无线数据中心网络：进展、挑战和展望*

韩 彪,王 韬,王宝生

(国防科技大学计算机学院，湖南 长沙 410073)

1 引言

随着大数据、云计算、人工智能和超级计算等新兴技术在各个领域的广泛应用，数据中心对海量数据的存储、处理和传输能力变得越来越重要。为了满足不同业务对服务质量QoS(Quality of Ser- vice)的需求(如存储容量、处理能力、带宽和延迟等)，数据中心可以通过组网技术扩展到由数百台服务器组成的集中式大型数据中心或分布式小型数据中心。数据中心网络通过电缆、光纤和无线等通信方式建立高效的拓扑结构，将多种物理单元互联互通，负责数据中心内部和数据中心之间的通信功能。如何设计一个扩展性强、可持续、弹性的数据中心网络架构，使网络拓扑适应动态变化的业务流量，对于有效地利用数据中心资源和网络传输带宽，尽可能地减少网络运营和维护支出至关重要。

传统数据中心网络普遍采用如图1所示的3层树型网络拓扑，网络分为接入层、汇聚层和核心层，逐层向上采用性能更高的交换机进行连接，网络带宽逐级收敛[1]。在这种拓扑结构中，服务器通常以机柜为单位进行组织，每台机柜包含10～20台服务器，通过柜顶ToR(Top of Rack)交换机进行连接，然后通过汇聚交换机和核心交换机实现不同机柜之间的通信。数据中心通过核心交换机连接边界路由器,实现与外部互联网的通信。在该架构中，所有网络连接都是通过统一和固定容量的电缆或光纤建立的。然而，随着数据中心网络规模的扩张，分层树型结构对上层交换机的带宽聚合性能要求越来越高，端口数目的需求也越来越大，导致了高昂的部署成本。同时，在靠近核心层的分支中需要更高的带宽和更强大的交换机，这使得核心交换机往往成为网络拥塞情况下的瓶颈。同时，数据中心网络运营商通常采用具有较大超额订购比(通常为5∶1或20∶1[1，2])的网络结构，虽然降低了成本，但在流量高峰期服务质量会下降。

Figure 1 Tree topology of traditional data center network图1 传统数据中心网络树型拓扑

对实际数据中心网络流量特性的测量和分析表明[3]，数据中心网络的流量一般分为2种：一种是数据大小在2～20 KB的小流，比如用户查询请求，通常呈现出高度随机性、突发性和时延敏感等特征，并且其时延限制一般要求为10～100 ms；另一种是数据大小在1～100 MB的大流，比如软件分发、MapReduce任务和文件备份等应用的数据流，通常呈现出持续时间长、吞吐量大且对传输带宽敏感等特征。现有测量工作[4]表明，数据中心网络中小流数目超过了80%，而大流的总流量则达到数据中心的80%以上，由于流量的高度动态性，数据中心网络通常在各层结构上产生流量拥塞热点。据统计，数据中心网络中86%的链路发生拥塞时长超过10 s，而其中15%的拥塞时长超过100 s，不管是短时间拥塞还是长时间拥塞，均会在交换机中造成不同长度的排队时延，是造成数据中心网络传输性能和服务质量下降的主要原因之一。此外，只有60%的接入和核心链路处于活跃状态，95%的汇聚链路的利用率低于10%[5]。因此，如何通过动态调度来消除流量拥塞热点并实现负载均衡，是提升数据中心网络传输性能的重要问题。

