張國(guó)鼎，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)

未來網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制研究

張國(guó)鼎，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)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)普及率的提高和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，網(wǎng)絡(luò)能量消耗在社會(huì)總能量消耗中的比率已引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注，控制網(wǎng)絡(luò)能耗以降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本已刻不容緩。為此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。由于技術(shù)等多種原因，難以在根本上解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能耗過大的問題。為此，需要采用新技術(shù)、新觀念設(shè)計(jì)革命性的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，探索包括休眠機(jī)制在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)。在介紹兩種未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)OpenFlow和DTN的基礎(chǔ)上，著眼于未來網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)內(nèi)休眠機(jī)制的研究進(jìn)展，著重闡述了OpenFlow架構(gòu)下的節(jié)點(diǎn)與鏈路休眠機(jī)制，以及DTN架構(gòu)下情景感知和異步時(shí)鐘等休眠機(jī)制，分析了網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制研究中面臨的問題與困難，并且給出了未來網(wǎng)絡(luò)休眠研究的建議。

OpenFlow網(wǎng)絡(luò);DTN;節(jié)能;休眠

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大以及各種網(wǎng)絡(luò)需求的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中能源浪費(fèi)的問題引起了廣泛關(guān)注。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，在如今的發(fā)達(dá)國(guó)家中網(wǎng)絡(luò)的能量消耗大約占到社會(huì)總能量消耗的5%，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)能問題變得尤為突出。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)普遍采用網(wǎng)絡(luò)帶寬超額提供和網(wǎng)絡(luò)資源冗余部署的方式來滿足網(wǎng)絡(luò)峰值負(fù)載的需求，然而大部分時(shí)間內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)載都遠(yuǎn)低于峰值負(fù)載，使得互聯(lián)網(wǎng)中存在大量空閑或低利用率的網(wǎng)絡(luò)資源。又因?yàn)樵O(shè)備固有能耗開銷的存在以及硬件技術(shù)的制約，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和部件的能耗幾乎不受到負(fù)載變化的影響，其在低負(fù)載時(shí)的能耗與滿負(fù)載時(shí)的能耗相近，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在全天全時(shí)的工作方式下消耗著大量無效的能量。然而在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中很難有效地解決這種網(wǎng)絡(luò)的高能耗問題，所以一種不受現(xiàn)有TCP/IP體系結(jié)構(gòu)所限制，重新設(shè)計(jì)的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、控制機(jī)制等的革命式方案成為迫切需要，國(guó)內(nèi)外將這些網(wǎng)絡(luò)稱之為未來網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)休眠是網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的主要手段之一，近年來國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者投身于未來網(wǎng)絡(luò)的休眠方案的研究。Bhed Bahadur Bista等致力于在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)休眠，先后提出對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)鏈路的休眠方案。Tiago Filipe等基于PSIRP(Publish/Subscribe Internet Routing Paradigm)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出一種將通信流量合并到常用鏈路使得不常用鏈路可以休眠的方案。Bong Jun Choi等基于容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN)，提出了自適應(yīng)異步時(shí)鐘休眠方案。Lefebvre等提出一種應(yīng)用于P2P網(wǎng)絡(luò)的休眠機(jī)制，該機(jī)制是一種能量高效點(diǎn)對(duì)點(diǎn)存儲(chǔ)系統(tǒng)，即將空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)調(diào)至休眠模式，同時(shí)為這種休眠設(shè)置一個(gè)時(shí)間上限，使之不影響數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸。文獻(xiàn)[2]根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制，對(duì)實(shí)現(xiàn)最小能耗問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]提出了HABS(硬件輔助緩沖休眠)，可以有效避免數(shù)據(jù)包的丟失。

