葉國超 黃韶華

【摘要】 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量的迅速增長，Internet的能耗問題變得日益嚴重。文章研究了核心網(wǎng)的多層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化問題。對多層網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分析的基礎(chǔ)上，建立了多層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化ITO模型，考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化性質(zhì)和多層網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，然后用網(wǎng)絡(luò)資源配置與管理的方法和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流控制，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)流在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多粒度模塊和多個網(wǎng)絡(luò)層合理的分配路由睡眠，達到減少能耗的目的。

【關(guān)鍵詞】 能耗優(yōu)化 核心網(wǎng) 多層網(wǎng)絡(luò)

一、引言

由于互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，語音和視頻等應(yīng)用大量出現(xiàn)，這樣的情況使得互聯(lián)網(wǎng)流量的快速增加。這就使得互聯(lián)網(wǎng)能耗飛速增大。其中核心網(wǎng)的能耗增長最為快速，在未來會超過接入網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)能耗中的主體，所以對核心網(wǎng)的能耗優(yōu)化方法的研究變得非常重要。

二、多層網(wǎng)絡(luò)節(jié)能和模型

2.1 多層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能

多層網(wǎng)絡(luò)中，依據(jù)設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)，主要有4種節(jié)能方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載和網(wǎng)絡(luò)功耗相適應(yīng)，可以減少網(wǎng)絡(luò)能耗。

2.1.1 接口/線卡和業(yè)務(wù)的動態(tài)映射

對于多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)點處互聯(lián)的很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，要對設(shè)備進行密切配合，去掉接口業(yè)務(wù)負載的關(guān)系，達到線卡/接口與業(yè)務(wù)的動態(tài)映射，從而解決因為業(yè)務(wù)變動而引起的線卡和接口的分布問題，減小網(wǎng)絡(luò)功耗。

2.1.2 模塊睡眠

如果多層網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)由高峰期進入低峰期，合理的業(yè)務(wù)路由可使大量的接口、線卡和機框都處于空閑狀態(tài)，讓這些空閑模塊睡眠，將有效降低網(wǎng)絡(luò)功耗。

2.1.3 能量感知的路由

能量感知的路由的目的是使網(wǎng)絡(luò)能耗進行最小化，許多結(jié)點與多層網(wǎng)絡(luò)正確的分配業(yè)務(wù)流，調(diào)整疏導(dǎo)和旁通、動態(tài)功耗還有靜態(tài)功耗等多個因素，然后算出可以達到業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)資源配置和最優(yōu)路徑。

2.1.4 業(yè)務(wù)的旁通和多級疏導(dǎo)

在多層網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流經(jīng)過下層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行交換和處理而沒有利用上層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這樣就是業(yè)務(wù)的旁通。業(yè)務(wù)的旁通可以減少在上面網(wǎng)絡(luò)層上的業(yè)務(wù)負載。容量相同時，一般更上層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擁有更多能耗，所以使用TDM層和光層都擁有的業(yè)務(wù)的旁通能力，可以對業(yè)務(wù)進行兩級旁通，從而減少IP層和TDM層的業(yè)務(wù)荷載，可以減少網(wǎng)絡(luò)功耗。

業(yè)務(wù)疏導(dǎo)是指低速業(yè)務(wù)流匯集使用到高速傳輸?shù)耐?，在傳輸通路上增大利用率，如此把許多低速業(yè)務(wù)流匯集使用到高速的傳輸通路的過程。業(yè)務(wù)路由可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)疏通，業(yè)務(wù)路由對業(yè)務(wù)流到傳輸通道的匯集與使用還有傳輸路徑做出了決定。在圖1的多層網(wǎng)絡(luò)中，TDM層和IP層同時擁有業(yè)務(wù)疏導(dǎo)的能力。

2.2 多層網(wǎng)絡(luò)模型

多層網(wǎng)絡(luò)模型包括光層、TDM層和IP層三個網(wǎng)絡(luò)層。多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)點一般情況下是一組網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，包括光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、TDM設(shè)備和IP設(shè)備，結(jié)點之間利用光纖鏈路進行連接，結(jié)點處網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用物理線路進行連接（圖1中實線）。IP層和TDM層的結(jié)點間并沒有直連物理鏈路，而是利用下層網(wǎng)絡(luò)的虛擬通路創(chuàng)建邏輯鏈路（圖1中虛線）。在每個網(wǎng)絡(luò)層中，一般情況下鏈路集合不會相同（如圖1所示），每個網(wǎng)絡(luò)層結(jié)點集合不需要一樣，上層網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的集合是下層網(wǎng)絡(luò)結(jié)點集合的子集。