传统有线数据中心分层树型拓扑结构受限于静态网络拓扑和固定容量的不灵活链路，无法适应各类丰富且高度动态的业务流量模式。现有的工作通过扩展上述以交换机为中心的层次树拓扑结构，如胖树[6]、VL2(Virtual Layer 2)[7]和PortLand[8]等,还提出了一些新型有线数据中心网络架构，其中包括基于递归拓扑结构的DCell[9]、FiConn[10]和BCube[11]，如图2所示，可以进一步提升网络结构的可扩展性和容错性，消除瓶颈链路，并保障传输高带宽；基于随机小世界架构的SWDC(Small-World Data Centers)[12]和Jellyfish[13]提出构建随机网络拓扑，以实现比现有结构化网络更小的网络直径、更少的拥塞热点和更高的传输性能；基于光电线路交换机的拓扑可变数据中心网络架构，如c-Through[14]、Helios[15]、REACToR[16]和XFabric[17]等，可以在一定程度上解决动态流量和静态拓扑的矛盾。尽管如此，这些设计仍然不足以消除动态不平衡流量导致的性能下降。许多应用需要动态调度大量服务器/机架之间的数据传输，传统的数据中心分层网络架构将难以满足高带宽、低时延的传输需求[18]。另一方面，数据中心中的组件不断增加，数据中心的规模随之扩展，布线成本和复杂性也随之增加，同时也带来了一些间接的后果，如机架散热、因电缆束粗大导致的空间利用率低下，以及布线管理、维护和改造的运营成本等问题。

Figure 2 Typical network topologies in wired data center图2 典型有线数据中心网络拓扑

无线数据中心网络架构由于其具有灵活组网的特征，且可以适应流量需求中的高动态性和随机性，降低拥塞热点发生的概率，减少系统传输时延，近年来开始逐渐受到业界的广泛关注。受数据中心网络流量特征的启发(95%的网络流量由前10%的大流产生)，Celik等人[19]率先提出通过在超大流量的数据中心网络中建立无线链路来缓解热点的问题。为了匹配传统有线数据中心网络的高带宽低时延特性，现有无线数据中心网络架构均采用高频无线技术，主要包括60 GHz毫米波技术和自由空间光FSO(Free Space Optical)无线光通信技术。无线数据中心可以支持重配置，以使数据中心网络适应动态变化的流量模式和负载。通过灵活的链接提供更高的吞吐量，减少投入和运营成本，并提供方便的部署、管理和维护。尽管如此，无线数据中心网络的设计与部署仍然面临着巨大的挑战，例如设计无障碍的物理拓扑，调整虚拟拓扑以动态适应流量变化，优化链路属性以满足不同的QoS要求，进行功率控制和干扰管理等。

本文首先对比分析了60 GHz毫米波、太赫兹和光无线通信等候选高速无线技术的优缺点。然后介绍了现有无线数据中心网络的最新进展，深入讨论了无线数据中心网络面临的挑战，并对研究工作中的开放性问题进行了探讨。最后对无线数据中心网络的发展前景进行了展望，并对全文进行了总结。

2 候选高速无线技术

相比于传统有线数据中心网络，基于高速无线技术构建的无线数据中心网络具有如下潜在优势：

(1)降低数据中心网络的安装和维护成本。将大量机架服务器进行有线互联是一项相当繁杂的工程任务，也是一项容易出错的任务。随着数据中心网络整体规模的急剧扩展，这一问题会加剧。通过新增即插即用的无线组网模块，可以在很大程度上降低数据中心网络的布线成本和复杂性，降低部署和维护开销，同时，通过无线技术还可以提高冷却效率和机架的空间利用率。

(2)节约数据中心运营中的网络资源成本。为了处理突发流量导致的峰值负载情况，在传统有线数据中心网络中，网络运营商需要购买超额的网络资源以确保流量峰值时段的用户服务质量，增加了运营成本。通过新增无线组网设备，可以在机架之间根据流量灵活构建无线链路，利用动态自适应的拓扑结构来承载动态流量并进行负载均衡，无需购买过量的网络资源，有效地降低了数据中心网络的运营成本。

