鄭雪純，楊龍祥

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

虛擬網(wǎng)絡(luò)中的能效優(yōu)化技術(shù)與方法研究

鄭雪純，楊龍祥

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

信息通信技術(shù)的發(fā)展為人們的生活提供了便利，但同時(shí)帶來(lái)了巨大的能源浪費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化允許在共享的物理網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行多個(gè)虛擬資源，大大提高了物理網(wǎng)絡(luò)的能源效率。先前研究工作的主要目標(biāo)是通過(guò)在同一物理資源上供應(yīng)更多的虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，最小化物理資源花費(fèi)的成本，從而最大化ISP的收益。目前，已有研究人員將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于虛擬網(wǎng)絡(luò)，提出改善基于成本的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射(VNE)算法，旨在降低能耗。文中主要對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的能效優(yōu)化技術(shù)和方法進(jìn)行研究，包括休眠機(jī)制、動(dòng)態(tài)適應(yīng)、比例計(jì)算、選擇性連接和網(wǎng)元等級(jí)化，分析了虛擬網(wǎng)絡(luò)映射中的能效優(yōu)化。重點(diǎn)研究了能量感知VNE，并展望未來(lái)的研究工作和面臨的挑戰(zhàn)。

虛擬網(wǎng)絡(luò)；能源效率；虛擬網(wǎng)絡(luò)映射；能量感知

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，能耗問(wèn)題日益突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的Akamai，世界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商之一，每年消耗約1 000萬(wàn)美元的電力成本。在中國(guó)，中國(guó)移動(dòng)通信公司在2011年消耗了13 TWH的功率。意大利電信的能源消耗在意大利排名第二，每年消耗超過(guò)2 TWH，這相當(dāng)于6.6萬(wàn)個(gè)家庭一年內(nèi)的消耗總量[1]。因此，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗成為急需解決的重要問(wèn)題。

ISP的傳統(tǒng)范式是在一個(gè)服務(wù)器中運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用程序，故而浪費(fèi)了網(wǎng)絡(luò)資源，也消耗了過(guò)多的能源。網(wǎng)絡(luò)虛擬化是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的重要技術(shù)，是允許在共享的物理網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行多個(gè)虛擬資源的關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)的虛擬化可以提高物理網(wǎng)絡(luò)的能源效率，主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，虛擬化使合并技術(shù)成為可能。也就是說(shuō)，在同一物理資源上可以容納多個(gè)虛擬資源;另一方面，可以通過(guò)移動(dòng)虛擬資源在底層網(wǎng)絡(luò)上的位置，來(lái)平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載[2]。虛擬化技術(shù)可以在較少數(shù)量的機(jī)器上運(yùn)行較多的應(yīng)用程序，減少了執(zhí)行應(yīng)用程序的硬件，從而節(jié)約了硬件的能耗。

目前，已有研究工作者將綠色網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)引入虛擬網(wǎng)絡(luò)，并相繼提出了自適應(yīng)速率技術(shù)[3]、流量聚合機(jī)制[4]、休眠機(jī)制[5]、功率控制[6]等網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法。事實(shí)上，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中能源的利用率仍然很低。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是針對(duì)最大流量負(fù)載或者最壞情況而設(shè)計(jì)的，在正常情況下會(huì)大大浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源[7]。已有研究人員認(rèn)識(shí)到，虛擬網(wǎng)絡(luò)映射(VNE)必須考慮能源效率這一因素，并提出能量感知的映射算法。

文中主要對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的能效優(yōu)化技術(shù)和方法進(jìn)行研究，并展望了未來(lái)的研究工作。

1 節(jié)能技術(shù)分級(jí)模型

從應(yīng)用的層面，文中將節(jié)能技術(shù)分為設(shè)備級(jí)、器件級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)技術(shù)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，不同的節(jié)能技術(shù)之間可以相互交織和組合，不是完全獨(dú)立的。

1.1 設(shè)備級(jí)節(jié)能技術(shù)

設(shè)備級(jí)技術(shù)應(yīng)用于一組設(shè)備或一個(gè)模塊，如光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、緩存服務(wù)器等。

