張國(guó)強(qiáng)，林森，劉真，林濤，張國(guó)清，李幼平

(1. 南京師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210012； 2. 中國(guó)科學(xué)院 計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190;3. 北京交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044；4. 中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；5. 中國(guó)工程物理研究院，北京 100083; 6. 蘇州大學(xué) 江蘇省計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的增長(zhǎng)、高帶寬需求的業(yè)務(wù)增加以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)和所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量均呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致其能耗在過(guò)去若干年也急劇增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)表明，美國(guó)互聯(lián)網(wǎng)消耗的能源已經(jīng)占了所有能耗的2%～10%[1,2]。能耗的急劇增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展都構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一方面，能源開支在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和內(nèi)容提供商的總體擁有成本 (TCO) 中所占的比例越來(lái)越重，降低能耗可以節(jié)省大量的開支。另一方面，由于傳統(tǒng)的散熱和冷卻技術(shù)正遭遇瓶頸，能耗已經(jīng)成為制約互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素之一。此外，對(duì)溫室氣體和全球變暖的擔(dān)憂也對(duì)綠色通信提出了要求，有統(tǒng)計(jì)表明互聯(lián)網(wǎng)的能耗已經(jīng)超越了整個(gè)航空業(yè)的能耗[2]。中國(guó)在哥本哈根會(huì)議后提出了在2020年使單位 GDP產(chǎn)值的二氧化碳排放量較2005年降低 40%～45%的宏偉目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要各行業(yè)的共同努力。

目前，針對(duì)具體硬件設(shè)備和部件的節(jié)能技術(shù)得到了廣泛研究。在設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)別，設(shè)備廠商提供了多種電源管理模式。高級(jí)配置和電源接口(ACPI)[3]對(duì)系統(tǒng)不同的電源狀態(tài)進(jìn)行了規(guī)定并提供了相應(yīng)的軟件管理接口。美國(guó)能源署(EPA)于 1992年啟動(dòng)了“能源之星”計(jì)劃[4]，為符合其標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品貼上能源之星的標(biāo)簽。中國(guó)環(huán)境保護(hù)局也有類似的標(biāo)準(zhǔn)，如為計(jì)算機(jī)采購(gòu)制定的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[5]。但是，在網(wǎng)絡(luò)層面提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄Р](méi)有得到太多的實(shí)際應(yīng)用。一方面，網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)聯(lián)網(wǎng)的需求以及核心網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)對(duì)峰值負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)頑健性的需求使得現(xiàn)有的設(shè)備級(jí)電源管理功能未得到有效利用。而實(shí)際上，終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率通常都很低，致使現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)能效低下，未能實(shí)現(xiàn)能耗比例計(jì)算的理念。另一方面，由于用戶對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的請(qǐng)求呈現(xiàn)重尾分布規(guī)律，基于端到端的單播傳輸方式造成了大量的重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，使得傳輸效率低下。

本文正是基于此背景，從兩方面來(lái)探討互聯(lián)網(wǎng)的高能效傳輸技術(shù)。一方面，在假定現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)流量需求不變的前提下，以能耗比例計(jì)算為軸，綜述實(shí)現(xiàn)該理念的技術(shù)，具體包括邊緣網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)存在性代理技術(shù)、以太網(wǎng)節(jié)能技術(shù)和核心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由技術(shù)。另一方面，從降低網(wǎng)絡(luò)流量的角度出發(fā)，探討現(xiàn)有的及正處于實(shí)驗(yàn)階段的內(nèi)容分發(fā)架構(gòu)對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能效的作用。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究現(xiàn)狀

美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)表明：2008年，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的能耗占所有能源消耗的4%左右，而其中，路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備占了0.5%左右(見圖1)。在中國(guó)，2009年三大運(yùn)營(yíng)商耗電28.9TWh，較前一年同比增長(zhǎng)26%，耗電總量占全社會(huì)用電量的0.8%，而且現(xiàn)在每年還在快速增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)計(jì)，至2020年將有1/7的電力被ICT產(chǎn)業(yè)所消耗[6]，而其中PC和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將占據(jù)1/3。但是，被消耗的能源中一大部分都被浪費(fèi)了。雖然終端節(jié)點(diǎn)提供了多種電源狀態(tài)，如待機(jī)、休眠等，但是隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的滲透，各種“反電源管理”因素正在不斷增加，如P2P應(yīng)用、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、遠(yuǎn)程管理等。這些因素促使用戶禁用電源管理功能，而將終端節(jié)點(diǎn)置于7×24h開機(jī)模式。而對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)說(shuō)，電源管理基本沒(méi)有得到應(yīng)用。即使在負(fù)載很低的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也必須保持工作狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的鏈路故障等不確定因素。這些現(xiàn)實(shí)浪費(fèi)了大量的能源，而如果采取有效措施，則可以最大程度予以避免。目前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)啟動(dòng)了綠色互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究計(jì)劃，如南佛羅里達(dá)州的綠色互聯(lián)網(wǎng)研究計(jì)劃[7]和加州伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高能效數(shù)字網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃[8]。工業(yè)界也于2007年6月由英特爾公司和谷歌公司倡議并攜手超過(guò)25家企業(yè)和環(huán)保機(jī)構(gòu)在美國(guó)共同發(fā)起了“電腦產(chǎn)業(yè)拯救氣候行動(dòng)計(jì)劃”，次年，中國(guó)電子學(xué)會(huì)也加入了該計(jì)劃。

3 基于能效比例計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)能技術(shù)

3.1 能效比例計(jì)算的理念

能耗比例計(jì)算(energy proportional computing)是實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的關(guān)鍵理念[9]。這一理念將成為未來(lái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，即系統(tǒng)的能耗應(yīng)該與工作負(fù)載成正比，而不是與最大處理能力成正比。圖 2給出了能耗比例計(jì)算。在理想情況下， 當(dāng)工作負(fù)載為零時(shí)，能耗也應(yīng)趨近于零。而目前的絕大部分現(xiàn)實(shí)是，系統(tǒng)在工作負(fù)載為零時(shí)的基準(zhǔn)能耗一般都超過(guò)了峰值負(fù)載能耗的50%。若將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)系統(tǒng)，并將這一理念延伸至網(wǎng)絡(luò)傳輸，則意味著網(wǎng)絡(luò)的能耗應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載正相關(guān)。理想情況下，網(wǎng)絡(luò)為傳輸1bit信息量所耗費(fèi)的能量應(yīng)為常數(shù)。