(3)更节能、更灵活、更高效。随着无线通信设备的小型化低功耗化，无线传输速率的不断提升，无线技术将会逐渐替代部分或全部的有线链路，无线数据中心网络将会拥有更加广阔的应用前景。同时，由于无线数据中心网络的组网灵活性和可重构性，它可以处理超额订购和拥塞热点，而且能够根据QoS需求和流量负载动态调整虚拟拓扑结构，因此，无线数据中心网络可以提供更高的吞吐量和更大的带宽利用率。

然而，在无线数据中心网络的设计和部署方面存在着巨大的挑战，这取决于底层无线通信技术的不同特点。接下来将介绍候选高速无线技术的潜在优缺点，并进行详细的比较。图3所示为电磁频谱分布图[20]。

2.1 毫米波通信

Figure 3 Electromagnetic spectrum distribution diagram图3 电磁频谱分布图

毫米波(Millimeter Wave)是指处于30～300 GHz的极高频EHF(Extremely High Frequency)频段，波长在1～10 ms的电磁波。该频段拥有丰富、未被利用的频谱资源，能够提供高达Gbps级别的传输带宽，相比于传统低频无线技术(如工作在2.4 GHz/5 GHz频段的IEEE 802.11n协议),毫米波技术由于具有更高的传输带宽、更小的干扰范围和更加稳定的传输特性，成为下一代无线通信系统的核心技术之一[21]。虽然毫米波频段数据传输速率很高，然而过短的波长导致其在自由空间中的衰减速度极快，有效通信范围非常受限；同时毫米波链路具有高定向性，在面对障碍物时阻挡效应严重，难以通过绕射等方式继续传播，严重影响了毫米波作为数据载体的实际应用[22]。近年来的研究发现，可以通过将毫米波与波束成型技术结合，将毫米波信号能量集中成方向性的窄波束进行数据传输，不但可以提高信号传输范围，还可以实现频谱资源的空分复用，提高频谱利用率。

现阶段的毫米波通信技术研究主要集中在24～100 GHz频段范围内，如28 GHz,38 GHz,60 GHz与72 GHz等频段。同时，毫米波通信已经应用于一些无线通信标准中：(1)IEEE 802.15.3c协议[23]作为第1个工作在57～64 GHz频段的无线协议，首次达到了1 Gbps的带宽；(2)IEEE 802.11ad协议[24]使用60 GHz频段通信，最大支持32根天线，峰值带宽可以达到4.6 Gbps；(3)IEEE 802.11ay协议是第1个真正意义上的毫米波宽带无线接入协议，它使用60 GHz频段通信，通过方向性基站进行数据传输，最高支持100 Gbps的峰值传输速率，并可保证在300～500 m的传输范围内得到20～40 Gbps的稳定传输[24,25]。

2.2 太赫兹通信

太赫兹THz(Terahertz)波是一种位于毫米波和红外光波之间的电磁波，其频率位于0.1～10 THz(1 THz=1 012 Hz)波段，其波段处于电子学向光学的过渡区域，是电子频谱中唯一待开发的频谱资源[26]。

虽然THz和EHF频段具有共同的传播特性，但是太赫兹通信有其独特的优势和实现挑战性。首先，作为更高频的电磁波，太赫兹波可以提供更大的带宽和更高的传输容量，太赫兹通信可支持数十Gbps到数Tbps的高速传输速率，有足够的带宽以支撑数据中心的数据传输。其次，太赫兹波相较于毫米波，其在空气中的衰减更为严重，且当空气中水分子较多时衰减尤为严重[27]。此外，太赫兹波的频率选择性更强。由于波长范围在3 μm～3 mm，太赫兹波收发器占地面积小，可以通过在小尺寸收发器中交织大量不同频带的天线来补偿严重的传输损耗。通过采用有效的定向和波束成型技术，可以获得准直的太赫兹光束，从而可以在短到中距离内获得可观的数据速率，并显著降低由于高定向性而产生的干扰。与微波通信相比，太赫兹通信的方向性更强，能够有效地降低功耗，其较高的频率和较强的方向性也有助于实现更安全的通信，可实现数据中心数据的安全传输。

