無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)展、挑戰(zhàn)和展望*

韓 彪,王 韜,王寶生

(國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和超級(jí)計(jì)算等新興技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和傳輸能力變得越來(lái)越重要。為了滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量QoS(Quality of Ser- vice)的需求(如存儲(chǔ)容量、處理能力、帶寬和延遲等)，數(shù)據(jù)中心可以通過(guò)組網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)展到由數(shù)百臺(tái)服務(wù)器組成的集中式大型數(shù)據(jù)中心或分布式小型數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電纜、光纖和無(wú)線等通信方式建立高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多種物理單元互聯(lián)互通，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間的通信功能。如何設(shè)計(jì)一個(gè)擴(kuò)展性強(qiáng)、可持續(xù)、彈性的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)流量，對(duì)于有效地利用數(shù)據(jù)中心資源和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，盡可能地減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)支出至關(guān)重要。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)普遍采用如圖1所示的3層樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)分為接入層、匯聚層和核心層，逐層向上采用性能更高的交換機(jī)進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)帶寬逐級(jí)收斂[1]。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，服務(wù)器通常以機(jī)柜為單位進(jìn)行組織，每臺(tái)機(jī)柜包含10～20臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)柜頂ToR(Top of Rack)交換機(jī)進(jìn)行連接，然后通過(guò)匯聚交換機(jī)和核心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)不同機(jī)柜之間的通信。數(shù)據(jù)中心通過(guò)核心交換機(jī)連接邊界路由器,實(shí)現(xiàn)與外部互聯(lián)網(wǎng)的通信。在該架構(gòu)中，所有網(wǎng)絡(luò)連接都是通過(guò)統(tǒng)一和固定容量的電纜或光纖建立的。然而，隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)張，分層樹(shù)型結(jié)構(gòu)對(duì)上層交換機(jī)的帶寬聚合性能要求越來(lái)越高，端口數(shù)目的需求也越來(lái)越大，導(dǎo)致了高昂的部署成本。同時(shí)，在靠近核心層的分支中需要更高的帶寬和更強(qiáng)大的交換機(jī)，這使得核心交換機(jī)往往成為網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下的瓶頸。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通常采用具有較大超額訂購(gòu)比(通常為5∶1或20∶1[1，2])的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，雖然降低了成本，但在流量高峰期服務(wù)質(zhì)量會(huì)下降。

Figure 1 Tree topology of traditional data center network圖1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)樹(shù)型拓?fù)?/p>

對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量特性的測(cè)量和分析表明[3]，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的流量一般分為2種：一種是數(shù)據(jù)大小在2～20 KB的小流，比如用戶查詢請(qǐng)求，通常呈現(xiàn)出高度隨機(jī)性、突發(fā)性和時(shí)延敏感等特征，并且其時(shí)延限制一般要求為10～100 ms；另一種是數(shù)據(jù)大小在1～100 MB的大流，比如軟件分發(fā)、MapReduce任務(wù)和文件備份等應(yīng)用的數(shù)據(jù)流，通常呈現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、吞吐量大且對(duì)傳輸帶寬敏感等特征。現(xiàn)有測(cè)量工作[4]表明，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中小流數(shù)目超過(guò)了80%，而大流的總流量則達(dá)到數(shù)據(jù)中心的80%以上，由于流量的高度動(dòng)態(tài)性，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通常在各層結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生流量擁塞熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中86%的鏈路發(fā)生擁塞時(shí)長(zhǎng)超過(guò)10 s，而其中15%的擁塞時(shí)長(zhǎng)超過(guò)100 s，不管是短時(shí)間擁塞還是長(zhǎng)時(shí)間擁塞，均會(huì)在交換機(jī)中造成不同長(zhǎng)度的排隊(duì)時(shí)延，是造成數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸性能和服務(wù)質(zhì)量下降的主要原因之一。此外，只有60%的接入和核心鏈路處于活躍狀態(tài)，95%的匯聚鏈路的利用率低于10%[5]。因此，如何通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度來(lái)消除流量擁塞熱點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，是提升數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的重要問(wèn)題。

傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心分層樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受限于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸潭ㄈ萘康牟混`活鏈路，無(wú)法適應(yīng)各類豐富且高度動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)流量模式。現(xiàn)有的工作通過(guò)擴(kuò)展上述以交換機(jī)為中心的層次樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如胖樹(shù)[6]、VL2(Virtual Layer 2)[7]和PortLand[8]等,還提出了一些新型有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中包括基于遞歸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DCell[9]、FiConn[10]和BCube[11]，如圖2所示，可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性，消除瓶頸鏈路，并保障傳輸高帶寬；基于隨機(jī)小世界架構(gòu)的SWDC(Small-World Data Centers)[12]和Jellyfish[13]提出構(gòu)建隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詫?shí)現(xiàn)比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)更小的網(wǎng)絡(luò)直徑、更少的擁塞熱點(diǎn)和更高的傳輸性能；基于光電線路交換機(jī)的拓?fù)淇勺償?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如c-Through[14]、Helios[15]、REACToR[16]和XFabric[17]等，可以在一定程度上解決動(dòng)態(tài)流量和靜態(tài)拓?fù)涞拿堋１M管如此，這些設(shè)計(jì)仍然不足以消除動(dòng)態(tài)不平衡流量導(dǎo)致的性能下降。許多應(yīng)用需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)度大量服務(wù)器/機(jī)架之間的數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將難以滿足高帶寬、低時(shí)延的傳輸需求[18]。另一方面，數(shù)據(jù)中心中的組件不斷增加，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模隨之?dāng)U展，布線成本和復(fù)雜性也隨之增加，同時(shí)也帶來(lái)了一些間接的后果，如機(jī)架散熱、因電纜束粗大導(dǎo)致的空間利用率低下，以及布線管理、維護(hù)和改造的運(yùn)營(yíng)成本等問(wèn)題。

Figure 2 Typical network topologies in wired data center圖2 典型有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由于其具有靈活組網(wǎng)的特征，且可以適應(yīng)流量需求中的高動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，降低擁塞熱點(diǎn)發(fā)生的概率，減少系統(tǒng)傳輸時(shí)延，近年來(lái)開(kāi)始逐漸受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。受數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)流量特征的啟發(fā)(95%的網(wǎng)絡(luò)流量由前10%的大流產(chǎn)生)，Celik等人[19]率先提出通過(guò)在超大流量的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中建立無(wú)線鏈路來(lái)緩解熱點(diǎn)的問(wèn)題。為了匹配傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的高帶寬低時(shí)延特性，現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)均采用高頻無(wú)線技術(shù)，主要包括60 GHz毫米波技術(shù)和自由空間光FSO(Free Space Optical)無(wú)線光通信技術(shù)。無(wú)線數(shù)據(jù)中心可以支持重配置，以使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的流量模式和負(fù)載。通過(guò)靈活的鏈接提供更高的吞吐量，減少投入和運(yùn)營(yíng)成本，并提供方便的部署、管理和維護(hù)。盡管如此，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與部署仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，例如設(shè)計(jì)無(wú)障礙的物理拓?fù)洌{(diào)整虛擬拓?fù)湟詣?dòng)態(tài)適應(yīng)流量變化，優(yōu)化鏈路屬性以滿足不同的QoS要求，進(jìn)行功率控制和干擾管理等。

本文首先對(duì)比分析了60 GHz毫米波、太赫茲和光無(wú)線通信等候選高速無(wú)線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。然后介紹了現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的最新進(jìn)展，深入討論了無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)研究工作中的開(kāi)放性問(wèn)題進(jìn)行了探討。最后對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，并對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

2 候選高速無(wú)線技術(shù)

相比于傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，基于高速無(wú)線技術(shù)構(gòu)建的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)具有如下潛在優(yōu)勢(shì)：

(1)降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)成本。將大量機(jī)架服務(wù)器進(jìn)行有線互聯(lián)是一項(xiàng)相當(dāng)繁雜的工程任務(wù)，也是一項(xiàng)容易出錯(cuò)的任務(wù)。隨著數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)模的急劇擴(kuò)展，這一問(wèn)題會(huì)加劇。通過(guò)新增即插即用的無(wú)線組網(wǎng)模塊，可以在很大程度上降低數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的布線成本和復(fù)雜性，降低部署和維護(hù)開(kāi)銷，同時(shí)，通過(guò)無(wú)線技術(shù)還可以提高冷卻效率和機(jī)架的空間利用率。

(2)節(jié)約數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中的網(wǎng)絡(luò)資源成本。為了處理突發(fā)流量導(dǎo)致的峰值負(fù)載情況，在傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要購(gòu)買超額的網(wǎng)絡(luò)資源以確保流量峰值時(shí)段的用戶服務(wù)質(zhì)量，增加了運(yùn)營(yíng)成本。通過(guò)新增無(wú)線組網(wǎng)設(shè)備，可以在機(jī)架之間根據(jù)流量靈活構(gòu)建無(wú)線鏈路，利用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)承載動(dòng)態(tài)流量并進(jìn)行負(fù)載均衡，無(wú)需購(gòu)買過(guò)量的網(wǎng)絡(luò)資源，有效地降低了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。

(3)更節(jié)能、更靈活、更高效。隨著無(wú)線通信設(shè)備的小型化低功耗化，無(wú)線傳輸速率的不斷提升，無(wú)線技術(shù)將會(huì)逐漸替代部分或全部的有線鏈路，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將會(huì)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)靈活性和可重構(gòu)性，它可以處理超額訂購(gòu)和擁塞熱點(diǎn)，而且能夠根據(jù)QoS需求和流量負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以提供更高的吞吐量和更大的帶寬利用率。

