史湘君,嵩 天

(北京市海量語言信息處理與云計算應用工程技術研究中心，北京理工大學計算機學院,北京 100081)

節(jié)能路由器的動態(tài)調頻策略研究

史湘君,嵩 天

(北京市海量語言信息處理與云計算應用工程技術研究中心，北京理工大學計算機學院,北京 100081)

網絡基礎設施中路由器的電量消耗隨著網絡規(guī)模的不斷發(fā)展已經不容忽視，節(jié)能路由器的研制與使用是綠色通信網絡發(fā)展的重要步驟之一。在分析網絡流量的特點和證明細粒度調頻有巨大節(jié)能潛力的基礎上，設計了可動態(tài)調整頻率的節(jié)能路由器系統(tǒng)架構，重點提出兩類路由器的自動調頻策略：微周期調頻和閾值調頻，深入分析了四種具體調頻方法。結合不同的流量數(shù)據(jù)，通過實驗評估了所提方法在各種網絡中的節(jié)能效果，對接入網絡的真實流量的實驗結果顯示，采用動態(tài)調頻方法，理論上最大節(jié)能可達到40%左右，為節(jié)能路由器的設計與應用提供了參考依據(jù)。

綠色網絡；流量分析；調頻策略；路由器

1 引言

近年來，隨著網絡性能和應用需求的日益提高，電信運營商網絡中的路由設備容量自1994年開始，以每18個月2.5倍的速度不斷增長。同時，對比路由容量和通信量，半導體技術的發(fā)展(如CMOS工藝改進等)獲得的能效改善相對緩慢，能耗效率大約每18個月增長為原來的1.65倍[1]。在總容量發(fā)展速度超過能耗效率且累計差近20年后的今天，網絡設備能耗問題引起了廣泛關注。

全球電子可持續(xù)發(fā)展推進協(xié)會(GeSI)[2]指出,2010年歐洲電信商的整個網絡能源需求大約是21.4 TWh，并且預測到2020年，如果不采用綠色網絡技術，將達35.8 TWh。按照目前的增長趨勢，到2025年網絡通信設備的能耗會達到2006年的13倍[3]。

我國網絡基礎設施能耗也在近幾年迅速增長。據(jù)工信部統(tǒng)計，2008年三大電信運營商消耗的電量約24.1 TWh，合240億人民幣(按照工業(yè)電價計算)。2012年，我國通信業(yè)功耗電量約39.5 TWh，同比增長7.2%，對比2008年[4]，接近增長1倍。

眾所周知，網絡設備為了在使用高峰期提供較高的服務質量，設計有流量冗余，即路由設備提供與設計流量相適應的最大處理能力。在非熱點時間段，實際流量相比設計流量存在冗余。盡管在大部分時間內，實際流量遠遠小于設計的最大流量，但網絡設備的功耗卻由最大值決定。實際應用中存在的流量冗余為節(jié)能路由器提供了設計空間，即通過調節(jié)網絡設備的處理能力，使之與實際流量相適應，實現(xiàn)降低網絡設備能耗的目的。

調節(jié)網絡設備功耗的思路有很多，如根據(jù)流量情況調節(jié)設備處理頻率、調整緩存大小、使閑置的部件休眠等。其中調頻節(jié)能的方法是被學術及產業(yè)界廣泛認可的思路，且英特爾公司已有可調頻的通用處理器面世。因此，本文在對網絡流量的特點進行分析后，提出了幾種調節(jié)設備頻率的節(jié)能策略，并對其有效性進行了驗證。

2 相關工作

由于較之網絡實際流量，網絡設備的處理能力有大量冗余，設備各部分全部開啟并全力工作造成了能耗的極大浪費。在這種情況下，研究人員提出了許多方法，從兩個角度對設備進行調整，一種是關閉閑置的部件或者令其處于睡眠狀態(tài)，另一種是根據(jù)資源的占用情況來進行動態(tài)速率調節(jié)。