圖2 能耗比例計(jì)算

在硬件和系統(tǒng)層面提供多種電源狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)能耗比例計(jì)算的基礎(chǔ)。目前，這方面的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。例如，在 CPU層面，動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)等技術(shù)的應(yīng)用已使 CPU愈發(fā)接近了能耗比例計(jì)算的目標(biāo)；在系統(tǒng)層面，高級(jí)配置和電源接口(ACPI)[3]也定義了多種休眠模式(S狀態(tài))和性能模式(P狀態(tài))，以支持系統(tǒng)級(jí)的能耗比例計(jì)算。然而電源管理與高能效計(jì)算存在本質(zhì)區(qū)別：前者僅提供了硬件支持，而后者是一個(gè)全局優(yōu)化問(wèn)題[10]，需要高能效算法的支持[11]。傳統(tǒng)的系統(tǒng)一般都是以最大化性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，高性能和高能效并不互斥。但事實(shí)上，要求系統(tǒng)的所有硬件都工作在最大能力的場(chǎng)景并不多見。文獻(xiàn)[10]概括了在給定計(jì)算問(wèn)題下實(shí)現(xiàn)高能效計(jì)算所必備的三要素。

1) 電源模型。詳細(xì)規(guī)定了每個(gè)電源狀態(tài)的能耗、狀態(tài)轉(zhuǎn)換的延遲以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗。

2) 約束確定和性能評(píng)價(jià)模塊。用于給出計(jì)算問(wèn)題的應(yīng)用層性能約束條件，如完成時(shí)間。

3) 能源優(yōu)化器。基于電源模型和現(xiàn)有資源的工作負(fù)載調(diào)度器，滿足應(yīng)用性能約束條件，同時(shí)最小化所耗費(fèi)的能源。

下面將分別對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行評(píng)述，對(duì)構(gòu)成高能效計(jì)算的三要素進(jìn)行抽象。

3.2 邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)存在性代理

網(wǎng)絡(luò)存在性代理技術(shù)[1,12～16]是一種邊緣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能解決方案。目前，為時(shí)刻保持網(wǎng)絡(luò)存在性已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)禁用電源管理的主要因素，如遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程管理以及P2P等資源共享應(yīng)用。但實(shí)際上，有效工作時(shí)間僅占總開機(jī)時(shí)間的一小部分，絕大部分無(wú)人值守時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)均處于空閑狀態(tài)。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式下，若節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，則同時(shí)也失去了對(duì)外的網(wǎng)絡(luò)存在性。網(wǎng)絡(luò)存在性代理技術(shù)能有效解決上述問(wèn)題。它允許被代理節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而同時(shí)對(duì)外保持其網(wǎng)絡(luò)存在性。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)存在性是由它的對(duì)外行為表現(xiàn)的，為了維持節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)存在性，需要能對(duì)特定的外部請(qǐng)求消息加以響應(yīng)，維持對(duì)外連接。

圖3給出了網(wǎng)絡(luò)存在性代理的工作方式示意：1) 初始時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)，它與其他節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸直接發(fā)生在它們之間；2) 當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑了一段時(shí)間希望進(jìn)入休眠時(shí)，它將該意圖通知網(wǎng)絡(luò)存在性代理，節(jié)點(diǎn)可能需要和代理之間進(jìn)行一定的狀態(tài)傳輸，使代理能獲知節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，之后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；3) 在節(jié)點(diǎn)休眠期間，網(wǎng)絡(luò)存在性代理截獲發(fā)往被代理節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，并予以處理；4) 當(dāng)某些報(bào)文無(wú)法處理而必須喚醒被代理節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)存在性代理將喚醒節(jié)點(diǎn)，并將報(bào)文轉(zhuǎn)交給節(jié)點(diǎn)，同時(shí)清理被代理節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，之后，節(jié)點(diǎn)恢復(fù)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直接通信。

圖3 網(wǎng)絡(luò)存在性代理的工作流程

上述場(chǎng)景中，對(duì)應(yīng)的高能效計(jì)算問(wèn)題中的三要素為：每個(gè)被代理節(jié)點(diǎn)活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)的能耗、狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗和轉(zhuǎn)換時(shí)間、以及網(wǎng)絡(luò)存在性代理的能耗構(gòu)成了電源模型；每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都有一組在休眠時(shí)需要支持的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求APP(i)，所有應(yīng)用的約束構(gòu)成了整個(gè)計(jì)算問(wèn)題的約束集，通常表現(xiàn)為處理延遲的約束；而節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠的策略和網(wǎng)絡(luò)存在性代理的處理邏輯則構(gòu)成了能源優(yōu)化器。

網(wǎng)絡(luò)存在性代理的處理邏輯是該問(wèn)題的關(guān)鍵，其目的是在代理設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、節(jié)能效果和應(yīng)用層性能之間尋求有效折中。代理所支持的行為集合決定了節(jié)點(diǎn)何時(shí)需要被喚醒。在最簡(jiǎn)單的模式下，代理不做任何處理，即對(duì)任何報(bào)文都喚醒原節(jié)點(diǎn)，這種方式稱為WoP(wake on packet)，實(shí)際上該模式下完全不需要代理。WoP的有效性與報(bào)文到達(dá)的間隔時(shí)間密切相關(guān)。研究表明，在辦公網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，大量的周期性廣播和多播報(bào)文的存在使得 WoP方法的有效性基本為零；而在家庭網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文到達(dá)間隔時(shí)間更具重尾分布特性，因此，WoP方法具有一定的效果[16]。

