[論文レビュー] Wireless Data Center Networks: Advances, Challenges, and Opportunities

Abdulkadir Çelik, Basem Shihada+1 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Nov 28, 2018

Software-Defined Networks and 5G参考文献 13被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、高コストのケーブル接続、柔軟性に欠けるトポロジー、トラフィックのホットスポットといった課題を克服するため、ミリ波、太赫帯、光無線通信を活用したスケーラブルでコスト効率の良い代替手段として、無線データセンターネットワーク（WDCNs）を提案する。動的再構成と高いスペクトル効率を実現することで、WDCNsはスループットを向上させ、エネルギー消費を削減し、障害耐性を向上させる。主な貢献は、物理的／仮想トポロジー設計、QoSの提供、負荷分散の向上である。

ABSTRACT

Data center networks (DCNs) are essential infrastructures to embrace the era of highly diversified massive amount of data generated by emerging technological applications. In order to store and process such a data deluge, today's DCNs have to deploy enormous length of wires to interconnect a plethora of servers and switches. Unfortunately, wired DCNs with uniform and inflexible link capacities expose several drawbacks such as high cabling cost and complexity, low space utilization, and lack of bandwidth efficiency. Wireless DCNs (WDCNs) have emerged as a promising solution to reduce the time, effort, and cost spent on deploying and maintaining the wires. Thanks to its reconfigurability and flexibility, WDCNs can deliver higher throughputs by efficiently utilizing the bandwidth and mitigate the chronic DCN problems of oversubscription and hotspots. Moreover, wireless links enhance the fault-tolerance and energy efficiency by eliminating the need for error-prone power-hungry switches. Accordingly, this paper first compares virtues and drawbacks of millimeter wave (mmWave), terahertz (THz), and optical wireless communications as potential candidates. Thereafter, an in-depth discussion on advances and challenges in WDCNs is provided including physical and virtual topology design, quality of service (QoS) provisioning, flow classification, data grooming, and load balancing. Finally, exciting research opportunities are presented to promote the prospects of WDCNs.

研究の動機と目的

• 従来の有線DCNにおける高コストのケーブル接続、複雑さ、柔軟性に欠ける帯域割り当ての課題に対処すること。
• 階層的有線トポロジーに起因する過剰利用とトラフィックホットスポットによる性能ボトルネックを克服すること。
• DCNにおける無線接続を活用して、動的再構成とエネルギー効率の向上を実現すること。
• mmWave、太赫帯、光無線通信（OWC）をWDCNの実現可能性のある技術として評価・比較すること。
• WDCN設計における未解決の研究的課題と機会（仮想トポロジー、QoS、セキュリティなど）を特定すること。

提案手法

• mmWave、太赫帯、光無線通信（OWC）の物理層特性を調査・比較し、DCN応用に適した特徴を分析する。
• 既存の有線DCNトポロジーにオンデマンド無線リンクを統合するハイブリッド無線アーキテクチャを提案し、スケーラビリティと適応性を向上させる。
• 障害物のない物理的トポロジーと、リアルタイムのトラフィック需要に応じて動的に変更可能な仮想トポロジーを設計する。
• QoSに配慮したフロー分類とデータグルーミングを実装し、重要なワークロードを優先し、混雑を低減する。
• 無線リンクの再構成可能性を活用した負荷分散技術を適用し、ホットスポットを緩和する。
• マイクロ波帯を用いた無線コントロールプレーンを統合し、最小限の干渉でオムニディレクショナルかつ低遅延のシグナリングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mmWave、太赫帯、光無線通信は、データセンタ内リンクとしての帯域幅、通信距離、適性において、どのように比較されるか？
• RQ2 WDCN向けに障害物のない物理的トポロジーと動的仮想トポロジーを設計するにあたり、主な課題は何か？
• RQ3 多様なトラフィック需要と変動するリンク条件を伴うWDCNにおいて、QoSの提供を効果的に行うにはどうすればよいか？
• RQ4 無線リンクの再構成可能性が、データセンタでの負荷分散およびホットスポット緩和に与える影響は何か？
• RQ5 特にマルチテナント環境において、無線データセンターネットワークでのセキュリティとプライバシーをどのように確保できるか？

主な発見

• WDCNsは、大規模な物理的ケーブルインfraの必要性を排除することで、ケーブルコストを大幅に削減し、空間利用効率を向上させる。
• WDCNsは、トラフィックパターンに動的に適応することで、スペクトル効率とスループットを向上させ、過剰利用やホットスポットの影響を低減する。
• 光無線通信（OWC）は、高データレートと低遅延を実現するため、データセンタラック内での短距離・高帯域幅リンクに最適である。
• 指向性で高利得な無線リンクを用いることで、伝搬範囲が限定的でビームフォーミング機能を備えるため、セキュリティが向上し、盗聴のリスクが低減される。
• スイッチの排除による無線接続により、電力消費と炭素排出量が削減され、スイッチの消費電力と無線モジュールのエネルギーコストを比較することで、エネルギー効率の向上が定量的に評価できる。
• マイクロ波ベースの無線コントロールプレーンは、干渉を最小限に抑えつつ、信頼性の高いオムニディレクショナルシグナリングを提供し、SDN駆動のWDCNにおけるスケーラブルでレジilientなネットワーク制御を実現する。