由于技術(shù)等多種原因，難以在根本上解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能耗過大的問題。為此，需要采用新技術(shù)、新觀念設(shè)計(jì)革命性的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此架構(gòu)下，探索包括休眠機(jī)制在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)能耗控制技術(shù)。目前的未來網(wǎng)絡(luò)體系可以劃分為有線網(wǎng)絡(luò)以及無線網(wǎng)絡(luò)，文中在介紹兩種未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，著眼于未來網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)內(nèi)休眠機(jī)制的研究進(jìn)展，著重闡述了OpenFlow架構(gòu)下的節(jié)點(diǎn)與鏈路休眠機(jī)制，以及DTN架構(gòu)下情景感知和異步時(shí)鐘等休眠機(jī)制，分析了網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制研究中面臨的問題與困難，給出了未來網(wǎng)絡(luò)休眠研究的建議。

1 有線OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)下的休眠方案

本節(jié)首先介紹了OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后分析了在該架構(gòu)下的兩種休眠方案，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠方案和網(wǎng)絡(luò)鏈路休眠方案。介紹了兩種休眠方案的原理與執(zhí)行過程，并且著重分析了它們的休眠條件、節(jié)能效果、適用場(chǎng)景等問題。

1.1 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)被開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)的成員(包括谷歌、思科、微軟、Facebook等)標(biāo)準(zhǔn)化。這種網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在Internet2、美國(guó)斯坦福大學(xué)、日本的JGN2plus以及其他的10～15個(gè)科研機(jī)構(gòu)中進(jìn)行了部署和應(yīng)用，并將在國(guó)家科研骨干網(wǎng)以及其他生產(chǎn)與科研中應(yīng)用。OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的國(guó)際覆蓋已經(jīng)包括葡萄牙、意大利、美國(guó)、日本、瑞典、波蘭和西班牙等。這種網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是一種具有靈活性和可維護(hù)性的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

OpenFlow網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)控制器和大量的節(jié)點(diǎn)(交換機(jī)/路由器)組成，如圖1所示。

圖1 OpenFlow基本網(wǎng)絡(luò)

圖中的節(jié)點(diǎn)分為兩種，分別是接入節(jié)點(diǎn)和骨干節(jié)點(diǎn)。接入節(jié)點(diǎn)連接用戶終端，骨干節(jié)點(diǎn)是連接在兩個(gè)接入節(jié)點(diǎn)之間的中間節(jié)點(diǎn)?？刂破魍ㄟ^安全通道以及OpenFlow協(xié)議與每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，并且收集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

1.2 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與鏈路休眠方案

Gupta等在文獻(xiàn)[4-6]中最早研究在有線網(wǎng)絡(luò)下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能問題，他們研究出很多算法讓節(jié)點(diǎn)或鏈路在一定時(shí)間內(nèi)休眠，但是這些算法并沒有給出節(jié)點(diǎn)或鏈路的休眠時(shí)間長(zhǎng)短，也就是沒有解決在何時(shí)喚醒休眠的節(jié)點(diǎn)或者鏈路的問題。下面介紹的基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)中的休眠方案則很好地解決了節(jié)點(diǎn)或鏈路休眠以及喚醒的問題。在OpenFlow網(wǎng)絡(luò)下的休眠方案主要分為對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的休眠以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)中鏈路的休眠。

文獻(xiàn)[7]提出一種基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點(diǎn)休眠方案。該方案是根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信量以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信能力計(jì)算出保證網(wǎng)絡(luò)正常工作所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過比較網(wǎng)絡(luò)中所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在正在工作的節(jié)點(diǎn)數(shù)，確定是否需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中工作的節(jié)點(diǎn)比需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)多時(shí)，通過算法將一些節(jié)點(diǎn)休眠，使工作的節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)中需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)相等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中工作的節(jié)點(diǎn)數(shù)少于需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)時(shí)，要將網(wǎng)絡(luò)中所有休眠的節(jié)點(diǎn)喚醒，再通過算法進(jìn)行休眠，使得工作的節(jié)點(diǎn)數(shù)與需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)相等。值得注意的是，要在保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的前提下選擇將要被休眠的節(jié)點(diǎn)，所以在選擇休眠節(jié)點(diǎn)時(shí)與主機(jī)和服務(wù)器相連的節(jié)點(diǎn)以及通信量較大的節(jié)點(diǎn)不能被休眠。

