探討核心網的多層網絡能耗優化方法

葉國超 黃韶華

【摘要】 隨著網絡規模和流量的迅速增長，Internet的能耗問題變得日益嚴重。文章研究了核心網的多層網絡能耗優化問題。對多層網絡節能分析的基礎上，建立了多層網絡能耗優化ITO模型，考慮網絡設備的模塊化性質和多層網絡的體系結構，然后用網絡資源配置與管理的方法和網絡業務流控制，從而實現業務流在網絡設備的多粒度模塊和多個網絡層合理的分配路由睡眠，達到減少能耗的目的。

【關鍵詞】 能耗優化 核心網 多層網絡

一、引言

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

二、多層網絡節能和模型

2.1 多層網絡的節能

多層網絡中，依據設備的模塊化結構和網絡的多層結構，主要有4種節能方法來實現網絡業務負載和網絡功耗相適應，可以減少網絡能耗。

2.1.1 接口/線卡和業務的動態映射

對于多層網絡結點處互聯的很多網絡設備，要對設備進行密切配合，去掉接口業務負載的關系，達到線卡/接口與業務的動態映射，從而解決因為業務變動而引起的線卡和接口的分布問題，減小網絡功耗。

2.1.2 模塊睡眠

如果多層網絡的業務由高峰期進入低峰期，合理的業務路由可使大量的接口、線卡和機框都處于空閑狀態，讓這些空閑模塊睡眠，將有效降低網絡功耗。

2.1.3 能量感知的路由

能量感知的路由的目的是使網絡能耗進行最小化，許多結點與多層網絡正確的分配業務流，調整疏導和旁通、動態功耗還有靜態功耗等多個因素，然后算出可以達到業務需求的網絡資源配置和最優路徑。

2.1.4 業務的旁通和多級疏導

在多層網絡中業務流經過下層的網絡設備進行交換和處理而沒有利用上層網絡設備，這樣就是業務的旁通。業務的旁通可以減少在上面網絡層上的業務負載。容量相同時，一般更上層的網絡設備擁有更多能耗，所以使用TDM層和光層都擁有的業務的旁通能力，可以對業務進行兩級旁通，從而減少IP層和TDM層的業務荷載，可以減少網絡功耗。

業務疏導是指低速業務流匯集使用到高速傳輸的通路，在傳輸通路上增大利用率，如此把許多低速業務流匯集使用到高速的傳輸通路的過程。業務路由可以實現業務疏通，業務路由對業務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的多層網絡中，TDM層和IP層同時擁有業務疏導的能力。

2.2 多層網絡模型

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

三、對多層網絡能耗進行優化建模

在網絡環境下，利用對網絡資源的管理和配置與網絡業務流的控制的方法減小網絡功耗。將光層、TDM層和IP層構成的多層網絡能耗優化問題進行建模，且將命名為ITO（IP—TDM—Optical）模型。ITO模型對于網絡業務流控制和網絡資源配置與管理的協同達到了實現，利用路由在多個網絡層內和網絡層內部正確分配業務流，依據業務負載對網絡資源進行正確的管理和配置，把空閑模塊進入到睡眠模式，可以達到減小網絡能耗的目標。

3.1 ITO模型復雜性分析

ITO模型所描述的3層網絡能耗優化問題是一個MILP問題，比單層和兩層網絡的能耗優化模型的復雜性更高。ITO模型的解空間隨著整數變量數量組合增長，因此可用整數變量的數量刻畫ITO模型的復雜性。

3.2 目標函數

在IT0模型中，使多層網絡能耗最小化是多層網絡能耗優化的目標，即Pmin。上層設備的線路接口和TDM設備與光網絡設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。光網絡設備的功耗要比同容量的IP和TDM設備小的多，而光網絡設備的主要耗能組件是光收發器，所以，只考慮光網絡設備支路接口（即光收發器）的能耗。

四、實驗結果分析

4.1 網絡層與多層網絡功耗

利用向多層網絡內每個網絡層增加新的路由約束，使網絡層的交換能力禁止，從而研究每個網絡層組合和網絡層在網絡能耗優化內的作用。

4.1.1 業務疏導與旁通對能耗優化的影響

當低網絡流量時，疏導業務可聚合成少數鏈路傳輸，減少了活動機框數量和接口線卡，因此網絡流量疏導對能耗的優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層大得多，光層業務疏導在能源方面的節能效果是非常有限的，所以光網絡比電交換網絡的能耗優化效果要差，純電雙層交換網絡的效果要比光電混合網絡更好。

4.1.2網絡層對能耗優化的影響

能量優化效果根據網絡層的不同組合是不同的。2層網絡要差于3層網絡，兩層網絡比起單層網絡要更好。2層網絡和3層網絡的能量優化的結果相比，3層網絡的優勢沒有特別明顯，光電混合的2層網絡可以更好的發揮光交換網絡的旁通作用和電交換網絡的疏通作用，添加額外的TDM層相對于網絡能量優化幾乎沒有改善，以及3層網絡的能量優化的解決方案的時間比2層網絡更長。

4.2 模塊化結構與網絡功耗

在業務量低的時候，接口和線卡會分擔機框的能耗，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移到線卡，大量線卡所處睡眠，因此網絡的功率消耗可以被降低。當達到極小值條件，活躍的機框內接口和線卡基本在工作，因此網絡的功率消耗受到機框的功耗比例的影響較小。目前的核心網絡的鏈路利用率很低，優秀的模塊化設計的網絡設備將有助于優化網絡的能耗，降低網絡能耗。模擬實驗結果如圖2所示。

五、結束語

本文對多層網絡的能耗優化問題進行了研究，建立了具有IP層、TDM層和光層3層結構的多層網絡的能耗優化模型（即ITO模型）。依據實際網絡設備的規格參數，通過相應的實驗探討不同的網絡層組合和網絡設備的模塊化結構對多層網絡能耗優化的影響。

參考文獻

[1]張藝.電信光網絡的節能技術綜述[J].2012

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