基于軟件定義的未來網絡節能算法

孫冬冬，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

基于軟件定義的未來網絡節能算法

孫冬冬，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

隨著網絡用戶的急劇增長和網絡規模的不斷擴大，網絡的能耗已經成了越來越嚴重的問題，所以網絡節能成為了人們關注的問題。但是，在傳統的網絡架構的基礎下，進行網絡的節能研究不是有效的，因為沒有集中的控制和管理機制。因而提出了SDN的未來網絡架構，其分離了設備的控制層和數據層，其控制層能夠獲得整個網絡設備的信息，從而為網絡的節能帶來了方便。SDN是在全局網絡的基礎上提供了一種新的綠色網絡節能技術：它能收集整個網絡的拓撲和每個設備的實時流量信息。在SDN的基礎上，提出了二進制節能算法和貪婪算法，通過SDN集中的管理和預處理流量，得到了更好的節能效果。通過仿真結果可以看出，提出的算法的確要好于傳統的算法。

軟件定義網絡；能量消耗；節能；二進制整數規劃算法；貪婪算法

1 概 述

近年來，能量消耗的增長已經變成越來越嚴重的問題。大部分主要的能源是非可再生的，在不遠的將來就會耗盡。同時，今天使用的能量大部分來自化石燃料的燃燒，大量的能量消耗就會產生大量的溫室氣體，從而導致全球變暖和一系列消極的影響。但是最近幾年，網絡消耗的能量和產生的溫室氣體在快速增長。因此，網絡能量的消耗是不能被忽視的，如何節省網絡的能量變成了一個重要的話題[1]。數據中心網作為計算、存儲和多種服務的提供者扮演著重要的角色。為了保證數據中心網的可靠性，網絡中有許多冗余的交換機和服務器。數據中心網絡中有周期性的能量變化，但是能量消耗確是相對恒定的，也就是設備能量消耗和它的鏈路利用率不成比例，從而引起了巨大的能量浪費[2]。

從經營者的角度，有三種方法可以實現節能：

(1)減少不合理的網絡重復，通過網絡規劃和資源聯合優化。

(2)購置能量有效性設備。

(3)智能休眠或者合理優化來動態提供網絡的能量基于商業的要求。

前兩種方法是靜態的。因為一經實現，能量節省就是固定的，不能繼續優化，大部分經營者和設備提供商現在采取這種節能方案。而文中根據第三種方法[3]設計了節能優化算法。第三種節能方法是動態節能方案。因為路由器是網絡中運行的主要設備，而目標是在整個網絡中節省路由的能量消耗。存在的路由節能技術主要關注兩個優化方面：局部優化和全局優化。

一方面，大部分有關路由能量的研究是在鏈路層或設備層的局部優化，即把路由器作為獨立設備，注重硬件設備層的節能。Gupta等[4]提出使網絡子元件如線卡休眠，當它們空閑時或在低速率下運行。他們后來探索不協調的休眠節能技術在局域網的鏈路層[5-7]。Nedevschi等[8]提出通過減小突發流量使網絡元件有更多的機會休眠(當空閑時)和使網絡操作率適應工作負載。然而，數據包的到達間隔時間限制了這種局部優化方法。

另一方面，剩余的路由能量管理是在網絡層的全局優化。現今，高的路徑冗余和低的鏈路利用率網絡為能量感知流量工程提供了機會。Gupta等[4]提出當低活動期時，改變路由使流量聚合到更少的路由上，從而使空閑的設備休眠。然而，他們沒有提出實際的網絡層算法。Heller等[9]提出彈性樹方法來得到更好的能量有效性。其主要思想是依靠流量負載找到正確交換機和鏈路的集合，充分利用數據中心的胖樹拓撲結構和簡單的保留根樹結構。但是，該方法不能應用在一般的網絡拓撲中。文獻[10]提出了EATe來減少能量消耗，其工作結合休眠，速率自適應和路由協調局部措施。然而，在軟件定義網絡中，因為集中控制器，這些措施都是沒有必要的。文獻[11]提出了一種最新的全局流量工程機制GreenTE。GreenTE通過分離的方式重新路由來最大化空閑鏈路的總的節能，在最大鏈路利用率和網絡延時條件下，提出了一個混合整數規劃問題，商業軟件Cplex用來解決這個問題(在300 s限制時間內)。在限制時間內，該方法不能確保一個靈活的解決方案，也沒有提出實際的算法。然而提出的算法是更實際的，能擴展到任何網絡拓撲，尤其是在不能手工關閉的大型復雜網絡中。