然而，在無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署方面存在著巨大的挑戰(zhàn)，這取決于底層無(wú)線通信技術(shù)的不同特點(diǎn)。接下來(lái)將介紹候選高速無(wú)線技術(shù)的潛在優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行詳細(xì)的比較。圖3所示為電磁頻譜分布圖[20]。

2.1 毫米波通信

Figure 3 Electromagnetic spectrum distribution diagram圖3 電磁頻譜分布圖

毫米波(Millimeter Wave)是指處于30～300 GHz的極高頻EHF(Extremely High Frequency)頻段，波長(zhǎng)在1～10 ms的電磁波。該頻段擁有豐富、未被利用的頻譜資源，能夠提供高達(dá)Gbps級(jí)別的傳輸帶寬，相比于傳統(tǒng)低頻無(wú)線技術(shù)(如工作在2.4 GHz/5 GHz頻段的IEEE 802.11n協(xié)議),毫米波技術(shù)由于具有更高的傳輸帶寬、更小的干擾范圍和更加穩(wěn)定的傳輸特性，成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[21]。雖然毫米波頻段數(shù)據(jù)傳輸速率很高，然而過(guò)短的波長(zhǎng)導(dǎo)致其在自由空間中的衰減速度極快，有效通信范圍非常受限；同時(shí)毫米波鏈路具有高定向性，在面對(duì)障礙物時(shí)阻擋效應(yīng)嚴(yán)重，難以通過(guò)繞射等方式繼續(xù)傳播，嚴(yán)重影響了毫米波作為數(shù)據(jù)載體的實(shí)際應(yīng)用[22]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)將毫米波與波束成型技術(shù)結(jié)合，將毫米波信號(hào)能量集中成方向性的窄波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不但可以提高信號(hào)傳輸范圍，還可以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的空分復(fù)用，提高頻譜利用率。

現(xiàn)階段的毫米波通信技術(shù)研究主要集中在24～100 GHz頻段范圍內(nèi)，如28 GHz,38 GHz,60 GHz與72 GHz等頻段。同時(shí)，毫米波通信已經(jīng)應(yīng)用于一些無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中：(1)IEEE 802.15.3c協(xié)議[23]作為第1個(gè)工作在57～64 GHz頻段的無(wú)線協(xié)議，首次達(dá)到了1 Gbps的帶寬；(2)IEEE 802.11ad協(xié)議[24]使用60 GHz頻段通信，最大支持32根天線，峰值帶寬可以達(dá)到4.6 Gbps；(3)IEEE 802.11ay協(xié)議是第1個(gè)真正意義上的毫米波寬帶無(wú)線接入?yún)f(xié)議，它使用60 GHz頻段通信，通過(guò)方向性基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高支持100 Gbps的峰值傳輸速率，并可保證在300～500 m的傳輸范圍內(nèi)得到20～40 Gbps的穩(wěn)定傳輸[24,25]。

2.2 太赫茲通信

太赫茲THz(Terahertz)波是一種位于毫米波和紅外光波之間的電磁波，其頻率位于0.1～10 THz(1 THz=1 012 Hz)波段，其波段處于電子學(xué)向光學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，是電子頻譜中唯一待開(kāi)發(fā)的頻譜資源[26]。

雖然THz和EHF頻段具有共同的傳播特性，但是太赫茲通信有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)性。首先，作為更高頻的電磁波，太赫茲波可以提供更大的帶寬和更高的傳輸容量，太赫茲通信可支持?jǐn)?shù)十Gbps到數(shù)Tbps的高速傳輸速率，有足夠的帶寬以支撐數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸。其次，太赫茲波相較于毫米波，其在空氣中的衰減更為嚴(yán)重，且當(dāng)空氣中水分子較多時(shí)衰減尤為嚴(yán)重[27]。此外，太赫茲波的頻率選擇性更強(qiáng)。由于波長(zhǎng)范圍在3 μm～3 mm，太赫茲波收發(fā)器占地面積小，可以通過(guò)在小尺寸收發(fā)器中交織大量不同頻帶的天線來(lái)補(bǔ)償嚴(yán)重的傳輸損耗。通過(guò)采用有效的定向和波束成型技術(shù)，可以獲得準(zhǔn)直的太赫茲光束，從而可以在短到中距離內(nèi)獲得可觀的數(shù)據(jù)速率，并顯著降低由于高定向性而產(chǎn)生的干擾。與微波通信相比，太赫茲通信的方向性更強(qiáng)，能夠有效地降低功耗，其較高的頻率和較強(qiáng)的方向性也有助于實(shí)現(xiàn)更安全的通信，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)的安全傳輸。

