무선 데이터 센터

Wireless data center

무선데이터센터는 기업을 위해 데이터를 저장, 처리, 검색하는 케이블 대신 무선통신 기술을 활용하는 데이터센터의 일종이다. 무선 데이터 센터의 개발은 케이블 연결의 복잡성과 핫스팟의 증가에 대한 해결책으로 대두되었다. 무선 기술은 케이리 데이터센터에서 60GHz 무선 연결로 모든 케이블을 교체한 신씨 등이 도입했다.[1]

동기

오늘날 배치된 대부분의 DC는 동선과 광섬유 케이블을 사용하여 네트워크 내 및 랙 간 연결을 처리하므로 유선 DC로 분류할 수 있다.[2] 이 접근법에는 케이블 복잡성과 핫스팟이라는 두 가지 문제가 있다. 핫스팟(hotspot)은 네트워크의 다른 서버들과 비교하여 높은 트래픽을 발생시키는 서버로서 시스템의 병목 현상이 될 수 있다.[3] 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 연구자들이 데이터 센터 네트워크에 무선 통신을 사용할 것을 제안하거나, 기존의 유선 데이터 센터를 늘리거나, 순수 무선 데이터 센터를[2] 실현할 것을 제안한다.

비록 처음에는 케이블의 복잡성이 이단적인 문제처럼 보이지만, 그것은 다양한 방식으로 DC에 영향을 미칠 수 있다. 첫째, 이러한 케이블을 설치하고 관리하기 위해서는 상당한 수작업이 필요하다. 그 외에도 케이블은 데이터 센터 냉각에 추가로 영향을 미칠 수 있다. 마지막으로, 케이블은 공간을 차지하며, 이것은 더 많은 서버를 추가하는 데 사용될 수 있다. 무선 기술을 사용하면 케이블 복잡성을 줄이고 이전에 인용한 문제를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 최소의 노력으로 노드 간에 자동 구성 가능한 링크 설정이 가능하다.[4]

무선 링크를 동적으로 재배열할 수 있어 적응형 위상 조정이 가능하다. 이는 핫스팟의 실시간 트래픽 수요를 충족시키기 위해 네트워크를 재배열할 수 있어 핫 서버 문제를 해결할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 무선 연결은 스위치에 의존하지 않기 때문에 단일 장애 지점과 제한된 이분법 대역폭과 같은 문제가 없다.[3]

요구 사항들

데이터 센터 네트워크(DCN)는 내부 및 DC 간 네트워킹 서비스를 제공하는 인프라로서, 따라서 DC의 높은 컴퓨팅 및 통신 수요를 충족시키기 위해 효율적인 고속/고속 대역폭 DCN을 설계하는 데 필수적이다.[2] 확장성 및 내결함성과 같은 또 다른 기본 요구사항도 다루어야 한다.[3] 2008년에 라마찬드란 [4]외에서는 무선 DCN이 충족해야 하는 요건에 대해 구체적으로 다음과 같이 이야기한다.

  1. 높은 노드 간 링크 용량: MapReduce나 분산 파일 시스템과 같은 온라인 서비스는 높은 링크와 네트워크 용량이 필요하다.
  2. 신뢰성: 시간이 지남에 따라 링크의 성능을 예측할 수 있어야 한다.
  3. 보안 격리: 서비스 간에 교환되는 데이터는 보안과 기밀성을 위해 의도하지 않은 서비스로부터 보호되어야 한다.
  4. 확장성: 링크 연결은 확장되어야 하며 네트워크에 새로운 머신을 점진적으로 추가할 수 있어야 한다.
  5. 네트워킹 구성 요소의 소규모 폼 팩터: 모든 기계 부품은 에너지 소비 감소와 높은 처리 요건 및 설치 공간 제약을 충족하기 위해 소형 폼 팩터를 가져야 한다.