在前一類方法中，Gupta M等人[5]提出根據(jù)網絡數(shù)據(jù)包到達的間隔預判端口休眠的方法。隨后在此基礎之上，提出利用緩存來增加休眠時間的方法，即在端口處于休眠狀態(tài)時，到達的數(shù)據(jù)包暫存在緩存器中，直到超過一個閾值后才將端口喚醒。

2010年，標準節(jié)能規(guī)范IEEE 802.3az(Energy Efficient Ethernet，功耗有效以太網，簡稱EEE)[6]獲得批準，該標準規(guī)范了對以太網口進行休眠和動態(tài)喚醒的技術防范。如果硬件設備支持該標準，就可以在網絡處于空閑狀態(tài)的時候降低鏈路兩端的能耗，開始正常傳輸數(shù)據(jù)時則恢復正常供電，從而實現(xiàn)根據(jù)端口的實際流量在全速運行和低功率閑置模式之間轉換。Mancuso V等人[7]的實際測量表明，EEE可以在不少于40%的時間里，為鏈路和網絡接口節(jié)約至少80%的功耗。

Vishwanath A等人[8]探討了路由設備緩存器的功耗情況，提出算法令存儲設備在必要的時候逐級打開，在用不到的時候置于睡眠狀態(tài)。實驗表明，這種動態(tài)開關緩存的方法最多可以節(jié)約整個路由器10%左右的功耗。

在動態(tài)速率調節(jié)方面，Gunaratne C等人[9]研究自適應鏈路率的方法來根據(jù)鏈路利用率動態(tài)調節(jié)鏈路速率。利用輸出緩存的隊列長度與閾值的比較情況和利用率監(jiān)控等方法實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)。該方法在數(shù)據(jù)包的延時只有很小影響的情況下，鏈路80%左右時間都處于低速率狀態(tài)。

Meng W等人[10]提出了一種多頻率調節(jié)方案。他們將緩存的占用量和預先設置的閾值相比較，以此決定設備的頻率。通過實驗驗證了調頻方法的有效性。

此外，部分網絡設備的處理器可以實現(xiàn)一定程度的功耗調節(jié)。

應用在英特爾公司新型CPU芯片上的動態(tài)電壓頻率調整DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)技術[11]可以動態(tài)調整CPU頻率，當CPU使用率低于或接近零的時候動態(tài)降低CPU的倍率，令其工作頻率下降，從而降低電壓、功耗以及發(fā)熱；而一旦監(jiān)測到CPU使用率很高時，立即恢復到原始的速率工作。然而，此項技術只能根據(jù)CPU的負荷強度進行調頻，且其調頻間隔大于10 ms，不能很好地滿足網絡設備的節(jié)能需求。而且，大部分網絡設備并沒有采用通用處理器，因此相關研究十分必要。

綜上技術發(fā)展分析可以看到，以EEE為代表的休眠方法只能降低以太網芯片的功耗，不能降低整個路由器的功耗。而已有的動態(tài)調頻方法所用技術單一，缺乏對網絡真實流量的理解。因此，本文結合動態(tài)調頻技術，提出了四種調頻策略，并用真實流量驗證其有效性。

3 網絡流量和節(jié)能潛力分析

3.1 網絡流量獲取說明

為研究實際網絡流量的共同特點，本文選擇取自于100 Mbps、2.5 Gbps和10 Gbps鏈路的路由器流量，分別代表家庭網絡、接入網絡和核心網絡。其中，100 Mbps流量來自于作者實驗室所用的網絡接入設備，2.5 Gbps和10 Gbps流量均來自于CAIDA網站[12]發(fā)布的真實流量數(shù)據(jù)。

3.2 網絡流量的帶寬占用率

本文利用實驗室出口網絡七天的流量，取其中一個小時的流量進行分析，如圖1所示。其網絡流量不穩(wěn)定，有明顯的振蕩，但總體上鏈路利用率不高。

Figure 1 One hour’s traffic on home router圖1 一個小時家庭網絡流量圖

對于CAIDA網站上發(fā)布的2.5 Gbps流量，取一個小時的單向流量來分析，如圖2所示。可以看到，其網絡流量較之100 Mbps穩(wěn)定許多，只有小幅震蕩，鏈路利用率同樣不高。