2.3 自由空間光通信

無(wú)線光通信是指通過(guò)使用可見(jiàn)、紅外和紫外線光束作為信號(hào)載體在非引導(dǎo)介質(zhì)中進(jìn)行傳輸?shù)姆绞健Ｓ绕涫窃诮t外波段工作的無(wú)線光被稱為自由空間光FSO，自由空間光通信是指光信號(hào)通過(guò)大氣而非光纖作為傳輸媒質(zhì)來(lái)進(jìn)行光信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)[28]。自由空間光通信與毫米波、高速微波等技術(shù)相比具有通信距離遠(yuǎn)、視距傳輸和高帶寬的特點(diǎn)[28]。自由空間光通信相比于光纖通信，無(wú)需布線，但是在實(shí)際部署過(guò)程中對(duì)齊比較困難[29]。目前，針對(duì)自由空間光的通信研究相對(duì)較早，技術(shù)比較成熟。自由光通信由于傳輸距離遠(yuǎn)、無(wú)需布線、部署簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可用于數(shù)據(jù)中心的通信場(chǎng)景，對(duì)傳統(tǒng)有線通信進(jìn)行補(bǔ)充。目前，已有Airfiber和Terabeam等企業(yè)將FSO應(yīng)用于服務(wù)領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信。自由空間光通信相比于微波通信等技術(shù)，具有更高的傳輸帶寬，可實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率。但是，傳統(tǒng)的用于室外通信的自由空間光通信系統(tǒng)容易受到環(huán)境干擾，比如雨、霧等，會(huì)造成信號(hào)的嚴(yán)重衰減，而且由于需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離定位跟蹤對(duì)準(zhǔn)，系統(tǒng)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，將之應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的室內(nèi)場(chǎng)景也可有效避免自由空間光通信的這一劣勢(shì)。

2.4 候選高速無(wú)線技術(shù)的比較分析

表1比較了數(shù)據(jù)中心中3種候選的高速無(wú)線技術(shù)，這3種無(wú)線技術(shù)的頻譜都在非授權(quán)頻段。給定可用帶寬，利用毫米波、太赫茲和自由空間光可以分別實(shí)現(xiàn)Gbps、Tbps和數(shù)Tbps的傳輸速率，但在實(shí)際通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，毫米波能達(dá)到的傳輸速率僅為7 Gbps,自由空間光能達(dá)到的傳輸速率目前測(cè)試達(dá)到了40 Gbps，而太赫茲在實(shí)驗(yàn)室中能達(dá)到的傳輸速率測(cè)試達(dá)到了100 Gbps。隨著工作頻率的升高，方向性和穿透損失變得更加顯著。盡管高定向鏈路(如自由空間光)需要視距鏈路LoS(Line of Sight)，但它們有助于補(bǔ)償傳輸損耗并減少干擾。當(dāng)毫米波在接收端受到熱噪聲影響時(shí)，太赫茲接收端同時(shí)受到吸收光譜和熱噪聲的影響，而FSO接收機(jī)中的主要干擾是由環(huán)境光源引起的。由于毫米波已經(jīng)被視為5G及下一代網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，毫米波通信模塊的成本有望在中短期內(nèi)降低，應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。雖然FSO模塊已經(jīng)商用，但其傳輸速率與光模塊有關(guān)，需要極為精確的校準(zhǔn)以建立LoS鏈路，相對(duì)毫米波通信而言條件更為苛刻，實(shí)際部署仍有許多工程問(wèn)題需要解決。盡管目前最先進(jìn)的太赫茲收發(fā)器和天線還沒(méi)有很好地商業(yè)化，但它們尺寸很小，方向性強(qiáng)，傳輸速率也很可觀，未來(lái)的應(yīng)用價(jià)值可以預(yù)見(jiàn)。

Table 1 Comparisons of candidate high-speed wireless technologies表1 候選高速無(wú)線技術(shù)對(duì)比

3 現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)使用的無(wú)線技術(shù)的不同，現(xiàn)有無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有2類，一類是通過(guò)毫米波進(jìn)行無(wú)線通信，另一類是通過(guò)自由空間光FSO進(jìn)行無(wú)線光通信。

3.1 基于60 GHz毫米波的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

2009年，微軟的研究工作Flyway提出在機(jī)架頂端的ToR交換機(jī)上部署60 GHz無(wú)線收發(fā)器來(lái)解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)問(wèn)題[30]。2011年，Halperin等人[31]在Flyway的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，搭建了60 GHz原型系統(tǒng)，對(duì)60 GHz鏈路的傳輸穩(wěn)定性、干擾程度和TCP吞吐量進(jìn)行了實(shí)際模擬和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60 GHz在鏈路穩(wěn)定性、干擾避免和信道重用方面優(yōu)勢(shì)明顯。