2.3 自由空间光通信

无线光通信是指通过使用可见、红外和紫外线光束作为信号载体在非引导介质中进行传输的方式。尤其是在近红外波段工作的无线光被称为自由空间光FSO，自由空间光通信是指光信号通过大气而非光纤作为传输媒质来进行光信号传输的通信系统[28]。自由空间光通信与毫米波、高速微波等技术相比具有通信距离远、视距传输和高带宽的特点[28]。自由空间光通信相比于光纤通信，无需布线，但是在实际部署过程中对齐比较困难[29]。目前，针对自由空间光的通信研究相对较早，技术比较成熟。自由光通信由于传输距离远、无需布线、部署简单等特点，可用于数据中心的通信场景，对传统有线通信进行补充。目前，已有Airfiber和Terabeam等企业将FSO应用于服务领域的网络通信。自由空间光通信相比于微波通信等技术，具有更高的传输带宽，可实现较高的传输速率。但是，传统的用于室外通信的自由空间光通信系统容易受到环境干扰，比如雨、雾等，会造成信号的严重衰减，而且由于需要进行远距离定位跟踪对准，系统复杂，成本相对较高，将之应用于数据中心的室内场景也可有效避免自由空间光通信的这一劣势。

2.4 候选高速无线技术的比较分析

表1比较了数据中心中3种候选的高速无线技术，这3种无线技术的频谱都在非授权频段。给定可用带宽，利用毫米波、太赫兹和自由空间光可以分别实现Gbps、Tbps和数Tbps的传输速率，但在实际通信系统实现中，毫米波能达到的传输速率仅为7 Gbps,自由空间光能达到的传输速率目前测试达到了40 Gbps，而太赫兹在实验室中能达到的传输速率测试达到了100 Gbps。随着工作频率的升高，方向性和穿透损失变得更加显著。尽管高定向链路(如自由空间光)需要视距链路LoS(Line of Sight)，但它们有助于补偿传输损耗并减少干扰。当毫米波在接收端受到热噪声影响时，太赫兹接收端同时受到吸收光谱和热噪声的影响，而FSO接收机中的主要干扰是由环境光源引起的。由于毫米波已经被视为5G及下一代网络的关键技术，毫米波通信模块的成本有望在中短期内降低，应用规模将进一步扩大。虽然FSO模块已经商用，但其传输速率与光模块有关，需要极为精确的校准以建立LoS链路，相对毫米波通信而言条件更为苛刻，实际部署仍有许多工程问题需要解决。尽管目前最先进的太赫兹收发器和天线还没有很好地商业化，但它们尺寸很小，方向性强，传输速率也很可观，未来的应用价值可以预见。

Table 1 Comparisons of candidate high-speed wireless technologies表1 候选高速无线技术对比

3 现有无线数据中心网络架构

根据使用的无线技术的不同，现有无线数据中心网络架构主要有2类，一类是通过毫米波进行无线通信，另一类是通过自由空间光FSO进行无线光通信。

3.1 基于60 GHz毫米波的无线数据中心网络

2009年，微软的研究工作Flyway提出在机架顶端的ToR交换机上部署60 GHz无线收发器来解决数据中心网络的热点问题[30]。2011年，Halperin等人[31]在Flyway的基础上进一步扩展，搭建了60 GHz原型系统，对60 GHz链路的传输稳定性、干扰程度和TCP吞吐量进行了实际模拟和测量。实验结果表明，60 GHz在链路稳定性、干扰避免和信道重用方面优势明显。