WoP方法的低效說(shuō)明：為實(shí)現(xiàn)更佳的節(jié)能效果，網(wǎng)絡(luò)存在性代理需要支持更復(fù)雜的處理邏輯。一些典型的處理邏輯可以包括: 1) 忽略某些報(bào)文（如廣播報(bào)文或其他無(wú)關(guān)緊要的報(bào)文），而對(duì)其他報(bào)文則喚醒被代理節(jié)點(diǎn)；2) 代為應(yīng)答一些簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，如ARP、PING等，而對(duì)其他報(bào)文則喚醒被代理節(jié)點(diǎn)；3) 代理部分應(yīng)用程序的功能，而對(duì)不支持的應(yīng)用報(bào)文則喚醒被代理節(jié)點(diǎn)；4) 在復(fù)雜性和支持的應(yīng)用種類之間進(jìn)行折中，例如，僅對(duì)某些應(yīng)用喚醒被代理節(jié)點(diǎn)，而對(duì)其他應(yīng)用的報(bào)文則丟棄，這些應(yīng)用在被代理節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)將不再得到支持。

目前，ECMA (european computer manufacturers association)正在著手制定網(wǎng)絡(luò)存在性代理需要支持的處理邏輯及其行為的標(biāo)準(zhǔn)[12]。按照不同的網(wǎng)絡(luò)層次將網(wǎng)絡(luò)存在性代理所支持的處理邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)單分類如下。

1) 網(wǎng)絡(luò)層：應(yīng)支持IPv4的 ARP協(xié)議和IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議；若使用DHCP協(xié)議，則還應(yīng)支持DHCP以維持IP地址；若被代理節(jié)點(diǎn)參加了多播組，則還需要支持 IGMP。支持這些協(xié)議確保了被代理節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性，使發(fā)往被代理節(jié)點(diǎn)的報(bào)文能被正確尋址。

2) 傳輸層：需要維持應(yīng)用可達(dá)性和TCP連接，如響應(yīng)TCP SYN和TCP定時(shí)消息。

3) 應(yīng)用層：對(duì)每種被代理的應(yīng)用，需要具備處理簡(jiǎn)單的應(yīng)用層請(qǐng)求和心跳消息的功能。例如，文獻(xiàn)[17]提出了一種能用于處理 Gnutella查詢消息的代理，僅當(dāng)需要傳輸文件時(shí)才喚醒節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)存在性代理的具體表現(xiàn)形態(tài)（或部署位置）可以是網(wǎng)絡(luò)中間件（如已有的防火墻和 NAT等設(shè)備）、同一局域網(wǎng)上的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或自身的網(wǎng)卡。其中前兩者稱為外部代理，而后者稱為內(nèi)部代理。如果使用外部代理，則應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)報(bào)文喚醒功能。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文喚醒可以是基于魔分組（magic packet）的 WOL技術(shù)[18]，也可以是基于特定報(bào)文模式匹配的技術(shù)，如TCP SYN或更細(xì)粒度的自定義報(bào)文。而使用內(nèi)部代理則需要擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)卡的功能。Yuvraj Agarwal和Steve Hodges等人設(shè)計(jì)了一種基于 USB接口的智能網(wǎng)卡[13]。它在網(wǎng)卡中內(nèi)嵌了一款低能耗的處理器，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，在節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)代理休眠節(jié)點(diǎn)的角色。

網(wǎng)絡(luò)存在性代理的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施做任何改變。近期來(lái)看，外部代理可以有效利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)[15]；而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，內(nèi)部代理和被代理操作系統(tǒng)之間的協(xié)同更為簡(jiǎn)單，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

3.2.2 以太網(wǎng)節(jié)能技術(shù)

在鏈路層面，以太網(wǎng)技術(shù)已成為局域網(wǎng)組網(wǎng)的主要技術(shù)。調(diào)研表明，僅在美國(guó)，PC機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的以太網(wǎng)卡在 2005年消耗的電量為5.3TWh[19]。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，即便沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸，接收端和發(fā)送端也工作在最高能耗模式。實(shí)際上以太網(wǎng)的利用率通常都很低，一般在1%左右[2]，但是以太網(wǎng)鏈路的能耗卻與工作頻率（而非負(fù)載）正相關(guān)（如圖 4所示）。為解決這一矛盾，研究人員提出了 2種方案：負(fù)載自適應(yīng)以太網(wǎng)變頻技術(shù)（ALR）和以太網(wǎng)休眠技術(shù)。

圖4 以太網(wǎng)的鏈路速率與能耗關(guān)系

3.2.2.1 基于變頻的以太網(wǎng)節(jié)能技術(shù)

在以太網(wǎng)變頻問(wèn)題中，構(gòu)成高效能計(jì)算的三要素為：以太網(wǎng)不同鏈路速率的能耗和鏈路速率切換時(shí)間共同構(gòu)成電源模型；報(bào)文延遲則是約束集考慮的主要因素；切換策略則對(duì)應(yīng)于能源優(yōu)化器。

以太網(wǎng)變頻的研究重點(diǎn)在于鏈路速率切換機(jī)制和切換策略。其中，切換機(jī)制的目標(biāo)是降低切換延遲，而切換策略的目標(biāo)是最大化鏈路處于低頻的工作時(shí)間[20]。在鏈路建立階段可采用現(xiàn)有的 IEEE 802.3自動(dòng)協(xié)商機(jī)制來(lái)進(jìn)行能力的協(xié)商，包括是否支持 ALR以及雙方支持的傳輸速率。在鏈路速率切換時(shí)，ALR提出了兩階段握手的機(jī)制，由請(qǐng)求方發(fā)送 ALR REQUEST的 MAC幀，而接收方通過(guò)ALR ACK/NACK確認(rèn)幀來(lái)接受/拒絕切換請(qǐng)求。如果接收方接受切換請(qǐng)求，則開始鏈路重新同步。在切換策略方面，ALR提出了雙門限、利用率門限和超時(shí)門限3種策略，用于智能地對(duì)工作頻率做出切換決策。