(1)光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：這項(xiàng)技術(shù)的目的是將能效優(yōu)化的光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的傳輸接口和/或開關(guān)中。光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有Tbps甚至更高的容量，從而極大地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能源消耗。尤其是光分組交換網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵谠摼W(wǎng)絡(luò)中不用進(jìn)行光和電之間的轉(zhuǎn)換。問(wèn)題是，在大的網(wǎng)絡(luò)和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，它是難以實(shí)現(xiàn)的。

(2)緩存服務(wù)器：這項(xiàng)技術(shù)可以將重要的或是常被使用的內(nèi)容緩存起來(lái)，從而減少不必要的流量，尤其適用于緩存內(nèi)容具有很高的利用頻率的時(shí)候。但是問(wèn)題在于，使用頻率低時(shí)，緩存服務(wù)器仍要頻繁地接入到原始服務(wù)器來(lái)檢査內(nèi)容的可用性，從而消耗不必要的能量。所以，有必要制定一個(gè)策略，可以根據(jù)緩存內(nèi)容的命中率來(lái)確定是否緩存，從而減少能耗。

1.2 器件級(jí)節(jié)能技術(shù)

器件級(jí)技術(shù)多應(yīng)用于電子層設(shè)備，如多核中央處理單元(CPU)、時(shí)鐘門控、高級(jí)功率放大器(APA)等。

(1)CPU：根據(jù)電子設(shè)備的硬件特性可知，使用單個(gè)高規(guī)格CPU會(huì)比使用多個(gè)低規(guī)格CPU消耗更多的能源。而且，多核CPU可以動(dòng)態(tài)地同時(shí)控制時(shí)鐘和睡眠模式，從而大大節(jié)約能源。

(2)時(shí)鐘門限：電源感知的時(shí)鐘門限技術(shù)可以在沒(méi)有任務(wù)時(shí)，使電路和時(shí)鐘停止供應(yīng)。時(shí)鐘停止供應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)約的能源就越多。電源感知虛擬內(nèi)存技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求和使用量，控制活躍的內(nèi)存。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的讀寫存儲(chǔ)器就運(yùn)用了這一技術(shù)。

(3)APA：在無(wú)線通信中，單功率放大器占了基站總功耗的一大部分。APA技術(shù)是一種應(yīng)用在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基站中，能高度改善效率的功率放大器，可以降低能源的消耗。

1.3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)級(jí)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，比如光突發(fā)交換，能源消耗感知的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，能量消耗為基礎(chǔ)的路由/交通工程等。

(1)光突發(fā)交換：在核心路由器，光突發(fā)交換可以大大減少能耗。其主要技術(shù)特點(diǎn)是，邊緣路由器把數(shù)據(jù)包聚合成突發(fā)數(shù)據(jù)流，這一機(jī)制可以減少核心路由器計(jì)算數(shù)據(jù)包包頭的操作量。與光分組交換網(wǎng)絡(luò)相比，光突發(fā)交換明顯減少了處理器的操作，節(jié)約了核心網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。但是，該技術(shù)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)性能受到突發(fā)組裝機(jī)制的影響。

(2)基于能源消耗的路由/流量工程：該節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)是，通過(guò)控制流量路由來(lái)使得網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的能耗大大下降。它的前提是假設(shè)在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中都能實(shí)現(xiàn)睡眠模式或ALR/DVS功能。在使用睡眠控制技術(shù)時(shí)，基于能源消耗的路由/流量工程這一技術(shù)把流量聚合到一組路由里，同時(shí)可以將未被使用的節(jié)點(diǎn)或鏈路調(diào)節(jié)到睡眠模式，從而節(jié)約了不必要的能源消耗[8]。

2 低能耗虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的節(jié)能方法

文中在研究低能耗虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的節(jié)能方法時(shí)，主要介紹以下5種：休眠機(jī)制、動(dòng)態(tài)適應(yīng)、比例計(jì)算、選擇性連接和網(wǎng)元排名。這些節(jié)能方法不是完全獨(dú)立的。在實(shí)際應(yīng)用中，這些節(jié)能方法是相互結(jié)合和滲透的，任何一個(gè)節(jié)能方案的實(shí)施都包括兩種甚至以上的節(jié)能方法。