2012年,Zhou等人[32]提出了3D波束成型(3D-Beaforming)算法，通过在数据中心房间天花板上部署特制的反射板，不同机架上的天线将收发角对准反射板，通过反射板的单次反射实现直接通信。2014年，Zhu等人[33]提出了低时延无线数据中心网络框架Angora，该架构在机架顶端部署多个60 GHz天线，并通过特殊的连接设计构建连接Kautz图结构，使得所有天线能够无干扰地通信。2017年，Zhang等人[34]提出了一种借助于可升降可旋转的曲柄支架调节其上的毫米波天线实现60 GHz毫米波LoS视距传输的方式Graphite。2019年，张庆芳[35]提出了Comb无线数据中心网络拓扑结构，通过增加无线收发装置上天线的数量，并将该结构部署在不同平面上，增强了设备的连通性。

2013年，Shin等人[36]提出了一种完全采用无线连接的数据中心网络架构Cayley，该架构通过在中空的圆柱形机架的内外放置60 GHz定向毫米波收发器来实现。2013年，Cui等人[37 - 39]在软件定义网络的框架下，应用60 GHz毫米波与传统有线数据中心网络组成混合网络架构，将无线通信用于数据中心网络内的流量热点上。2017年，Cui等人[40，41]提出了无线数据中心网络Diamond架构，该架构突破了ToR的限制，通过在每一个服务器上配备无线终端，组成了高度可配置化的无线传输环。

2017年，Umamaheswaran等人[42]提出一种服务器到服务器的无线数据中心网络S2S-WiDCN (Server-to-Server Wireless Data Center Network)架构,无线DCN中服务器之间沿着服务器间的水平线和垂直面实现通信。2017年，张庆安等人[43，44]在有线无线混合型网络架构基础上，设计出一种面向物理层组播优化的混合型网络架构。 2019年，景彦昊[45]在有线数据中心架构ExCCC-DCN(Exchanged Cube-Connected Cycles Data Center Network)的基础上，参考李旸[46]的球型网络，对其进行了无线改造。

3.2 基于太赫兹的无线数据中心网络

2014年，Akyildiz等人[47]重点介绍了太赫兹高速收发器体系结构的局限性和可能的解决方案，并讨论了开发新的超宽带天线和超大型天线阵列的挑战。2019年，Ghafoor等人[48]对将太赫兹用于连接ToR交换机的信道接入方案进行了探讨。2019年，Ahearne等人[49]对太赫兹在数据中心中的应用进行了实验、仿真和理论建模，并指出了其未来的潜力及相对于传统有线光网络的新功能。

2016年，Mollahasani等人[50]根据太赫兹频率的特性对其在数据中心中的应用优势进行了探讨，指出了太赫兹技术在无线数据中心中的建议带宽和相对湿度。2018年，Petrov等人[51]在前人研究的基础上提出了用于室内环境的无线太赫兹以太网扩展的分步路线图。2019年，Elayan等人[52]对THz无线通信与其他竞争者之间进行了全面比较，并重点介绍了有关太赫兹标准化活动的里程碑。

2018年，Hossain等人[53]提出了用于THz通信网络的开源网络仿真平台TeraSim，该平台有望使网络社区能够测试THz网络协议，而不必深入研究信道和物理层。

3.3 基于空间自由光的无线数据中心网络

相比于60 GHz毫米波技术，基于空间自由光FSO的无线数据中心网络由于采用了更高的频段，具有更高的传输带宽、更小的干扰角、更远的传输距离等优势。但是，由于FSO设备的收发角度非常小，收发器进行对准通信时，其角度调整精度要求很高。同时，FSO设备相比60 GHz毫米波技术尚不成熟，成本更加昂贵，广泛部署难度更大。

2014年，研究人员首次在FireFly中探讨了将空间自由光通信技术(FSO)应用于数据中心网络中高速无线传输的可行性[54]。在FireFly的基础上，Bao等人[55]提出基于自由空间光的动态组播数据中心网络架构FlyCast。 2016年，微软提出ProjectToR[56]，进一步探讨了如何解决FSO收发器进行快速精准的对准通信问题。