以上研究的網絡節能算法都是基于傳統的網絡架構，但在SDN的基礎上，進行算法的研究還很少。文中主要研究基于SDN網絡架構的二進制節能算法和貪婪算法，通過SDN集中的管理和預處理流量，得到了更好的節能效果。

2 數據中心網的能量消耗

對于數據中心網，主要還是網絡設備帶來的能量消耗，即網絡服務器、交換機、路由器和鏈路。為了保護設備，數據中心網也包括冷卻系統，其消耗了相當大的能量。其他的變壓器、供電設備和照明設備消耗了很小的一部分能量。

數據中心網的能量消耗主要集中在網絡的設備和冷卻系統上[12]。其中，網絡設備占總能量消耗的1/3。文中只考慮網絡設備的能量消耗。

對于一個交換機來說，一個端口僅僅消耗1～2 W的能量。而交換機從空閑到滿負載的狀態僅僅提升8%的能量消耗。因此，只要交換機一打開，將要消耗大量的能量。

表1顯示了不同配置的48端口的交換機的能量消耗。交換機A,B,C分別是Cisco、ProCurve和Brocade類型交換機[13]。

表1 交換機的能量消耗

文中主要處理網絡設備(交換機、服務器)的節能，而不是控制器，冷卻系統和能量提供系統的節能。這主要是由于SND的控制器是不能被關閉的，且SDN控制非網絡設備很困難。處理網絡流量和控制網絡設備的開關將要獲得節能的目的。

3 SND的簡單介紹

3.1 SDN的結構

SDN是一個新的網絡架構，主要分為三個部分[14]：SDN物理層、SDN控制層和SDN應用層。

在物理層，主要是SDN交換機的物理設備。SDN控制層主要包含SDN控制器，其主要負責集中管理物理層的硬件，然后能優化網絡的能效和吞吐率。SDN應用層包含了一些以SDN為基礎的應用軟件。文中節能模型主要建立在SDN的控制層，核心算法配置在控制器中。因此，可以使用SDN控制器獲得網絡信息，通過控制路徑流量和控制網絡設備的開關來達到節能的目的。

3.2 SDN中節能的功能

通過流量表和集中管理，SDN提供了以下功能來實現節能：

(1)控制器可以獲得當前的網絡拓撲；

(2)控制器可以獲得網絡設備的特性；

(3)網絡設備定期地報告它們的流量負載到控制器；

(4)控制器可以控制網絡設備的開關；

(5)控制器可以監控傳輸路徑的流量。

4 SDN的能量節能模型

提出兩個模型來處理進入數據中心的流量。

以下是算法中將要用到的符號，其含義如表2所示。

表2 符號所代表的含義

4.1 二進制整數線性規劃模型

基于上面的假設，構成了一個二進制整數規劃模型來處理流量。這個流量將要被聚合從而使用更少的網絡設備，在每一個鏈路不超過鏈路容量的條件下，假設數據中心網絡流量在某種程度上能被需求矩陣R表示。通過需求矩陣，能容易地計算需求對集合P。對于任意的Ps∈P,s=1,2,…,S，能得到傳輸路徑集Bs。這個模型的目標是決定最小的能量消耗在滿足負載需求和每一個鏈路將不超過鏈路容量的條件下。

到此，能得到二進制整數規劃模型：

(1)

其中

(2)

從以上公式，使用二進制整數規劃來找到最小數量的交換機和服務器來滿足當前網絡要求。二進制整數規劃將要探索所有可能的最優路徑來獲得最小能耗，因此這個結果一定是最優的。然后，可以得到數據中心能量消耗U'=umin，將其與U進行比較，得到節能比例：

(3)

盡管二進制整數規劃模型能夠得到最好的能量有效性網絡，但是，它是困難地來處理大型網絡，因為矩陣和圖論的計算是相當復雜的。因此，它只能應用在相對小規模的網絡中。因而，提出了貪婪算法來克服這個問題。