3.2.2.2 基于休眠的高能效以太網(wǎng)

目前，IEEE 802.3az標(biāo)準(zhǔn)工作組提出了基于休眠機(jī)制的以太網(wǎng)節(jié)能方案[21]，稱為高能效以太網(wǎng)(EEE), 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已于2010年9月制定完成。其基本思路是在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)讓鏈路進(jìn)入低能耗的休眠模式，而在新數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)快速將其喚醒。圖5給出了高能效以太網(wǎng)的工作示意。其中，Ts表示進(jìn)入休眠所需要的時(shí)間，Tw表示喚醒鏈路所需的時(shí)間，Tr表示刷新時(shí)間，用于定期刷新接收器的狀態(tài)，以保證接收器單元與信道環(huán)境保持一致?？臻e時(shí)，以太網(wǎng)就進(jìn)入低能耗狀態(tài)，低能耗模式下的能耗通常為正常模式的很小一部分(約10%)。

與以太網(wǎng)變頻技術(shù)不同，基于休眠的以太網(wǎng)節(jié)能方案不能作為高能效計(jì)算的實(shí)例，因?yàn)檫@里缺乏了三要素中的能源優(yōu)化器的概念，因此基于休眠的以太網(wǎng)節(jié)能只能被視為提供了鏈路級(jí)的電源管理支持。

3.3 核心網(wǎng)節(jié)能路由技術(shù)

核心網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路平均利用率不高，但網(wǎng)絡(luò)是為應(yīng)對(duì)峰值負(fù)載和可能出現(xiàn)的故障而設(shè)計(jì)的，因此即便利用率很低，目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也維持峰值時(shí)的工作狀態(tài)。而實(shí)際上，流量按天呈現(xiàn)周期性[22～24]，因此可以在負(fù)載較低時(shí)讓部分節(jié)點(diǎn)/鏈路進(jìn)入低能耗狀態(tài)（如讓節(jié)點(diǎn)/鏈路進(jìn)入低頻工作模式或休眠模式），從而達(dá)到節(jié)能的目的，使網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體接近能耗比例計(jì)算的理念。

將網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)系統(tǒng)，則節(jié)能路由問(wèn)題對(duì)應(yīng)的高效能計(jì)算的三要素為：電源模型由所有路由器和鏈路的能耗模型、不同電源狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換延遲和轉(zhuǎn)換能耗開銷構(gòu)成；約束和評(píng)價(jià)模型則主要從平均延遲、分組丟失率、網(wǎng)絡(luò)吞吐能力及鏈路利用率等進(jìn)行考慮；最后，能源優(yōu)化器通常被形式化建模為能耗感知的流量工程問(wèn)題，需要在全網(wǎng)范圍內(nèi)選擇能耗最小的路由，確定鏈路的頻率或可以關(guān)閉的節(jié)點(diǎn)或鏈路，但這通常是一個(gè)NP-hard問(wèn)題。

文獻(xiàn)[25]開創(chuàng)性地提出了在網(wǎng)絡(luò)層面進(jìn)行節(jié)能的3種方法，其中2點(diǎn)是針對(duì)全網(wǎng)而言的。

1) 網(wǎng)絡(luò)層面，可以在低負(fù)載時(shí)改變路由，在更少的路徑上聚合流量，從而允許空閑路徑的設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)。這要求對(duì)第2層和第3層協(xié)議的工作方式進(jìn)行修改。

2) 可以改變互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不同而動(dòng)態(tài)調(diào)整（通過(guò)聚合和休眠）。換言之，應(yīng)設(shè)計(jì)能源敏感的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌咕W(wǎng)絡(luò)的活躍設(shè)備數(shù)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載之間具備良好的相關(guān)性。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，更多的設(shè)備被喚醒，而當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，更多的設(shè)備可以休眠。

針對(duì)全網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化的方法也可以分為鏈路變頻技術(shù)和休眠技術(shù)。依據(jù)節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行協(xié)同，可以分為自主方式和協(xié)同方式。其中，自主方式是設(shè)備依據(jù)自身感知的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，獨(dú)立地做出變頻或休眠決策；而協(xié)同方式則依據(jù)全局的流量需求、能耗函數(shù)等，在滿足鏈路利用率限制或網(wǎng)絡(luò)吞吐能力限制的前提下，從優(yōu)化全局能耗的角度決定路由策略。因此，針對(duì)全網(wǎng)的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)可分為自主變頻技術(shù)、協(xié)同變頻技術(shù)、自主休眠技術(shù)和協(xié)同休眠技術(shù)這4種。

圖5 EEE中活躍和低能耗狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

3.3.1 自主休眠

文獻(xiàn)[26]提出了幾種自主休眠的策略。第1種是定時(shí)休眠。在該策略下，休眠階段到達(dá)的報(bào)文將全部丟失。第2種是WoA(wake-on-arrival)，即將網(wǎng)卡處于供電狀態(tài)，在主機(jī)休眠時(shí)偵聽線路，一旦有報(bào)文到達(dá)即喚醒主機(jī)。然而在核心網(wǎng)絡(luò)上，報(bào)文到達(dá)間隔通常很小(為微秒數(shù)量級(jí))，因此WoA在這類鏈路上基本無(wú)效。為克服這一缺陷，可以利用流量緩存的方法在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)流量進(jìn)行緩存和整形，人為地使網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)突發(fā)態(tài)勢(shì)，從而增加空閑時(shí)間的長(zhǎng)度注1注1 這很反傳統(tǒng)，在傳統(tǒng)的擁塞避免中，一般都是避免突發(fā)流量，而不是創(chuàng)造突發(fā)流量。。為保證入口處創(chuàng)建的突發(fā)流量在穿越網(wǎng)絡(luò)時(shí)得以保持，入口路由器將對(duì)報(bào)文進(jìn)行重新排列，使得去往同一出口路由器的報(bào)文在突發(fā)中相鄰。此外，可以增加入口路由器的協(xié)同性，使到達(dá)中間路由器的報(bào)文在時(shí)間上更為接近，從而中間路由器可以獲得更多的休眠機(jī)會(huì)。但完全協(xié)同并非總是可行的，對(duì)協(xié)同性的要求也大大增加了策略的復(fù)雜性。