2.1 休眠機(jī)制

休眠這一節(jié)能方法基于電源管理，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者鏈路或它們的一部分模塊幾乎完全關(guān)閉，使其進(jìn)入低能量狀態(tài)，并凍結(jié)它們所有的功能，從而節(jié)約能源。因此，休眠狀態(tài)也是較深程度的空閑狀態(tài)，具有更高能量?jī)?chǔ)蓄和更多喚醒時(shí)間的特征。隨著休眠機(jī)制在虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)能中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已經(jīng)提出了相應(yīng)的休眠方案和算法，比如Energy-Aware、EACDS、MACDS等等[9]。

這種能量感知方法的主要問(wèn)題是，當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序和服務(wù)的共同目標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，它們通常要一直處于完全可用的狀態(tài)。具體地說(shuō)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備(或它的一部分)處于休眠狀態(tài)時(shí)，它的應(yīng)用和服務(wù)會(huì)停止工作，那么該設(shè)備就失去了網(wǎng)絡(luò)連接性。它不能維持網(wǎng)絡(luò)連接，也不能應(yīng)答應(yīng)用和服務(wù)的特殊消息。而且，設(shè)備醒來(lái)后必須通過(guò)發(fā)送不可輕視的數(shù)量的信號(hào)來(lái)重新初始化它的應(yīng)用和服務(wù)。就比如，盡管PC有電源管理的功能(允許臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器快速進(jìn)入休眠和節(jié)能模式)，但網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用程序經(jīng)常對(duì)其造成干擾。這是因?yàn)楝F(xiàn)在的個(gè)人計(jì)算機(jī)一旦進(jìn)入休眠模式，就會(huì)丟失TCP連接、局域網(wǎng)廣播服務(wù)等。這就是為什么，即使一些連網(wǎng)計(jì)算機(jī)和服務(wù)器的資源沒(méi)有被用戶使用，它們也必須處于完全供電狀態(tài)。這很大程度上是因?yàn)?，遠(yuǎn)程用戶和其他計(jì)算機(jī)需要一直訪問(wèn)它們共享的資源。

對(duì)此，克里斯坦森和諾德曼在文獻(xiàn)[10]等相關(guān)文獻(xiàn)中實(shí)現(xiàn)了該場(chǎng)景的能源效率增強(qiáng)功能。詳細(xì)點(diǎn)說(shuō)，維持網(wǎng)絡(luò)持續(xù)連接的解決方案是，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，它要將網(wǎng)絡(luò)在場(chǎng)的消息傳輸給“代理”，也就是網(wǎng)絡(luò)連接代理(NCP)。

如圖1所示，NCP是為主機(jī)處理ARP、ICMP、DHCP和其他低層網(wǎng)絡(luò)連接任務(wù)的代理。NCP必須能夠維持TCP連接和UDP數(shù)據(jù)流，并響應(yīng)應(yīng)用的消息。因此，這類代理的主要目標(biāo)是當(dāng)通信設(shè)備休眠時(shí)，對(duì)“例行”的網(wǎng)絡(luò)流量做出反應(yīng)，當(dāng)且僅當(dāng)確實(shí)必要時(shí)喚醒設(shè)備。NCP和進(jìn)入休眠的設(shè)備要交換兩種消息：

(1)特殊應(yīng)用：這些消息用來(lái)向NCP注冊(cè)休眠主機(jī)的應(yīng)用和服務(wù)，包含應(yīng)用連接描述以及應(yīng)用程序“例行”消息；

(2)喚醒/休眠：當(dāng)主機(jī)進(jìn)入休眠時(shí)，需要這類消息來(lái)觸發(fā)NCP；當(dāng)NCP收到一條需要主機(jī)處理的消息時(shí)，需要這類消息來(lái)喚醒主機(jī)[11]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)連接代理服務(wù)器的實(shí)例

2.2 動(dòng)態(tài)適應(yīng)

動(dòng)態(tài)適應(yīng)是旨在根據(jù)當(dāng)前的流量負(fù)荷和服務(wù)要求，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源的能力(例如鏈路帶寬、數(shù)據(jù)包處理引擎的計(jì)算能力等)的節(jié)能方法。這種方法通常建立在由硬件水平提供的兩種主要的電源管理功能，即功耗縮放和空閑邏輯。然而，如今大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不包括這樣的硬件水平。