Figure 2 One hour’s traffic on access router圖2 一個小時接入網絡流量圖

對于CAIDA網站上發(fā)布的10 Gbps流量，同樣取一個小時的單向流量來分析，如圖3所示?？梢钥吹?，其網絡流量非常穩(wěn)定，但鏈路利用率與其他兩種流量相似，均在較低水平。

Figure 3 One hour’s traffic on core router圖3 一個小時核心網絡流量圖

三種網絡流量的平均速率分別為4.4 Mbps、612 Mbps和3.71 Gbps，它們的平均帶寬占用量如表1所示，分別為4.4%、24.5%和37.1%。由此可以驗證，鏈路的平均利用率處于較低水平，網絡的容量和網絡設備的處理能力遠遠大于網絡的實際流量，這個特點為實現(xiàn)節(jié)能路由器提供了潛在的設計空間。

Table 1 Characteristics of three types of network traffics

3.3 網絡流量的開/關特性

路由器需要以更小的尺度來觀察流量的變化。表面上看分鐘級的調節(jié)設備頻率可以滿足流量的變化，但是從小尺度來分析網絡流量，其表現(xiàn)出的開/關特性促使作者對路由器調頻策略進行更深層次的探討。

在三種網絡流量中，核心網絡是數(shù)據(jù)量最大的，在相同尺度下其體現(xiàn)出的開/關特性最不明顯。以其為例分析討論本文的觀點更具有說服力。

圖4描繪了10 Gbps網絡在不同時間尺度下的開/關特性。圖中的1 μs、10 μs、100 μs和1 ms分別表示檢測數(shù)據(jù)包到達的時間間隔。以1 μs為例，若橫坐標為1時，縱坐標為1，表示第1個以1 μs為時間間隔的周期內，到達的數(shù)據(jù)包數(shù)目為1。在時間間隔為1 μs時，可以看到網絡流量有良好的開/關特性。以10 μs為時間間隔的統(tǒng)計結果顯示，設備不僅可以有開、關兩種狀態(tài)，還可以有很多級別。但是，當時間間隔更大時，不再有這種特性。

Figure 4 ON/OFF features of core router traffic圖4 核心網絡開/關特性圖

如表1所示， 以10 Gbps的核心網絡為例，其流量的平均開/關周期為4.1 μs左右，開、關時間所占的比例約為1∶1.2。這也就是說，平均每4 μs都會有連續(xù)2 μs以上的時間內設備上無流量通過，由此可見，處理器不必一直處于最高頻率來處理數(shù)據(jù)包。100 Mbps的家庭網絡和2.5 Gbps接入網絡的統(tǒng)計數(shù)據(jù)同樣表現(xiàn)出開/關特性，顯示了為路由器設計細粒度調頻策略的巨大潛力。

4 節(jié)能路由器基本結構

在已有的功耗調節(jié)方法中，研究者已通過許多方式令設備節(jié)能，比如當鏈路上無流量的時候關掉以太網端口，或者是根據(jù)需要執(zhí)行的指令數(shù)來決定CPU調頻。這些方法都能在一定程度上為設備節(jié)能，但它們均不能在很好地適應網絡應用場景的情況下達到節(jié)能效果的最優(yōu)化。

本文所在實驗室的付文亮等人[13,14]提出了一種新型的路由結構，允許各功能模塊進行自由的頻率調節(jié)，從而通過更細粒度的頻率調節(jié)實現(xiàn)節(jié)能。這個結構引入了一個調頻仲裁器監(jiān)視系統(tǒng)來進行調頻決策，決策信息可以是輸入緩存隊列的長度、端口的利用率或其他模塊的能耗狀態(tài)。

本文提出的節(jié)能路由器與傳統(tǒng)路由器的最大區(qū)別在于，它可以根據(jù)網絡的實時流量來決定設備的頻率，其邏輯結構如圖5所示。

盡管設備的輸入輸出端有很多端口，但這些并行的通道可以抽象成一條。當輸入流量到達路由器旱，設備的緩存器會將數(shù)據(jù)包緩存在輸入隊列中。然后，處理器以先入先出的方式從緩存中取出數(shù)據(jù)包，根據(jù)其目的地址進行查表轉發(fā)。

