史湘君,嵩 天

(北京市海量語(yǔ)言信息處理與云計(jì)算應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京 100081)

節(jié)能路由器的動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略研究

史湘君,嵩 天

(北京市海量語(yǔ)言信息處理與云計(jì)算應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京 100081)

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中路由器的電量消耗隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷發(fā)展已經(jīng)不容忽視，節(jié)能路由器的研制與使用是綠色通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要步驟之一。在分析網(wǎng)絡(luò)流量的特點(diǎn)和證明細(xì)粒度調(diào)頻有巨大節(jié)能潛力的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率的節(jié)能路由器系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)提出兩類路由器的自動(dòng)調(diào)頻策略：微周期調(diào)頻和閾值調(diào)頻，深入分析了四種具體調(diào)頻方法。結(jié)合不同的流量數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了所提方法在各種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能效果，對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)流量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用動(dòng)態(tài)調(diào)頻方法，理論上最大節(jié)能可達(dá)到40%左右，為節(jié)能路由器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

綠色網(wǎng)絡(luò)；流量分析；調(diào)頻策略；路由器

1 引言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)性能和應(yīng)用需求的日益提高，電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)備容量自1994年開始，以每18個(gè)月2.5倍的速度不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，對(duì)比路由容量和通信量，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展(如CMOS工藝改進(jìn)等)獲得的能效改善相對(duì)緩慢，能耗效率大約每18個(gè)月增長(zhǎng)為原來的1.65倍[1]。在總?cè)萘堪l(fā)展速度超過能耗效率且累計(jì)差近20年后的今天，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗問題引起了廣泛關(guān)注。

全球電子可持續(xù)發(fā)展推進(jìn)協(xié)會(huì)(GeSI)[2]指出,2010年歐洲電信商的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能源需求大約是21.4 TWh，并且預(yù)測(cè)到2020年，如果不采用綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將達(dá)35.8 TWh。按照目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的能耗會(huì)達(dá)到2006年的13倍[3]。

我國(guó)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施能耗也在近幾年迅速增長(zhǎng)。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2008年三大電信運(yùn)營(yíng)商消耗的電量約24.1 TWh，合240億人民幣(按照工業(yè)電價(jià)計(jì)算)。2012年，我國(guó)通信業(yè)功耗電量約39.5 TWh，同比增長(zhǎng)7.2%，對(duì)比2008年[4]，接近增長(zhǎng)1倍。

眾所周知，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為了在使用高峰期提供較高的服務(wù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)有流量冗余，即路由設(shè)備提供與設(shè)計(jì)流量相適應(yīng)的最大處理能力。在非熱點(diǎn)時(shí)間段，實(shí)際流量相比設(shè)計(jì)流量存在冗余。盡管在大部分時(shí)間內(nèi)，實(shí)際流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的最大流量，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗卻由最大值決定。實(shí)際應(yīng)用中存在的流量冗余為節(jié)能路由器提供了設(shè)計(jì)空間，即通過調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力，使之與實(shí)際流量相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗的目的。

調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗的思路有很多，如根據(jù)流量情況調(diào)節(jié)設(shè)備處理頻率、調(diào)整緩存大小、使閑置的部件休眠等。其中調(diào)頻節(jié)能的方法是被學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)界廣泛認(rèn)可的思路，且英特爾公司已有可調(diào)頻的通用處理器面世。因此，本文在對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的特點(diǎn)進(jìn)行分析后，提出了幾種調(diào)節(jié)設(shè)備頻率的節(jié)能策略，并對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 相關(guān)工作

由于較之網(wǎng)絡(luò)實(shí)際流量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力有大量冗余，設(shè)備各部分全部開啟并全力工作造成了能耗的極大浪費(fèi)。在這種情況下，研究人員提出了許多方法，從兩個(gè)角度對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，一種是關(guān)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(jìn)行動(dòng)態(tài)速率調(diào)節(jié)。