功耗縮放技術(shù)可以動(dòng)態(tài)地減小處理引擎或鏈路接口的工作速率。實(shí)現(xiàn)這一功能的方式有調(diào)整時(shí)鐘頻率、處理器電壓，或限制CPU時(shí)鐘。例如，CMOS的功率消耗可以大致表示為：

P=CV2f

其中，P是浪費(fèi)的功率;C是CMOS的電容;V和f分別是電壓和工作頻率。

值得一提的是，為了使CMOS正常工作，V和f需要成正比。顯然，降低工作頻率，或降低處理器的電壓，或限制時(shí)鐘，都可以降低能耗和散熱，但代價(jià)是系統(tǒng)性能變慢。

空閑邏輯技術(shù)降低能耗的方式，是當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有活動(dòng)體需要執(zhí)行時(shí)快速關(guān)閉子組件，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)新的活動(dòng)時(shí)重新喚醒它們。

為了使系統(tǒng)性能適應(yīng)當(dāng)前工作負(fù)載的要求，這兩個(gè)能量感知的功能可以被聯(lián)合采用。在通用計(jì)算系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先選擇一些可行和穩(wěn)定配置的HW，使HW執(zhí)行空閑邏輯和功耗縮放方案，盡可能地實(shí)現(xiàn)能量消耗和性能狀態(tài)之間的折衷和平衡。

如圖2所示，功耗縮放(見圖2(c))顯然延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)包服務(wù)時(shí)間(即處理引擎處理數(shù)據(jù)包頭的時(shí)間， 鏈路

圖2 數(shù)據(jù)包服務(wù)時(shí)間和能耗

接口傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)間)，僅采用空閑邏輯(見圖2(b))，由于喚醒時(shí)間的緣故，會(huì)給數(shù)據(jù)包服務(wù)造成時(shí)間延遲。

如圖2(d)所示，這兩種能量感知技術(shù)的結(jié)合，可能不會(huì)帶來(lái)顯著的能源收益。這是因?yàn)?，功耗縮放導(dǎo)致延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)包服務(wù)時(shí)間，從而縮短了空閑時(shí)間。因此，有必要生成一個(gè)優(yōu)化策略，這個(gè)策略可以根據(jù)評(píng)估的工作負(fù)荷和服務(wù)需求，配置和控制這兩種能量感知功能的使用和狀態(tài)。在現(xiàn)成的計(jì)算系統(tǒng)中，這種優(yōu)化策略通常是作為一個(gè)軟件應(yīng)用被開發(fā)的。關(guān)于優(yōu)化政策，為了可以評(píng)估當(dāng)前工作量和最佳控制網(wǎng)絡(luò)性能和能耗之間的平衡，有相關(guān)的學(xué)者已經(jīng)提出幾種方法。然而，這些方法都需要大量的計(jì)算來(lái)推導(dǎo)出最優(yōu)策略和評(píng)估目前的工作量，這在任何情況下都是不可能的[11]。

2.3 比例計(jì)算

比例計(jì)算是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)能耗等級(jí)以適應(yīng)業(yè)務(wù)量需求的大小。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和自適應(yīng)鏈路速率(ALR)是比例計(jì)算的兩個(gè)典型應(yīng)用，其中DVS是根據(jù)節(jié)點(diǎn)CPU的利用率調(diào)節(jié)CPU電壓，ALR則是通過(guò)鏈路的利用率來(lái)調(diào)節(jié)鏈路帶寬。比例計(jì)算這一節(jié)能方法可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。資源整合指，在無(wú)業(yè)務(wù)量的情況下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用比例計(jì)算節(jié)能方法的一個(gè)特例。

DVS是比例計(jì)算在設(shè)備CPU上的一種應(yīng)用技術(shù)。它可以在流量較低時(shí)，把CPU、線卡、網(wǎng)卡等的轉(zhuǎn)發(fā)能力降低。在DVS中，設(shè)備的CPU可以自動(dòng)切換到合適的電壓等級(jí)上以適應(yīng)不同的需求大小。通過(guò)調(diào)節(jié)CPU時(shí)鐘頻率、提供不同的CPU容量來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變化。CPU電壓、CPU容量和設(shè)備能耗三者之間大致符合線性的關(guān)系，可以認(rèn)為一個(gè)CPU電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)CPU容量等級(jí)和一個(gè)設(shè)備能耗等級(jí)。

