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| 編輯推薦： |
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近几年来分布式计算、存储技术的飞速发展催生了当今大规模的云计算服务，而数据中心优良的网络架构是提供高质量云计算服务的基础。面对机器学习、视频直播等重要服务，云计算用户规模与动态业务流量需求迅猛增长给现有数据中心网络带来了巨大的挑战。为了解决传统数据中心网络的静态架构与大规模动态流量的根本矛盾，本文提出了无线数据中心网络的新型架构和流量调度方案，大幅提升数据中心网络的传输性能。
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| 內容簡介： |
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本文针对无线数据中心网络带来的机遇和挑战，从底层架构设计到上层应用依序提出创新方案，主要包括：（1）提出了无线数据中心网络的新型架构，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。（2）提出了无线数据中心网络中的混合路由方案，实现了高效的全网负载均衡。（3）提出了无线数据中心网络中的虚拟机传输优化方案，实现了虚拟机迁移、无线拓扑结构和路由方案的联合优化。
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| 關於作者： |
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2012年毕业于北京邮电大学，2017年取得清华大学工学博士学位，2017年加入华为担任高级工程师，主要研究领域为下一代网络架构，在国际重要会议期刊如NSDI、INFOCOM、TON、JSAC、TMC等发表论文10多篇。
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| 目錄：
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第1章 引言 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 数据中心基本概念 1
1.1.2 数据中心网络架构类型 2
1.1.3 数据中心网络流量特征 3
1.1.4 数据中心网络虚拟化应用 3
1.2 研究内容与面临的主要挑战 4
1.2.1 无线数据中心网络的架构设计 4
1.2.2 无线数据中心网络的流量调度 5
1.2.3 无线数据中心网络的虚拟机迁移与通信 6
1.3 研究的主要贡献 7
1.4 研究框架 9
第2章 研究现状与相关工作 11
2.1 数据中心网络的体系架构 11
2.1.1 传统有线数据中心网络架构 11
2.1.2 新型无线数据中心网络架构 14
2.2 数据中心网络的流量调度 17
2.2.1 传统有线数据中心网络 17
2.2.2 无线数据中心网络 18
2.3 数据中心网络的虚拟机迁移与通信 19
2.3.1 虚拟机迁移 19
2.3.2 虚拟机通信 20
第3章 无线数据中心网络的新型架构 22
3.1 概述 22
3.2 Diamond 系统架构 24
3.2.1 系统概述 24
3.2.2 关键技术 25
3.2.3 基于3D环状反射的拓扑设计 26
3.2.4 机架与反射板的部署 28
3.3 关键无线技术 29
3.3.1 多重反射技术 29
3.3.2 精确反射技术 33
3.3.3 热点消除技术 36
3.4 基于动态拓扑的架构路由设计 40
3.4.1 整体方案概述 41
3.4.2 有线路由方案 41
3.4.3 机会主义混合路由方案 42
3.4.4 容错处理 43
3.5 基于桶模块的架构扩展设计 43
3.5.1 基于桶模块的拓扑结构设计 44
3.5.2 有线路由方案设计 45
3.5.3 混合路由方案设计 46
3.6 Diamond架构部署与开销评估 48
3.6.1 反射板形状选择 48
3.6.2 虚拟交换机设计 48
3.6.3 机架部署密度 48
3.6.4 布线复杂度 49
3.6.5 散热与维护 49
3.6.6 部署开销 50
3.7 硬件实验台评估 51
3.7.1 实验设置 51
3.7.2 信号反射的实验结果 54
3.7.3 天线收发器对准的实验结果 54
3.7.4 精确反射的实验结果 54
3.8 仿真实验评估 55
3.8.1 仿真设置 55
3.8.2 有线架构与混合架构的传输性能对比 56
3.8.3 负载均衡性能对比 57
3.8.4 基于FSO无线技术的传输性能 58
3.8.5 容错性能评估 58
3.8.6 基于桶模块扩展的架构性能评估 59
3.8.7 无线配置性能评估 60
3.9 小结 61
第4章 无线数据中心网络的混合路由技术 62
4.1 概述 62
4.2 WiRo框架与建模 64
4.2.1 研究动机 64
4.2.2 WiRo调度框架设计 65
4.2.3 无线干扰模型 66