Figure 5 Architecture of energy efficient router圖5 節(jié)能路由器結構示意圖

當網絡流量集中時，由于數(shù)據(jù)包在緩存中積攢導致隊列增長，流量與處理能力比較小時，隊列長度減小，甚至緩存清空了。因此，可以利用緩存器中的隊列長度作為路由器調頻的依據(jù)。本文的調頻策略正是基于輸入緩存的占用情況而設計的。

因此，節(jié)能路由器的結構中最重要的一點是增加了調頻決策模塊。這個模塊可以根據(jù)要求，實時或周期性地對輸入緩存隊列進行采樣。其中的調頻決策程序根據(jù)隊列長度的采樣結果和既定的調頻策略，決定處理器接下來的運行頻率。最后，向處理器發(fā)送信號，令其對時鐘頻率進行調整。在這個過程中，為保證讀取數(shù)據(jù)的正確性，硬件需等待若干時鐘周期，以使新的頻率工作正常。

本文在NetFPGA平臺上實現(xiàn)了純硬件的節(jié)能路由器結構，且具備五個頻率級別。實驗表明，該結構可以工作在100 MHz頻率下，任意兩個頻率間的切換時間為20個時鐘周期。即頻率級別的切換可以在0.2 μs完成，相比Intel CPU 10 ms左右的切換周期，該設計更適合應用于網絡設備,為本文設計細粒度的調頻策略提供了現(xiàn)實的保障。

5 調頻策略設計

依據(jù)調頻的觸發(fā)條件不同，調頻策略分為兩類：微周期調頻和閾值調頻。微周期調頻指設備的運行時間被劃分為以微周期為單位，設備在當前周期結束后對緩存進行采樣，然后決定下一個周期的頻率，這個固定的采樣間隔被定義為Δt。閾值方法指設備對緩存的采樣是實時的，頻率的調整是由緩存隊列的實際長度與預先定義的閾值作比較后決定的。

此外，本文在這兩種策略的基礎上，分別擴展出兩類具體的調頻方法，包括微周期類的最低延時策略和最大容忍延時策略，閾值類的單閾值和雙閾值策略。四種調頻策略如表2所示。

Table 2 Classification of frequency scaling strategies

5.1 參數(shù)設計

在調頻模型中所需要的參數(shù)定義如表3所示。

5.2 微周期調頻

微周期的方法引入了一個很小的固定時間間隔Δt，作為對緩存中的隊列長度采樣的周期，調頻策略根據(jù)這個采樣結果進行調頻。

設備調頻都會有一個延遲，假設這個延遲為βΔt。但是，由于每次調頻延遲都會發(fā)生，所以設備在每個頻率上的運行時間都是整數(shù)倍的Δt，如圖6所示。

Table 3 Parameters

Figure 6 Diagram of frequency switch delay圖6 調頻延時示意圖

用Eprocessor來表示處理器的功耗，則在時間T(T=N*Δt)內處理器的功耗可以表示為:

5.2.1 最低延時策略

為了使數(shù)據(jù)包的延時盡量小并且設備頻率不會太高導致浪費，在最低延時策略中根據(jù)每個周期到達的數(shù)據(jù)包處理器的頻率調節(jié)到合適的值，這些頻率恰好可以處理掉上個周期結束時緩存中剩余的數(shù)據(jù)包。則在一個周期結束的t時刻，頻率f(t)對應的功耗p(t)依照如下規(guī)則選擇：

假設上個周期處理器運行的頻率為fi，功耗為pi，那么，

如果，pi=plow,

如果pi=phigh，

5.2.2 最大容忍延時策略

由于設備處于睡眠狀態(tài)時，可以比降低頻率節(jié)約更多的功耗，因此將設備置于睡眠狀態(tài)直到即將到達數(shù)據(jù)包最大可容忍時延，再將頻率調高到相應級別全力處理。

