[논문 리뷰] Wireless Data Center Networks: Advances, Challenges, and Opportunities

Abdulkadir Çelik, Basem Shihada외 1명|ePrints Soton (University of Southampton)|2018. 11. 28.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 13인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 mmWave, THz 및 광무선 통신을 활용하여 기존 유선 DCN의 한계인 높은 케이블링 비용, 유연성 부족한 토폴로지 및 트래픽 핫스팟을 극복하기 위해 확장성 있고 비용 효율적인 대안으로 무선 데이터센터 네트워크(WDCNs)를 제안한다. 동적 재구성 및 높은 스펙트럼 효율성 덕분에 WDCNs는 처리량을 향상시키고 에너지 소비를 줄이며 고장 내성 능력을 향상시키며, 물리적/가상 토폴로지 설계, QoS 제공 및 로드 밸런싱 분야에서 주요 기여를 이룬다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 유선 데이터센터 네트워크(DCNs)의 높은 케이블링 비용, 복잡성 및 유연성 부족한 대역폭 할당 문제를 해결한다.
• 계층적 유선 토폴로지에서 과도한 할당 및 트래픽 핫스팟으로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• DCN 내 무선 상호연결을 통해 동적 재구성 및 향상된 에너지 효율성을 실현한다.
• mmWave, 테라헤르츠 및 광무선 통신을 WDCN의 실현 가능 기술로 평가하고 비교한다.
• 가상 토폴로지, QoS 및 보안을 포함한 WDCN 설계 분야의 열린 연구 과제와 기회를 규명한다.

제안 방법

• DCN 응용을 위한 mmWave, 테라헤르츠 및 광무선 통신(OWC)의 물리계층 특성을 조사하고 비교한다.
• 기존 유선 DCN 토폴로지에 요구에 따라 작동하는 무선 링크를 통합한 하이브리드 무선 아키텍처를 제안하여 확장성과 적응성을 향상시킨다.
• 장애물이 없는 물리적 토폴로지 및 실시간 트래픽 수요에 적응하는 동적 가상 토폴로지를 설계한다.
• 비상 작업을 우선시하고 혼잡을 줄이기 위해 QoS 기반 흐름 분류 및 데이터 그룸핑을 구현한다.
• 무선 링크의 재구성 가능성을 활용하여 핫스팟을 완화하는 로드 밸런싱 기법을 적용한다.
• 간섭 최소화와 함께 광범위한 방향성과 저지연 신호 전송을 보장하기 위해 마이크로파 대역을 사용한 무선 제어 평면을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mmWave, THz 및 광무선 통신은 내부 DCN 링크에 대해 대역폭, 범위 및 적합성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 WDCN의 장애물이 없는 물리적 토폴로지 및 동적 가상 토폴로지 설계 시 주요 과제는 무엇인가?
• RQ3 다양한 트래픽 수요와 변동성이 큰 링크 조건을 가진 WDCN에서 QoS 제공는 어떻게 효과적으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 무선 링크의 재구성 가능성이 데이터센터 내 로드 밸런싱 및 핫스팟 완화에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 다중 테넌트 환경에서 특히 보안 및 프라이버시는 어떻게 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 무선 DCN은 광범위한 물리적 케이블링 인프라가 필요 없어지므로 케이블링 비용을 크게 줄이고 공간 활용도를 향상시킨다.
• WDCN은 트래픽 패턴에 동적으로 적응함으로써 과도한 할당 및 핫스팟의 영향을 줄여 더 높은 스펙트럼 효율성과 처리량을 달성한다.
• 광무선 통신(OWC)은 높은 데이터 전송 속도와 낮은 지연을 제공하여 랙 내 고대역폭 단거리 링크에 이상적이다.
• 방향성 있는 고이득 무선 링크 사용은 그들의 제한된 전파 범위와 빔포밍 능력 덕분에 보안을 향상시키고 도청 위험을 줄인다.
• 스위치를 제거함으로써 무선 상호연결을 통해 전력 소비와 탄소 배출량을 줄일 수 있으며, 스위치의 전력 소모와 무선 모듈의 에너지 비용을 비교하여 에너지 절감 효과를 정량화할 수 있다.
• 마이크로파 기반의 무선 제어 평면은 간섭 최소화와 함께 신뢰성 있고 광범위한 방향성 신호 전송을 보장하여, SDN 기반의 WDCN에서 확장성 있고 내구성이 뛰어난 네트워크 제어를 가능하게 한다.