上述這種對(duì)于節(jié)點(diǎn)休眠的方案可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，但很多的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中都有至關(guān)重要的作用，該方案難免會(huì)將一些重要的節(jié)點(diǎn)休眠，難以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，當(dāng)不能將一個(gè)節(jié)點(diǎn)完全休眠時(shí)，可以考慮不去休眠整個(gè)節(jié)點(diǎn)而是將這個(gè)節(jié)點(diǎn)中的某些鏈路休眠?；谶@種考慮，文獻(xiàn)[8]提出基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)下的鏈路休眠方案。

鏈路休眠方案是將每個(gè)鏈路的利用率與設(shè)定好的門限值進(jìn)行比較，將鏈路利用率小于休眠門限值的鏈路休眠，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中某些鏈路利用率大于喚醒門限時(shí)要將這個(gè)節(jié)點(diǎn)中所有正在休眠的鏈路喚醒。因?yàn)殒溌防寐食^喚醒門限值說明該鏈路連接的節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載較大，需要喚醒節(jié)點(diǎn)中其他的休眠鏈路，提升節(jié)點(diǎn)的處理性能。當(dāng)有鏈路需要休眠時(shí)要注意以下兩點(diǎn)：一是休眠的鏈路不能屬于邊緣節(jié)點(diǎn)，二是鏈路休眠后不能將網(wǎng)絡(luò)分割。每次有鏈路被休眠或者被喚醒時(shí)，控制器都要根據(jù)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪砀铝鞅?，?jié)點(diǎn)將按照更新后的流表進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

上述的鏈路休眠方案中的休眠門限值以及喚醒門限值的選取是非常困難的，它與網(wǎng)絡(luò)中的通信量有關(guān)，所以只能通過不斷的實(shí)驗(yàn)取出一個(gè)理想值。該方案中只是考慮怎樣將鏈路休眠來減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載特征以及鏈路休眠后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，比如將鏈路或者節(jié)點(diǎn)休眠后會(huì)增大數(shù)據(jù)包的延遲到達(dá)。所以對(duì)于這個(gè)休眠方案在包延遲、包丟失等問題上還要做進(jìn)一步改進(jìn)。

在對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的休眠方案中，文獻(xiàn)[9]提出了在PSIRP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)/鏈路休眠。這里還是利用每個(gè)鏈路的利用率與設(shè)定好的門限值進(jìn)行比較，不同的是并不是將鏈路利用率低于門限值的鏈路直接休眠，而是將鏈路利用率低的鏈路上的通信集中到鏈路利用率高的鏈路上，這樣是為了進(jìn)一步降低這些鏈路的利用率使得這些鏈路有可能被休眠。將網(wǎng)絡(luò)通信集中到常用的鏈路之后再將網(wǎng)絡(luò)中鏈路和節(jié)點(diǎn)排序，這個(gè)排序反映了各個(gè)鏈路和節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性，根據(jù)這個(gè)排序可以決定哪些鏈路和節(jié)點(diǎn)可以被休眠。當(dāng)休眠鏈路時(shí)要保證鏈路休眠后網(wǎng)絡(luò)還能正常地連接通信。當(dāng)休眠節(jié)點(diǎn)時(shí)要保證兩點(diǎn)：一是該節(jié)點(diǎn)的所有鏈路沒有在通信中，二是休眠該節(jié)點(diǎn)后不會(huì)對(duì)其他沒有休眠的節(jié)點(diǎn)之間的正常通信產(chǎn)生影響。

這種休眠方案可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的。文中提出了按網(wǎng)絡(luò)單元重要性的排序機(jī)制，這種機(jī)制能在減少網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)盡可能減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的影響。同時(shí)在低負(fù)載場(chǎng)景下，該休眠方案能很好地減少能耗并且不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行產(chǎn)生大的影響；但是在高負(fù)載場(chǎng)景下，該方案也能減少能耗，但是效果不是很好。在以后的研究中，應(yīng)該考慮如何適應(yīng)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)載情況，讓這種休眠方案有更強(qiáng)的魯棒性。