假設數(shù)據(jù)包的最大可容忍延時為αΔt，并且處理器在第r個采樣周期開始時進入到睡眠狀態(tài)，那么處理器可以持續(xù)保持在睡眠狀態(tài)達α-1個采樣周期。第s(s=r+α-1)周期開始時，緩存中的隊列長度可以表示為:

在第s個采樣周期開始時，處理器被喚醒，這時它可以根據(jù)最小延遲的判斷條件來決定該調到哪級頻率運行。之后的過程與最小延遲相似，直到一個采樣周期開始時，l(t)<(1-β)Δt*ahigh，說明其在這個采樣周期內，能處理完之前積攢的數(shù)據(jù)包，那么處理器會在下一個周期開始時再次進入睡眠狀態(tài)，并持續(xù)α-1個周期。

5.3 閾值調頻

在閾值方法中不再設置采樣周期，對緩存中的隊列長度是實時監(jiān)控的。由于隊列長度可以表征網絡流量到達的趨勢，因此可以據(jù)此動態(tài)調節(jié)處理頻率。在這種方法中，設置閾值來檢測網絡流量以決定如何調頻。

網絡流量的變化帶來了緩存隊列長度的改變，以不同的方式設置閾值就形成了不同的調頻策略。總的來說，其隊列長度表達式是相同的:

并且處理器的功耗都可以表示成:

5.3.1 單閾值策略

當處理器運行于低頻率時，網絡流量的增大會使數(shù)據(jù)包在緩存中積累，導致隊列長度增加，此時可以將頻率調到最高，對數(shù)據(jù)包進行迅速的處理；當隊列長度較小時，處理器運行在較低頻率的低功耗狀態(tài)，以維持設備的正常運行。在這種情況下，可以為緩存隊列設置一個閾值Th來決定設備應處于高頻還是低頻。功耗的決策條件如下:

5.3.2 雙閾值策略

為了避免利用單閾值調頻所帶來的調頻振蕩，引入雙閾值來代替上述方法中的單閾值，用高閾值Th_high和低閾值Th_low代替之前的單閾值Th。雙閾值策略的功耗為：

5.4 策略分析

對于上述幾種調頻策略，微周期調頻較之閾值調頻，可以減少頻繁采樣過程中的花費，而后者可以更加敏感地感知流量變化，并及時做出行動來應對。各種調頻策略在控制數(shù)據(jù)包平均時延、節(jié)省功耗等方面各有優(yōu)勢。由于不同的調頻策略對于不同參數(shù)要求的網絡場景有良好的適用性，因此應用時需加以選擇。此外，本文提出的調頻策略也可以擴展到多個頻率級別的調整上，原理同上述方法類似。

6 實驗與分析

假設設備有兩個可調的頻率：高頻和低頻，此外還有一個睡眠狀態(tài)。其中只有最大容忍延時策略會用到睡眠狀態(tài)，其他方法只可在高、低頻率間切換。本實驗旨在比較四種調頻策略(最低延時、最大容忍延時、單閾值和雙閾值)在調頻過程中表現(xiàn)出的不同性能。

6.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設置

以帶寬為2.5 Gbps的接入網絡為例，如表1所列，數(shù)據(jù)包平均包長為656字節(jié)。經計算可知，其最大處理能力約為每10 μs處理5個數(shù)據(jù)包,所以在實驗中，設置調頻間隔的單位時間為10 μs。對于微周期調頻策略，設其采樣周期為10個單位時間，即100 μs，時延方法調頻的最大可容忍延時為50個單位時間。設高頻單位時間可處理5個數(shù)據(jù)包，低頻單位時間可處理1個數(shù)據(jù)包，最大容忍延時策略的睡眠狀態(tài)處理能力為0。路由器在各個頻率下的功耗數(shù)據(jù)可以通過文獻[1]中進行估算，路由器可調頻的部分，如地址查找、轉發(fā)引擎、輸入/輸出和交換結構等，占設備總功耗的49%。所以，睡眠狀態(tài)下，設備的功耗為原來的51%，低頻為60.8%，高頻為100%。