ALR是比例計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)鏈路中的一種應(yīng)用技術(shù)，ALR通過(guò)檢測(cè)持續(xù)數(shù)據(jù)包發(fā)送之間的時(shí)間間隔，可以根據(jù)鏈路利用率來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)鏈路速率。在很大程度上，可以認(rèn)為以太網(wǎng)中鏈路的能耗與鏈路的利用率是無(wú)關(guān)的。雖然在鏈路處于空閑狀態(tài)時(shí)，鏈路仍然會(huì)持續(xù)地發(fā)送大量無(wú)意義的數(shù)據(jù)包以保持同步，但是它造成的能耗與非空閑時(shí)相差無(wú)幾。可以得出，鏈路的能耗主要是由設(shè)定的帶寬大小來(lái)決定的，實(shí)際的負(fù)載并不會(huì)對(duì)其造成影響。根據(jù)鏈路的利用率情況，ALR可以將鏈路調(diào)節(jié)到最合適的帶寬等級(jí)以實(shí)現(xiàn)鏈路能耗的自適應(yīng)。

在比例計(jì)算中，根據(jù)業(yè)務(wù)量需求的大小，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和鏈路可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)至最合適的能耗等級(jí)。因此，設(shè)備的能耗可以在多個(gè)等級(jí)離散區(qū)間內(nèi)變化，這使在比例計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中能耗需要多個(gè)階梯型函數(shù)來(lái)表示。顯然，傳統(tǒng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的數(shù)學(xué)模型已不能滿足這一需求，必須對(duì)此提出新的數(shù)學(xué)模型[12]。

2.4 選擇性連接

選擇性連接是指處于空閑狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以在不丟失網(wǎng)絡(luò)連接的前提下，進(jìn)入休眠狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單工作全部交由相關(guān)的外部設(shè)備代理完成[12]。

有選擇地連接終端系統(tǒng)可以管理網(wǎng)絡(luò)連接性，響應(yīng)內(nèi)部或外部事件。從而它們可以預(yù)測(cè)連接變化，并給出相應(yīng)的反應(yīng)。例如，當(dāng)終端系統(tǒng)僅僅通過(guò)知道它們要移動(dòng)到有底兩層連接性的區(qū)域，就可以預(yù)測(cè)出連接丟失。因此，選擇性連接這一節(jié)能方法在不犧牲主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的位置的前提下，允許主機(jī)進(jìn)入休眠，從而節(jié)約大量能源。

終端系統(tǒng)的電源管理有三種不同的狀態(tài)：開啟、關(guān)閉和休眠。以此類推到網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)被分為三類：有連接、無(wú)連接以及在選擇連接模式下操作。端系統(tǒng)可以在進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)不丟失其在網(wǎng)絡(luò)中的位置。然而有時(shí)候，端系統(tǒng)需要從休眠狀態(tài)蘇醒過(guò)來(lái)，執(zhí)行一些特定的任務(wù)。具體解決方案如下所示：

(1)助手：助手是一種在主機(jī)休眠時(shí)協(xié)助主機(jī)執(zhí)行相關(guān)操作的通用機(jī)制。例如，助手可以通過(guò)代表主機(jī)響應(yīng)保持存活的消息，來(lái)維持主機(jī)的可連接性。

(2)使選擇性連接暴露：為了方便能源管理，端系統(tǒng)之間最好能清楚地知道彼此的狀態(tài)。也就是說(shuō)，主機(jī)可以根據(jù)協(xié)議棧的不同層，來(lái)暴露自己的連接等級(jí)。當(dāng)主機(jī)想要建立通信時(shí)，會(huì)通知相應(yīng)的同伙。例如，當(dāng)主機(jī)試圖與一個(gè)進(jìn)入休眠的主機(jī)建立通信時(shí)，它會(huì)被誘發(fā)進(jìn)入休眠模式。

(3)基于主機(jī)的控制：端系統(tǒng)可以控制網(wǎng)絡(luò)中的其他端系統(tǒng)如何來(lái)響應(yīng)它的選擇性連接。一個(gè)主機(jī)無(wú)論什么時(shí)候進(jìn)入選擇性連接模式，它都有必要將自己的任務(wù)委派給其他參與者[13]。