2 無線DTN網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)下的休眠方案

本節(jié)首先介紹了DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后詳細(xì)介紹了三種在DTN網(wǎng)絡(luò)下的休眠機(jī)制，即情景感知休眠機(jī)制、基于接觸時(shí)間休眠機(jī)制、異步時(shí)鐘下的循環(huán)差集休眠機(jī)制。在循環(huán)差集休眠機(jī)制的基礎(chǔ)上介紹兩種改進(jìn)方案，即EACDS(Exponential Adaptive Cyclic Difference Set)和MACDS(Multiplicative Adaptive Cyclic Difference Set)，這兩種改進(jìn)方案能夠適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景與休眠時(shí)序長(zhǎng)度。

2.1 容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN)架構(gòu)

容遲/容斷網(wǎng)絡(luò)[10-11]是近年來新興的一個(gè)研究方向，F(xiàn)all K等在文獻(xiàn)[12]提出一種面向消息的覆蓋層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。DTN是未來網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，而對(duì)其的研究主要由互聯(lián)網(wǎng)研究專門工作組(IRTF)中的DTN工作組領(lǐng)頭。文獻(xiàn)[13]中DTN的設(shè)計(jì)最初是為了解決星際間的通信問題，后來發(fā)展延伸至同樣具有大延時(shí)、斷續(xù)連接等特征的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[14]、車輛網(wǎng)絡(luò)[15]、戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)等。DTN的研究領(lǐng)域主要是在無法保證端到端連接性的極端環(huán)境下，設(shè)計(jì)一些架構(gòu)和協(xié)議以滿足網(wǎng)絡(luò)通信的互操作性需求。DTN具有和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特性，比如在文獻(xiàn)[16]中提到路由策略上需要考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、數(shù)據(jù)緩存和能量消耗等問題。DTN的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境直接決定它有著以下有別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：間歇連接、時(shí)延極高、數(shù)據(jù)速率低、資源有限、壽命有限、隨機(jī)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞取?/p>

為了適應(yīng)各種特殊的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，DTN的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比在傳輸層上增加了一個(gè)新的協(xié)議層來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)，即Bundle協(xié)議層。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Internet和DTN協(xié)議

由于疊加了一個(gè)新層,DTN的數(shù)據(jù)傳遞形式相比于傳統(tǒng)的TCP/IP有很大不同，由原來的報(bào)文分組和報(bào)文交換變?yōu)閿?shù)據(jù)束。也就是說，第一步各個(gè)域網(wǎng)絡(luò)要把數(shù)據(jù)包在Bundle層中轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)束，然后通過DTN的傳遞之后，在目標(biāo)域網(wǎng)絡(luò)中還原成正常的數(shù)據(jù)包的形式。這樣各個(gè)網(wǎng)絡(luò)就可以在不改動(dòng)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下，通過Bundle層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)通信以及各種網(wǎng)絡(luò)操作。

2.2 情境感知能量管理(CAPM)休眠機(jī)制

文獻(xiàn)[17]提出一種在DTN網(wǎng)絡(luò)下通過情境感知能量管理機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠的方案。圖3給出了CAPM機(jī)制的休眠模式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定長(zhǎng)度的工作周期。在每個(gè)工作周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只在一個(gè)固定時(shí)間段W內(nèi)覺醒，其余的時(shí)間段S都在休眠。假設(shè)一個(gè)周期的時(shí)間為C(C=W+S)，且在第K周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)保持完全活躍。這是為了保證任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有共同的覺醒時(shí)間，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的性能。因此，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的完整工作周期內(nèi)包含了K個(gè)覺醒活躍期，在這K個(gè)活躍期內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信。節(jié)點(diǎn)間通信的方式是網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在活躍期內(nèi)周期性地廣播信標(biāo)(beacon)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)想要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)在其beacon消息上攜帶一個(gè)投遞擴(kuò)展通知，在該通知里包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID消息。此時(shí)，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處于活躍期就會(huì)收到該擴(kuò)展通知，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將發(fā)送一個(gè)投遞接收消息給原發(fā)送節(jié)點(diǎn)，這樣兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間就能夠正常通信。