2017年，Deng等人[57,58]提出并展示了一种基于无框架双轴MEMS(Micro-ElectroMechanical System)微镜和反光膜标记孔径的可重构10 Gbps FSO系统。2016年，Hamza等人[59]提出光学无线蜂窝数据中心网络体系结构OWCell，使用排列成规则多边形的机架单元作为构建块来创建巨型数据中心网络DCN。

2018年，Chaintoutis等人[60]提出了一种自由空间光互连解决方案，该解决方案利用2D光束控制发送器，并使用了高带宽广域光电二极管阵列接收器。2018年，Celik等人[61]开发了一种自上而下的流量修饰TG(Traffic Grooming)方法，以设计和配置光学无线DCN。

2019年，Qin等人[62]探讨了构建无线小世界数据中心网络的可能性。2020年，Qin等人[63,64]在先前工作的基础上提出了一个易于部署和高性能的混合DCN架构SFNet,进一步提高了网络性能。

3.4 无线数据中心网络研究工作总结

表2对当前典型的无线数据中心网络研究工作进行了综述，对比了无线数据中心网络架构的类型(有线-无线混合、纯无线)、所采用的无线技术、研究工作的亮点、物理拓扑、逻辑拓扑以及存在的问题。

4 无线数据中心网络设计与部署挑战

4.1 物理拓扑结构

物理拓扑结构对于无线数据中心网络的设计与部署至关重要。(1)为了匹配现有有线链路的高速带宽，无线数据中心网络一般采用高频无线技术，其高定向、弱穿透特性使得传输极易因各类障碍物的物理遮挡(如数据中心机房屋顶、机架结构、机房设施等)而迅速衰减，导致传输距离受限，因此，物理拓扑结构设计需要尽可能地提供无障碍无线链路；(2)物理拓扑结构还需要考虑无线信号之间的干扰，尤其是将高频无线技术密集于狭窄的数据中心内部时，将会造成严重的干扰，从而影响无线链路质量和网络性能；(3)物理拓扑结构会影响数据中心内部的散热和热流动，如果设计不当，可能会导致冷却系统功耗过高，从而导致系统故障；(4)物理拓扑结构的设计还会影响可用无线链路的数目，传统无线数据中心网络架构主要在机架顶端放置无线设备，可部署的无线设备数目严格受限于机架大小，造成可用无线链路数目严重受限。因此，如何设计高效的无线数据中心网络物理拓扑结构，是有效承载大规模动态数据中心流量的重要基础问题。

Table 2 Comparison of wireless data center network research表2 无线数据中心网络研究工作对照

4.2 无线核心机制设计

无线数据中心网络承袭了传统无线网络的大部分特点，又有其自身新的特性。总的来说，其核心机制包括了无线资源分配、链路调度、功率控制、波束成型、干扰管理和路由协议等。无线数据中心网络通过设计核心机制的可重构性和灵活性来满足网络动态变化的QoS需求。首先，除了时间和频率维度的资源分配之外，无线数据中心网络需要更多地考虑空间对资源分配的影响，在数据中心的相对较小且受到限制的范围内，怎样构建通过干扰管理来重用频率的资源分配方案，如何设计具有流量自适应特性的三维调度算法，如何通过波束成型和功率控制机制来提供并发传输，是无线数据中心网络研究中的关键问题。其次，应该考虑适合物理拓扑结构的动态链路调度机制，通过选择集中式/分布式的链路调度算法，实现全局/局部链路调度，获得理想的网络性能。合适的链路调度算法可以提升数据中心网络的整体性能，应用更加复杂的流量模式。特别是在高流量负载情况下，通过将灵活的链路调度与路由协议结合，才能最大限度地使用网络资源和链路带宽。最后，为解决热点问题，在使用无线连接时，应使用适当的信道分配策略以确保信道使用的独立性。 现有研究已经对信道进行了建模，并使用了启发式算法(例如遗传算法)来解决干扰问题，但是仍无法精确获得它们。 算法(约占算法的一部分)具有更大的不稳定性和性能不确定性。

