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《清华大学》 2017年
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无线数据中心网络架构设计与传输优化研究

肖诗汉  
【摘要】:近年来,随着云计算的飞速发展,数据中心网络作为基础设施其规模也迅速扩张。传统有线数据中心网络采用静态拓扑结构,面对高度动态的大数据流量,其庞杂的有线架构给网络规模扩张、能耗管理及运营维护成本等方面均带来了巨大的挑战。为了应对这些挑战,新兴的高频无线技术为实现具有动态拓扑的高性能无线数据中心网络带来了可能。高频无线具有高带宽、动态建连且灵活可控的特征优势,能够有效提升网络传输性能,降低运营成本。然而,高频无线还具有传输短距、易遮挡和密集部署下的复杂干扰问题,为其实际部署应用引入了新的挑战。本文针对无线数据中心网络带来的机遇和挑战,将以其架构设计为起点,从底层拓扑结构到上层应用传输依序展开研究。本文的主要创新点包括:(1)提出了无线数据中心网络的新型架构Diamond,主要包括基于多重反射、精确反射和热点消除的关键无线技术,基于动态拓扑的架构路由技术,以及基于桶模块的架构扩展技术。多重反射和精确反射技术充分利用三维传输空间,解决了传输遮挡和密集干扰的无线难题,首次在数据中心中支持了大规模服务器级别的高性能无线动态互联。架构路由及扩展方案则进一步克服了高频无线传输短距问题。基于60GHz无线设备的实验验证了上述无线技术的可行性与高效性。仿真结果表明,Diamond能够有效提升网络吞吐量,并保障了高效的容错性能。(2)设计了无线数据中心网络中的混合路由方案。在无线数据中心网络架构下,本文首先提出了一种基于混合路由技术的流量调度框架WiRo。通过混合使用灵活可变的无线链路和固定的有线链路,分析并优化了不同场景下的无线干扰模型,进而提出了一种具有理论性能保障的混合路由算法方案WiRS,解决了根据实时流量传输需求构建动态拓扑和路由策略的关键问题。基于真实测量数据的仿真结果表明,WiRS实现了高效的全网负载均衡,有效地降低了流完成时间。(3)设计了无线数据中心网络中的虚拟机传输优化方案。在无线数据中心网络架构下,本文首次针对上层虚拟机应用,提出了一种基于高频无线的可变拓扑技术来同时优化虚拟机迁移与通信传输开销的技术方案。基于虚拟机放置的容量约束、无线干扰模型和路由条件设计了一种具有理论性能保障的松弛与渐进式分解算法PDR,实现了虚拟机迁移、无线拓扑结构和路由方案的联合优化。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP308

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