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IP网能效分析与研究
文章来源:本站原创  发布时间:2014-10-31  浏览次数:712
作者:毕波、刘洋
(辽宁邮电规划设计院有限公司   110179)
摘  要:随着IP网络迅猛发展,多类型的数据业务需求也日新月异,IP网络能耗的问题也应时浮出水面,如何在平稳运营的承载、城域网中寻求绿色能源的突破口更成为当务之急,本文抛砖引玉,对IP网能效发展进行了介绍,对当前的技术发展及方法进行了的分析研究,并对未来IP网络能效技术发展进行了展望。
关键词 IP网络 能效分析 流量认知
1、概述
      “十二五”发展规划纲要明确提出到2015年要实现万元GDP综合能耗下降16%的目标,通信行业虽然不是能耗的重点行业,能源消耗仅占千分之二以下,但随着3G、宽带网络、云计算、物联网、移动互联网等蓬勃的发展,通信网络能耗总量将呈现快速增长的势头,通信业节能减排工作面临较大挑战。
      从宏观角度节能考虑能效与管理可从以下方面进行管理:
      一是坚持技术节能与管理节能相结合,把技术应用创新作为绿色发展的重要支撑,推广先进适用的节能减排技术和产品,进一步提高行业节能减排的基础水平,把管理提升作为绿色发展的重要保障,进一步完善节能减排组织管理体系,能耗统计监测体系,绩效考核管理体系,加强能耗统计监测的信息化建设。
 二是坚持绿色、增量与优化存量相结合,强化新建项目的绿色采购,绿色设计,绿色建设,全面实现绿色增量,提高现有网络设备能效利用率,积极开展节能挖潜,提升通信网络的整体能效水平。
 三是坚持应用潜力与系统节能相结合,充分发挥信息通信技术的优势,着力推动信息通信技术在经济社会各个领域的广泛应用,带动全社会的节能减排工作,加快推进通信网络结构和系统的优化,创新共建共享模式,有效继承资源,减少重复投资,实现通信网络系统节能整体效果最优。
2、市场分析
      通信行业新技术、新业务的广泛应用,也带来了移动及数据业务的快速增长,我国通信业发展呈现很多新的特点,也面临全新的机遇和挑战,中国通信企业协会副会长兼秘书长苗建华认为,通信行业虽然不是国民经济领域中高耗能行业,但整个行业能耗的绝对值还是不小。通信行业参与国家节能减排的总体战略部署是大有可为的。
 特别是随着3G网络的发展建设和互联网服务的市场兴起,包括高速宽带网、物联网、云计算、数据中心、移动基站建设,特别是2G、3G网络的维护,及未来发展的4G网络的规划发展都会带来大量的能耗问题。此外,网络商机等方面带来的能耗增长态势,使通信业自身的节能减排形势日趋严峻。
3、IP网络发展面临的挑战
      能效研究同时也面临着诸多挑战,介绍如下:
1)因为设备密度低以及使用传统软件,导致设备及冷却系统能效高;
2)传统网络部件的复杂性,能源管理效果差,导致能效高,传统设备能效高;
3)传统网络效率低,导致能效高,部分网络部件能效低;
4)网络改造成本高,现有设备升级难度大。
      所以IP网络能效发展面临的挑战也是巨大的,如何在建网初期,体现绿色网络的理念,如何在现网升级扩容的同时兼顾能效值,将是未来IP网络发展的研究重点。
4、绿色IP网网络规划
      目前绿色IP网络规划主要在以下三个领域:第一是基于OSPF协议的IP网络;第二是基于MTR(多拓扑路由)技术的IP网络;第三是构建在IP网络上的CCN(内容中心网络)。
4.1基于OSPF协议的绿色IP网络规划研究现状
      传统的IP网络中,IP业务是按照最短路径来进行转发的,当出现多条最短路径时,流量在多条最短路上均分(ECMP: Equal Cost Multi-Path)。同时在现行的路由协议(如OSPF协议)下,IP网络中最短路的计算取决于各条IP链路上预置的权重值。所以,基于现行路由协议的绿色IP网络规划需要通过合理设置IP链路的权重来优化网络流量的分布,以增加全网空闲的端口数目,关闭这些空闲的端口,就可以达到节能的目的。
