數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的無線通信技術(shù)

1、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的無線通信技術(shù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的無線通信技術(shù)隨著云技術(shù)的日益開展，諸如云儲存、云計(jì)算、云平臺等云應(yīng)用效勞得到了各界的廣泛關(guān)注。近年來，世界各大公司競相構(gòu)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(luò)(dn)是構(gòu)建數(shù)據(jù)中心的一個重要部分，它需要能聯(lián)結(jié)百萬臺效勞器，同時亦能為云技術(shù)提供適宜的帶寬。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通?；?層拓?fù)錁?gòu)造：核心層、聚集層、邊緣層。常見數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。在圖1中，位于機(jī)架內(nèi)的效勞器通過架頂式交換機(jī)互聯(lián)，同時，它們與會聚層和核心層的交換機(jī)組成了一個多根樹。由于核心層的根節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，當(dāng)數(shù)據(jù)中心負(fù)載較大時，這些節(jié)點(diǎn)容易成為整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。故

2、而在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際通信中，效勞器之間數(shù)據(jù)傳輸所能到達(dá)的吞吐量可能比實(shí)際可用帶寬低許多。為理解決網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)過熱問題，人們開場研究數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)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?nèi)匀浑y以應(yīng)對大量的高突發(fā)流量，這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)中的靜態(tài)鏈路和有限網(wǎng)絡(luò)接口會引起部分效勞器堵塞，從而對其他效勞器產(chǎn)生副作用。另外，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通常需要大量效勞器合作完成一項(xiàng)任務(wù)，此時，高負(fù)載的效勞器可能會進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)中節(jié)點(diǎn)過熱、效勞器擁塞等問

3、題，無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)(dn)就是其中之一。本文將綜述近年來無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的開展現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題，并從設(shè)計(jì)構(gòu)造與性能優(yōu)化兩個方面詳細(xì)展示當(dāng)前學(xué)術(shù)界對無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)應(yīng)用中的特殊性，無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和基于有線的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)存在很大區(qū)別。隨著極高頻(ehf)技術(shù)(特別是60ghz無線通信技術(shù))的引入，用高速率的無線通信傳輸數(shù)據(jù)成為了現(xiàn)實(shí)(吞吐量可達(dá)4gbit/s)，從而使在數(shù)據(jù)中心中應(yīng)用無線通信技術(shù)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(luò)中應(yīng)用60ghz無線通信技術(shù)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(fù)雜度，降低冷卻開銷，減少大量的本錢，從而大幅進(jìn)步數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，60ghz無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)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(shù)可以提供到達(dá)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(jī)。(3)無線網(wǎng)絡(luò)更益于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和提升。(4)無線網(wǎng)絡(luò)可以按需建立，它能動態(tài)改變數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造，使其更合適當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)(htnde)的擁塞狀況。

5、之后，另有數(shù)十篇學(xué)術(shù)論文從設(shè)計(jì)構(gòu)建和性能優(yōu)化兩個方面討論無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)構(gòu)建的方面，當(dāng)前研究主要借助波束成形技術(shù)和特殊物理環(huán)境3使60ghz無線通信技術(shù)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(shí)無線通信技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的可行性和優(yōu)越性。人們提出各種新穎的機(jī)架擺放形式并嘗試?yán)锰旎ò宸瓷?等方法來更好地把無線通信技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的調(diào)度問題，即無線網(wǎng)絡(luò)中的信道分配問題。目前的研究5-7多嘗試應(yīng)用啟發(fā)式算法通過分流解決部分節(jié)點(diǎn)過熱問題，從而使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前將無線通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究方向、分支構(gòu)造、及最新開展現(xiàn)狀。其中左分支為設(shè)計(jì)構(gòu)建，包含了波束成形、空間排布、以及完全無線等構(gòu)建技術(shù)，而右分支主要介紹了無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)化問題，如無線鏈接調(diào)度問題。其中對應(yīng)的年份表示該技術(shù)的發(fā)表年份。盡管上述研究提出了一些解決方案，但離構(gòu)建性能優(yōu)越的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)仍存在一定差距，要將60ghz無線通信技術(shù)很好地應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(shù)可以到達(dá)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?yàn)檠踉游?/p>