4.2 貪婪算法模型

二進制整數規劃模型算法因為處理高復雜的大型網絡是困難的，因此提出了一個貪婪算法模型來減少計算的花費。

貪婪算法模型主要是以逐步的方式來增加傳輸路徑，每一步它將選擇花費能量最少的路徑。如果當前傳輸要求的數量是S，那么經過S次迭代，就能獲得最終結果，其極大地簡化了計算過程。

以下來描述貪婪式算法模型：首先定義迭代公式，每次迭代都能獲得一個新的網絡拓撲，其等于當前網絡拓撲加上最優傳輸路徑。如下所示：

(4)

為了保證這個增加的路徑是最優的，其optk必須滿足下面的條件：

(5)

在每次迭代中，必須保證流量不能超過鏈路容量：

(6)

其中，Tk代表由k次迭代后產生的流量矩陣。

經過S次迭代后，能夠獲得最終拓撲TopoS，從而得到能量消耗U'=U(TopoS)，其能夠用來計算能量消耗比例E。

4.3 局部模型算法

在傳統的網絡架構中，沒有集中控制和管理機制，路由和交換機只能根據自己的狀態來收集信息。在這種情況下，每個設備感知自己的流量狀況，然后獨自決定是否關掉自己，從而獲得節能的目的，稱其為局部模型。

5 仿真和測試

5.1 仿真設計

使用Matlab對提出的模型進行仿真，包括以下模塊。

(1)物理層模塊。

物理層模塊就是用來仿真物理層網絡的。在兩個不同的時間間隔，需求到達數量是獨立的，因此用泊松過程來描述流量到達過程[15]。在每一單元時間，需求到達率為λ，需求到達數量N服從泊松分布，如下所示：

(7)

每一個數據中心網的流量分布顯示出某種特征[12]，用Pij來表示服務器i發送數據到服務器j的概率，其滿足以下公式：

(8)

每一個需求持續時間從一個服務器到另一個服務器是改變的。例如，一個視頻網站的時間是長的，而新聞網站相對來說是短的。根據隊列理論，假設需求持續時間服從指數分布，用參數α表示的公式如下：

(9)

同時，每個需要傳輸需求的數量數據與服務的類型密切相關，認為其服從統一分布，可以用如下公式表示：

(10)

以這種方式，能使用仿真來產生流量和需求。對于不同的網絡，僅僅只需要根據網絡的特性來調整網絡參數就行。

(2)流量處理模塊。

在流量處理模型中，只需要依據先前提出的模型進行仿真。

(3)設備控制模塊。

對于設備控制模快，其與SDN網絡操作密切相關，能用SDN控制器來控制設備和路由的流量。

5.2 仿真參數

(1)數據中心網的拓撲。

考慮到大部分網絡使用的拓撲結構，該仿真模型建立在三層樹拓撲結構基礎上，其有10臺SDN交換機和8臺服務器。

(2)鏈路容量。

為了方便，認為每一個鏈路容量是相同的：C=6。

(3)平均需求持續時間。

假設每個需求占5個單元時間，表達為α=5。這個參數直接和網絡負載有關且能調節服務負載，即α越大，網絡負載越重。

(4)需求到達率。

令λ=1，也可以使用這個參數來調整網絡負載，這個值越大，網絡的負載越重。

(5)延遲。

延遲對這個測試網絡非常重要。仿真中，考慮隊列延時，即在算法中，如果流量不能找到到達目標的路徑，將會被存儲在交換機中，從而帶來延時。文中將不考慮計算延時或者傳輸延時。

(6)能量模型。

網絡中設備的消耗是非常重要的，因此假設交換機打開時的消耗是0.9，鏈路是0.025，其都依據表2得出。

(7)評價指標。

用E來評價該模型，同時也考慮延時。

5.3 仿真結果

仿真三個不同的節能模型(局部算法模型、二進制整數規劃模型、貪婪算法模型)來評價該模型。

(1)不同算法的節能效率。

仿真參數α=5，λ=1，進行仿真30次，每次持續100個單元時間。仿真結果如圖1所示。

圖1 不同算法的節能效率仿真圖

從圖中可得，文中提出算法的能效比傳統的局部算法提高10%，貪婪算法節能效率和二進制算法基本相同，所以兩條曲線幾乎重合。如果網絡規模比較大，就用貪婪算法模型來減少計算量。