기술

무선 DCN을 활성화하는 두 가지 후보 기술이 있는데, 가장 많이 인용되는 것은 60GHz 무선 주파수([2][3][4][1][5]RF), 다른 옵션은 자유 공간 광학(FSO)이다.[2]

  • 60GHz RF: 면허가 없는 60GHz 범위의 라디오는 데이터 센터의 채택에 더 적합한 몇 가지 특성을 가지고 있다. 7GHz의 주파수 가용성은 단위 볼륨당 고속 링크를 여러 개 만들 수 있어 확장성을 높일 수 있다. 더욱이, 이 주파수에서의 신호는 낮은 주파수에서의 신호와 상대적으로 범위가 축소되었고, 파장이 작아서 간섭 완화 및 보안이 개선될 수 있으며, 소형 폼 팩터로 정교한 인터페이스를 설계할 수 있는 능력도 제공한다. 마지막으로 57~64GHz 대역은 다수의 국가에서 무면허로 출시되기 때문에 전 세계적으로 제품 출시가 가능하다.[4]
  • FSO: FSO 링크는 송신기의 광원과 수신기의 광검출기로 구성된다. 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)는 FSO 링크에서 가장 많이 사용되는 광원이다. LD는 높은 데이터 전송률을 지원할 수 있는 반면 LED는 안전하게 작동할 수 있지만 LD에 비해 데이터 전송률이 낮은 확장 소스로 간주된다. 더구나 LED는 LD에 비해 가격이 저렴하고 신뢰성이 높다. 양극-내경 음성(PIN) 또는 눈사태 광검출기(APD)는 FSO에 사용되는 가장 일반적인 광검출기. PIN은 저비용과 저데이터 속도의 FSO 링크가 필요한 많은 맥락에서 사용되며, 반면에 APD는 높은 데이터 전송률과 고성능이 요구되는 시스템에 사용된다.[2]

과제들

DCN은 많은 양의 데이터를 교환하기 위해 높은 대역폭을 필요로 하기 때문에, 새로운 통신 기술은 높은 링크와 네트워크 용량을 달성할 수 있어야 하며 또한 데이터 센터 네트워크의 다른 요구 조건도 충족시켜야 한다. 따라서 데이터 센터에서 무선 통신 기술을 구현하기 위해서는 다음과 같이 DCN에 배치해야 하는 무선 기술에 직면할 수 있는 몇 가지 과제가 있다.

  1. 보안: DCN에서는 랙에 있는 노드 간에 교환해야 할 엄청난 양의 데이터가 있으므로 의도하지 않은 노드 및 서비스로부터 데이터를 격리하는 것이 보안 및 개인 정보 보호 문제를 피하기 위해 필수적이다.
  2. 네트워킹 구성 요소의 소규모 폼 팩터: 랙의 물리적 치수는 정의되며, 랙에 있는 모듈의 두께는 랙 유닛(U)으로 측정된다. 랙 유닛(U)은 1.8 ′이며, 대부분의 서버는 1U에 맞지만 다른 서버는 2U 이상이다. 설계자는 이러한 제약조건을 충족하는 네트워크 구성요소와 인터페이스를 개발할 필요가 있다.
  3. 열 및 공기 흐름: DCN 바닥(예: 랙 배치, 물리적 토폴로지 등)의 모든 변화는 데이터 센터 환경 제어(예: 공기 흐름 및 열 분배 특성)에 변화를 일으킬 수 있다. 이는 결과적으로 냉각 효율을 떨어뜨리고, 따라서 네트워크 구성 요소 고장이나 높은 전력 소비로 이어질 수 있다.[2]
  4. 신속한 변화를 위한 링크: 유선 DCN에서 발생하는 핫스팟 문제를 해결하려면 랙 간 무선 링크의 재구성이 어느 정도 가능해야 한다. 무선 DCN 설계자가 직면한 주요 과제 중 하나는 서로 다른 서버 또는 랙 사이의 무선 링크를 구축하고 유지하는 것이다.[2]
  5. 장애물이 없는 무선 링크: 대규모 데이터 센터에서 랙 간 상호 연결성이 너무 많으므로 DCN에서 사용할 무선 통신 기술은 DCN에서 이 큰 링크 연결을 충족할 수 있어야 한다. 그러나 무선 DCN 설계에 있어 중대한 장애물은 인접한 여러 네트워크 구성요소를 연결하기 위한 장애물이 없는 무선 링크의 설정의 어려움이다.[2] 소스와 목적지 사이에 들어가는 다른 구성품이 연결돼야 링크차단 위험이 발생하기 때문에 LOS 링크가 쉽게 유지될 수 없기 때문이다.[6]
  6. 컨테이너형 DCN: 많은 기존 및 개발 중인 DC는 대형 개방 DCN 바닥 디자인을 사용한다. 그러나 컨테이너형 DCN은 더 저렴하고 효율적인 대체 설계를 제공할 수 있다. 몇 개의 문서는 컨테이너형 DCN(일명 모듈형 데이터 센터) 시나리오에서 60 GHz RF 및 FSO 기술의 구현에 대해 논의한다.[7][8] 컨테이너가 DCN의 빌딩 블록이 되면, 컨테이너 내부와 컨테이너 간 통신 링크가 설계되어야 한다. 컨테이너의 규모에서, 케이블 연결의 복잡성 문제는 그리 크지 않을 수 있다. 또한 유선 기술을 무선 기술로 대체함으로써, 더 많은 서버를 찾을 수 있는 공간이 거의 없을 것이다. 다른 기술적 문제들은 다경로 페이딩으로 이어지는 벽에서 신호가 반사될 수 있기 때문에 컨테이너를 60GHz 링크에 대한 도전적인 환경으로 만드는 제한된 공간과 금속 벽이다.[2]