2.5 網(wǎng)元等級(jí)化

為了有效地選出關(guān)閉的網(wǎng)元，根據(jù)網(wǎng)元在網(wǎng)絡(luò)中的重要性給它們排等級(jí)是很重要的。這可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蛲ㄟ^(guò)網(wǎng)元的流量大小做出判斷。

使用最廣泛的、基于排名的拓?fù)溆校褐行亩?、中介中心度、接近中心性、特征向量中心性。中心度表示連接到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路條數(shù)。中介中心度表示節(jié)點(diǎn)所參與的最短路徑的數(shù)量。接近中心性給出了一個(gè)節(jié)點(diǎn)和其他所有節(jié)點(diǎn)的距離的平均值。具有接近中心性最小值的節(jié)點(diǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)更重要。最后，特征向量中心表示節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的影響力，可以通過(guò)考慮節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)的重要性級(jí)別來(lái)判斷。問(wèn)題是，基于排等級(jí)的流量大小僅僅考慮了從該網(wǎng)元路由出的流量[13]。

3 能效優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射

3.1 技術(shù)背景

近幾年來(lái)，VNE受到了越來(lái)越多的重視。先前研究工作的主要目標(biāo)是通過(guò)在同一物理資源上供應(yīng)更多的虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，最小化物理資源花費(fèi)的成本，從而最大化ISP的收益。然而，卻忽略了虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的能耗。如果VNE的主要目標(biāo)變?yōu)樽钚』芎?，物理網(wǎng)絡(luò)就可以根據(jù)當(dāng)前流量需求而不是峰值需求來(lái)設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)約能源。

為了提高VNE算法的能源效率，有必要從物理網(wǎng)絡(luò)消耗能量的組件著手。文獻(xiàn)[2]提出，大部分消耗的能量歸因于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(比如網(wǎng)絡(luò)中的路由器)，而不是鏈路。

所以，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能耗的焦點(diǎn)可以放在如何最小化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功率消耗。文中著眼于以下4種方法：

(1)在滿足虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的前提下，將盡可能多的虛擬節(jié)點(diǎn)映射到一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)，然后把未被利用的物理節(jié)點(diǎn)關(guān)閉；

(2)把多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)映射到已動(dòng)態(tài)運(yùn)行的物理節(jié)點(diǎn)。從而最大化無(wú)任何負(fù)載節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，通過(guò)休眠或關(guān)閉這些節(jié)點(diǎn)達(dá)到節(jié)能的目的；

(3)盡量避免節(jié)點(diǎn)功能單一化，比如說(shuō)，一部分物理節(jié)點(diǎn)是純粹用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，即使不作為工作節(jié)點(diǎn)，它們?nèi)匀恍枰３诌\(yùn)行；

(4)底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是分布式部署，不同位置的節(jié)點(diǎn)消耗的電力成本也是不同的，而且會(huì)隨時(shí)間進(jìn)行波動(dòng)變化。優(yōu)先選擇功率消耗低和電力代價(jià)小的節(jié)點(diǎn)來(lái)映射，也有助于系統(tǒng)節(jié)能。

3.2 能量感知的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射

在文獻(xiàn)[14]中，有研究學(xué)者考慮了虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的能源效率問(wèn)題，在映射中采用資源整合的節(jié)能模式，提出多目標(biāo)決策的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射能耗模型，設(shè)計(jì)了基于最小化運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量的能量感知映射算法。該算法可以在不影響虛擬網(wǎng)絡(luò)映射性能的情況下，把虛擬網(wǎng)絡(luò)資源映射在有限的節(jié)點(diǎn)和鏈路集合，主動(dòng)把未被使用的底層節(jié)點(diǎn)和鏈路休眠，有效節(jié)約系統(tǒng)能耗。

ISP應(yīng)該根據(jù)映射目標(biāo)來(lái)選擇相應(yīng)的VNE方案。文獻(xiàn)[14]比較了基于成本VNE和能量感知VNE(VNE-EA)在四個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)上的差別，這四個(gè)指標(biāo)分別是不活動(dòng)鏈路的百分比、不活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的百分比、物理網(wǎng)絡(luò)成本以及虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求(VNRs)的接收率，得到以下結(jié)果：