圖3 CAPM機(jī)制休眠模式

從文獻(xiàn)[17]的仿真結(jié)果中可以看到，在不同節(jié)點(diǎn)密度以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載環(huán)境下，選擇合適的W,C,K的值可以讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在休眠的同時(shí)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸比率、平均時(shí)延產(chǎn)生大的影響。CAPM休眠方案可以適應(yīng)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，節(jié)省了大量的能量，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響也不明顯。

2.3 基于接觸時(shí)間的休眠機(jī)制

文獻(xiàn)[18]提出的休眠機(jī)制是一種基于歷史相遇信息的休眠方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不發(fā)生較大突變時(shí)，利用歷史信息可以有效預(yù)測(cè)未來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。在這個(gè)機(jī)制中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張接觸時(shí)間表，表中記錄了最近N次與其他節(jié)點(diǎn)的接觸時(shí)間，并記錄節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的接觸時(shí)間間隔，接觸時(shí)間的間隔反映了節(jié)點(diǎn)之間相遇的頻率，根據(jù)接觸時(shí)間間隔的歷史信息可以進(jìn)行休眠時(shí)間的設(shè)置。節(jié)點(diǎn)休眠采用的是“等待-休眠”的分段模式，如圖4所示，即在休眠前有一段等待時(shí)間，如果在等待時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。如果在等待時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)行消息傳輸。接觸時(shí)間間隔T1分布在坐標(biāo)軸[Tmin,Tmax]范圍內(nèi)，Tave是接觸時(shí)間間隔的平均值，開始時(shí)間是每次消息傳輸完畢或中止后開始計(jì)時(shí)進(jìn)入等待階段，或每次休眠結(jié)束后重新開始計(jì)時(shí)進(jìn)入下一輪的等待階段。

圖4 基于接觸時(shí)間休眠示意圖

這種休眠機(jī)制是根據(jù)與歷史節(jié)點(diǎn)相遇信息決定等待時(shí)間和休眠時(shí)間的長(zhǎng)短，接觸時(shí)間表的長(zhǎng)度N越大，則記錄的歷史相遇信息越多，對(duì)于休眠時(shí)間參數(shù)的設(shè)置就越準(zhǔn)確，但會(huì)花費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間。仿真結(jié)果表明，這種算法在保證消息交付率的基礎(chǔ)上降低網(wǎng)絡(luò)開銷和能耗，但平均時(shí)延較大，在降低平均時(shí)延上需要做出進(jìn)一步的研究。

2.4 自適應(yīng)異步時(shí)鐘休眠機(jī)制

在對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)下的休眠方案的研究中，研究人員提出的休眠方案可以分為同步時(shí)鐘休眠和異步時(shí)鐘休眠。同步時(shí)鐘休眠是網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過時(shí)間同步的前提下，在相同的時(shí)間間隔被喚醒并進(jìn)行通信；異步時(shí)鐘休眠則不需要時(shí)鐘同步，而是通過一個(gè)設(shè)定好的休眠/喚醒時(shí)隙結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)隙結(jié)構(gòu)中會(huì)在特定的時(shí)間間隔內(nèi)被喚醒，而在其他的時(shí)間里處于休眠的狀態(tài)，通過設(shè)定好的協(xié)議算法保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的喚醒間隔重疊，在重疊的時(shí)間間隔內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行通信。