恒定的到達流量設計為每個時間單位到達2個數(shù)據(jù)包，泊松流量的均值等于2，還有取自于2.5 Gbps網絡的實際流量(均值為1.032)。閾值方法中，單閾值設置為15，雙閾值為10和20。按照以上參數(shù)設置編寫模擬器，模擬路由器使用不同策略時表現(xiàn)出的性能。分別輸入三種流量，輸出結果為每種流量下的頻率分布、節(jié)能效果、頻率切換次數(shù)、數(shù)據(jù)包平均延時和緩存隊列平均長度的統(tǒng)計。

6.2 相同流量下不同調頻策略的調頻效果

首先，比較四種調頻策略面對相同輸入流量時的不同調頻情況。以輸入流量為泊松流量時的情況為例，取100個連續(xù)的單位時間的泊松流量，如圖7a所示，橫坐標為連續(xù)的單位時間，縱坐標為每個單位時間到達的數(shù)據(jù)包數(shù)目。

四種調頻策略的調頻情況如圖7b所示，橫坐標為與圖7a相應的100個連續(xù)的單位時間，縱坐標為每個單位時間設備的處理能力，值為5時表示設備處于高頻，值為1時表示設備調到低頻，處理能力為0時表示睡眠狀態(tài)。從圖中可以看到，在最低延時和最大容忍延時策略中，設備的調頻是發(fā)生在采樣周期結束時，即調頻的最小時間間隔為10個單位時間；而閾值策略的調頻是實時的，單閾值策略調頻振蕩十分明顯。

Figure 7 Traffic flow and comparison of four strategies圖7 流量及四種調頻策略比較

6.3 四種策略的能耗對比

從直觀上看到了四種調頻策略在調頻時機和調頻情況上的不同后，接下來，面對恒定流量、泊松流量和實際流量,對四種策略所表現(xiàn)出的不同性能的結果做統(tǒng)計，統(tǒng)計的時長為1 000個單位時間。

Figure 8 Comparison of four strategies distribution of different frequencies in time and power圖8 四種調頻策略的頻率分布和功耗情況比較

從路由器處于高頻與低頻的周期分布情況，可以推測出設備的能耗情況，處于低頻甚至睡眠狀態(tài)的周期數(shù)越多，能耗越小。幾種調頻策略頻率分布的統(tǒng)計結果如圖8a所示。由頻率分布結果和各頻率的功耗參數(shù)，可以計算出四種調頻策略在不同流量下的功耗情況，如圖8b所示。在實驗結果中，可以看到，閾值方法的節(jié)能效果最好，而兩種閾值方法由于具有實時調節(jié)處理能力，無浪費情況，所以功耗情況相同。而微周期方法由于需要通過周期性的采樣來決定調頻，會造成處理能力上的浪費，所以節(jié)能效果稍差。此外，對于實際流量，利用本文提出的調頻策略最多可以為設備節(jié)約將近40%的功耗，這一數(shù)字是相當可觀的。

6.4 四種策略的頻率切換次數(shù)對比

由于設備在頻率切換時，需要讀寫寄存器等額外的操作，一個好的調頻策略應該盡量避免過于頻繁地切換頻率。幾種策略頻率切換次數(shù)的統(tǒng)計結果如圖9所示。

由于最低延時和單閾值策略都對流量有較好的跟隨性，調頻較為積極，所以相比同樣觸發(fā)條件的另一種策略，切換次數(shù)較多。相比之下，最大容忍延時和雙閾值策略很好地緩解了調頻振蕩。其中最大容忍延時策略對于不同流量，均表現(xiàn)出較少的頻率切換。在所有方法中，單閾值調頻振蕩較為明顯。

Figure 9 Comparison of the number of frequency switching for four strategies圖9 四種調頻策略的頻率切換次數(shù)比較

6.5 四種策略的包時延和平均隊列長度對比

四種策略平均包時延和隊列長度的統(tǒng)計結果如圖10所示。

Figure 10 Comparison of the average packet latency and buffer length for four strategies圖10 四種調頻策略的平均包時延和平均隊列長度比較