4.2.4 优化问题建模 68
4.2.5 问题分析与分解 69
4.3 混合路由调度分析与设计 70
4.3.1 子问题求解分析 70
4.3.2 WiRS整体求解算法 78
4.4 实验评估 80
4.4.1 60 GHz无线实验台 80
4.4.2 实验设置与评估结果 81
4.4.3 对比分析 83
4.5 小结 87
第5章 无线数据中心网络的虚拟机传输优化 88
5.1 概述 88
5.2 问题建模 90
5.2.1 研究动机 90
5.2.2 虚拟机迁移模型 91
5.2.3 基于动态拓扑的路由模型 92
5.2.4 无线干扰模型 93
5.2.5 虚拟机迁移与通信模型 94
5.2.6 优化问题建模 95
5.3 虚拟机迁移调度分析与设计 96
5.3.1 PDR整体算法设计 96
5.3.2 松弛技术 97
5.3.3 渐进式分解舍入技术 100
5.3.4 近似比组合技术 104
5.3.5 其他场景下的扩展应用 105
5.4 实验评估 106
5.4.1 仿真设置 106
5.4.2 实验结果 107
5.4.3 硬件实验台评估 110
5.5 小结 112
第6章 总结与展望 114
6.1 总结 114
6.2 展望 116
参考文献 118
在学期间发表的学术论文与研究成果 127
致谢 129
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| 內容試閱：
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当前，云计算已经深入普通用户的日常生活中，例如，上亿用户日常使用的微信和淘宝，其背后的核心技术是腾讯云与阿里云；当今流行的抖音短视频、今日头条新闻等应用服务则是由字节跳动公司数十万服务器互联构成的数据中心网络所支撑。数据中心网络是支撑云计算的核心基础设施，它通过大量交换机将成千上万的服务器连接在一起，向海量用户提供高性能、高可靠性、弹性可扩展的丰富应用与服务。
随着数据中心网络用户规模的快速增长，面对高度动态的数据流量，其庞杂的有线架构给网络扩张、能耗管理、运营维护等带来了巨大的挑战。由于网络流量的动态变化难以预知，传统数据中心网络通常采用对称的拓扑进行流量传输，而实际网络中非对称的流量会导致随机、动态的拥塞热点，造成业务丢包和用户体验受损。这是由于静态网络拓扑无法应对动态网络流量而产生的本质矛盾。因此，高性能数据中心网络在过去十年飞速发展，不仅引发了学术界持久不息的研究热潮，也成为谷歌、微软、亚马逊等国际巨头们关注的重点。无线技术的动态性有助于实现动态的网络拓扑架构，而引入新型高频无线技术为解决这些问题带来了新的可能，并因此诞生了一个新的研究领域无线数据中心网络。
新型高频无线技术拥有高度灵活的动态连接，这种高自由度的网络架构对于高度动态的流量变化具有天然的自适应优势，同时保持着高带宽、低功耗等优点。但该技术同时也引入了如何克服高密无线信道干扰、传输遮挡与快速衰减，实时精确地动态建立连接，部署与散热等问题。经过数年的发展，无线数据中心网络领域诞生了许多创新的网络架构与干扰解决方案，如天花板镜面反射、球状镜面反射架构等，同时，采用的新型无线技术本身也从60 GHz高频无线传输技术向具有更大带宽容量的超高频激光传输技术发展。总体来看，无线数据中心网络具有巨大的发展和应用前景，但当前该领域仍然属于前沿探索领域，相关硬件与算法有待进一步成熟。
本书围绕无线数据中心网络这一前沿背景，从新型网络架构、路由传输和上层应用多个方面展开了深入研究。首先提出了以高频无线通信为主要传输方式的数据中心网络架构，设计了面向三维空间的多重反射、精确反射和热点消除等关键创新无线传输技术，通过结合新型环状拓扑架构设计，克服了由传输遮挡造成的高频无线衰减难题和密集无线干扰产生的传输挑战，首次在数据中心网络中支持了大规模服务器级别的高性能无线动态互联，在新架构下提出的混合路由技术则进一步克服了高频无线传输距离短的难题。本书从底层架构出发逐步过渡到上层应用，在理论和实践上均做出了优秀的研究工作，可以作为相关领域研究者深入研究的重要参考，同时也为其他网络领域的研究者打开了新的研究视角，其创新性的研究思路值得借鉴。
对于构建无线数据中心网络的想法，早期由微软研究院开展相关原型实验并进行了可行性验证，与此同时，作为国内此领域的首个研究团队，清华大学的研究团队也提出了构建高性能无线数据中心网络的系列关键技术。自此，该领域不断吸引国内外顶尖高校参与相关研究，在网络领域产生了持续的研究热潮，相关研究者在顶级国际学术会议SIGCOMM上发表了一系列高水平研究成果。随着5G无线网络的到来，高频无线技术的相关算法研究和硬件产品化愈加成熟，这也给无线数据中心网络领域的未来发展注入了新的活力。无线的灵活性给予了网络连接更大的自由度，也给予了研究者和工业界更大的想象空间。随着人工智能技术的飞速发展，一个未来具有高自由度的网络架构必将发挥其巨大的潜能，成为实现持续自学习、自适应、自演化的智能网络的重要途径之一。
崔勇
清华大学计算机科学与技术系
2019年11月
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