7、收這個頻段，信號衰減非常迅速。因此60ghz無線通信技術(shù)的有效傳輸范圍大約只有10。(2)如何擺放物理設(shè)備。機(jī)柜的擺放構(gòu)造需要經(jīng)過細(xì)致考慮，無論是星型構(gòu)造抑或方陣構(gòu)造，都要設(shè)計(jì)好配套的路由和中繼機(jī)制。(3)如何設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的無線調(diào)度機(jī)制。為了緩解熱節(jié)點(diǎn)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?，F(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(zhǔn)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(yīng)該考慮全局工作完成時間。接下來的內(nèi)容將針對無線網(wǎng)

8、絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)建與無線通信優(yōu)化問題兩個方面進(jìn)展闡述。我們將從技術(shù)開展歷程入手分析無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與構(gòu)建技術(shù)，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(luò)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建為了在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)中使用60ghz無線通信技術(shù)的可行性以及實(shí)用性，并通過合理的機(jī)柜擺放及無線節(jié)點(diǎn)空間排布，形成有效整體系統(tǒng)構(gòu)造，使得數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅進(jìn)步。2.160ghz無線通信技術(shù)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(shè)備，它能提供雙工60ghz的鏈接。研究結(jié)果顯示，無線信號強(qiáng)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(yīng)有可能使得在間隔 較遠(yuǎn)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(nèi)吞吐量可達(dá)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(shí)現(xiàn)空間重用。在一個典型的數(shù)據(jù)中心中，在機(jī)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(shè)計(jì)方案中都使用了有向天線技術(shù)3,9。另一方面，除了有向天線技術(shù)，數(shù)據(jù)中心中的無線通信還使用了波束成形技術(shù)和波束轉(zhuǎn)向技術(shù)。這些技術(shù)的使用可以進(jìn)步鏈接傳輸速率并借頻譜復(fù)用技

10、術(shù)來增大數(shù)據(jù)傳輸帶寬。2.2空間排布技術(shù)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(shù)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(jī)柜，10個機(jī)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(jī)柜頂端60ghz無線通信設(shè)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(shè)一個數(shù)據(jù)中心中有n個機(jī)柜。當(dāng)采用傳統(tǒng)有線排布方法時，我們可以采用集中式交換機(jī)架構(gòu)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(jī)構(gòu)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(jié)合的方式，就可以減少機(jī)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(jié)合型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的布局。2.3全無線構(gòu)架技術(shù)無線技術(shù)的日益成熟使得完全使用無線傳輸技術(shù)來構(gòu)建數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成為可能10。美國康奈爾大學(xué)和微軟亞洲研究院的研究者們應(yīng)用60ghz射頻技術(shù)設(shè)計(jì)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(gòu)造示意圖。研究者設(shè)計(jì)了新型機(jī)柜和效勞器，采用如圖4(右上、

12、右下)所示的構(gòu)造，這些設(shè)備會讓延時更短，總帶寬更大；他們設(shè)計(jì)了全新的拓?fù)錁?gòu)造，為端到端的鏈接提供了多條冗余通路；他們也設(shè)計(jì)了全新的路由協(xié)議，可以讓效勞器用少量內(nèi)存短時間內(nèi)計(jì)算路由，并保證路由的有效性和較少跳數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，全無線技術(shù)會讓數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的平均網(wǎng)絡(luò)延遲更短，容錯才能更強(qiáng)，資金投入大幅減少。在理想化的情況下，全無線構(gòu)架會帶來更低的造價(jià)，更低的能源消耗，以及更低的維護(hù)費(fèi)用?？傮w來說，應(yīng)用60ghz無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)的整體性能可大幅進(jìn)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(cè)重于無線通信技術(shù)的可行性與如何