3.3.2 自主變頻

文獻(xiàn)[26]還提出了自主變頻技術(shù)，即依據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的工作頻率。假設(shè)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路都支持N個(gè)速率r1,r2, …,rn(其中，ri＜ri+1,rn=rmax為默認(rèn)最大鏈路速率)，不同的性能狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移時(shí)延為δ，設(shè)?fr表示鏈路依據(jù)歷史報(bào)文到達(dá)速率對(duì)未來(lái)報(bào)文到達(dá)速率的預(yù)測(cè)值注2注2 可基于指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均(EWMA)來(lái)獲得。，d表示每個(gè)報(bào)文排隊(duì)時(shí)延的上限，則可依據(jù)下列準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行鏈路頻率切換：

1) 假設(shè)鏈路速率為ri，隊(duì)列長(zhǎng)度為q，則當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)將鏈路速率切換到ri+1。

2) 假設(shè)鏈路速率為ri，隊(duì)列長(zhǎng)度為q，則當(dāng)且僅當(dāng)q=0且r?f＜ri-1時(shí)，將鏈路速率切換到ri-1。

3.3.3 協(xié)同休眠

協(xié)同休眠是一個(gè)典型的高能效計(jì)算問(wèn)題。在性能約束方面，通常使用鏈路利用率[24,27]或網(wǎng)絡(luò)吞吐能力[28]來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。在電源模型方面，需要分別建立路由器和鏈路的能耗模型[24,29,30]。協(xié)同休眠研究的核心則在于能源優(yōu)化器，即如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的全局決策以最大化節(jié)能效果。這類決策策略通常都是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)或流量需求在路由協(xié)議層面對(duì)流量進(jìn)行匯聚，允許不參與路由的節(jié)點(diǎn)或鏈路進(jìn)入休眠以達(dá)到節(jié)能目的。

文獻(xiàn)[31]提出了一種EAR(energy aware routing)算法，可以看成是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕時(shí)的OSPF版本。例如，路由器在晚間可自動(dòng)切換到EAR，而在白天則采用OSPF路由。與OSPF相比，EAR利用了更少的鏈路進(jìn)行路由，因此不參與路由的鏈路可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。

EAR并沒(méi)有顯式地考慮流量需求，在EAR和OSPF之間的切換時(shí)機(jī)需要依賴于經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[27]在選擇路由時(shí)不僅考慮節(jié)能目標(biāo)，同時(shí)還增加了對(duì)流量需求矩陣與服務(wù)質(zhì)量約束的考慮。該研究同時(shí)考慮了路由器和鏈路的能耗，并將其建模為一個(gè)具有容量限制的多物資最小費(fèi)用流問(wèn)題(CMCF)。由于CMCF問(wèn)題是NP-hard的問(wèn)題，文章提出了幾種關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的啟發(fā)式策略：隨機(jī)策略、節(jié)點(diǎn)度最小最優(yōu)先、最小流最優(yōu)先、以及 opt-edge?；谕瑯拥慕７椒?，文獻(xiàn)[24]又提出了一種簡(jiǎn)單的貪婪算法用于關(guān)閉節(jié)點(diǎn)和鏈路，保證網(wǎng)絡(luò)連通性和最大鏈路負(fù)載率。

筆者在文獻(xiàn)[28]中提出了基于網(wǎng)絡(luò)宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)選擇性關(guān)閉鏈路的方法，實(shí)驗(yàn)表明，在 BA網(wǎng)絡(luò)上采用一種混合策略能取得較優(yōu)的節(jié)能效果，即先關(guān)閉邊介數(shù)(edge betweenness)較大的鏈路，然后切換到隨機(jī)策略關(guān)閉鏈路。該研究也是文獻(xiàn)[25]中所提出的第3種網(wǎng)絡(luò)節(jié)能思路的一種體現(xiàn)，即BA網(wǎng)絡(luò)比ER網(wǎng)絡(luò)具備更好的“活躍設(shè)備—網(wǎng)絡(luò)負(fù)載”相關(guān)性。

此外，路由器虛擬化技術(shù)也為節(jié)能路由提供了基礎(chǔ)。若路由器支持虛擬化，則可以通過(guò)調(diào)整邏輯路由器和物理路由器的映射關(guān)系來(lái)提高傳輸能效。例如，文獻(xiàn)[32]提出了VROOM(virtual router on the move)，將邏輯路由器和物理路由器分離，依據(jù)流量負(fù)載動(dòng)態(tài)地增加或減少物理路由器的數(shù)目。在晚間流量較低時(shí)，虛擬路由器可以遷移到更少的物理路由器上，不需要的路由器就可以關(guān)閉或進(jìn)入休眠狀態(tài)。應(yīng)用VROOM的優(yōu)點(diǎn)在于IP層的拓?fù)湓谶w移過(guò)程中保持不變。

3.3.4 協(xié)同變頻

文獻(xiàn)[33]提出了能耗最優(yōu)化的路由模型，根據(jù)能耗和負(fù)載的不同函數(shù)關(guān)系及流量需求，給出路由算法及每條鏈路的最佳工作頻率設(shè)計(jì)方案。給定無(wú)向圖G和一組流量需求，每個(gè)需求i在源節(jié)點(diǎn)si和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ti之間要求di整數(shù)單元的帶寬。每一條鏈路e被賦予一個(gè)費(fèi)用函數(shù)fe(s)，表示負(fù)載為s單元的數(shù)據(jù)時(shí)的能耗。設(shè) 0-1函數(shù)yi,e表示流量需求i是否經(jīng)過(guò)鏈路e，xe表示鏈路e上的總負(fù)載。路由最優(yōu)化問(wèn)題（P1）就表示為

