蘇俊基，楊龍祥，朱樂恒

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目日益增多，網(wǎng)絡(luò)能耗隨之增加，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯得越來越臃腫。關(guān)于ICT能耗消耗調(diào)查表明，ICT行業(yè)所消耗的能量占全球總能耗的2%～10%，因此降低能耗意義非凡。為了根本性地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的問題（移動(dòng)性、安全性、能耗等），國(guó)內(nèi)外已經(jīng)啟動(dòng)相關(guān)的研究項(xiàng)目，提出了新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，例如美國(guó)的FIND和GENI項(xiàng)目，歐盟的FP7項(xiàng)目，日本的AKARI項(xiàng)目等。典型的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有DONA（Data-Oriented Network Architecture）、PSIRP（The Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm）、NDN（Named Data Networking）、Open Flow Network和DTN（Delay Tolerant Network）等。

面對(duì)能源緊張的問題，提出降低能耗的方案刻不容緩。休眠機(jī)制是降低能耗的一種方式，將休眠方式應(yīng)用到新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系下，可以達(dá)到節(jié)省能耗的效果，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在一些新型的網(wǎng)絡(luò)中提出相應(yīng)的休眠方案。在DTN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下，參考文獻(xiàn)[1]、[2]提出了EACDS（ExponentialAdaptiveCyclicDifferenceSet system）和MACDS（MultiplicativeAdaptiveCyclicDifferenceSetsystem）兩種休眠算法；參考文獻(xiàn)[3]、[4]提出了將基于時(shí)間接觸的休眠機(jī)制應(yīng)用到算法里，從而降低能耗。在Open Flow Network網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，參考文獻(xiàn)[5]提出了相關(guān)的休眠機(jī)制，選擇根節(jié)點(diǎn)，形成節(jié)點(diǎn)樹，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)和當(dāng)前處于醒著狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系，致相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)休眠。在PSIRP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下，參考文獻(xiàn)[6]、[7]提出了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要性決定關(guān)閉相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入休眠，并且權(quán)衡能耗和延時(shí)之間的關(guān)系。還有其他一些網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠方案，如參考文獻(xiàn)[8]提出了ETE機(jī)制，能量感知以關(guān)閉相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

上述休眠方案當(dāng)中的一些算法是本文介紹的主要內(nèi)容，在研究的過程中，將休眠機(jī)制分為兩大類：節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠和網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠，介紹了DTN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠方案和網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠方案，并進(jìn)行了仿真。

1 節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)時(shí)，能耗的值相同，如圖1所示[9]。休眠是指將處在空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)休眠，以節(jié)省能耗。

圖1 有無休眠的能耗對(duì)比

DTN網(wǎng)絡(luò)屬于新型的網(wǎng)絡(luò)，它的特點(diǎn)是頻繁中斷，長(zhǎng)延時(shí)的連接，這是因?yàn)橐苿?dòng)性、節(jié)點(diǎn)稀疏分布和噪聲等因素的影響。下面介紹DTN網(wǎng)絡(luò)下的休眠方案：EACDS和MACDS[1-2，10]。

介紹EACDS和MACDS之前，首先熟悉DTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，如圖2所示。其中，灰色方格1、2、4等表示節(jié)點(diǎn)醒著的時(shí)隙，5、6、7方格表示節(jié)點(diǎn)休眠的時(shí)隙，在每一個(gè)醒著的時(shí)隙前面加一個(gè)幀讓相鄰節(jié)點(diǎn)能夠偵聽到此節(jié)點(diǎn)。對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，預(yù)先規(guī)定固定長(zhǎng)度為L(zhǎng)s的集合，再以這個(gè)長(zhǎng)度為周期循環(huán)，而之前選取長(zhǎng)度為L(zhǎng)s集合，必須保證此集合任意地循環(huán)移位都會(huì)有一個(gè)重合的、醒著的時(shí)隙。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A和其他的節(jié)點(diǎn)是循環(huán)移位的關(guān)系，只有在某一時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于醒著的狀態(tài)，才具備通信的條件。

圖2 節(jié)點(diǎn)時(shí)隙

EACDS和MACDS的共同點(diǎn)是通過某一種縮放的關(guān)系放大集合的長(zhǎng)度Ls，Ls越大，節(jié)能效果越好。

1.1 EACDS算法

EACDS是基于利用集合的分層方法，能量級(jí)為0的初始差集（P0=I=（υI，kI，λI））被另一個(gè)指數(shù)差集（E=（υE，kE，λE））放大為能量級(jí)1（P1=E?I）的分層集合，接著再次被放大為更高級(jí)別的分層集合 （P2=E2?I），依次類推，最后選擇某一能量級(jí)的P。其中，ν表示框架長(zhǎng)度，k表示活動(dòng)個(gè)數(shù)，λ表示重疊個(gè)數(shù)，?表示Kronecker積。

Kronecker積的定義為：A=（aij） 是m×n的矩陣，B=（bkI） 是p×q的矩陣，A和B的Kronecker積為mp×nq的塊矩陣C=（cαβ）=αijbkl，α=p（i-1）+k，β=q（j-1）+l。

1.2 MACDS算法

MACDS是基于集合的分層方法，與EACDS不同的是用乘子集M=（υM，kM，λM）代替指數(shù)集E，初始集（I）被另外一個(gè)乘子集（M1）縮放，用來創(chuàng)建分層集（P1=M1?I），然后再被另外一個(gè)乘子集M2縮放成另外一個(gè)分層集P2=M2?I。M1，M2， …，Mi都是旋轉(zhuǎn)集合， 滿足：RCP{Mi，Mj}=1。RCP（Rotational Closure Property）表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在所有的循環(huán)移位下都會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)方。對(duì)于集合Ei和集 合Ej，ni≤nj，有 ：