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

2010年，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能規(guī)范IEEE 802.3az(Energy Efficient Ethernet，功耗有效以太網(wǎng)，簡(jiǎn)稱EEE)[6]獲得批準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了對(duì)以太網(wǎng)口進(jìn)行休眠和動(dòng)態(tài)喚醒的技術(shù)防范。如果硬件設(shè)備支持該標(biāo)準(zhǔn)，就可以在網(wǎng)絡(luò)處于空閑狀態(tài)的時(shí)候降低鏈路兩端的能耗，開始正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則恢復(fù)正常供電，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)端口的實(shí)際流量在全速運(yùn)行和低功率閑置模式之間轉(zhuǎn)換。Mancuso V等人[7]的實(shí)際測(cè)量表明，EEE可以在不少于40%的時(shí)間里，為鏈路和網(wǎng)絡(luò)接口節(jié)約至少80%的功耗。

Vishwanath A等人[8]探討了路由設(shè)備緩存器的功耗情況，提出算法令存儲(chǔ)設(shè)備在必要的時(shí)候逐級(jí)打開，在用不到的時(shí)候置于睡眠狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，這種動(dòng)態(tài)開關(guān)緩存的方法最多可以節(jié)約整個(gè)路由器10%左右的功耗。

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

Meng W等人[10]提出了一種多頻率調(diào)節(jié)方案。他們將緩存的占用量和預(yù)先設(shè)置的閾值相比較，以此決定設(shè)備的頻率。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了調(diào)頻方法的有效性。

此外，部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理器可以實(shí)現(xiàn)一定程度的功耗調(diào)節(jié)。

應(yīng)用在英特爾公司新型CPU芯片上的動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)技術(shù)[11]可以動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU頻率，當(dāng)CPU使用率低于或接近零的時(shí)候動(dòng)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(cè)到CPU使用率很高時(shí)，立即恢復(fù)到原始的速率工作。然而，此項(xiàng)技術(shù)只能根據(jù)CPU的負(fù)荷強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)頻，且其調(diào)頻間隔大于10 ms，不能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的節(jié)能需求。而且，大部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并沒有采用通用處理器，因此相關(guān)研究十分必要。

綜上技術(shù)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(wǎng)芯片的功耗，不能降低整個(gè)路由器的功耗。而已有的動(dòng)態(tài)調(diào)頻方法所用技術(shù)單一，缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)真實(shí)流量的理解。因此，本文結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)，提出了四種調(diào)頻策略，并用真實(shí)流量驗(yàn)證其有效性。

3 網(wǎng)絡(luò)流量和節(jié)能潛力分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)流量獲取說明

為研究實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量的共同特點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。其中，100 Mbps流量來自于作者實(shí)驗(yàn)室所用的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，2.5 Gbps和10 Gbps流量均來自于CAIDA網(wǎng)站[12]發(fā)布的真實(shí)流量數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)流量的帶寬占用率

本文利用實(shí)驗(yàn)室出口網(wǎng)絡(luò)七天的流量，取其中一個(gè)小時(shí)的流量進(jìn)行分析，如圖1所示。其網(wǎng)絡(luò)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(gè)小時(shí)家庭網(wǎng)絡(luò)流量圖

對(duì)于CAIDA網(wǎng)站上發(fā)布的2.5 Gbps流量，取一個(gè)小時(shí)的單向流量來分析，如圖2所示?？梢钥吹剑渚W(wǎng)絡(luò)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(gè)小時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)流量圖

對(duì)于CAIDA網(wǎng)站上發(fā)布的10 Gbps流量，同樣取一個(gè)小時(shí)的單向流量來分析，如圖3所示?？梢钥吹?，其網(wǎng)絡(luò)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(gè)小時(shí)核心網(wǎng)絡(luò)流量圖

三種網(wǎng)絡(luò)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(yàn)證，鏈路的平均利用率處于較低水平，網(wǎng)絡(luò)的容量和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際流量，這個(gè)特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)節(jié)能路由器提供了潛在的設(shè)計(jì)空間。

Table 1 Characteristics of three types of network traffics

3.3 網(wǎng)絡(luò)流量的開/關(guān)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(jí)的調(diào)節(jié)設(shè)備頻率可以滿足流量的變化，但是從小尺度來分析網(wǎng)絡(luò)流量，其表現(xiàn)出的開/關(guān)特性促使作者對(duì)路由器調(diào)頻策略進(jìn)行更深層次的探討。