13、進(jìn)步無線傳輸速率，對于無線鏈接調(diào)度問題以及新的鏈接和原有數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造影響方面的研究較少。3無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的通信優(yōu)化3.1飛路設(shè)計(jì)飛路是利用無線通信技術(shù)解決數(shù)據(jù)中網(wǎng)絡(luò)中部分過熱點(diǎn)的著名設(shè)計(jì)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(diǎn)過熱的問題。圖5是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jī)產(chǎn)生的應(yīng)用需求矩陣，其中橫坐標(biāo)為源架頂式交換機(jī)(即發(fā)送端)，縱坐標(biāo)為匯架頂式交換機(jī)(即接收端)，坐標(biāo)點(diǎn)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(jī)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(jī)對嚴(yán)重影響了整個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

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(luò)拓?fù)錁?gòu)造中添加一些新的鏈接(即飛路)分流上述過熱的交換機(jī)對的數(shù)據(jù)流，從而打破傳輸瓶頸，進(jìn)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?fù)錁?gòu)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(jī)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(diǎn)對間添加飛路，但這種算法并不能保證結(jié)果的最優(yōu)性，僅對無線通信技術(shù)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的使用提出了一個根本設(shè)想和一個簡單直接的解決方案。3.2飛路的實(shí)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(yàn)證了該方案很大程度進(jìn)步了無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量，緩解了部分節(jié)點(diǎn)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(luò)的性能，盡可能降低td。這需要算法可以衡量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量大小，準(zhǔn)確地放置飛路，并改變路由機(jī)制使得飛路得以利用?？紤]到除了直接在熱交換機(jī)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(zhuǎn)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(guān)物理模型如信號與干擾噪聲比(sinr)模型對鏈接的干擾與實(shí)際效果做一定的分析

16、，以驗(yàn)證飛路的可行性，并通過調(diào)整無線設(shè)備天線的位置來增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。總的來說，飛路系統(tǒng)多數(shù)情況下可使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量提速45%。但是，由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中某些流量的不可預(yù)計(jì)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(luò)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(jìn)展了討論。文獻(xiàn)中，作者將一個無線傳輸?shù)男в枚x為一段時間內(nèi)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(yuǎn)，無線鏈接效用就越大，建立它的收益也相應(yīng)越高。因此，作者設(shè)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(diǎn)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(diǎn)所擁有的活動傳輸數(shù)量應(yīng)小于該節(jié)點(diǎn)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(shí)際上可以規(guī)約為非多項(xiàng)式(np)完全問題，作者隨后基于匈牙利算法設(shè)計(jì)了一種啟發(fā)式算法來解決該問題。仿真結(jié)果顯示，運(yùn)用此算法后熱節(jié)點(diǎn)的負(fù)載大幅減小，但由于沒有與其他調(diào)度算法進(jìn)展比擬，無法獲知此算法是否有較出色的表現(xiàn)。3.4調(diào)度算法的改良2021年，崔勇等人又提出了一種改良調(diào)度算法。該算法的目的是最小化最大剩余節(jié)

18、點(diǎn)的效用(即一段時間內(nèi)傳輸?shù)牧髁颗c傳輸跳數(shù)的乘積)，實(shí)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(shè)計(jì)了貪心算法并分析了算法復(fù)雜度。根據(jù)仿真效果，此種算法同樣可大幅減少熱點(diǎn)負(fù)荷。3.5數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(yīng)傳輸速率。與之前的研究不同，文獻(xiàn)7將數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(luò)的瓶頸通常在于最后完成任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，因此，我們可將將全局工作完成時間作為網(wǎng)絡(luò)性能衡量指標(biāo)。文章優(yōu)化目的為最大化網(wǎng)絡(luò)總加權(quán)吞吐量，從而保證新建立的無線鏈接確實(shí)有效緩解部分過熱節(jié)點(diǎn)的熱度。這里總加權(quán)吞吐量是所有傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)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(diǎn)所擁有的活動傳輸數(shù)量應(yīng)小于該節(jié)點(diǎn)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