      在对现有的OSPF路由协议不做任何改动的前提下,在IP层的网络流量节能优化只能借助于IP链路权重调整,但是由于IP网络权重优化问题是一个NP-Hard的问题,所以目前解决该问题的方法主要是一些启发式算法[1],这些启发式算法对于绿色IP网络的权重优化问题都具有很高的指导意义。传统的IP网络规划通常是为了降低链路拥塞,换而言之,上述传统的IP网络权重搜索算法,通常是使用全网最大链路利用率来评估当前解的优劣。而绿色IP网络规划是为了降低全网开启的端口数目,以达到节能的目的,所以绿色IP网络规划在权重搜索过程中,应该使用全网开启的端口总数来评估当前解的优劣。由于权重优化中目标函数的改变,对于邻域选择的策略等方面都有较大影响,权重搜索算法在节能领域是否行之有效,尚有待验证。
      在基于OSPF协议的绿色IP网络规划领域,研究多集中于修改现行协议和动态监测流量以关闭网络中的部分组件上,在不改变现行Internet协议的前提下,能否通过预先优化权重的静态规划方法到达节能的目的,还有待考察。同时随着路由器的发展,端口(插卡)级别的节能己经可以实现,绿色IP网络规划应该尝试更精准的节能粒度。
4.2 基于MTR的绿色IP网络规划研究现状
      随着网络技术的发展,多拓扑路由(MTR:Multiple Topology Routing)技术开始受到越来越多人的关注,其在IP网络的快速恢复和流量工程方面的研究成果也越来越丰富,目前多拓扑路由技术己经被IETF定义在OSPF路由协议[2]中。
      在基于MTR的绿色IP网络规划领域,研究局限于拓扑的形状设计和利用MTR解决动态节能方案中的路由成环问题,并没有充分运用MTR技术在流量疏导方面的灵活性。各个工作拓扑的权重如何规划,各个业务如何合理的映射到多个工作拓扑上,这些问题在绿色IP网络规划中该如何解决尚有待深入研究。
4.3 绿色CCN Over IP网络的研究现状
      近年来,CCN Over IP逐步成为研究的热点。CCN引入的缓存机制,为绿色网络规划开辟了新的空间。CCN路由器的缓存越大,由缓存所减少的链路容量需求就越明显,网络中用以传输的功率就越低。但同时越大的缓存会导致路由器用以储存转发的功率越高,如何在储存功率和传输功率之间取得一个最优的平衡,是绿色CCN Over IP网络规划面临的核心问题。
      在绿色CCN Over IP网络规划领域,研究多局限于在简单固定CCN路由器缓存容量的前提下,验证CCN网络的节能程度,并没有解答CCN网络中各个节点应该分配多少缓存,使得全网功耗最小这一问题。而且,之前的研究对于缓存和链路功耗的建模局限于简单的线性模型,但实际网络中两者并不具有线性特性。如何合理规划缓存容量,使得实际网络的传输功率与存储功率之和最小,尚有待进一步研究。
5、IP能效分析研究方法
      目前较为常见的能效分析方法主要包括基于硬件、流量认知及拓扑认知的节能方法,介绍如下:
(1)基于网络硬件设备的节能算法,通过改进网络元器件的耗能特性来降低元器件的能耗,进而降低网络的能源消耗。该方法又包括基于硬件控制策略的算法,主要思想是提出了绿色路由器、能量认知服务调谐器处理(EARTH)、主动窗口管理(AWM)及元器件容量尺度算法等。通过这种硬件控制方案,可以节约70%的能量消耗,同时能够满足用户的QoS请求和流量约束请求。该研究方向受到材料工艺和生产影响,不灵活,不适用于日渐多样化的网络,但是可以同其他研究方向相结合,以实现全方位节能。
(2)基于流量认知方案的节能算法,其主要思想是根据网络流量的不断变化,构建流量负载和设备功耗之间的最优化策略。基于流量的节能算法近似于流量工程技术,是在已知流量矩阵的前提下,最小化激活链路数量,以实现整个网络能耗的节约。该算法可以用于异构的模块化网络和骨干网中,动态的关闭利用率比较低的链路来减少能耗需求,其本质是流量工程中的能耗管理,通常用启发式算法进行求解。但该算法需要了解网络状态,现有网络路由协议(OSPF or RIP)难以满足QoS约束和流量需求。该方向节能算法实时监测网络状态,节能效果较为明显,然后,实时获取网络流量矩阵比较困难,随着网络规模的变大,该方向的节能算法的复杂度剧增,进而带来的算法延迟大,难以满足用户的延迟要求和QoS等,因此不适用于大规模网络。