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

圖4描繪了10 Gbps網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)間尺度下的開/關(guān)特性。圖中的1 μs、10 μs、100 μs和1 ms分別表示檢測(cè)數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間間隔。以1 μs為例，若橫坐標(biāo)為1時(shí)，縱坐標(biāo)為1，表示第1個(gè)以1 μs為時(shí)間間隔的周期內(nèi)，到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)目為1。在時(shí)間間隔為1 μs時(shí)，可以看到網(wǎng)絡(luò)流量有良好的開/關(guān)特性。以10 μs為時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，設(shè)備不僅可以有開、關(guān)兩種狀態(tài)，還可以有很多級(jí)別。但是，當(dāng)時(shí)間間隔更大時(shí)，不再有這種特性。

Figure 4 ON/OFF features of core router traffic圖4 核心網(wǎng)絡(luò)開/關(guān)特性圖

如表1所示， 以10 Gbps的核心網(wǎng)絡(luò)為例，其流量的平均開/關(guān)周期為4.1 μs左右，開、關(guān)時(shí)間所占的比例約為1∶1.2。這也就是說，平均每4 μs都會(huì)有連續(xù)2 μs以上的時(shí)間內(nèi)設(shè)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(wǎng)絡(luò)和2.5 Gbps接入網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)同樣表現(xiàn)出開/關(guān)特性，顯示了為路由器設(shè)計(jì)細(xì)粒度調(diào)頻策略的巨大潛力。

4 節(jié)能路由器基本結(jié)構(gòu)

在已有的功耗調(diào)節(jié)方法中，研究者已通過許多方式令設(shè)備節(jié)能，比如當(dāng)鏈路上無流量的時(shí)候關(guān)掉以太網(wǎng)端口，或者是根據(jù)需要執(zhí)行的指令數(shù)來決定CPU調(diào)頻。這些方法都能在一定程度上為設(shè)備節(jié)能，但它們均不能在很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景的情況下達(dá)到節(jié)能效果的最優(yōu)化。

本文所在實(shí)驗(yàn)室的付文亮等人[13,14]提出了一種新型的路由結(jié)構(gòu)，允許各功能模塊進(jìn)行自由的頻率調(diào)節(jié)，從而通過更細(xì)粒度的頻率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這個(gè)結(jié)構(gòu)引入了一個(gè)調(diào)頻仲裁器監(jiān)視系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)頻決策，決策信息可以是輸入緩存隊(duì)列的長(zhǎng)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(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)流量來決定設(shè)備的頻率，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

盡管設(shè)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(dāng)輸入流量到達(dá)路由器旱，設(shè)備的緩存器會(huì)將數(shù)據(jù)包緩存在輸入隊(duì)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(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)。

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

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量集中時(shí)，由于數(shù)據(jù)包在緩存中積攢導(dǎo)致隊(duì)列增長(zhǎng)，流量與處理能力比較小時(shí)，隊(duì)列長(zhǎng)度減小，甚至緩存清空了。因此，可以利用緩存器中的隊(duì)列長(zhǎng)度作為路由器調(diào)頻的依據(jù)。本文的調(diào)頻策略正是基于輸入緩存的占用情況而設(shè)計(jì)的。

因此，節(jié)能路由器的結(jié)構(gòu)中最重要的一點(diǎn)是增加了調(diào)頻決策模塊。這個(gè)模塊可以根據(jù)要求，實(shí)時(shí)或周期性地對(duì)輸入緩存隊(duì)列進(jìn)行采樣。其中的調(diào)頻決策程序根據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度的采樣結(jié)果和既定的調(diào)頻策略，決定處理器接下來的運(yùn)行頻率。最后，向處理器發(fā)送信號(hào)，令其對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)整。在這個(gè)過程中，為保證讀取數(shù)據(jù)的正確性，硬件需等待若干時(shí)鐘周期，以使新的頻率工作正常。

本文在NetFPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了純硬件的節(jié)能路由器結(jié)構(gòu)，且具備五個(gè)頻率級(jí)別。實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)可以工作在100 MHz頻率下，任意兩個(gè)頻率間的切換時(shí)間為20個(gè)時(shí)鐘周期。即頻率級(jí)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(shè)計(jì)更適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,為本文設(shè)計(jì)細(xì)粒度的調(diào)頻策略提供了現(xiàn)實(shí)的保障。