제안설계

케이리 DCN

건축

무선 데이터 센터의 개념에서, 자원 멀티플렉싱을 최적화하기 위해서는 개방된 공간의 효율적 이용이 중요하다. 최대 활선 연결 수는 단일 안테나 빔당 데이터 센터 볼륨에 비례하기 때문이다.[1] Cayley DCN은 이야기라고 불리는 레벨이 포함된 원통형 랙을 사용할 것을 제안하고 각 행은 파이 모양의 용기를 포함한다. (그림 1). 이 컨테이너들은 서버를 그 안에 저장하고 서버는 내부 랙 공간과 랙간 공간을 모두 마주보고 있다. 각각의 서버는 그것의 반대쪽 끝에 두 개의 송수신기를 배치한다. 하나는 랙 내부 통신을 위한 것이고 다른 하나는 랙 간 통신을 위한 것이다. 기존 데이터 센터에서 사용되는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)는 서버의 시스템 버스를 연결하기 위해 송수신기가 장착된 맞춤형 Y스위치로 대체된다.[2] 이렇게 하면 기존의 데이터베이스에 존재하는 고전적인 네트워크 스위칭 패브릭이 없어지고, 이는 모든 서버가 데이터를 라우팅할 수 있기 때문에 새로운 토폴로지에 고전적인 네트워킹 스위치가 필요하지 않다는 것을 의미한다. 이 통신은 랙의 좌표, 층수, 층수, 층수 내 서버의 색인 번호를 이용하여 소스와 목적지 사이의 최단 경로를 찾으려는 지리적 라우팅 프로토콜에 의해 유지된다. 서버는 랙간 라우팅 테이블, 층간 라우팅 테이블, 층간 라우팅 테이블, 층간 라우팅 테이블인 다음 홉을 결정하기 위해 세 개의 라우팅 테이블을 사용한다.[1]

그림 1: Cayley 무선 데이터 센터[1]

비용 및 성능

기술 연구는 네트워크 성능, 장애 복원력 및 비용을 평가하기 위해 수행되었다. 시험 중, 무선 송수신기와 Y 스위치는 아직 시장에 출시되지 않았기 때문에, 예상 가격 범위인 60 GHz 송수신기에 근거한 추정치가 수행되었고, 다른 설계의 Cayley 데이터 센터와 CDC(Commonary Data Center)의 성능 평가를 위한 시뮬레이션이 개발되었다.[1]

Cayley 데이터 센터와 CDC와의 서로 다른 초과 구독률로 구성된 Cayley 데이터 센터와의 수행 경험을 바탕으로, Cayley 데이터 센터는 CDC에 비해 최대 집계 대역폭에서 더 나은 성능을 가진다. Cayley 데이터 센터는 적은 스위칭 설계의 이점을 이용하고 있으며, 랙 외부의 패킷 전송 중에 CDC의 대역폭을 두 배로 늘리고 있다.[1]

케이리 데이터 센터는 멀티홉 라우팅을 사용하고 중간 노드를 사용하여 패킷을 다른 노드로 전달하기 때문에 패킷 전달 지연 시간과 확장성에 있어 단점이 있다. 따라서 트래픽 부하가 증가함에 따라 최대 지연 시간도 빠르게 증가한다.[1] 따라서, Cayley 데이터 센터는 CDC의 동일한 확장성 수준에 도달할 수 없다. CDC는 안정적인 유선 링크와 적은 수의[9] 네트워크 홉을 가지고 있기 때문이다.

