Microsoft Drahtlose Netzwerke für Rechenzentren

Drahtloser Datenfunk im Bereich von 60 GHz eignet sich zum Einsatz in Rechenzentren, zu diesem Schluss kommt eine Studie, die Forscher von Microsoft zusammen mit der Universität Washington durchgeführt haben.

Drahtlose Netzwerke sind heute fast allgegenwärtig, nur in Rechenzentren ist ihr Einsatz bisher kaum denkbar. Das sollte sich mit Funktechnik wie IEEE 802.11ad alias Wigig ändern, sagen die Microsoft-Forscher Daniel Halperin, Srikanth Kandula, Jitendra Padhye und Paramvir Bahl, die zusammen mit David Wetherall von der Universität Washington untersucht haben, ob sich die Technik für den praktischen Einsatz im Rechenzentrum eignet. Sie kommen zu dem Ergebnis, dass der Einsatz von 60-GHz-Funktechnik im Rechenzentrum durch die Netzwerkbandbreite limitierte Applikationen um 45 bis 95 Prozent beschleunigen kann.

Kabelgebundene Netze gezielt ergänzen

Die Forscher wollen die kabelgebundenen Netze nicht komplett durch WLAN ersetzen, sondern ergänzen, um bei Lastspitzen in überbuchten Netzen eine direkte Kommunikation zwischen einzelnen Servern nutzen zu können. Bei ihren Tests nutzen die Forscher Funktechnik im 60-GHz-Bereich auf Basis von IEEE 802.11ad. Die Technik ähnelt herkömmlichem WLAN, nutzt aber das Frequenzspektrum um 60 GHz. Dadurch lassen sich deutlich höhere Bandbreiten von bis zu 6,76 GBit/s erreichen als bei herkömmlicher WLAN-Technik im Bereich von 2,4 oder 5 GHz.

Mit einigen Prototypen konnten die Forscher zeigen, dass sich mit Richtantennen viele drahtlose Verbindungen mit Bandbreiten von mehreren GBit/s stabil in einem Rechenzentrum betreiben lassen.

Direktverbindungen zwischen Racks

Die üblicherweise in Baumstrukturen organisierten, drahtgebundenen und überbuchten Netze in Rechenzentren haben die Forscher um drahtlose Direktverbindungen zwischen einzelnen Racks ergänzt. Überbucht bedeutet dabei, dass an einen Top-of-the-Rack-Switch (ToR-Switch) angeschlossenen Server in Summe über mehr Bandbreite zum Switch verfügen, als die Anbindung des Switches hergibt. Dabei seien Überbuchungen im Verhältnis von 1:4 nicht selten: Hinter einem Switch, der mit 10 GBit/s angebunden ist, hängen 40 Server mit jeweils 1 GBit/s. Dies wird vor allem dann zum Problem, wenn zwischen den Servern in einem Rechenzentrum Datenmengen ausgetauscht werden, wie es beim Cloud-Computing zunehmend der Fall ist.

Mit zusätzlichen Verbindungen zwischen den Switches und Multipath-Routing lässt sich dieses Problem verringern. Das aber sei mit vergleichsweise hohem Materialaufwand verbunden, erklären die Microsoft-Forscher. Sie halten drahtlose Netze hier für eine kostengünstigere Alternative, um direkte drahtlose Verbindungen - Flyways genannt - zwischen einzelnen Racks herzustellen, die bei Lastspitzen genutzt werden.

Stabile Funkverbindungen

Dem Konzept zufolge wird das drahtgebundene Basisnetzwerk für die durchschnittliche Nutzung ausgelegt und überbucht. Zusätzlich aber wird jeder ToR-Switch mit einem oder mehreren 60-GHz-Funkmodulen ausgestattet, deren Richtungsantennen elektrisch steuerbar sind. Ein zentraler Controller überwacht die Trafficmuster im Netzwerk und steuert die Antennen, um beim Auftreten von Engpässen zusätzliche Flyways zwischen einzelnen Racks zu aktivieren und so zusätzliche Bandbreite zur Verfügung zu stellen.

Vor allem für bestehende Rechenzentren ist die Funktechnik interessant, schließlich lassen sich die Netze so erweitern, ohne dass neue Kabel verlegt werden müssen. Und mit der Zeit dürfte die Technik aufgrund ihres Einsatzes im Massenmarkt sehr günstig werden.

In den Experimenten waren die drahtlosen Verbindungen sehr stabil, schließlich handelt es sich bei Rechenzentren um gut kontrollierbare Umgebungen. Zudem wurden die Funkstrecken oberhalb der Racks aufgebaut. Bei einem Versuch in geringer Höhe ergaben sich deutliche Einbrüche, wenn Menschen durch die Funkwege liefen. Dank der Richtantennen störten sich auch mehrere Funkstrecken nicht gegenseitig.

Bei Applikationen mit vorhersagbaren Trafficspitzen erreichten die Forscher mit ihrem Ansatz eine Geschwindigkeitssteigerung von 45 bis 95 Prozent, sofern das Netzwerk der limitierende Faktor war.

Ihre Ergebnisse haben die Microsoft-Forscher in dem Aufsatz Augmenting Data Center Networks with Multi-Gigabit Wireless Links veröffentlicht.