4.3 QoS保障和负载均衡

QoS机制为实现高度多样化的数据中心流量类型提供保证，为了提供QoS保障，需要多数据中心的流量根据大小、完成时间请求和优先级等进行区分。数据中心的流量类型通常分为带宽饥渴的大象流和延迟敏感的小流，在数据中心，虽然网络中大象流构成了其总流量的80%左右，但小流数目超过了80%。在小流中，可能存在具有高可靠和低延迟服务需求的更高优先级关键流。例如，如果大象流与小流在同一条路径上路由，则可能会遇到不可容忍的延迟。因此，在无线数据中心网络中，需要能够根据应用需求对不同类型的流进行区分和处理，区别于现有有线网络的包采样和端口镜像等机制，设计出快速、精确、轻量的流量监测机制，给予数据中心多样化的QoS保证，是一个关键的前沿问题。

此外，无线技术的出现给数据中心网络的负载均衡策略设计带来了很大影响。一方面，选择合适的无线链路进行流量路由可以有效缩短原有网络的路由路径长度，降低负载开销时延；另一方面，无线链路的引入也为数据中心网络负载均衡提供了更多选择，可以完成更加灵活的整体网络负载均衡。但是，无线流量的负载均衡在实际数据中心网络中的部署仍面临较大挑战：首先，数据中心网络中密集的无线部署将造成复杂的干扰问题，相关干扰的无线链路会影响链路容量和网络性能，导致负载均衡策略失效，如何进行干扰管理以满足负载均衡的需求是一个巨大的挑战；其次，无线链路的引入导致链路数量急剧增长，传统启发式的负载均衡算法无法保障数据中心网络的性能，实现能够确保性能的负载均衡算法是一个相当有难度的问题。

4.4 无线设备的成本、功耗及传输速率

首先，目前能应用于数据中心的无线收发器成本仍然很高，虽然制造工艺水平基本可以将大部分的毫米波通信器件做到小型化、便携化，甚至可以集成到其他部件中，但是出于成本的考虑，目前应用的范围仍然十分有限。随着5G商用规模的扩大，毫米波通信器件的成本有望进一步降低。自由空间光和太赫兹通信的有关技术仍以实验室研究为主，相对于毫米波通信，商用范围更小、成本更高。其次，无线设备的功耗会直接影响数据中心的功耗，目前可用于数据中心网络的无线技术中，60 GHz通信设备的功耗仍然较大，自由光通信和太赫兹通信设备的功耗仍有很大优化空间，功耗问题会直接影响无线设备在数据中心中的部署，也会为数据中心运行带来一定的安全风险。最后，无线链路的传输速率及可靠性仍难以匹配有线光纤链路，目前已经商用的60 GHz通信链路最高传输速率仅为7 Gbps，自由空间光通信链路最高测试速率虽然达到了40 Gbps，但仍然无法满足数据中心100 Gbps甚至Tbps级别的带宽需求。太赫兹通信由于可以提供100 Gbps以上的传输速率，目前已被业界重点关注，但其商用普及仍然面临较大的挑战。

5 无线数据中心网络展望

目前来说，无线技术在数据中心中的应用还处于起步阶段，未来需要解决不少理论和工程问题，以下是一些潜在的研究方向和待解决的问题。值得注意的是，这里讨论的主要内容是无线数据中心网络在未来一段时间内的发展趋势。

5.1 新的网络拓扑和高速无线技术

随着骨干网有线网络带宽突破400 Gbps，毫米波无线链路的带宽将不能给新型数据中心提供足够的传输能力。对比毫米波通信，自由空间光和太赫兹通信具有更高的传输带宽、更小的干扰范围和更远的传输距离，可以构建具有更高容量的网络架构，也会催生更多新的无线数据中心网络架构。为了充分利用新的高速无线技术带来的灵活性和可重构性，新型数据中心需要根据自身变化设计出新的拓扑结构和网络体系结构。随着未来FSO和太赫兹技术的日渐成熟和推广应用，适用于数据中心的无线收发器成本将进一步降低，在数据中心的普遍应用将成为可能。尤其是太赫兹波作为电子频谱中唯一待开发的频谱资源，其在数据中心网络中的应用有不可忽视的价值。