5 調(diào)頻策略設(shè)計(jì)

依據(jù)調(diào)頻的觸發(fā)條件不同，調(diào)頻策略分為兩類：微周期調(diào)頻和閾值調(diào)頻。微周期調(diào)頻指設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間被劃分為以微周期為單位，設(shè)備在當(dāng)前周期結(jié)束后對(duì)緩存進(jìn)行采樣，然后決定下一個(gè)周期的頻率，這個(gè)固定的采樣間隔被定義為Δt。閾值方法指設(shè)備對(duì)緩存的采樣是實(shí)時(shí)的，頻率的調(diào)整是由緩存隊(duì)列的實(shí)際長(zhǎng)度與預(yù)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(chǔ)上，分別擴(kuò)展出兩類具體的調(diào)頻方法，包括微周期類的最低延時(shí)策略和最大容忍延時(shí)策略，閾值類的單閾值和雙閾值策略。四種調(diào)頻策略如表2所示。

Table 2 Classification of frequency scaling strategies

5.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

在調(diào)頻模型中所需要的參數(shù)定義如表3所示。

5.2 微周期調(diào)頻

微周期的方法引入了一個(gè)很小的固定時(shí)間間隔Δt，作為對(duì)緩存中的隊(duì)列長(zhǎng)度采樣的周期，調(diào)頻策略根據(jù)這個(gè)采樣結(jié)果進(jìn)行調(diào)頻。

設(shè)備調(diào)頻都會(huì)有一個(gè)延遲，假設(shè)這個(gè)延遲為βΔt。但是，由于每次調(diào)頻延遲都會(huì)發(fā)生，所以設(shè)備在每個(gè)頻率上的運(yùn)行時(shí)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(diào)頻延時(shí)示意圖

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

5.2.1 最低延時(shí)策略

為了使數(shù)據(jù)包的延時(shí)盡量小并且設(shè)備頻率不會(huì)太高導(dǎo)致浪費(fèi)，在最低延時(shí)策略中根據(jù)每個(gè)周期到達(dá)的數(shù)據(jù)包處理器的頻率調(diào)節(jié)到合適的值，這些頻率恰好可以處理掉上個(gè)周期結(jié)束時(shí)緩存中剩余的數(shù)據(jù)包。則在一個(gè)周期結(jié)束的t時(shí)刻，頻率f(t)對(duì)應(yīng)的功耗p(t)依照如下規(guī)則選擇：

假設(shè)上個(gè)周期處理器運(yùn)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(shí)策略

由于設(shè)備處于睡眠狀態(tài)時(shí)，可以比降低頻率節(jié)約更多的功耗，因此將設(shè)備置于睡眠狀態(tài)直到即將到達(dá)數(shù)據(jù)包最大可容忍時(shí)延，再將頻率調(diào)高到相應(yīng)級(jí)別全力處理。

假設(shè)數(shù)據(jù)包的最大可容忍延時(shí)為αΔt，并且處理器在第r個(gè)采樣周期開始時(shí)進(jìn)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(dá)α-1個(gè)采樣周期。第s(s=r+α-1)周期開始時(shí)，緩存中的隊(duì)列長(zhǎng)度可以表示為:

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

5.3 閾值調(diào)頻

在閾值方法中不再設(shè)置采樣周期，對(duì)緩存中的隊(duì)列長(zhǎng)度是實(shí)時(shí)監(jiān)控的。由于隊(duì)列長(zhǎng)度可以表征網(wǎng)絡(luò)流量到達(dá)的趨勢(shì)，因此可以據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)處理頻率。在這種方法中，設(shè)置閾值來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量以決定如何調(diào)頻。