(3)基于拓扑认知方案的节能算法,其主要思想是以拓扑为导向,通过各种休眠策略或最优化算法对网络拓扑进行修剪,休眠/关闭冗余的网络链路,从而实现节能。该方向算法适用于大规模网络,在适当的策略下,该算法节能效果优于基于纯粹流量认知方向的算法。其中基于最优化问题的算法,思想是将网络节能问题转化为最优化问题,通过求解最优化问题来休眠网络链路实现节能。
6、IP网能效分析重要指标
      网络链路能效优化过程中分析如下指标,主要用于网络优化过程中,核算能效模型或方案所提出算法的优越性。
(1) 链路利用率

      首先定义链路利用率,用表示链路利用率,定义链路的利用率为该链路上的平均流量与链路容量的比值,公式表示如下:

      链路利用率主要用于衡量链路的利用状况,例如链路大于80%,那么该链路的利用率较高,并且网络中的其他业务请求再经过该链路所带来的网络风险就越大,即更容易导致链路拥塞和拒绝服务状况,因此应避免链路利用率过高。然而,如果网络利用率过低,那么网络的能效就要下降,因此为了实现能效网络,应该通过合理的机制,将链路利用率控制在安全范围内。
(2) 链路利用率变化量
      设时间内经过若干个用户请求后,网络链路利用率变化量矩阵,分别表示初始链路利用率和请求后链路利用率,用数学公式表示为:
      链路利用率变化量矩阵是用于衡量整个网络的链路利用率,用于约束网络性能的指标。
(3) 平均节点度
      由于网络节点度是网络的固有性质,平均节点度大的网络,连通性强,能够适应负载重的业务状态,因此网络平均节点度的大小也将影响算法的仿真结果,本文中定义平均节点度为为:
      表示节点的度数,表示网络中节点的个数。该指标用于仿真分析中,主要体现了具有不同的平均节点度的网络,对算法性能有不同的影响。
(4) 激活链路平均利用率
      激活链路平均利用率与链路利用率相似,该定义是专门用于能效网络中的,因为只有能效网络中才对冗余链路进行休眠,定义激活链路平均利用率为链路利用率之和与激活链路的比值。公式表示如下:
      为链路的链路利用率,表示网络中链路的总数,表示休眠链路数。激活链路平均利用率用于衡量休眠后网络性能。
(5) 拒绝服务率
      拒绝服务率定义为当网络路由成功后,但是由于网络链路剩余带宽不足所带来的拒绝服务次数与网络总业务量请求的次数。本文中用BUG表示网络的拒绝服务状况,公式表示为:
      表示拒绝服务率,表示拒绝服务次数,表示用户总请求次数。
      本文中定义了以上指标用于衡量网络的性能,并且用于仿真分析中,深刻描述能效网络的网络性能。
7、结束语
      对于绿色IP网络规划方法的研究中对于网络功率的评估都是通过活动端口数目来折算的,即认为活动端口数目越少,全网功率越低。在实际网络部署中,多种端口并存的路由器结构下,对于相同的交换容量需求,如何合理的分配端口的组合方式,以达到节能的目的,这一问题还需要进一步研究。同时网络的拓扑形状本身对于全网功率的影响也十分巨大,绿色网络规划能否上升到拓扑规划的层面进行研究,尚有待探索。
参考文献
[1] Fortz B, Thorup M. Internet traffic engineering by optimizing OSPF weights[C] INFOCOM 2000. Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE. IEEE, 2000, 2: 519-528.
[2] P. Psenak, S. Mirtorabi, A. Roy, L. Nguen, and P. Pillay-Esnault, MT-OSPF: Multi topology(MT)  routing  in  OSPF[S],  IETF  Internet  Draft  (work  in  progress),  Nov.  2006,draft-ietf-ospf-mt-07.txt.
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