2012年,Zhou等人[32]提出了3D波束成型(3D-Beaforming)算法，通過(guò)在數(shù)據(jù)中心房間天花板上部署特制的反射板，不同機(jī)架上的天線將收發(fā)角對(duì)準(zhǔn)反射板，通過(guò)反射板的單次反射實(shí)現(xiàn)直接通信。2014年，Zhu等人[33]提出了低時(shí)延無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)框架Angora，該架構(gòu)在機(jī)架頂端部署多個(gè)60 GHz天線，并通過(guò)特殊的連接設(shè)計(jì)構(gòu)建連接Kautz圖結(jié)構(gòu)，使得所有天線能夠無(wú)干擾地通信。2017年，Zhang等人[34]提出了一種借助于可升降可旋轉(zhuǎn)的曲柄支架調(diào)節(jié)其上的毫米波天線實(shí)現(xiàn)60 GHz毫米波LoS視距傳輸?shù)姆绞紾raphite。2019年，張慶芳[35]提出了Comb無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)增加無(wú)線收發(fā)裝置上天線的數(shù)量，并將該結(jié)構(gòu)部署在不同平面上，增強(qiáng)了設(shè)備的連通性。

2013年，Shin等人[36]提出了一種完全采用無(wú)線連接的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Cayley，該架構(gòu)通過(guò)在中空的圓柱形機(jī)架的內(nèi)外放置60 GHz定向毫米波收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。2013年，Cui等人[37 - 39]在軟件定義網(wǎng)絡(luò)的框架下，應(yīng)用60 GHz毫米波與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)組成混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將無(wú)線通信用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流量熱點(diǎn)上。2017年，Cui等人[40，41]提出了無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)Diamond架構(gòu)，該架構(gòu)突破了ToR的限制，通過(guò)在每一個(gè)服務(wù)器上配備無(wú)線終端，組成了高度可配置化的無(wú)線傳輸環(huán)。

2017年，Umamaheswaran等人[42]提出一種服務(wù)器到服務(wù)器的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)S2S-WiDCN (Server-to-Server Wireless Data Center Network)架構(gòu),無(wú)線DCN中服務(wù)器之間沿著服務(wù)器間的水平線和垂直面實(shí)現(xiàn)通信。2017年，張慶安等人[43，44]在有線無(wú)線混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種面向物理層組播優(yōu)化的混合型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 2019年，景彥昊[45]在有線數(shù)據(jù)中心架構(gòu)ExCCC-DCN(Exchanged Cube-Connected Cycles Data Center Network)的基礎(chǔ)上，參考李旸[46]的球型網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其進(jìn)行了無(wú)線改造。

3.2 基于太赫茲的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

2014年，Akyildiz等人[47]重點(diǎn)介紹了太赫茲高速收發(fā)器體系結(jié)構(gòu)的局限性和可能的解決方案，并討論了開(kāi)發(fā)新的超寬帶天線和超大型天線陣列的挑戰(zhàn)。2019年，Ghafoor等人[48]對(duì)將太赫茲用于連接ToR交換機(jī)的信道接入方案進(jìn)行了探討。2019年，Ahearne等人[49]對(duì)太赫茲在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)、仿真和理論建模，并指出了其未來(lái)的潛力及相對(duì)于傳統(tǒng)有線光網(wǎng)絡(luò)的新功能。

2016年，Mollahasani等人[50]根據(jù)太赫茲頻率的特性對(duì)其在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探討，指出了太赫茲技術(shù)在無(wú)線數(shù)據(jù)中心中的建議帶寬和相對(duì)濕度。2018年，Petrov等人[51]在前人研究的基礎(chǔ)上提出了用于室內(nèi)環(huán)境的無(wú)線太赫茲以太網(wǎng)擴(kuò)展的分步路線圖。2019年，Elayan等人[52]對(duì)THz無(wú)線通信與其他競(jìng)爭(zhēng)者之間進(jìn)行了全面比較，并重點(diǎn)介紹了有關(guān)太赫茲標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)的里程碑。

2018年，Hossain等人[53]提出了用于THz通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)TeraSim，該平臺(tái)有望使網(wǎng)絡(luò)社區(qū)能夠測(cè)試THz網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而不必深入研究信道和物理層。

3.3 基于空間自由光的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)

相比于60 GHz毫米波技術(shù)，基于空間自由光FSO的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)由于采用了更高的頻段，具有更高的傳輸帶寬、更小的干擾角、更遠(yuǎn)的傳輸距離等優(yōu)勢(shì)。但是，由于FSO設(shè)備的收發(fā)角度非常小，收發(fā)器進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)通信時(shí)，其角度調(diào)整精度要求很高。同時(shí)，F(xiàn)SO設(shè)備相比60 GHz毫米波技術(shù)尚不成熟，成本更加昂貴，廣泛部署難度更大。

2014年，研究人員首次在FireFly中探討了將空間自由光通信技術(shù)(FSO)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中高速無(wú)線傳輸?shù)目尚行訹54]。在FireFly的基礎(chǔ)上，Bao等人[55]提出基于自由空間光的動(dòng)態(tài)組播數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)FlyCast。 2016年，微軟提出ProjectToR[56]，進(jìn)一步探討了如何解決FSO收發(fā)器進(jìn)行快速精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)通信問(wèn)題。