網(wǎng)絡(luò)流量的變化帶來了緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的改變，以不同的方式設(shè)置閾值就形成了不同的調(diào)頻策略?？偟膩碚f，其隊(duì)列長(zhǎng)度表達(dá)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(dāng)處理器運(yùn)行于低頻率時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量的增大會(huì)使數(shù)據(jù)包在緩存中積累，導(dǎo)致隊(duì)列長(zhǎng)度增加，此時(shí)可以將頻率調(diào)到最高，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行迅速的處理；當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度較小時(shí)，處理器運(yùn)行在較低頻率的低功耗狀態(tài)，以維持設(shè)備的正常運(yùn)行。在這種情況下，可以為緩存隊(duì)列設(shè)置一個(gè)閾值Th來決定設(shè)備應(yīng)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(diào)頻所帶來的調(diào)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(duì)于上述幾種調(diào)頻策略，微周期調(diào)頻較之閾值調(diào)頻，可以減少頻繁采樣過程中的花費(fèi)，而后者可以更加敏感地感知流量變化，并及時(shí)做出行動(dòng)來應(yīng)對(duì)。各種調(diào)頻策略在控制數(shù)據(jù)包平均時(shí)延、節(jié)省功耗等方面各有優(yōu)勢(shì)。由于不同的調(diào)頻策略對(duì)于不同參數(shù)要求的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景有良好的適用性，因此應(yīng)用時(shí)需加以選擇。此外，本文提出的調(diào)頻策略也可以擴(kuò)展到多個(gè)頻率級(jí)別的調(diào)整上，原理同上述方法類似。

6 實(shí)驗(yàn)與分析

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

6.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

以帶寬為2.5 Gbps的接入網(wǎng)絡(luò)為例，如表1所列，數(shù)據(jù)包平均包長(zhǎng)為656字節(jié)。經(jīng)計(jì)算可知，其最大處理能力約為每10 μs處理5個(gè)數(shù)據(jù)包,所以在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置調(diào)頻間隔的單位時(shí)間為10 μs。對(duì)于微周期調(diào)頻策略，設(shè)其采樣周期為10個(gè)單位時(shí)間，即100 μs，時(shí)延方法調(diào)頻的最大可容忍延時(shí)為50個(gè)單位時(shí)間。設(shè)高頻單位時(shí)間可處理5個(gè)數(shù)據(jù)包，低頻單位時(shí)間可處理1個(gè)數(shù)據(jù)包，最大容忍延時(shí)策略的睡眠狀態(tài)處理能力為0。路由器在各個(gè)頻率下的功耗數(shù)據(jù)可以通過文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行估算，路由器可調(diào)頻的部分，如地址查找、轉(zhuǎn)發(fā)引擎、輸入/輸出和交換結(jié)構(gòu)等，占設(shè)備總功耗的49%。所以，睡眠狀態(tài)下，設(shè)備的功耗為原來的51%，低頻為60.8%，高頻為100%。

恒定的到達(dá)流量設(shè)計(jì)為每個(gè)時(shí)間單位到達(dá)2個(gè)數(shù)據(jù)包，泊松流量的均值等于2，還有取自于2.5 Gbps網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際流量(均值為1.032)。閾值方法中，單閾值設(shè)置為15，雙閾值為10和20。按照以上參數(shù)設(shè)置編寫模擬器，模擬路由器使用不同策略時(shí)表現(xiàn)出的性能。分別輸入三種流量，輸出結(jié)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(shí)和緩存隊(duì)列平均長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)。

6.2 相同流量下不同調(diào)頻策略的調(diào)頻效果

首先，比較四種調(diào)頻策略面對(duì)相同輸入流量時(shí)的不同調(diào)頻情況。以輸入流量為泊松流量時(shí)的情況為例，取100個(gè)連續(xù)的單位時(shí)間的泊松流量，如圖7a所示，橫坐標(biāo)為連續(xù)的單位時(shí)間，縱坐標(biāo)為每個(gè)單位時(shí)間到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)目。

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

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

6.3 四種策略的能耗對(duì)比

從直觀上看到了四種調(diào)頻策略在調(diào)頻時(shí)機(jī)和調(diào)頻情況上的不同后，接下來，面對(duì)恒定流量、泊松流量和實(shí)際流量,對(duì)四種策略所表現(xiàn)出的不同性能的結(jié)果做統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的時(shí)長(zhǎng)為1 000個(gè)單位時(shí)間。