上述問(wèn)題求解的復(fù)雜度依賴于費(fèi)用函數(shù)，具體有以下結(jié)論：

1) 如果費(fèi)用函數(shù)fe(·)滿足fe(x1+x2)=fe(x1)+fe(x2)，則最短路徑路由算法是最優(yōu)的；

2) 如果費(fèi)用函數(shù)fe(·)滿足fe(x1+x2)＜fe(x1)+fe(x2)，則對(duì)應(yīng)于buy-at-bulk網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題[34]；

3) 如果費(fèi)用函數(shù)fe(·)滿足fe(x1+x2)＞fe(x1)+fe(x2)，則一般不存在一個(gè)具有上界的近似多項(xiàng)式算法。

類似地，文獻(xiàn)[35]在假設(shè)鏈路支持多個(gè)工作頻率的基礎(chǔ)上，提出了能耗感知的流量工程方法。其基本思路是如果網(wǎng)絡(luò)中有些鏈路的流量負(fù)載稍高于某個(gè)工作頻率，則可以將高出工作頻率部分的流量通過(guò)流量工程的方法轉(zhuǎn)移到一些其他鏈路，同時(shí)保證這些鏈路的流量不超過(guò)現(xiàn)有工作頻率的上限，從而可以將一部分鏈路切換到低頻工作狀態(tài)。

3.3.5 小結(jié)

具體采用哪種技術(shù)方案依賴于網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備和系統(tǒng)的能耗屬性。路由器的能耗一般可以表示為P(R)=BR+f(v)，其中，BR為基準(zhǔn)能耗，f(v)為依據(jù)負(fù)載的可變能耗。在當(dāng)前的硬件環(huán)境下，一般BR占主導(dǎo)，基準(zhǔn)能耗與峰值負(fù)載能耗之比一般超過(guò)50%。而當(dāng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了能耗比例計(jì)算后，基準(zhǔn)能耗與峰值負(fù)載能耗之比將大幅降低。鏈路能耗一般可以表示為P(L)=h(L)+w(C,x)，其中，h(L)表示與鏈路長(zhǎng)度L相關(guān)的能耗，w(C,x)表示工作頻率為C, 負(fù)載為x的能耗。一般來(lái)說(shuō)，h(L)可以視作常數(shù)且忽略不計(jì)，鏈路的能耗主要由其工作頻率C決定。當(dāng)鏈路不支持變頻時(shí)，僅存在活躍和休眠2個(gè)狀態(tài)；而當(dāng)鏈路支持多個(gè)工作頻率時(shí)，則不同的工作頻率具有不同的能耗。

原則上來(lái)說(shuō)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的基準(zhǔn)能耗占峰值能耗的比例較高時(shí)，采用基于休眠的方案能有效地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)能耗比例計(jì)算后，則變頻技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的貢獻(xiàn)將更為顯著。

4 降低網(wǎng)絡(luò)流量的方法

所有基于休眠和協(xié)同的策略都是在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)流量需求相同的前提下，通過(guò)優(yōu)化資源的使用實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。但是如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)能耗比例計(jì)算，那么減少網(wǎng)絡(luò)流量是降低能耗的最根本出發(fā)點(diǎn)。減少網(wǎng)絡(luò)流量對(duì)降低能耗的作用體現(xiàn)于兩方面：一方面，網(wǎng)絡(luò)流量的降低緩解了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備升級(jí)的壓力，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；另一方面，網(wǎng)絡(luò)流量的降低減少了為轉(zhuǎn)發(fā)這些流量所需要的運(yùn)行能耗。

降低網(wǎng)絡(luò)流量的可行性源自下述2個(gè)基本現(xiàn)實(shí)：一方面，人們對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)通常呈現(xiàn)重尾分布的特征，如Web頁(yè)面的訪問(wèn)[36]和P2P對(duì)象的訪問(wèn)[37,38]；另一方面，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式基本是單播模式。這兩者使得現(xiàn)有的內(nèi)容分發(fā)機(jī)制產(chǎn)生了大量的重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)對(duì)象的重復(fù)傳輸不僅耗費(fèi)了大量的帶寬，迫使運(yùn)營(yíng)商不斷進(jìn)行擴(kuò)容，同時(shí)也耗費(fèi)了大量的數(shù)據(jù)傳輸能耗。

用戶對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的訪問(wèn)呈現(xiàn)重尾分布這一規(guī)律以及互聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的異步性需求為解決網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)重復(fù)傳輸提供了依據(jù)。一種行之有效的方式是利用緩存技術(shù)。緩存系統(tǒng)不斷地積累用戶的訪問(wèn)行為信息，通過(guò)緩存替換算法來(lái)動(dòng)態(tài)地優(yōu)化緩存，逐步隱式地形成對(duì)用戶訪問(wèn)規(guī)律的認(rèn)知。無(wú)論是Web、CDN或P2P，都大量地使用了緩存系統(tǒng)以降低數(shù)據(jù)對(duì)象的重復(fù)傳輸、提高用戶的體驗(yàn)。另一種方式是改變網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式和優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚伞榱藢⒛硞€(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到一組接收者，基于單播的傳輸模式將產(chǎn)生大量的重復(fù)傳輸；而網(wǎng)絡(luò)層多播則能避免數(shù)據(jù)在同一鏈路上的重復(fù)傳輸，但目前的網(wǎng)絡(luò)層多播僅支持?jǐn)?shù)據(jù)的同步推送。介于兩者之間則是基于應(yīng)用層多播的折中方案。但是，如果不對(duì)應(yīng)用層多播的拓?fù)浜吐酚杉右詢?yōu)化，可能產(chǎn)生比單播傳輸更多的流量。優(yōu)化的應(yīng)用層多播產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量能介于單播模式和多播模式之間。而如果存在廣播媒介，則能最大程度地降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)。下面對(duì)幾種現(xiàn)有的和正處于實(shí)驗(yàn)階段的內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)加以介紹，著重剖析其為減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸所做的設(shè)計(jì)選擇。

