數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的無線通信技術(shù)(編輯修改稿)
2024-09-06 21:19 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 60 GHz 鏈接能夠保證無線鏈接的穩(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)的使用可以提高鏈接傳輸速率并借以頻譜復(fù)用來增大數(shù)據(jù)傳輸帶寬。圖 3 無線、有線混合型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 空間排布技術(shù)空間排布問題中首先考慮的是廣播半徑問題。前面提到過 60 GHz 無線通信技術(shù)的天線覆蓋范圍極其有限，廣播半徑只有 10 m 左右。圖 3(左下) 示意了有向天線在數(shù)據(jù)中心的廣播范圍。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，排與排之間橫向距離 10 英尺，縱向距離 6 英尺。圖中的圓形代表在某個機柜頂端 60 GHz 無線通信設(shè)備的 10 m 廣播范圍。由圖中可以看出，即使 10 m 的廣播半徑也足以覆蓋 17 排服務(wù)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架結(jié)構(gòu)，這樣做的好處是線的數(shù)量與 N 同一個數(shù)量級，而后果就是布線會很長；也可以采用分布式交換機結(jié)構(gòu)，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。如果我們采用有線與無線相結(jié)合的方式，就可以減少機柜排之間的布線成本。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。 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]?？的螤柎髮W(xué)和微軟亞洲研究院的研究者們應(yīng)用 60 GHz 射頻技術(shù)設(shè)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)中心的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 4 全無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究者設(shè)計了新型機柜和服務(wù)器，采用如圖 4(右上、右下) 所示的結(jié)構(gòu)，這些設(shè)備會讓延時更短，總帶寬更大；他們設(shè)計了全新的拓撲結(jié)構(gòu)，為端到端的鏈接提供了多條冗余通路；他們也設(shè)計了全新的路由協(xié)議，可以讓服務(wù)器用少量內(nèi)存短時間內(nèi)計算路由，并保證路由的有效性和較少跳數(shù)。實驗結(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，容錯能力更強，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，更低的能源消耗，以及更低的維護費用?？傮w來說，應(yīng)用 60 GHz 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)的整體性能可大幅提高，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)的可行性與如何提高無線傳輸速率，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)的拓撲結(jié)構(gòu)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 “飛路”設(shè)計“飛路”是利用無線通信技術(shù)解決數(shù)據(jù)中網(wǎng)絡(luò)中部分過熱點的著名設(shè)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(luò)節(jié)點過熱的一個示例。它表現(xiàn)了基于 1 500 臺服務(wù)器間的架頂式交換機產(chǎn)生的應(yīng)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小。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(luò)的性能。圖 5 架頂式交換機對的應(yīng)用需求矩陣(標準化)“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)拓撲結(jié)構(gòu)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，從而突破傳輸“瓶頸” ，提高數(shù)據(jù)中心的整體表現(xiàn)。60 GHz 無線鏈接的帶寬及動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)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)化目標定位為最小化“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，并使用貪婪算法每次在最熱節(jié)點對間添加“飛路” ，但這種算法并不能保證結(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基本構(gòu)想和一個簡單直接的解決方案。 “飛路”的實現(xiàn)與評估2022 年，Halperin 等人提出了一個更加有效可行的“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提高了無線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(CTD)，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 CTD。這需要算法能夠衡量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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)由別的服務(wù)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”能夠盡可能減小 CTD。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際效果做一定的分析，以驗證“飛路”的可行性，并通過調(diào)整無線設(shè)備天線的位置來
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