케이리 토폴로지는 연결이 촘촘하고 데이터 센터의 고장의 중요 지점인 스위치 수를 최소화했기 때문에 케이리 데이터 센터는 기존 데이터 센터에 비해 고장에 대한 복원력이 더 높다.[9] 경험에 따르면, 서버 노드는 노드의 20%, 스토리 59%, 랙의 14%가 고장날 때까지 완전히 연결될 것이다. 그러나 99% 이상의 연결이 %55 노드 및 스토리에 보존되고, 랙의 45%가 고장[1] 난 경우

Cayley 데이터 센터의 비용 분석은 60 GHz 송수신기가 아직 상업적이지 않기 때문에 가정에 근거하여 수행되었다.[1] 다만 실리콘 칩을 사용한다면 트랜스시버의 가격은 비싸지 않을 것으로 예상된다. 60㎓ 송수신기의 경우 90달러 미만인 케이리 데이터센터 비용이 훨씬 저렴해진다. 60GHz 송수신기는 최대 0.3와트를 소비하는 반면 랙스위치(TOR), 집적스위치(AS), 코어스위치(CS)는 170~620와트의 범위에서 소비한다.[10] 따라서 CDC의 총 전력 스위치 패킷 소비량은 케이리 데이터 센터보다 최소 12배 이상 많다. 더욱이 케이블이 없어 유지관리 비용이 현저히 낮아질[1] 것이다.

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k Shin, Ji-Yong; Sirer, Emin Gün; Weatherspoon, Hakim; Kirovski, Darko (2012-10-29). "On the feasibility of completely wireless datacenters". Proceedings of the eighth ACM/IEEE symposium on Architectures for networking and communications systems - ANCS '12. ACM. pp. 3–14. doi:10.1145/2396556.2396560. hdl:1813/22846. ISBN 9781450316859.
  2. ^ a b c d e f g h i j k 데이터 센터의 무선 통신: A 조사"의 Abdelbaset S. 함자, 지텐더 S. 디군, 데니스 R. 알렉산더(IEEE Communications Survey & Tutorials, 18권, 3호)
  3. ^ a b c d "Wireless data center networking - IEEE Journals & Magazine" (in American English). doi:10.1109/MWC.2011.6108333. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  4. ^ a b c d Ramachandran, Kishore; Kokku, Ravi; Mahindra, Rajesh; Rangarajan, Sampath (2008-01-01). "60 GHz Data-Center Networking: Wireless ⇒ Worry less?". NEC Research Paper. 1.
  5. ^ Francois, Avery John, "데이터 센터 환경에서 60GHz 랙과 랙 간 통신"(2016년) 논문. 로체스터 공과대학교.
  6. ^ A.S. Hamza 등, "완전히 연결된 랙을 갖춘 자유 공간 광학 데이터 센터 아키텍처 설계," GLOBECOM(Global Communications Conference), 2014 IEEE, 페이지 2192–2197, 2014년 12월.
  7. ^ D. Halperin 등, "다기가비트 무선 링크를 통한 데이터 센터 네트워크 확장" Proc. ACM SIGCOMM, 제41권, 제4호, 페이지 38-49, 2011.
  8. ^ N. 리자와 P. Marracini, "파워 스마트 실내 광학 무선 링크 애플리케이션," Wireless Communic. 2012 페이지 327–332, Mobile Compute.
  9. ^ a b E. Baccour 등, "무선 데이터 센터 네트워크 조사"정보 과학 및 시스템(CISS), 2015년 3월
  10. ^ S. 피넬, P. 센, S. 사르카르, B. 페루마나, D. 새벽, D. 예, F. 바랄, M. 렁, E. 준툰, P. 바디블루, K. 츄앙, P. 멜렛, G. Iyer, 그리고 J. Laskar는 "60GHz 싱글 칩 CMOS 디지털 라디오와 게임 및 연결을 위한 단계별 어레이 솔루션"을 제공한다.IEEE Journal on Selected Area in Communications, 2009