无线协同的混合数据中心网络流量管理技术研究

In recent years, data centers have been providing computing and storage services for many enterprises as a fundamental component of network infrastructure. With the scale-up of data center networks, however, traditional wired data centers are currently facing severe challenges, such as scalability and maintainability. This project aimes to explore a hybrid data center network, in which wireless transmission is adopted to cooperate with cable based network. In virtue of its flexibility and dynamic characters, wireless transmission can be offset against many limitations of cable transmission, and optimize traffic management. Our works address several fundamental problems in the hybrid data center network: (1) Design a scalable architecture for wireless-cooperated data center network; (2) Analyze and model the traffic distribution of some typical applications in data center, and design some traffic-aware topology adjustment methods to well match the traffic distribution; (3) Analyze the effect of topology change and hybrid routing on the quality of data transfer, and propose some hybrid routing based traffic management methods. (4) Explore multiple roles and enforcement mechanism of wireless transmission, and propose efficient congestion control and fairness scheduling method utilizing flexible wireless transmission in hybrid network; (5) Study some interference avoidance methods for wireless node in rack-oriented environment, and try to solve the global coordination problem of wireless and wired transmission. The answer to these problems can properly improve the QoS in data center network, thus substantially advance the research of data center network.

近年来，数据中心迅猛发展，已成为许多企业信息架构中关键的组成部分，用于提供各类计算和海量存储服务。随着规模不断增大，传统有线数据中心网络在可扩展性、可维护性方面逐渐暴露出许多问题。本课题探索一种可扩展的混合数据中心网络结构，引入无线传输机制，利用其灵活、动态性强的特点，协同有线数据传输，以优化网络流量。具体包括：（1）设计可扩展性强的混合数据中心网络的体系结构；（2）分析和建模数据中心典型应用的流量分布，研究流量感知的混合数据中心网络拓扑动态调整方法；（3）分析拓扑变化、混合路由对数据传输质量的影响，提出面向混合路由的流量管理方法；（4）探索无线传输的不同角色和实施策略，提出混合数据中心高效的拥塞控制和公平调度方法；（5）研究面向机架的无线节点干扰管理方法，解决无线和有线链路的全局协同。通过解决这些科学问题，有效提高数据中心的服务质量，对推进数据中心网络的研究向前发展有重要意义。

本项目对混合数据中心的网路结构和流量管理展开研究，利用无线传输机制灵活、动态性强的特点，协同有线数据传输，以提高数据中心网络的可扩展性，并优化网络流量。项目已经完成了原定计划，成果主要包括：(1)提出了一种无线协同的混合数据中心结构。采用2D TORUS作为基础拓扑，借鉴小世界网络的思路，在满足随机边在网络中均匀分布的前提下，优先选择节点物理距离最短的边，以提高网络的可扩展性；(2) 进行了混合数据中心网络中路径长度影响分析和路由设计。基于Kleinberg小世界网络模型，以CamCube拓扑为网络原型，设计了混合数据中心网络的路由索策略，分析长程边长度对实际系统物理部署的限制，并通过模拟来评估缩短随机边长度的可能性，以提高系统的实用性。（3）提出了面向主资源的流量调度和拥塞控制机制。从混合数据中心网络设备的功能出发，围绕数据流资源消耗的特点，对网络流进行细粒度的调度和管理，有效提高网络的吞吐率。（4）提出流量感知的混合拓扑控制方法。通过分析多种典型数据中心应用的流量分布，提出了一种自适应的拓扑控制方法Hyb-T，及时检测和缓解网络热点，最大化网络吞吐率。（5）提出了主动避免拥塞的任务调度机制。以数据局部性作为调度原则，优先选择机柜内部和节点内部的网络传输而避免机柜之间的数据传输，缓解和避免网络拥塞的发生。本课题共发表论文29篇，包括顶级《IEEE Transactions》4篇，其中SCI检索论文共计10篇，EI检索论文共计24篇，获得发明专利授权2项，培养博士研究生4名。