā)這一想法，該文提出了不同的貪心算法，使得每次添加的飛路可以盡可能減小td。halperin等人在提出飛路后，又利用相關物理模型如信號與干擾噪聲比(sinr)模型對鏈接的干擾與實際效果做一定的分析

16、，以驗證飛路的可行性，并通過調整無線設備天線的位置來增強系統(tǒng)穩(wěn)定性?？偟膩碚f，飛路系統(tǒng)多數(shù)情況下可使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡流量提速45%。但是，由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中某些流量的不可預計性或不可跟蹤性，飛路算法有可能失效。該算法也并未優(yōu)先考慮鏈路可行性，無視了無線網(wǎng)絡信道分配問題，系統(tǒng)還有一定的提升空間。3.3無線通信的信道分配鑒于之前研究無視的信道分配問題，崔勇等人在建立的模型時對無線傳輸中互相干擾的情況進展了討論。文獻中，作者將一個無線傳輸?shù)男в枚x為一段時間內傳輸?shù)牧髁颗c傳輸跳數(shù)的乘積。無線傳輸流量越大，傳輸間隔 越遠，無線鏈接效用就越大，建立它的收益也相應越高。因此，作者設定的目的函數(shù)是將所有無線鏈接

17、效用之和最大化，并且滿足以下約束：對于一個起始節(jié)點至多分配一個信道且所有分配信道的總和不得超過天線數(shù)量。第一個約束條件保證了信道分配方法不會引入干擾，第二個約束條件保證了一個節(jié)點所擁有的活動傳輸數(shù)量應小于該節(jié)點的所擁有的天線數(shù)量。所有信道分配狀態(tài)只有兩種，且約束條件也是線性的，所以這個問題實際上可以規(guī)約為非多項式(np)完全問題，作者隨后基于匈牙利算法設計了一種啟發(fā)式算法來解決該問題。仿真結果顯示，運用此算法后熱節(jié)點的負載大幅減小，但由于沒有與其他調度算法進展比擬，無法獲知此算法是否有較出色的表現(xiàn)。3.4調度算法的改良2021年，崔勇等人又提出了一種改良調度算法。該算法的目的是最小化最大剩余節(jié)

18、點的效用(即一段時間內傳輸?shù)牧髁颗c傳輸跳數(shù)的乘積)，實現(xiàn)按需分配無線鏈接的效果。該算法仍需滿足前面提到的約束。作者設計了貪心算法并分析了算法復雜度。根據(jù)仿真效果，此種算法同樣可大幅減少熱點負荷。3.5數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡全局優(yōu)化崔勇等人后來的工作所建模型更為全面：不僅考慮了無線傳輸互相干擾的情況，同時也考慮了自適應傳輸速率。與之前的研究不同，文獻7將數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡看作一個整體，不僅嘗試最大化無線鏈接的吞吐量，更著眼于全局工作完成時間。如前文所述，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的瓶頸通常在于最后完成任務的節(jié)點，因此，我們可將將全局工作完成時間作為網(wǎng)絡性能衡量指標。文章優(yōu)化目的為最大化網(wǎng)絡總加權吞吐量，從而保證新建立的無線鏈接確實有效緩解部分過熱節(jié)點的熱度。這里總加權吞吐量是所有傳輸?shù)木W(wǎng)絡時延與傳輸速率的乘積之和。目的函數(shù)需要滿足3個約束條件，一是節(jié)點所擁有的活動傳輸數(shù)量應小于該節(jié)點所擁有的天線數(shù)量；二是被分配的信道必須在可用信道集合中；三是對于每一個活動的傳輸，它的信噪比必須大于某一閾值以保證正常通信需求。作者采用遺傳算法(ga)來解決該問題，并定義了dna、代、個體、選擇、雜交、變異等重要概念。根據(jù)作者的仿真數(shù)據(jù)，ga算法在解此問題時非常高效；采用繼承搜索時提速更為明顯(即將上一輪ga的輸出作