5.2 有线无线混合数据中心网络架构

基于无线技术的新型网络设施可以作为传统有线数据中心网络某些特定场景的补充，可以处理有线链路线路复杂度高和拥塞热点等问题。尽管无线网络的方案对于现在无法预测的流量模式和网络中不平衡的流量负载来说非常合适，但是无线链路在使用过程中面临诸如干扰、带宽、稳定性等众多不确定因素，因此在机架内和机架间通信的一些场合仍然适合使用有线传输。可以预见，在不久的将来，有线无线混合的异构数据中心将会成为趋势，混合数据中心网络的最大优势是可以利用现有的数据中心为基础，以相对较低的成本对数据中心进行改造升级，进而实现其性能的提升。混合数据中心中，机柜顶部无线收发节点的设计和部署是影响无线网络性能的关键。

5.3 无线数据中心网络与5G技术的融合

“云-网-边-端”的融合将成为5G网络端到端的新技术架构。通过对数据中心的云化改造，借由软件定义网络/网络功能虚拟化等技术对核心网等网元进行虚拟化，最终实现5G网络的部署。边缘计算业务部署之后，随着5G相关网元在数据中心的大规模应用，数据中心网络将成为5G网络部署的核心场景之一。无线数据中心网络使得网络的可重构成为现实，网络拓扑结构可以根据需求动态灵活变化，为实现5G网络功能以及资源的灵活部署和动态调度提供了可能。

5.4 智能化无线数据中心网络技术

随着云计算、软件定义网络SDN和网络功能虚拟化NFV(Network Function Virtualization)等技术在数据中心的迅速部署，转控分离、三层解耦和统一编排等技术为数据中心网络实现自动化、资源灵活调度和智能运维奠定了基础。一方面，数据驱动的智能化网络技术可以为无线信道分配、链路调度、功率控制和干扰管理等核心机制提供自动化决策，有助于实现并加速无线技术及其产品在数据中心的进一步部署；另一方面，无线数据中心网络的故障排查比传统有线网络更复杂，难度更大，基于AI的智能运维技术通过对无线数据中心网络的自主分析,可以实现网络故障自主监测与定位、故障预测、业务预测与分析等功能，未来有望在数据中心网络中得到进一步应用。

5.5 安全与节能

安全和能耗问题是贯穿数据中心网络发展始终的重要问题，无线数据中心网络也不例外。为了防止安全风险扩散，数据中心网络往往需要及时进行隔离。高频无线技术的定向和有限穿透特性在一定程度上限制了无线信号的传输范围，不会存在类似传统射频信号的广播特性，使得通过物理障碍来划分数据中心网络成为可能，从而降低网络被窃听和入侵的风险。另外，降低无线数据中心网络的能耗可以从2方面入手，一是开发低功耗的无线收发设备，降低硬件能耗；二是设计轻量、低开销的传输协议和算法，对无线数据中心网络传输的能耗开销进行联合优化，降低软件能耗。

6 结束语

面对飞速增长的数据流量，传统有线数据中心网络受限于静态的网络拓扑和固定容量的不灵活的链路，无法适应大量种类丰富且高度动态的业务流量模式。此外，复杂的有线链路造成网络扩张、能耗管理和运营维护的极大困难。本文概述了无线数据中心网络的背景和研究动机，简要介绍了候选高速无线通信技术的优缺点以及当前无线数据中心网络架构的研究进展，从设计和部署的角度提出了无线数据中心网络面临的挑战，并对无线数据中心未来发展的方向和趋势进行了探讨。目前对无线数据中心网络架构的研究仍有待进一步深入。