(1)VNE-EA方案在低負(fù)荷(比如夜間流量)時(shí)可以大大節(jié)約能源，在高負(fù)荷時(shí)兩個(gè)方案的能源收益差別幾乎可以忽略不計(jì)。

(2)VNE-EA花費(fèi)了更多的映射成本，這是因?yàn)閂NE-EA試圖將幾乎全部的VNR映射到最少數(shù)量的活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而忽略了映射成本。

(3)在低流量負(fù)荷時(shí)段，兩種VNE的VNRs接收率幾乎相同。因此，在這個(gè)時(shí)段，VNE-EA允許網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重新規(guī)劃，從而可以在節(jié)約大量能耗的同時(shí)維持幾乎不變的VNRs接收率。

能量感知的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的問(wèn)題是，該方案假設(shè)網(wǎng)絡(luò)資源的能耗是均勻的，但這個(gè)假設(shè)并不現(xiàn)實(shí)。而且，有研究總結(jié)，隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷的增大，該解決方案會(huì)大大增加映射成本，還會(huì)產(chǎn)生通信時(shí)延，還會(huì)增加映射成本。所以一般情況下，要充分權(quán)衡這些因素[15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中首先從應(yīng)用的層面，將節(jié)能技術(shù)分級(jí)為器件級(jí)、設(shè)備級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)技術(shù)。然后，較為詳細(xì)地分析了低能耗虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的節(jié)能方法，包括休眠機(jī)制、動(dòng)態(tài)適應(yīng)、比例計(jì)算、選擇性連接和網(wǎng)元等級(jí)化。接著，研究了能效優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射，重點(diǎn)介紹了能量感知VNE。最后，展望了該課題在未來(lái)的研究工作和挑戰(zhàn)。

(1)未來(lái)的研究工作包括，擴(kuò)展當(dāng)前的能耗模型，將資源負(fù)載和能耗的依賴關(guān)系考慮在內(nèi)。評(píng)估應(yīng)該既要包括隨機(jī)生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，還要包括切合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性還應(yīng)進(jìn)一步評(píng)估，在虛擬資源請(qǐng)求的量超過(guò)可用的物理資源的數(shù)量(過(guò)載)情況下，測(cè)試算法。

(2)未來(lái)的研究可側(cè)重于在合理的時(shí)間內(nèi)，提供最優(yōu)化的啟發(fā)式能量感知策略。需要注意的是，在使用節(jié)能的VNE解決方案時(shí)，要盡量避免拒絕VNRs。此外，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載的依賴性也是不可忽視的。當(dāng)前ISP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是按等級(jí)劃分的，底層的網(wǎng)元的能耗較低，頂層的網(wǎng)元的能耗偏高。

(3)綠色的ICT信息通信技術(shù)設(shè)備最近有了新的發(fā)展，它的能耗取決于負(fù)載，這可以作為未來(lái)能量感知VNE的研究課題。

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Research on Energy-efficient Technology and Approach for Virtual Network

ZHENG Xue-chun,YANG Long-xiang

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

The development of information communication technology brings not only convenience to people’s life,but also great energy consumption and waste of network resources.Network virtualization,which enables multiple virtual resources to run in the shared underlying network,greatly improves the energy efficiency of physical network.The major goal of the previous study is to supply virtual network requests as many as possible on the same physical resources,to minimize physical resources cost,so as to maximize the benefits of ISP.In order to reduce energy consumption,energy-saving technologies of network and modification of VNE algorithm based on cost has been introduced to virtual network.It focuses on the energy-saving technologies and methods for virtual network architecture in this paper,including sleeping mechanism,dynamic adaptation,scale computation,selective connection and hierarchical network element.The energy-efficiency optimization in VNE was analyzed.Focus on the energy-aware VNE and look forward to the future research work and challenges at last.

virtual network;energy-efficiency;VNE;energy-aware

2015-05-07

2015-08-11

時(shí)間：2016-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372124)；國(guó)家“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329104)

鄭雪純(1991-)，女，碩士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無(wú)線技術(shù)；楊龍祥，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1517.020.html

TP301

A

1673-629X(2016)02-0168-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.038