對(duì)于EACDS和MACDS，主要的特點(diǎn)是Pi級(jí)數(shù)越高即Ls長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越能降低能耗。MACDS相對(duì)更加節(jié)能，但是如果在有能量級(jí)需要的情況下，EACDS卻更加實(shí)用。

2 網(wǎng)絡(luò)級(jí)別休眠

不僅僅在DTN網(wǎng)絡(luò)，在其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下也有相關(guān)的休眠機(jī)制，例如PSIRP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、Open Flow Network等。

2.1 PSIRP架構(gòu)下的休眠機(jī)制

這里介紹的休眠算法歸于以下幾個(gè)步驟[6-7]：

（1）檢查每條鏈路的利用率

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，分析鏈路利用率，鏈路利用率超過閾值，增加權(quán)重來減少利用率，鏈路利用率低于閾值，它成為減少權(quán)重的等待者。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排序

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的局部中心度對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排列，這個(gè)序列反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。這一步驟很重要。

（3）關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，滿足下列條件，節(jié)點(diǎn)才能夠進(jìn)入休眠模式。

①與此節(jié)點(diǎn)連接的鏈路沒有流量；

②此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后，其余的節(jié)點(diǎn)仍然可以連接；

③此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后，它所有相鄰節(jié)點(diǎn)可重新連接到網(wǎng)絡(luò)上。

該方案的特點(diǎn)是，對(duì)網(wǎng)絡(luò)元素重要性排列，以及根據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠的條件判斷能否進(jìn)入休眠。

2.2 Open Flow Network下的休眠機(jī)制

Open Flow Network元素有接入節(jié)點(diǎn)、骨干節(jié)點(diǎn)。接入節(jié)點(diǎn)用來連接用戶終端或服務(wù)器，而骨干節(jié)點(diǎn)連接其他節(jié)點(diǎn)。骨干節(jié)點(diǎn)與接入節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入休眠。節(jié)點(diǎn)的休眠、喚醒以及路由路徑的改變步驟如下[5]：

（1）預(yù)先測(cè)量網(wǎng)絡(luò)流量。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)流量的數(shù)量以及決定根節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)=整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量/節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)率。

（3）根據(jù)休眠算法讓節(jié)點(diǎn)休眠或者喚醒。

（4）改變使用醒著節(jié)點(diǎn)的路由路徑，用最短路徑算法來計(jì)算路由路徑。

其中根節(jié)點(diǎn)的選擇是為了形成一個(gè)樹結(jié)構(gòu)的拓?fù)?，從而選取相應(yīng)的休眠等待節(jié)點(diǎn)。按照下面的方法選擇根節(jié)點(diǎn)：

①處理最大流量的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)。

②如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大流量相同，選擇鏈路連接數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)。

休眠算法有以下幾種情況：

（1）醒著的節(jié)點(diǎn)數(shù)目大于傳輸流量所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)。這種情況下，主要又分為兩種：

①當(dāng)前的根節(jié)點(diǎn)和之前選擇的根節(jié)點(diǎn)不同。

（a）從根節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)用最短路徑構(gòu)建一個(gè)訪問樹。這里用Dijkstra算法。

（b）選擇候選的休眠節(jié)點(diǎn)，注意，根節(jié)點(diǎn)與訪問節(jié)點(diǎn)之間的節(jié)點(diǎn)不能休眠，其余的節(jié)點(diǎn)休眠。

（c）從最小流量節(jié)點(diǎn)開始把候選節(jié)點(diǎn)休眠一次，直到醒著的節(jié)點(diǎn)數(shù)量等于所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量或所有候選節(jié)點(diǎn)睡眠。

②當(dāng)前的根節(jié)點(diǎn)與之前的根節(jié)點(diǎn)相同。

當(dāng)前選擇的根節(jié)點(diǎn)與原先選擇的節(jié)點(diǎn)相同，則有相同的訪問樹。然而，如果之前沒有休眠的候選節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可能像上面提到的那樣進(jìn)入休眠。否則，沒有其他操作將被執(zhí)行。

（2）醒著的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于傳輸流量所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)。喚醒休眠中的節(jié)點(diǎn)，順序按照休眠時(shí)的逆序，直到兩者數(shù)目相等。

（3）醒著的節(jié)點(diǎn)數(shù)目等于傳輸流量所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)。沒有節(jié)點(diǎn)需要喚醒或者休眠。

該方案的特點(diǎn)是選擇根節(jié)點(diǎn)構(gòu)建樹，根據(jù)相關(guān)的準(zhǔn)則，選擇休眠等待節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化樹的結(jié)構(gòu)，從而降低能耗。

3 仿真分析

本文采用ns-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具，針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)下的EACDS和MACDS兩種算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)采用Random Way Point移動(dòng)模型，采取的路由協(xié)議是MFlood（洪泛協(xié)議），另外一些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)MACDS和EACDS的原理分析，在仿真中選擇I=（7，3，1），MACDS中的P3=（42，9，1），而EACDS中的P3=（63，12，1）。 如圖3所示，采取休眠方式的能耗明顯比沒采取休眠機(jī)制的能耗低，而MACDS比EACDS方案節(jié)能。

表1 仿真參數(shù)

圖3 仿真時(shí)間對(duì)平均能耗的影響

4 結(jié)論

不同的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下，休眠機(jī)制會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)連通性的問題，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，不接受數(shù)據(jù)報(bào)文，所以要權(quán)衡能耗與網(wǎng)絡(luò)QoS之間的關(guān)系。在未來的工作當(dāng)中，會(huì)對(duì)新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下的主流休眠方案下的能耗和延時(shí)參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化。

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