2017年，Deng等人[57,58]提出并展示了一種基于無(wú)框架雙軸MEMS(Micro-ElectroMechanical System)微鏡和反光膜標(biāo)記孔徑的可重構(gòu)10 Gbps FSO系統(tǒng)。2016年，Hamza等人[59]提出光學(xué)無(wú)線蜂窩數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)OWCell，使用排列成規(guī)則多邊形的機(jī)架單元作為構(gòu)建塊來(lái)創(chuàng)建巨型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)DCN。

2018年，Chaintoutis等人[60]提出了一種自由空間光互連解決方案，該解決方案利用2D光束控制發(fā)送器，并使用了高帶寬廣域光電二極管陣列接收器。2018年，Celik等人[61]開(kāi)發(fā)了一種自上而下的流量修飾TG(Traffic Grooming)方法，以設(shè)計(jì)和配置光學(xué)無(wú)線DCN。

2019年，Qin等人[62]探討了構(gòu)建無(wú)線小世界數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的可能性。2020年，Qin等人[63,64]在先前工作的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)易于部署和高性能的混合DCN架構(gòu)SFNet,進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

3.4 無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究工作總結(jié)

表2對(duì)當(dāng)前典型的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究工作進(jìn)行了綜述，對(duì)比了無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的類型(有線-無(wú)線混合、純無(wú)線)、所采用的無(wú)線技術(shù)、研究工作的亮點(diǎn)、物理拓?fù)洹⑦壿嬐負(fù)湟约按嬖诘膯?wèn)題。

4 無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與部署挑戰(zhàn)

4.1 物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與部署至關(guān)重要。(1)為了匹配現(xiàn)有有線鏈路的高速帶寬，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)一般采用高頻無(wú)線技術(shù)，其高定向、弱穿透特性使得傳輸極易因各類障礙物的物理遮擋(如數(shù)據(jù)中心機(jī)房屋頂、機(jī)架結(jié)構(gòu)、機(jī)房設(shè)施等)而迅速衰減，導(dǎo)致傳輸距離受限，因此，物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要盡可能地提供無(wú)障礙無(wú)線鏈路；(2)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要考慮無(wú)線信號(hào)之間的干擾，尤其是將高頻無(wú)線技術(shù)密集于狹窄的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部時(shí)，將會(huì)造成嚴(yán)重的干擾，從而影響無(wú)線鏈路質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能；(3)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的散熱和熱流動(dòng)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)功耗過(guò)高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障；(4)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還會(huì)影響可用無(wú)線鏈路的數(shù)目，傳統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要在機(jī)架頂端放置無(wú)線設(shè)備，可部署的無(wú)線設(shè)備數(shù)目嚴(yán)格受限于機(jī)架大小，造成可用無(wú)線鏈路數(shù)目嚴(yán)重受限。因此，如何設(shè)計(jì)高效的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是有效承載大規(guī)模動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心流量的重要基礎(chǔ)問(wèn)題。

Table 2 Comparison of wireless data center network research表2 無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究工作對(duì)照

4.2 無(wú)線核心機(jī)制設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)承襲了傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的大部分特點(diǎn)，又有其自身新的特性。總的來(lái)說(shuō)，其核心機(jī)制包括了無(wú)線資源分配、鏈路調(diào)度、功率控制、波束成型、干擾管理和路由協(xié)議等。無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)通過(guò)設(shè)計(jì)核心機(jī)制的可重構(gòu)性和靈活性來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的QoS需求。首先，除了時(shí)間和頻率維度的資源分配之外，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要更多地考慮空間對(duì)資源分配的影響，在數(shù)據(jù)中心的相對(duì)較小且受到限制的范圍內(nèi)，怎樣構(gòu)建通過(guò)干擾管理來(lái)重用頻率的資源分配方案，如何設(shè)計(jì)具有流量自適應(yīng)特性的三維調(diào)度算法，如何通過(guò)波束成型和功率控制機(jī)制來(lái)提供并發(fā)傳輸，是無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。其次，應(yīng)該考慮適合物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)鏈路調(diào)度機(jī)制，通過(guò)選擇集中式/分布式的鏈路調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)全局/局部鏈路調(diào)度，獲得理想的網(wǎng)絡(luò)性能。合適的鏈路調(diào)度算法可以提升數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的整體性能，應(yīng)用更加復(fù)雜的流量模式。特別是在高流量負(fù)載情況下，通過(guò)將靈活的鏈路調(diào)度與路由協(xié)議結(jié)合，才能最大限度地使用網(wǎng)絡(luò)資源和鏈路帶寬。最后，為解決熱點(diǎn)問(wèn)題，在使用無(wú)線連接時(shí)，應(yīng)使用適當(dāng)?shù)男诺婪峙洳呗砸源_保信道使用的獨(dú)立性。 現(xiàn)有研究已經(jīng)對(duì)信道進(jìn)行了建模，并使用了啟發(fā)式算法(例如遺傳算法)來(lái)解決干擾問(wèn)題，但是仍無(wú)法精確獲得它們。 算法(約占算法的一部分)具有更大的不穩(wěn)定性和性能不確定性。