三、對多層網(wǎng)絡(luò)能耗進行優(yōu)化建模

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用對網(wǎng)絡(luò)資源的管理和配置與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流的控制的方法減小網(wǎng)絡(luò)功耗。將光層、TDM層和IP層構(gòu)成的多層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化問題進行建模，且將命名為ITO（IP—TDM—Optical）模型。ITO模型對于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流控制和網(wǎng)絡(luò)資源配置與管理的協(xié)同達到了實現(xiàn)，利用路由在多個網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部正確分配業(yè)務(wù)流，依據(jù)業(yè)務(wù)負載對網(wǎng)絡(luò)資源進行正確的管理和配置，把空閑模塊進入到睡眠模式，可以達到減小網(wǎng)絡(luò)能耗的目標。

3.1 ITO模型復(fù)雜性分析

ITO模型所描述的3層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化問題是一個MILP問題，比單層和兩層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化模型的復(fù)雜性更高。ITO模型的解空間隨著整數(shù)變量數(shù)量組合增長，因此可用整數(shù)變量的數(shù)量刻畫ITO模型的復(fù)雜性。

3.2 目標函數(shù)

在IT0模型中，使多層網(wǎng)絡(luò)能耗最小化是多層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的目標，即Pmin。上層設(shè)備的線路接口和TDM設(shè)備與光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支路接口直接相連，支路線卡沒有辦法自由分配支路的接口，所以，考慮支路線卡被納入機框功耗，上層的線路接口能耗和支路接口能耗一起計算。光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗要比同容量的IP和TDM設(shè)備小的多，而光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主要耗能組件是光收發(fā)器，所以，只考慮光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支路接口（即光收發(fā)器）的能耗。

四、實驗結(jié)果分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)層與多層網(wǎng)絡(luò)功耗

利用向多層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個網(wǎng)絡(luò)層增加新的路由約束，使網(wǎng)絡(luò)層的交換能力禁止，從而研究每個網(wǎng)絡(luò)層組合和網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化內(nèi)的作用。

4.1.1 業(yè)務(wù)疏導(dǎo)與旁通對能耗優(yōu)化的影響

當(dāng)?shù)途W(wǎng)絡(luò)流量時，疏導(dǎo)業(yè)務(wù)可聚合成少數(shù)鏈路傳輸，減少了活動機框數(shù)量和接口線卡，因此網(wǎng)絡(luò)流量疏導(dǎo)對能耗的優(yōu)化起的作用非常重要。但是，因為IP層和WDM層功率消耗比所述光學(xué)層大得多，光層業(yè)務(wù)疏導(dǎo)在能源方面的節(jié)能效果是非常有限的，所以光網(wǎng)絡(luò)比電交換網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化效果要差，純電雙層交換網(wǎng)絡(luò)的效果要比光電混合網(wǎng)絡(luò)更好。

4.1.2網(wǎng)絡(luò)層對能耗優(yōu)化的影響

能量優(yōu)化效果根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的不同組合是不同的。2層網(wǎng)絡(luò)要差于3層網(wǎng)絡(luò)，兩層網(wǎng)絡(luò)比起單層網(wǎng)絡(luò)要更好。2層網(wǎng)絡(luò)和3層網(wǎng)絡(luò)的能量優(yōu)化的結(jié)果相比，3層網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢沒有特別明顯，光電混合的2層網(wǎng)絡(luò)可以更好的發(fā)揮光交換網(wǎng)絡(luò)的旁通作用和電交換網(wǎng)絡(luò)的疏通作用，添加額外的TDM層相對于網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化幾乎沒有改善，以及3層網(wǎng)絡(luò)的能量優(yōu)化的解決方案的時間比2層網(wǎng)絡(luò)更長。

4.2 模塊化結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)功耗

在業(yè)務(wù)量低的時候，接口和線卡會分擔(dān)機框的能耗，降低功耗量，在機框的能耗所占比減少的時候，小部分的機框能耗轉(zhuǎn)移到線卡，大量線卡所處睡眠，因此網(wǎng)絡(luò)的功率消耗可以被降低。當(dāng)達到極小值條件，活躍的機框內(nèi)接口和線卡基本在工作，因此網(wǎng)絡(luò)的功率消耗受到機框的功耗比例的影響較小。目前的核心網(wǎng)絡(luò)的鏈路利用率很低，優(yōu)秀的模塊化設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將有助于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能耗，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。模擬實驗結(jié)果如圖2所示。

五、結(jié)束語

本文對多層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化問題進行了研究，建立了具有IP層、TDM層和光層3層結(jié)構(gòu)的多層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化模型（即ITO模型）。依據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的規(guī)格參數(shù)，通過相應(yīng)的實驗探討不同的網(wǎng)絡(luò)層組合和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)對多層網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的影響。

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