探讨核心网的多层网络能耗优化方法

【摘要】 随着网络规模和流量的迅速增长，Internet的能耗问题变得日益严重。文章研究了核心网的多层网络能耗优化问题。对多层网络节能分析的基础上，建立了多层网络能耗优化ITO模型，考虑网络设备的模块化性质和多层网络的体系结构，然后用网络资源配置与管理的方法和网络业务流控制，从而实现业务流在网络设备的多粒度模块和多个网络层合理的分配路由睡眠，达到减少能耗的目的。

【关键词】 能耗优化 核心网 多层网络

一、引言

由于互联网的高速发展，语音和视频等应用大量出现，这样的情况使得互联网流量的快速增加。这就使得互联网能耗飞速增大。其中核心网的能耗增长最为快速，在未来会超过接入网作为互联网能耗中的主体，所以对核心网的能耗优化方法的研究变得非常重要。

二、多层网络节能和模型

2.1 多层网络的节能

多层网络中，依据设备的模块化结构和网络的多层结构，主要有4种节能方法来实现网络业务负载和网络功耗相适应，可以减少网络能耗。

2.1.1 接口/线卡和业务的动态映射

对于多层网络结点处互联的很多网络设备，要对设备进行密切配合，去掉接口业务负载的关系，达到线卡/接口与业务的动态映射，从而解决因为业务变动而引起的线卡和接口的分布问题，减小网络功耗。

2.1.2 模块睡眠

如果多层网络的业务由高峰期进入低峰期，合理的业务路由可使大量的接口、线卡和机框都处于空闲状态，让这些空闲模块睡眠，将有效降低网络功耗。

2.1.3 能量感知的路由

能量感知的路由的目的是使网络能耗进行最小化，许多结点与多层网络正确的分配业务流，调整疏导和旁通、动态功耗还有静态功耗等多个因素，然后算出可以达到业务需求的网络资源配置和最优路径。

2.1.4 业务的旁通和多级疏导

在多层网络中业务流经过下层的网络设备进行交换和处理而没有利用上层网络设备，这样就是业务的旁通。业务的旁通可以减少在上面网络层上的业务负载。容量相同时，一般更上层的网络设备拥有更多能耗，所以使用TDM层和光层都拥有的业务的旁通能力，可以对业务进行两级旁通，从而减少IP层和TDM层的业务荷载，可以减少网络功耗。

业务疏导是指低速业务流汇集使用到高速传输的通路，在传输通路上增大利用率，如此把许多低速业务流汇集使用到高速的传输通路的过程。业务路由可以实现业务疏通，业务路由对业务流到传输通道的汇集与使用还有传输路径做出了决定。在图1的多层网络中，TDM层和IP层同时拥有业务疏导的能力。

2.2 多层网络模型

多层网络模型包括光层、TDM层和IP层三个网络层。多层网络结点一般情况下是一组网络设备构成，包括光网络设备、TDM设备和IP设备，结点之间利用光纤链路进行连接，结点处网络设备利用物理线路进行连接（图1中实线）。IP层和TDM层的结点间并没有直连物理链路，而是利用下层网络的虚拟通路创建逻辑链路（图1中虚线）。在每个网络层中，一般情况下链路集合不会相同（如图1所示），每个网络层结点集合不需要一样，上层网络结点的集合是下层网络结点集合的子集。

三、对多层网络能耗进行优化建模

在网络环境下，利用对网络资源的管理和配置与网络业务流的控制的方法减小网络功耗。将光层、TDM层和IP层构成的多层网络能耗优化问题进行建模，且将命名为ITO（IP―TDM―Optical）模型。ITO模型对于网络业务流控制和网络资源配置与管理的协同达到了实现，利用路由在多个网络层内和网络层内部正确分配业务流，依据业务负载对网络资源进行正确的管理和配置，把空闲模块进入到睡眠模式，可以达到减小网络能耗的目标。

3.1 ITO模型复杂性分析

ITO模型所描述的3层网络能耗优化问题是一个MILP问题，比单层和两层网络的能耗优化模型的复杂性更高。ITO模型的解空间随着整数变量数量组合增长，因此可用整数变量的数量刻画ITO模型的复杂性。

3.2 目标函数

在IT0模型中，使多层网络能耗最小化是多层网络能耗优化的目标，即Pmin。上层设备的线路接口和TDM设备与光网络设备的支路接口直接相连，支路线卡没有办法自由分配支路的接口，所以，考虑支路线卡被纳入机框功耗，上层的线路接口能耗和支路接口能耗一起计算。光网络设备的功耗要比同容量的IP和TDM设备小的多，而光网络设备的主要耗能组件是光收发器，所以，只考虑光网络设备支路接口（即光收发器）的能耗。

四、实验结果分析

4.1 网络层与多层网络功耗

利用向多层网络内每个网络层增加新的路由约束，使网络层的交换能力禁止，从而研究每个网络层组合和网络层在网络能耗优化内的作用。

4.1.1 业务疏导与旁通对能耗优化的影响

当低网络流量时，疏导业务可聚合成少数链路传输，减少了活动机框数量和接口线卡，因此网络流量疏导对能耗的优化起的作用非常重要。但是，因为IP层和WDM层功率消耗比所述光学层大得多，光层业务疏导在能源方面的节能效果是非常有限的，所以光网络比电交换网络的能耗优化效果要差，纯电双层交换网络的效果要比光电混合网络更好。

4.1.2网络层对能耗优化的影响

能量优化效果根据网络层的不同组合是不同的。2层网络要差于3层网络，两层网络比起单层网络要更好。2层网络和3层网络的能量优化的结果相比，3层网络的优势没有特别明显，光电混合的2层网络可以更好的发挥光交换网络的旁通作用和电交换网络的疏通作用，添加额外的TDM层相对于网络能量优化几乎没有改善，以及3层网络的能量优化的解决方案的时间比2层网络更长。

4.2 模块化结构与网络功耗

在业务量低的时候，接口和线卡会分担机框的能耗，降低功耗量，在机框的能耗所占比减少的时候，小部分的机框能耗转移到线卡，大量线卡所处睡眠，因此网络的功率消耗可以被降低。当达到极小值条件，活跃的机框内接口和线卡基本在工作，因此网络的功率消耗受到机框的功耗比例的影响较小。目前的核心网络的链路利用率很低，优秀的模块化设计的网络设备将有助于优化网络的能耗，降低网络能耗。模拟实验结果如图2所示。

五、结束语

本文对多层网络的能耗优化问题进行了研究，建立了具有IP层、TDM层和光层3层结构的多层网络的能耗优化模型（即ITO模型）。依据实际网络设备的规格参数，通过相应的实验探讨不同的网络层组合和网络设备的模块化结构对多层网络能耗优化的影响。

参考文献

[1]张艺.电信光网络的节能技术综述[J].2012

[2]Jian T；Mumey B；Yun X On exploiting flow allocation with rate adaptation for green networking.2012