数据中心网络中的无线通信技术 无线通信和网络仿真技术基础

　　中图分类号：TN915.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 04-0001-006　　摘要：文章认为将无线通信引入数据中心网络(DCN)是构建DCN的一种新选择，可以免除布线烦扰，从而方便维护无线节点；可以便捷地在服务器间建立链接，从而避免多跳传输额外代价；还可以动态改变DCN中的拓扑结构，有效减少“瓶颈”节点的流量。文章介绍了一种将无线通信与有线通信相结合来构建数据中心网络的新颖方法，并从物理构建和全局优化两个方面对相关新技术进行了分析。这些技术包括60 GHz无线频段通信技术、3D波束成形、节点布置方法、基于遗传算法的信道分配等。通过这些技术的研究成果，可看出无线通信技术可大幅度提高数据中心网络性能，具有广阔的应用前景与理论研究价值。
　　关键词：数据中心网络；60 GHz无线通信技术；波束成形；信道分配；有向天线
　　Abstract: Wireless technology is a good option for data center networks (DCNs) because there is no complex cabling, and wireless nodes are relatively easy to maintain. Wireless links can also be easily established between servers in different racks to avoid the cost of multihop transmission. With wireless technology, the topology of a DCN can be dynamically changed so that congestion at hot nodes is reduced. In this paper, we introduce hybrid DCN architecture in which a wireless network supplements the Ethernet infrastructure. We discuss 60 GHz communications, 3D beamforming, node arrangement methodology, and channel allocation based on Genetic Algorithm for hybrid DCN architecture. Research on this architecture shows that wireless transmission improves overall DCN performance.
　　Key words:data center network; 60 GHz communication; beamforming; channel allocation; directional antenna
　　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(DCN)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，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(WDCN)就是其中之一。本文将综述近年来无线通信技术在数据中心领域的发展现状与关键问题，并从设计构造与性能优化两个方面具体展示当前学术界对无线数据中心网络的研究成果。
　　1 无线数据中心发展现状
　　与存在的问题
　　由于无线通信在数据中心网络应用中的特殊性，无线数据中心网络和基于有线的传统数据中心网络存在很大区别。随着极高频(EHF)技术(特别是60 GHz无线通信技术)的引入，用高速率的无线通信传输数据成为了现实(吞吐量可达4G bit/s)，从而使在数据中心中应用无线通信技术成为可能。于是，2008年出现了首篇讨论在数据中心网络中应用60 GHz无线通信技术的论文[1]，文章提出用无线链接替换部分有线链接，可以降低布线复杂度，降低冷却开销，减少大量的成本，从而大幅提高数据中心网络的性能。此外，60 GHz无线通信技术在数据中心网络中的应用还有其他几大优势：
　　(1)7 GHz的可用频谱(57～64 GHz)使得采用60 GHz无线通信技术能够提供达到吉比特每秒量级速度的多条链接。
　　(2)60 GHz频段在减少无线信号干扰的同时也减少了被监听的机会。
　　(3)无线网络更益于数据中心网络的扩容和提升。
　　(4)无线网络可以按需建立，它能动态改变数据中心网络的拓扑结构，使其更适合当前网络环境。
　　2009年，美国微软研究院的Kandula等人[2]指出可以增加新的“飞路”(Flyways)来缓解部分“热节点”(Hot Node)的拥塞状况。之后，另有数十篇学术论文从设计构建和性能优化两个方面讨论无线通信技术在数据中心网络的应用。