文獻(xiàn)[19]提出了在一種異步時(shí)鐘下基于循環(huán)差集(Cyclic Difference Set)的休眠方案，這種方案在保證網(wǎng)絡(luò)性能的前提下使節(jié)點(diǎn)充分休眠。因?yàn)闀r(shí)鐘是不同步的，所以不可能保證所有節(jié)點(diǎn)會(huì)在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)被喚醒，為了保證節(jié)點(diǎn)間的通信，引入循環(huán)差集。在循環(huán)差集中引入一個(gè)集合(v,k,x)，集合中的元素是由v個(gè)時(shí)隙組成的長(zhǎng)度為v的序列，在這組序列中存在k個(gè)喚醒時(shí)隙，這樣就能保證集合中任意兩個(gè)不同的序列一定存在x個(gè)重疊的喚醒時(shí)隙。但是，由于DTN網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)延時(shí)和節(jié)點(diǎn)分布稀疏等特性，使得節(jié)點(diǎn)等待通信的時(shí)間間隔極為漫長(zhǎng)。這就要求循環(huán)差集的長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)一些，以便節(jié)點(diǎn)有更多的機(jī)會(huì)休眠。又因?yàn)闃?gòu)建循環(huán)差集的條件比較苛刻，難以匹配各種場(chǎng)景要求和時(shí)序長(zhǎng)度，所以衍生出了兩種自適應(yīng)的休眠方案，分別為EACDS和MACDS。其中，EACDS是依靠單一的級(jí)數(shù)集構(gòu)建不同等級(jí)的休眠時(shí)序，而MACDS是依靠一組不同的級(jí)數(shù)集合來構(gòu)建不同等級(jí)的休眠時(shí)序。這兩種自適應(yīng)的循環(huán)差集休眠方案都能夠匹配不同休眠時(shí)序長(zhǎng)度和各種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

3 結(jié)束語(yǔ)

主要圍繞未來網(wǎng)絡(luò)下休眠方案的研究進(jìn)展，介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于未來網(wǎng)絡(luò)下休眠機(jī)制的幾種算法及其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)下的節(jié)點(diǎn)和鏈路休眠算法在減少網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；DTN網(wǎng)絡(luò)中的CAPM雖能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有效減少了網(wǎng)絡(luò)能耗，但研究?jī)H限于Prophet路由機(jī)制下CAPM對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能和能量節(jié)省的影響；DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下基于循環(huán)差集的休眠方案及其衍生出的EACDS和MACDS算法則能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與能量消耗之間做出平衡。即使如此，仍有涉及未來網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制的諸多問題和關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

未來網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制研究是一個(gè)復(fù)雜且艱巨的系統(tǒng)性工程，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其休眠機(jī)制的研究仍處于起步階段，研究工作還面臨著很多挑戰(zhàn)。除OpenFlow網(wǎng)絡(luò)和DTN網(wǎng)絡(luò)外，未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還包括CCN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、PSIRP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、面向服務(wù)體系架構(gòu)(ServiceOrientedFutureInternetArchitecture，SOFIA)等?？梢?，今后的研究范疇不僅包括OpenFlow和DTN網(wǎng)絡(luò)休眠機(jī)制所涉及的新技術(shù)和新方法，而且還應(yīng)包括上述網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下的休眠方案研究。

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Investigation on Sleep Mechanism for Future Network

ZHANG Guo-ding，YANG Long-xiang

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

Due to development of network technology,improvement of Internet popularity and increasing scale of network,ratio of network energy consumption in total energy consumption has caused high attention in the society,and it is imperative that network energy consumption be managed to lower operating cost.Therefore,the technique for network energy saving is one of most popular issues under investigation nowadays.Because of various reasons involving technical cause,it is very hard to solve the problem of excessive energy consumption of traditional network fundamentally.Thus,new techniques,revolutionary concepts and new designs are required to construct future network architectures,under which technical explorations of network energy consumption control include that of sleep mechanism.On the basis of general introductions on both future network architectures of OpenFlow and DTN,with an eye to the progress on the investigations of dormancy mechanism under new framework of future network,various mechanisms,such as node and link dormancy mechanism under OpenFlow framework,situational awareness and asynchronous clock sleep mechanism in DTN architecture,have been expounded emphatically.Analysis on the problems and difficulties encountered in above investigations have been presented as well as future directions for network dormancy investigations.

OpenFlow network;DTN;energy conservation;sleep

2016-04-23

2016-08-16

時(shí)間：2017-02-17

國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329104)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372124)

張國(guó)鼎(1992-)，男，碩士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無線技術(shù);楊龍祥，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)無線通信與物聯(lián)網(wǎng)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.050.html

TP31

A

1673-629X(2017)04-0012-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.003