数据中心网络中的无线通信技术

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1、数据中心网络中的无线通信技术数据中心网络中的无线通信技术　随着云技术的日益发展，诸如云储存、云计算、云平台等云应用服务得到了各界的广泛关注。近年来，世界各大公司竞相构建大型数据中心来为云服务提供硬件支持。数据中心网络(D)是构建数据中心的一个重要部分，它需要能联结百万台服务器，同时亦能为云技术提供合适的带宽。　　数据中心网络通常基于3层拓扑结构：核心层、聚集层、边缘层。常见数据中心内部网络拓扑图如图1所示。在图1中，位于机架内的服务器通过架顶式交换机互联，同时，它们与汇聚层和核心层的交换机组成了一个多根树。由于核心层的根节点数量有限，

2、当数据中心负载较大时，这些节点容易成为整个数据中心网络的瓶颈。故而在网络实际通信中，服务器之间数据传输所能达到的吞吐量可能比实际可用带宽低许多。　　为了解决网络中部分节点过热问题，人们开始研究数据中心网络的拓扑结构和路由协议等优化问题，这些研究大多采用添加新路.L.径的方法(尤其是互不相交的路径)以便增加端到端吞吐量。这些方法取得了一定成效，然而在以太网中，人们仍然难以应对大量的高突发流量，这是因为以太网中的静态链路和有限网络接口会引起部分服务器堵塞，从而对其他服务器产生副作用。另外，数据中心网络通常需要大量服务器合作完成一项任务，此

3、时，高负载的服务器可能会进一步降低数据中心网络性能。　　通常人们尝试借助有线链接以外的其他媒介来解决数据中心网络中节点过热、服务器拥塞等问题，无线数据中心网络(处的浮动也不超过5db，并保证超过1m距离的高吞吐量(4m内吞吐量可达2Gbit/s)。图3(左上)是有向天线示例，图3(左中)是该天线的号角(Horn)局部示意。有向天线同时可以隔离链接并实现空间重用。在一个典型的数据中心中，在机架上直线排列的60GHz链接能够保证无线链接的稳定性。除了飞路系统外，几乎所有的数据中心无线通信设计方案中都使用了有向天线技术[3,9]。　　另一方

4、面，除了有向天线技术，数据中心中的无线通信还使用了波束成形技术和波束转向技术。这些技术的使用可以提高链接传输速率并借频谱复用技术来增大数据传输带宽。　　2.2空间排布技术　　空间排布问题中首先考虑的是广播半径问题。前面提到过60GHz无线通信技术的天线覆盖范围极其有限，广播半径只有10m左右。　　图3(左下)示意了有向天线在数据中心的广播范围。其中每一个小格表示1个2448英寸的机柜，10个机柜排成一排，排与排之间横向距离10英尺，纵向距离6英尺。图中的圆形代表在某个机柜顶端60GHz无线通信设备的10m广播范围。由图中可以看出，即使

5、10m的广播半径也足以覆盖17排服务器，对于大多数据中心来说可满足其传输要求。　　假设一个数据中心中有N个机柜。当采用传统有线排布方法时，我们可以采用集中式交换机架结构，这样做的好处是线的数量与N同一个数量级，而后果就是布线会很长；也可以采用分布式交换机结构，这样做的好处是布线长度大幅缩短，但是布线长度会随N的增大急剧上升，与N2同数量级。如果我们采用有线与无线相结合的方式，就可以减少机柜排之间的布线成本。图3(右上)展示了用无线代替有线链接时可大幅降低布线需求，图3(右下)从三维角度更好地展现了结合型数据中心网络的布局。　　2.3全

6、无线构架技术　　无线技术的日益成熟使得完全使用无线传输技术来构建数据中心网络成为可能[10]。美国康奈尔大学和微软亚洲研究院的研究者们应用60GHz射频技术设计了一个非常新颖的数据中心。图4(左)为这种圆形数据中心的结构示意图。　　研究者设计了新型机柜和服务器，采用如图4(右上、右下)所示的结构，这些设备会让延时更短，总带宽更大；他们设计了全新的拓扑结构，为端到端的链接提供了多条冗余通路；他们也设计了全新的路由协议，可以让服务器用少量内存短时间内计算路由，并保证路由的有效性和较少跳数。实验结果显示，全无线技术会让数据中心网络的平均网络

7、延迟更短，容错能力更强，资金投入大幅减少。在理想化的情况下，全无线构架会带来更低的造价，更低的能源消耗，以及更低的维护费用。　　总体来说，应用60GHz无线通信技术在数据中心网络中建立新的链路是可行且高效的。通过多维空间利用，数据中心网络的整体性能可大幅提高，甚至理论上有可能搭建出全无线数据中心。然而上述研究多侧重于无线通信技术的可行性与如何提高无线传输速率，对于无线链接调度问题以及新的链接和原有数据中心网络的拓扑结构影响方面的研究较少。　3无线数据中心网络的　　通信优化　　3.1飞路设计　　飞路是利用无线通信技术解决数据中网络中部分

8、过热点的著名设计方案。此种方案用于解决前文提及的数据中心部分节点过热的问题。图5是数据中心网络节点过热的一个示例。它表现了基于1500台服务器间的架顶式交换机产生的应用需求矩阵，其中横坐标为源架顶式交换机(即发送端)，纵