4.3 QoS保障和負(fù)載均衡

QoS機(jī)制為實(shí)現(xiàn)高度多樣化的數(shù)據(jù)中心流量類型提供保證，為了提供QoS保障，需要多數(shù)據(jù)中心的流量根據(jù)大小、完成時(shí)間請(qǐng)求和優(yōu)先級(jí)等進(jìn)行區(qū)分。數(shù)據(jù)中心的流量類型通常分為帶寬饑渴的大象流和延遲敏感的小流，在數(shù)據(jù)中心，雖然網(wǎng)絡(luò)中大象流構(gòu)成了其總流量的80%左右，但小流數(shù)目超過(guò)了80%。在小流中，可能存在具有高可靠和低延遲服務(wù)需求的更高優(yōu)先級(jí)關(guān)鍵流。例如，如果大象流與小流在同一條路徑上路由，則可能會(huì)遇到不可容忍的延遲。因此，在無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，需要能夠根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)不同類型的流進(jìn)行區(qū)分和處理，區(qū)別于現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的包采樣和端口鏡像等機(jī)制，設(shè)計(jì)出快速、精確、輕量的流量監(jiān)測(cè)機(jī)制，給予數(shù)據(jù)中心多樣化的QoS保證，是一個(gè)關(guān)鍵的前沿問(wèn)題。

此外，無(wú)線技術(shù)的出現(xiàn)給數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡策略設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大影響。一方面，選擇合適的無(wú)線鏈路進(jìn)行流量路由可以有效縮短原有網(wǎng)絡(luò)的路由路徑長(zhǎng)度，降低負(fù)載開(kāi)銷時(shí)延；另一方面，無(wú)線鏈路的引入也為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡提供了更多選擇，可以完成更加靈活的整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。但是，無(wú)線流量的負(fù)載均衡在實(shí)際數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的部署仍面臨較大挑戰(zhàn)：首先，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中密集的無(wú)線部署將造成復(fù)雜的干擾問(wèn)題，相關(guān)干擾的無(wú)線鏈路會(huì)影響鏈路容量和網(wǎng)絡(luò)性能，導(dǎo)致負(fù)載均衡策略失效，如何進(jìn)行干擾管理以滿足負(fù)載均衡的需求是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)；其次，無(wú)線鏈路的引入導(dǎo)致鏈路數(shù)量急劇增長(zhǎng)，傳統(tǒng)啟發(fā)式的負(fù)載均衡算法無(wú)法保障數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的性能，實(shí)現(xiàn)能夠確保性能的負(fù)載均衡算法是一個(gè)相當(dāng)有難度的問(wèn)題。

4.4 無(wú)線設(shè)備的成本、功耗及傳輸速率

首先，目前能應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的無(wú)線收發(fā)器成本仍然很高，雖然制造工藝水平基本可以將大部分的毫米波通信器件做到小型化、便攜化，甚至可以集成到其他部件中，但是出于成本的考慮，目前應(yīng)用的范圍仍然十分有限。隨著5G商用規(guī)模的擴(kuò)大，毫米波通信器件的成本有望進(jìn)一步降低。自由空間光和太赫茲通信的有關(guān)技術(shù)仍以實(shí)驗(yàn)室研究為主，相對(duì)于毫米波通信，商用范圍更小、成本更高。其次，無(wú)線設(shè)備的功耗會(huì)直接影響數(shù)據(jù)中心的功耗，目前可用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)中，60 GHz通信設(shè)備的功耗仍然較大，自由光通信和太赫茲通信設(shè)備的功耗仍有很大優(yōu)化空間，功耗問(wèn)題會(huì)直接影響無(wú)線設(shè)備在數(shù)據(jù)中心中的部署，也會(huì)為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。最后，無(wú)線鏈路的傳輸速率及可靠性仍難以匹配有線光纖鏈路，目前已經(jīng)商用的60 GHz通信鏈路最高傳輸速率僅為7 Gbps，自由空間光通信鏈路最高測(cè)試速率雖然達(dá)到了40 Gbps，但仍然無(wú)法滿足數(shù)據(jù)中心100 Gbps甚至Tbps級(jí)別的帶寬需求。太赫茲通信由于可以提供100 Gbps以上的傳輸速率，目前已被業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注，但其商用普及仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。

5 無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)展望

目前來(lái)說(shuō)，無(wú)線技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用還處于起步階段，未來(lái)需要解決不少理論和工程問(wèn)題，以下是一些潛在的研究方向和待解決的問(wèn)題。值得注意的是，這里討論的主要內(nèi)容是無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。

5.1 新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透咚贌o(wú)線技術(shù)

