基于多商品流的網(wǎng)絡(luò)能耗模型與智能算法研究.pdf

1、最近幾十年，全球變暖導(dǎo)致的溫室效應(yīng)等一系列問(wèn)題日益突出，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)的共識(shí)。在信息技術(shù)領(lǐng)域，節(jié)能問(wèn)題同樣不容小覷。近幾十年信息技術(shù)的迅速發(fā)展，在所有工業(yè)中，信息通信產(chǎn)業(yè)所貢獻(xiàn)的碳排放一直不斷上升。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在所有人類制造業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放中，單單信息通信設(shè)備就貢獻(xiàn)了將近2％，這個(gè)數(shù)字與全球航空業(yè)相近，但是卻有著比其更快的增長(zhǎng)速度;并且，在英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，這個(gè)數(shù)字甚至達(dá)到10％，在未來(lái)幾年還有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)

2、。
　　在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，由于流量的突發(fā)性和周期性，大部分時(shí)間網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率不到40％。然而由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗與負(fù)載的相對(duì)獨(dú)立，即使處于低利用率狀態(tài)，設(shè)備的能耗也與峰值時(shí)相差無(wú)幾?；谶@種情況，人們提出了綠色網(wǎng)絡(luò)(Green Network)的思想。在工程學(xué)角度，綠色網(wǎng)絡(luò)的核心思想是在滿足當(dāng)前帶寬需求和服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)的情況下，使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗最小。這方面的研究有很多，我們按照優(yōu)化的范圍分為兩個(gè)

3、級(jí)別:一是設(shè)備級(jí)，設(shè)備級(jí)的能耗優(yōu)化主要是集中在單個(gè)設(shè)備，比如路由器、交換機(jī)、線卡、網(wǎng)卡等。設(shè)備級(jí)的優(yōu)化目標(biāo)是使得單個(gè)設(shè)備的能耗與負(fù)載成比例，常見(jiàn)的優(yōu)化方法有動(dòng)態(tài)電壓縮放、自適應(yīng)鏈路速率、可擴(kuò)展組件、流量預(yù)測(cè)等。二是網(wǎng)絡(luò)級(jí)，網(wǎng)絡(luò)級(jí)優(yōu)化的目標(biāo)是使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗與負(fù)載成比例，網(wǎng)絡(luò)級(jí)優(yōu)化主要是通過(guò)能量感知路由(Energy-Aware Routing，EAR)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題已被歸結(jié)為容量約束的多商品流問(wèn)題(Capacitated Multi-c

4、ommodity Network Flow，CMCF)，而CMCF是NP完全的。設(shè)備級(jí)節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能并不是互斥的，實(shí)際上在真實(shí)情況，網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能和設(shè)備級(jí)節(jié)能需要聯(lián)合使用才能達(dá)到最好的節(jié)能效果。
　　CMCF問(wèn)題的基本思想是將所有網(wǎng)絡(luò)流量聚合到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊粋€(gè)子集上，關(guān)閉或者休眠其他空閑的鏈路和節(jié)點(diǎn)，從而使得網(wǎng)絡(luò)的整體的能耗與整體負(fù)載成比例，它的目標(biāo)是找到滿足需求的最小能耗子集。CMCF問(wèn)題目前已經(jīng)有了經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型，本文在此基礎(chǔ)

5、上將目的相同的需求進(jìn)行了聚合，將變量數(shù)目減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，加快了求解速度。然而由于混合整數(shù)規(guī)劃(Mixed Integer Programing，MIP)是NP-hard的，在拓?fù)湟?guī)模較大時(shí)計(jì)算時(shí)間變的不可接受，因此我們提出了一種基于克隆螞蟻的蟻群優(yōu)化路由算法(CACO-RA)。在算法中。我們將信息素按目的節(jié)點(diǎn)分類，最大限度的將流量聚合到較少的節(jié)點(diǎn)和鏈路;同時(shí)我們實(shí)現(xiàn)的是可分流的流量調(diào)度，充分利用了網(wǎng)絡(luò)帶寬。隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)驗(yàn)顯示我們的算

6、法有著比其他算法更少的能量消耗、更快的計(jì)算速度和更好的實(shí)用性。
　　在CACO-RA算法中，我們使用了分流的思想最小化能耗，效果確實(shí)很好，然而這帶來(lái)了另外一個(gè)問(wèn)題——延遲增大。傳統(tǒng)的基于最短路徑的算法，延遲無(wú)疑是最小的，且流量都是單路徑傳輸，不存在抖動(dòng)問(wèn)題。在CACO-RA算法中，我使用顯式路由為每個(gè)需求對(duì)分配多條路徑，這就帶了延遲和抖動(dòng)的問(wèn)題。為了在能耗和QoS之間取得一個(gè)良好的折中，我們結(jié)合粒子群優(yōu)化的思想修改了CACO-RA