(2)不同流量負載的節能。

這個測試主要討論當網絡負載增加時，能量比例的改變。為了測試到達率對節能的影響，設置到達率λ從1到2.5，每步增加0.05，平均需求持續時間固定為α=4。仿真31次，每次測試持續100單元時間，仿真結果如圖2所示。

從圖中可以看到，隨著到達率的增加，節能變得相對困難。主要是因為當流量負載變得重時，大部分網絡設備被占用，在這種情況下能效比較低。也可以看到曲線有抖動，這是因為仿真時間是被限制的，可以仿真多次得到平均值來消除抖動。同時，可以看到有時貪婪算法得到比二進制整數規劃模型更好的能效，這是因為貪婪算法給流量帶來了延時。

對需求持續時間對節能的影響進行評價，其和到達率非常相似。仿真中，設置λ=1，需求持續時間從4增加到6，每步增加0.1。仿真21次，每次仿真100單元時間，仿真結果如圖3所示。

圖2 不同到達率下節能效率仿真圖

圖3 不同需求持續時間下的節能效率仿真圖

從圖中可以看出，隨著需求持續時間的增長，節能越來越困難。

(3)不同算法下的延時情況。

這部分比較三種不同算法在流量負載相對較重時的延時。為了得到重的負載流量，令λ=1.5，α=8。仿真20次，每次100單元時間，仿真結果如圖4所示。

圖4 不同算法的延時情況仿真圖

從圖中可以看出，二進制整數規劃模型和局部算法模型的延時幾乎相同，且在相對較低的水平。但是貪婪算法的延時是高的，這是因為貪婪算法得經過一步步的迭代去找到最優傳輸路徑。當負載較重時，貪婪算法不能找到滿足容量限制的路徑，所以導致了延時。因此，二進制整數規劃模型更適合要求低延時的網絡。

6 結束語

文中提出了新的未來網絡架構SDN，其網絡的控制層從網絡的轉發層分離出來交給控制器來管理。SDN允許網絡的邏輯控制層從全局網絡觀點來設計和操作網絡。因此SDN開辟了一種新的綠色節能方法，可以收集整個網絡的拓撲結構和設備的實時流量信息。因此，基于SDN提出了二種不同的節能算法：二進制整數規劃算法和貪婪算法。其能夠應用在不同的數據中心網。通過仿真比較，可以明顯地看到提出算法在節能上要好于傳統的局部算法。

但是，二進制整數規劃算法的計算是復雜的，不適合使用在復雜的網絡中，而貪婪算法當網絡負載重時延時較高，將來可以對這兩種算法進行更深入的探索，使它們更加優化。

經過節能后的網絡，流量是相對集中的，所以網絡容易受到鏈路失敗和突然的流量風暴的影響。然而到目前為止，還沒有這方面的研究，即在研究網絡節能的同時研究網絡的可靠性，這將是未來的研究方向。

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Future Network Energy Saving Algorithm Based on Software Definition

SUN Dong-dong，YANG Long-xiang

(College of Communication and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)

With the rapid growth of network users and the continuous expansion of the network scale,energy consumption of the network has become more and more serious problem,so the network energy saving has become the focus.However,on the basis of the traditional network architecture,energy conservation research of the network is not effective,because there is no centralized control and management mechanism.Thus the future network SDN architecture is presented which separates control layer and data layer of devices.Control layer can obtain information of the whole network devices which is convenient to network of energy saving.On the basis of the global network,SDN provides a new green network energy saving technology which can collect the entire network topology and real-time traffic information of each equipment.On the basis of SDN,the binary energy-saving algorithm and greedy algorithm are put forward.Through centralized management and preprocessing traffic by SDN,the better energy efficiency is achieved.Finally,the simulation results can be seen that the proposed algorithm is indeed better than traditional one.

SDN;energy consumption;energy saving;binary integer programming algorithm;greedy algorithm

2016-04-22

2016-08-11

時間：2017-02-17

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329104)

孫冬冬(1990-)，男，碩士，研究方向為移動通信與無線技術;楊龍祥，教授，博士生導師，研究方向為移動無線通信與物聯網。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1628.040.html

TP301.6

A

1673-629X(2017)03-0070-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.015