数据中心光网络

项目名称

数据中心光网络

项目介绍

研究目的

近些年，光通信技术正在被逐渐应用到数据中心网络之中，以更充分的利用网络资源，提高网络整体的使用效率。光网络的优势主要来自于其灵活性，即可以在网络运行中动态调整网络拓扑。通过调整网络中链路带宽的分配，把带宽配置在通信集中的热点部分，可以更加充分的利用网络整体的带宽资源，并且减少网络拥塞的发生。结合带宽调度算法和流量工程技术，可以避免通信密集型的应用会给网络带来不可预测的拥塞和延迟，提高网络的稳定性。

研究工作

对于光交换网络，网络运行状态主要有两个可以调节的方面。一方面是网络的拓扑结构。虽然光纤链路的物理连接是固定的，但是链路的带宽取决于该链路上的光波长数量，WSS可以在满足一定限制条件的情况下调整不同光纤链路中的波长数量分配，从而改变网络的逻辑拓扑结构。我们所讨论的网络拓扑结构，指的都是网络层的逻辑拓扑结构。另一方面，网络中任意两个节点之间一般都存在多条不同的通路，我们可以给节点之间的数据流选择不同的通路进行传输，即路由策略。通过集中控制网络中的交换机，我们可以实现不同的路由策略。适当的路由策略可以通过合理安排数据流，减少拥塞，提高网络整体的吞吐量。

目前已有的研究工作主要关注如何根据当前的网络流量信息，计算出更好的拓扑结构和路由配置。这样的做法存在两种问题，第一是网络流量是动态变化的，网络中的热点随时都可能改变。根据观测到的流量被动调整网络，必然存在一定程度的滞后性，不能充分利用光网络的优势。另一方面，网络拓扑结构的调整会给网络带来负面影响，因为调整过程中被调整的波长暂时无法传输数据，拓扑调整一定会带来总体带宽的降低。只考虑目标网络状态，忽视当前状态以及网络调整的代价，显然不能达到预期的效果。

我们在选择新的拓扑结构和路由配置的时候，要首先考虑当前网络的状态，估计调整的成本，权衡利弊，做出最优选择。同时，在调整过程中，我们也可以通过适当的规划，最大限度的减少调整的代价。比如，将需要调整的波长上的数据流临时移动到空闲的链路，当波长调整完成之后再将流移回，就可以保证通讯不受影响，带宽也没有损失。

在第一阶段中，我们设计了一个根据网络流量动态调整网络状态的算法。对网络状态的优化包括优化拓扑结构和优化路由策略两个方面，而拓扑结构和路由配置是相互影响的。不同拓扑结构会给不同的链路分配不同的带宽，影响路由策略的选择。而不同的路由策略会给不同的链路带来不同的负载，影响拓扑结构的选择。只有对两个方面联合优化才能取得最佳的效果。这个优化问题可以被抽象成一个线性规划问题，限制条件是每条链路上的流量不能超过其带宽，以及每个交换机波长分配的限制。优化目标是最大化网络的整体吞吐量或者最小化最大带宽占用率。但是因为波长必须按整数个进行分配，而且每个流只能选择一条路径进行传输，所以这个优化问题是一个整数规划问题。我们知道整数规划是一个NP难问题，而且数据中心中流的数量也是极其巨大的，很难在有限的时间内找到最优解。

我们初步尝试了使用模拟退火算法来解决这个优化问题。将网络的拓扑结构当作网络当前状态，这样可以减小搜索的状态空间。在模拟退火的迭代过程中，每次随机对网络中的一组波长进行调整，得到新的拓扑结构。之后根据网络流量信息，在新的拓扑结构上计算最优的路由策略。再根据我们的优化目标，最大化吞吐量或最小化最大带宽占用率，来判断新的拓扑是否对网络性能有提升。如果有提升，我们便接受新的网络拓扑当作新的网络状态。如果性能没有提升，则以一定的概率接受。最后选择在整个迭代过程中遇到的最优解作为实际网络调整的目标。

第二阶段，我们将与华为公司合作，完善网络调度算法，并搭建更大规模的实验平台。

参与人员

第一阶段

Da Wei, Lei Xu, Xin Jin, Yiran Li, Wei Xu

第二阶段

Yiran Li, Da Wei, Bi Ke, Xin Jin, Wei Xu, 以及其他华为工程师

项目进展

2014年11月

项目开始

2016年4月

第一阶段完成

2016年12月

第二阶段开始