1) CDN

CDN最初被用于緩解中心服務(wù)器的負(fù)載。例如，從abc.com下載的網(wǎng)頁(yè)可能包含圖片、視頻、音頻，或其他高帶寬的多媒體文件。Abc.com的中心服務(wù)器可以只提供最基本的web頁(yè)面，而將瀏覽器重定向到CDN來(lái)獲取頁(yè)面中內(nèi)嵌的多媒體內(nèi)容。CDN在網(wǎng)絡(luò)部署成本和分發(fā)性能之間存在折中。早期的 CDN是一種中心化的模式，即僅在核心的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署服務(wù)器。然而統(tǒng)計(jì)顯示，只有50%的流量是源自互聯(lián)網(wǎng)最大的 35個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的[39]，這表明大量的流量依然要穿越互聯(lián)網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，互聯(lián)網(wǎng)端到端的路徑平均要經(jīng)過(guò) 15個(gè)路由器[30]，因而中心化的模式只能部分緩解流量壓力。高度分布化的 CDN則大幅提高了服務(wù)器覆蓋的廣度，將熱門資源通過(guò) CDN網(wǎng)絡(luò)直接推送到邊緣網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一次傳輸、存儲(chǔ)，多次訪問(wèn)，避免了大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸。當(dāng)然，高度分布化的CDN也對(duì)系統(tǒng)的安全性、管理、擴(kuò)展性和內(nèi)容同步帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2) P2P

早期的P2P技術(shù)著重于降低內(nèi)容提供商的分發(fā)代價(jià)，并不關(guān)心對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的流量沖擊。作為一種應(yīng)用層多播，P2P網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ǔＥc底層物理網(wǎng)絡(luò)失配，使得P2P流量通常以非優(yōu)化的方式傳輸，產(chǎn)生了大量的P2P流量[40～42]。但通過(guò)構(gòu)建位置感知的P2P拓?fù)洌ㄊ箲?yīng)用層拓?fù)渑c底層物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嗥ヅ洌?、在網(wǎng)絡(luò)的邊緣緩存P2P流量、改進(jìn)數(shù)據(jù)調(diào)度算法等手段，可以大幅提高P2P節(jié)點(diǎn)從本地獲取內(nèi)容的概率，從而大幅降低P2P引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量[40～42]。目前，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的TC1的WG4工作組和IETF的 ALTO工作組都在制定基于承載網(wǎng)感知的P2P流量?jī)?yōu)化標(biāo)準(zhǔn)[43,44]，旨在提高應(yīng)用層拓?fù)渑c物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞钠ヅ涠?，大幅降低P2P傳輸對(duì)核心網(wǎng)的流量沖擊。IETF于2010年還成立了DECADE[45]工作組，試圖在網(wǎng)絡(luò)中提供公共的內(nèi)置緩存，將P2P應(yīng)用的控制層和數(shù)據(jù)層分開，通過(guò)開放的協(xié)議允許應(yīng)用可以自主使用和管理緩存，形成一個(gè)可管可控的內(nèi)容分發(fā)平臺(tái)，解決P2P緩存的可擴(kuò)展性問(wèn)題。

3) CCN/NDN

以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)[46]則將緩存從應(yīng)用層拓展到了網(wǎng)絡(luò)層，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行命名，并依據(jù)內(nèi)容標(biāo)識(shí)進(jìn)行尋址和路由。目前，基于這一思路對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行改革的方案已經(jīng)于2010年得到了美國(guó)自然科學(xué)基金委的支持。該方案將內(nèi)容的解析和路由2個(gè)邏輯上獨(dú)立的概念在物理上合為一體，在解析的同時(shí)完成路由。從單次傳輸來(lái)看，NDN實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層的任播(anycast)。內(nèi)容獲取的路徑最優(yōu)性由路由層保證，而不像現(xiàn)在的CDN系統(tǒng)或P2P系統(tǒng)一樣依賴于中間的解析體系來(lái)優(yōu)化定位。更重要的是，由于目前的網(wǎng)絡(luò)層多播缺乏路由器緩存內(nèi)容的支持，只能實(shí)現(xiàn)同步多播，無(wú)法滿足用戶對(duì)內(nèi)容的異步訪問(wèn)需求，而由于在路由器引入了緩存，從群體效應(yīng)來(lái)看，NDN實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層的異步多播。這是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)傳輸模式上的一大革新。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的緩存協(xié)同機(jī)制和替換算法，可以大幅降低網(wǎng)絡(luò)的流量傳輸。

4) 雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)

李幼平院士提出的雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為，為了有效利用人類對(duì)內(nèi)容訪問(wèn)呈現(xiàn)重尾分布規(guī)律這一特征，網(wǎng)絡(luò)需要引入內(nèi)容存儲(chǔ)庫(kù)，用于緩存內(nèi)容。庫(kù)可以存在于終端節(jié)點(diǎn)、邊緣網(wǎng)絡(luò)以及核心網(wǎng)路由器。雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)引入了廣播的傳輸模式。與緩存對(duì)內(nèi)容訪問(wèn)規(guī)律的利用方式不同，廣播顯式地利用了重尾分布這一統(tǒng)計(jì)知識(shí)，將用戶經(jīng)常訪問(wèn)的資源經(jīng)衛(wèi)星通過(guò)廣播媒質(zhì)定期推送到用戶終端。終端通過(guò)對(duì)用戶歷史訪問(wèn)行為挖掘得到的本體代碼對(duì)廣播內(nèi)容進(jìn)行個(gè)性化過(guò)濾。與 CCN類似，雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)也支持網(wǎng)絡(luò)層的緩存，對(duì)于終端未緩存的內(nèi)容，通過(guò)正常的方式請(qǐng)求，一旦路徑上的某個(gè)中間節(jié)點(diǎn)能夠滿足請(qǐng)求，則通過(guò)該節(jié)點(diǎn)來(lái)服務(wù)該請(qǐng)求。但與 CCN不同，雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)建議不改變現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，而是利用IP協(xié)議的選項(xiàng)字段用于標(biāo)識(shí)用戶所需內(nèi)容的本體代碼。雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)依賴于現(xiàn)有的解析體系，如DNS、ALTO[43]等，來(lái)完成資源的優(yōu)化定位，不一定能保證單個(gè)請(qǐng)求的路由最優(yōu)性。但由于引入了緩存，從群體效應(yīng)上看，雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了異步多播的功能。因此，雙結(jié)構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)分別通過(guò)顯式和隱式2種方式利用了人類對(duì)內(nèi)容訪問(wèn)呈現(xiàn)重尾分布規(guī)律這一特征，并充分利用了廣播和多播的傳輸模式，最大程度地降低了熱門內(nèi)容分發(fā)的數(shù)據(jù)流量。