隨著骨干網(wǎng)有線網(wǎng)絡(luò)帶寬突破400 Gbps，毫米波無(wú)線鏈路的帶寬將不能給新型數(shù)據(jù)中心提供足夠的傳輸能力。對(duì)比毫米波通信，自由空間光和太赫茲通信具有更高的傳輸帶寬、更小的干擾范圍和更遠(yuǎn)的傳輸距離，可以構(gòu)建具有更高容量的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也會(huì)催生更多新的無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了充分利用新的高速無(wú)線技術(shù)帶來(lái)的靈活性和可重構(gòu)性，新型數(shù)據(jù)中心需要根據(jù)自身變化設(shè)計(jì)出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。隨著未來(lái)FSO和太赫茲技術(shù)的日漸成熟和推廣應(yīng)用，適用于數(shù)據(jù)中心的無(wú)線收發(fā)器成本將進(jìn)一步降低，在數(shù)據(jù)中心的普遍應(yīng)用將成為可能。尤其是太赫茲波作為電子頻譜中唯一待開(kāi)發(fā)的頻譜資源，其在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有不可忽視的價(jià)值。

5.2 有線無(wú)線混合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于無(wú)線技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可以作為傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)某些特定場(chǎng)景的補(bǔ)充，可以處理有線鏈路線路復(fù)雜度高和擁塞熱點(diǎn)等問(wèn)題。盡管無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方案對(duì)于現(xiàn)在無(wú)法預(yù)測(cè)的流量模式和網(wǎng)絡(luò)中不平衡的流量負(fù)載來(lái)說(shuō)非常合適，但是無(wú)線鏈路在使用過(guò)程中面臨諸如干擾、帶寬、穩(wěn)定性等眾多不確定因素，因此在機(jī)架內(nèi)和機(jī)架間通信的一些場(chǎng)合仍然適合使用有線傳輸。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，有線無(wú)線混合的異構(gòu)數(shù)據(jù)中心將會(huì)成為趨勢(shì)，混合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)勢(shì)是可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，以相對(duì)較低的成本對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行改造升級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其性能的提升。混合數(shù)據(jù)中心中，機(jī)柜頂部無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和部署是影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。

5.3 無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)與5G技術(shù)的融合

“云-網(wǎng)-邊-端”的融合將成為5G網(wǎng)絡(luò)端到端的新技術(shù)架構(gòu)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心的云化改造，借由軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)對(duì)核心網(wǎng)等網(wǎng)元進(jìn)行虛擬化，最終實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的部署。邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)部署之后，隨著5G相關(guān)網(wǎng)元在數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將成為5G網(wǎng)絡(luò)部署的核心場(chǎng)景之一。無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)使得網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu)成為現(xiàn)實(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求動(dòng)態(tài)靈活變化，為實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)功能以及資源的靈活部署和動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了可能。

5.4 智能化無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

隨著云計(jì)算、軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV(Network Function Virtualization)等技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的迅速部署，轉(zhuǎn)控分離、三層解耦和統(tǒng)一編排等技術(shù)為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、資源靈活調(diào)度和智能運(yùn)維奠定了基礎(chǔ)。一方面，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以為無(wú)線信道分配、鏈路調(diào)度、功率控制和干擾管理等核心機(jī)制提供自動(dòng)化決策，有助于實(shí)現(xiàn)并加速無(wú)線技術(shù)及其產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心的進(jìn)一步部署；另一方面，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的故障排查比傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，難度更大，基于AI的智能運(yùn)維技術(shù)通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的自主分析,可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障自主監(jiān)測(cè)與定位、故障預(yù)測(cè)、業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)與分析等功能，未來(lái)有望在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中得到進(jìn)一步應(yīng)用。

5.5 安全與節(jié)能

安全和能耗問(wèn)題是貫穿數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展始終的重要問(wèn)題，無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)也不例外。為了防止安全風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)往往需要及時(shí)進(jìn)行隔離。高頻無(wú)線技術(shù)的定向和有限穿透特性在一定程度上限制了無(wú)線信號(hào)的傳輸范圍，不會(huì)存在類似傳統(tǒng)射頻信號(hào)的廣播特性，使得通過(guò)物理障礙來(lái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成為可能，從而降低網(wǎng)絡(luò)被竊聽(tīng)和入侵的風(fēng)險(xiǎn)。另外，降低無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的能耗可以從2方面入手，一是開(kāi)發(fā)低功耗的無(wú)線收發(fā)設(shè)備，降低硬件能耗；二是設(shè)計(jì)輕量、低開(kāi)銷的傳輸協(xié)議和算法，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芎拈_(kāi)銷進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，降低軟件能耗。

6 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)飛速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)受限于靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸潭ㄈ萘康牟混`活的鏈路，無(wú)法適應(yīng)大量種類豐富且高度動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)流量模式。此外，復(fù)雜的有線鏈路造成網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張、能耗管理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的極大困難。本文概述了無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的背景和研究動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)要介紹了候選高速無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及當(dāng)前無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究進(jìn)展，從設(shè)計(jì)和部署的角度提出了無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中心未來(lái)發(fā)展的方向和趨勢(shì)進(jìn)行了探討。目前對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究仍有待進(jìn)一步深入。