Figure 8 Comparison of four strategies distribution of different frequencies in time and power圖8 四種調(diào)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(cè)出設(shè)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(diào)頻策略頻率分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8a所示。由頻率分布結(jié)果和各頻率的功耗參數(shù)，可以計(jì)算出四種調(diào)頻策略在不同流量下的功耗情況，如圖8b所示。在實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)處理能力，無浪費(fèi)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(diào)頻，會(huì)造成處理能力上的浪費(fèi)，所以節(jié)能效果稍差。此外，對(duì)于實(shí)際流量，利用本文提出的調(diào)頻策略最多可以為設(shè)備節(jié)約將近40%的功耗，這一數(shù)字是相當(dāng)可觀的。

6.4 四種策略的頻率切換次數(shù)對(duì)比

由于設(shè)備在頻率切換時(shí)，需要讀寫寄存器等額外的操作，一個(gè)好的調(diào)頻策略應(yīng)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(jì)結(jié)果如圖9所示。

由于最低延時(shí)和單閾值策略都對(duì)流量有較好的跟隨性，調(diào)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(shí)和雙閾值策略很好地緩解了調(diào)頻振蕩。其中最大容忍延時(shí)策略對(duì)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(diào)頻振蕩較為明顯。

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

6.5 四種策略的包時(shí)延和平均隊(duì)列長(zhǎng)度對(duì)比

四種策略平均包時(shí)延和隊(duì)列長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(diào)頻策略的平均包時(shí)延和平均隊(duì)列長(zhǎng)度比較

由于數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器后緩存在緩存器的隊(duì)列中，數(shù)據(jù)包等待被處理的時(shí)間越長(zhǎng)，隊(duì)列的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，所以二者是呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。在四種策略中，最低延時(shí)策略保證了數(shù)據(jù)包的平均延時(shí)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(shí)延的代價(jià)換取設(shè)備盡量多地處于睡眠狀態(tài)的特性，最大容忍延時(shí)策略在包延時(shí)和隊(duì)列長(zhǎng)度方面的表現(xiàn)最差。

6.6 綜合比較

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，對(duì)于數(shù)據(jù)包時(shí)延要求比較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，幾種策略中的最低延時(shí)策略是能保證平均包延時(shí)最小情況下的最好的調(diào)頻策略。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于包時(shí)延的要求比較低且頻率切換會(huì)帶來一定代價(jià)的時(shí)候，最大容忍延時(shí)策略較優(yōu)，因?yàn)殡m然它不是處于高頻周期數(shù)最少的策略，但是它能令設(shè)備有較多的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，這樣可以很大程度上節(jié)約能耗。在對(duì)數(shù)據(jù)包時(shí)延沒有明確要求且頻率切換代價(jià)可以忽略不計(jì)的情況下，閾值方法可以在保證平均包時(shí)延較低的情況下，達(dá)到最好的節(jié)能效果。其中，雙閾值調(diào)頻方法可以有效緩解單閾值策略帶來的調(diào)頻振蕩。

上述統(tǒng)計(jì)分析表明了本文提出的幾種調(diào)頻策略的有效性。調(diào)頻策略的具體選擇要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)包和設(shè)備參數(shù)的要求，不同的策略在其相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景下可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析三種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)流量，總結(jié)出了流量的共同特點(diǎn)，即鏈路平均利用率不高且流量在小尺度下具有開/關(guān)特性。在流量分析的基礎(chǔ)上，提出了兩類針對(duì)路由器的動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略：微周期調(diào)頻和閾值調(diào)頻，又從兩類策略中細(xì)化出四種調(diào)頻方法。結(jié)合理論流量和真實(shí)流量的實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：四種調(diào)頻方法均可有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)頻，在包延遲、隊(duì)列長(zhǎng)度等方面各有特色，且可以進(jìn)行有效控制；從本文對(duì)2.5 Gbps流量的統(tǒng)計(jì)中可以得出，節(jié)能比率可以達(dá)到40%左右；調(diào)頻方法針對(duì)理論和真實(shí)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(yáng)人，博士，副教授，CCF會(huì)員(E200006167S)，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(huì)員(E200034432G)，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和節(jié)能網(wǎng)絡(luò)。E-mail:shixiangjun@bit.edu.cn

通信地址：100081 北京市海淀區(qū)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

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