5 結(jié)束語(yǔ)

5.1 其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

數(shù)據(jù)中心是許多大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的后臺(tái)支撐系統(tǒng)，也是互聯(lián)網(wǎng)的一大能耗產(chǎn)業(yè)。針對(duì)數(shù)據(jù)中心目前提出了許多節(jié)能解決方案，其中較為著名的是Google的綠色倡議[47]，它為綠色數(shù)據(jù)中心提供了一整套的解決方案。針對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能技術(shù)主要包括利用虛擬化實(shí)現(xiàn)服務(wù)器按需配置、利用數(shù)據(jù)調(diào)度算法降低數(shù)據(jù)傳輸量、以及復(fù)用現(xiàn)有系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布化的數(shù)據(jù)中心等[48～56]。此外，對(duì)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，降低總的能源開支是它要追求的一個(gè)目標(biāo)。對(duì)那些在不同地區(qū)建有多個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)者，可以依據(jù)電價(jià)的時(shí)空波動(dòng)性設(shè)計(jì)高效的實(shí)時(shí)調(diào)度算法，最小化電源費(fèi)用開支[23,57]。

對(duì)傳統(tǒng)的傳輸層和應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，使其具備能源感知功能，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的又一研究方向。在TCP層，已經(jīng)提出了多種節(jié)能策略，如功能轉(zhuǎn)移、機(jī)會(huì)性休眠、改變 TCP定時(shí)器的粒度、減少重傳次數(shù)等[17]。在應(yīng)用層，也可以讓協(xié)議增加能源感知功能。例如，文獻(xiàn)[58]對(duì)BitTorrent協(xié)議進(jìn)行了修改，使會(huì)話參與節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生時(shí)能進(jìn)入休眠，同時(shí)又不從鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居列表中刪除。

5.2 互聯(lián)網(wǎng)節(jié)能的技術(shù)途徑總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能所采用的技術(shù)途徑大致可分為以下4個(gè)方面。

1) 在硬件和設(shè)備層面，需要支持變頻、休眠和遠(yuǎn)程喚醒機(jī)制。

2) 在傳輸協(xié)議層面，通過(guò)流量感知，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏈路變頻、流量聚合和節(jié)點(diǎn)/鏈路休眠。

3) 在應(yīng)用層面，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存在性代理、控制數(shù)據(jù)通信量或流量特征、提高應(yīng)用的位置感知能力從而降低路由開銷等方式來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)能耗或?yàn)楣?jié)能創(chuàng)造前提條件。

4) 在宏觀層面，可以通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò)流量來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)能耗。一方面，可以顯式或隱式地利用人類對(duì)內(nèi)容訪問(wèn)呈現(xiàn)重尾分布的規(guī)律，利用主動(dòng)推送或緩存等機(jī)制來(lái)降低數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸；另一方面可以改變單播的傳輸方式，以多播或廣播等傳輸方式來(lái)降低數(shù)據(jù)傳輸量。

5.3 研究方向展望

降低互聯(lián)網(wǎng)的能耗已經(jīng)成為了研究界和工業(yè)界的熱點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)能涉及硬件設(shè)備、傳輸協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等多個(gè)層面。目前研究界已經(jīng)提出了多種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)，但這些技術(shù)距離實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路要走。

展望未來(lái)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能將是未來(lái)幾年的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)，主要包括以下幾方面。

1) 需要大范圍改造現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備，使其在設(shè)備和系統(tǒng)層面逼近能耗比例計(jì)算的理念，為協(xié)議層和應(yīng)用層的能源優(yōu)化創(chuàng)造前提條件。

2) 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的高能效計(jì)算問(wèn)題的建模還有待進(jìn)一步細(xì)化，在電源模型、應(yīng)用層性能約束和能源優(yōu)化器3方面都有廣闊的研究空間。例如，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的能效最優(yōu)化經(jīng)常是NP-hard問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)高效的啟發(fā)式算法依然有很廣泛的研究前景；此外，現(xiàn)有的協(xié)同休眠機(jī)制大都依賴于集中式能源優(yōu)化器，而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)分布式的能源優(yōu)化器更具現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

3) 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的節(jié)能需要大量的標(biāo)準(zhǔn)化工作。例如，需要為不同廠商設(shè)備的電源狀態(tài)提供標(biāo)準(zhǔn)化的訪問(wèn)和管理能力，如提供合適的MIB[59]；網(wǎng)絡(luò)存在性服務(wù)器需要對(duì)代理的行為和操作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以支持代理的廣泛部署。

4) 改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議/應(yīng)用程序與能源使用脫離的現(xiàn)狀是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的一個(gè)主要途徑，但這是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)，因?yàn)閷?duì)現(xiàn)有協(xié)議的改造都可能導(dǎo)致意想不到的負(fù)面效應(yīng)。如何有選擇地改造網(wǎng)絡(luò)協(xié)議/應(yīng)用程序，在實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能的同時(shí)盡量避免負(fù)面效應(yīng)，是需要深入研究的問(wèn)題。

5) 探索降低網(wǎng)絡(luò)流量的新機(jī)制的可行性?；ヂ?lián)網(wǎng)用戶對(duì)內(nèi)容的訪問(wèn)呈現(xiàn)異步多播的特征，內(nèi)容分發(fā)機(jī)制是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的一大研究方向。需要深入比較網(wǎng)絡(luò)層緩存和應(yīng)用層緩存方案，更有效地支持異步多播的需求。

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