由于數(shù)據(jù)包到達路由器后緩存在緩存器的隊列中，數(shù)據(jù)包等待被處理的時間越長，隊列的長度也越長，所以二者是呈現(xiàn)相同的趨勢。在四種策略中，最低延時策略保證了數(shù)據(jù)包的平均延時最小，閾值方法在這方面也表現(xiàn)出了較好的性能。由于自身以包時延的代價換取設備盡量多地處于睡眠狀態(tài)的特性，最大容忍延時策略在包延時和隊列長度方面的表現(xiàn)最差。

6.6 綜合比較

從統(tǒng)計結果可知，對于數(shù)據(jù)包時延要求比較高的網絡環(huán)境，幾種策略中的最低延時策略是能保證平均包延時最小情況下的最好的調頻策略。當網絡對于包時延的要求比較低且頻率切換會帶來一定代價的時候，最大容忍延時策略較優(yōu)，因為雖然它不是處于高頻周期數(shù)最少的策略，但是它能令設備有較多的時間處于睡眠狀態(tài)，這樣可以很大程度上節(jié)約能耗。在對數(shù)據(jù)包時延沒有明確要求且頻率切換代價可以忽略不計的情況下，閾值方法可以在保證平均包時延較低的情況下，達到最好的節(jié)能效果。其中，雙閾值調頻方法可以有效緩解單閾值策略帶來的調頻振蕩。

上述統(tǒng)計分析表明了本文提出的幾種調頻策略的有效性。調頻策略的具體選擇要根據(jù)網絡對數(shù)據(jù)包和設備參數(shù)的要求，不同的策略在其相應的應用場景下可以達到較好的節(jié)能效果。

7 結束語

本文通過分析三種網絡的網絡流量，總結出了流量的共同特點，即鏈路平均利用率不高且流量在小尺度下具有開/關特性。在流量分析的基礎上，提出了兩類針對路由器的動態(tài)調頻策略：微周期調頻和閾值調頻，又從兩類策略中細化出四種調頻方法。結合理論流量和真實流量的實驗可以得出如下結論：四種調頻方法均可有效地進行動態(tài)調頻，在包延遲、隊列長度等方面各有特色，且可以進行有效控制；從本文對2.5 Gbps流量的統(tǒng)計中可以得出，節(jié)能比率可以達到40%左右；調頻方法針對理論和真實流量均有較好的效果。

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SHI Xiang-jun,born in 1989,MS candidate,CCF member(E200034432G)，her research interests include network architecture, and green network.

嵩天(1980-),男,遼寧沈陽人，博士，副教授，CCF會員(E200006167S)，研究方向為網絡體系結構。E-mail:songtian@bit.edu.cn

SONG Tian,born in 1980,PhD,associate professor，CCF member(E200006167S),his research interest includes network architecture.

Frequency scaling policies for energy efficient routers

SHI Xiang-jun,SONG Tian
(Beijing Engineering Research Center of Massive Language Information Processing and Cloud Computing Application,School of Computer Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

With the development of the network scale, energy consumption problems of network infrastructures cannot be ignored. Studying and applying energy efficient routers is one of the important steps to develop green network. Based on the analysis of network traffic and the proof of the huge energy saving potential of fine-grained frequency scaling, the system architecture of energy efficient routers is designed, which can dynamically scale the frequency. Two kinds of router frequency scaling strategies are mainly proposed, which are called micro-periodical scaling policy and threshold scaling policy. And four specific frequency scaling methods are analyzed in detail. We simulate the frequency scaling policies under different traffic conditions, analyze the performance of policies under various application scenarios according to the experimental statistical data. The experiments on real traffic of access router show that about 40% of energy can be saved by using our power scaling methods, providing a reference for designing and applying of energy efficient methods on routers.

green networking;flow analysis;frequency scaling policies;router

2013-07-25;

2013-09-28

國家自然科學基金資助項目(61272510,60803002)

1007-130X(2014)03-0433-08

TP393.03

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.03.010

史湘君(1989-),女,天津人，碩士生，CCF會員(E200034432G)，研究方向為網絡體系結構和節(jié)能網絡。E-mail:shixiangjun@bit.edu.cn

通信地址：100081 北京市海淀區(qū)北京理工大學計算機學院

Address:School of Computer Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Haidian District,Beijing 100081,P.R.China