一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法
【专利摘要】本发明涉及网络能耗优化【技术领域】，尤其是涉及一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法，即GVTD方法。GVTD方法通过提高网络资源利用率、多粒度睡眠和动态建立网络虚拟拓扑来达到降低网络能耗的目的。由于GVTD方法的求解属NP难问题，本发明提出一个基于约束路由的启发式求解方法，即CBR-GVTD方法。CBR-GVTD方法在计算网络能耗下界的基础上动态建立网络的虚拟拓扑。CBR-GVTD方法为大业务需求建立点到点的传输通道并进行单跳路由，以减少网络资源的使用；对小业务需求进行多跳路由，以提高网络资源的利用率。实验表明，CBR-GVTD方法在业务非高峰期，对10和50个结点的网络最多可分别降低62%和90%的网络能耗，该比例随着网络规模的增大而上升。
【专利说明】一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及网络能耗优化【技术领域】，尤其是涉及一种基于约束路由的绿色虚拟拓 扑设计方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，Internet的流量逐年指数增长。从2007到2011年，Internet的流量和 带宽的年平均增长率分别达到了 56%和58%。流量和带宽的增长导致了 Internet的能耗上 升。据估计，2007年Internet的电力消耗达到了宽带接入国家(其平均接入带宽为30Mbps ) 总电量的1%，当平均接入带宽达到300Mbps时，这个比例将超过4%。按照目前的增长速度， 到2050年网络领域的耗电量将达到2006年的13倍。Internet能耗的快速增长不仅导致 电力成本的持续上升，同时也造成温室气体的加速排放。因此，提高能量效率和降低能耗已 成为Internet面临的重大研究课题。目前，随着网络的扁平化发展，Internet的层次变得 更加简单，逐渐演变成由接入网和核心网两部分组成。由于接入网的"光进铜退"以及核心 网对接入网流量的汇聚，核心网正经历比接入网更快的能耗增长。研究表明到2017年核心 网能耗将超过接入网。因此，在整个Internet中，核心网的节能研究正变得日益重要。
[0003] 在核心网中，IP网络层通常构建于高速的TDM(Time Division Multiplexing) 网络层或者WDM(Wavelength Division Multiplexing)网络层之上，形成所谓的IP over S0NET/SDH/0TN网络或IP over WDM网络。下层网络（S卩TDM层或WDM层）向IP层提供通 道传输服务（即TDM电路服务和光路服务，电路和光路统称为传输通道)，IP层通过使用下 层提供的通道传输服务向其上层提供分组传输服务。IP层的链路由1条或多条具有相同源 结点和目的结点的传输通道组成，这种链路不同于传统的物理链路，因此被称为逻辑链路， 由逻辑链路构成的网络拓扑被称为虚拟拓扑（或逻辑拓扑）。根据给定的业务需求建立IP 层逻辑链路的过程即为IP层的虚拟拓扑设计（VTD:Virtual Topology Design)过程。对 于IP层，下层提供的传输通道组成了其逻辑链路；对于下层网络，IP层请求建立的传输通 道形成了其业务需求。
[0004] 网络按照峰值业务需求超额供给网络资源，并通冗余设计来提高网络的可靠性， 这导致了网络资源的平均利用率低下，而当前利用率对网络资源的功耗影响却较小，因此， 提高网络资源利用率并将空闲的网络资源关闭（或转入低功耗睡眠状态）是目前降低网络 能耗的一个重要途径。有研究者利用混合整数线性规划（MILP，Mixed Integer Linear Programming)技术建模功率感知的网络设计和路由问题，通过为网络节点选择合适数量和 类型的线卡最小化IP网络的功耗，但却没有设计有效的启发式方法来求解NP难的MILP模 型。有研究者将IP网络的绿色流量工程形式化为一个MILP模型，并提出了一种启发式解 法，通过预先为每对结点计算k条候选最短路径来降低MILP问题的解空间和求解时间，但 是，解空间依然随结点对的数量指数增长。有研究者提出一种基于拉格朗日松弛的启发式 方法，将建立的形式化模型分解为容易求解的子问题，为链路设定合适的权值进行动态路 由，关闭尽多的链路以降低IP网络的能耗。与通常改变已有的网络拓扑不同，有学者研究 如何确立网络拓扑，即虚拟拓扑设计问题。有学者考虑光收发器和电交换的功耗，将功率感 知的虚拟拓扑设计的形式化为MILP问题，并提出一个简单的贪婪方法和遗传方法求解。该 遗传方法并没有相应的机制保证得到的后代个体满足MILP模型的约束条件，而是简单的 舍弃不满足约束的个体，这会导致方法有时找不到可行解。有学者只考虑线卡的功耗，将 最小化能耗的虚拟拓扑设计问题形式化为一个简单的整数线性规划（ILP，Integer Linear Programming)模型，并提出了一个两阶段的启发式解法。由于作者只考虑了线卡的功耗，建 立的ILP模型过于简单，网络倾向于建立一个星型虚拟拓扑，最小化链路的数量。
[0005] 现有工作存在以下不足。首次，都只考虑网络设备的部分组件的功耗，如链路、收 发器或线卡，忽略了其它部分的功耗，这样使得最终得到的解只能使整个网络中的这些组 件的功耗最低，而不是整个网络的功耗最低。其次，核心网络的网络设备通常采用模块化设 计，现有的工作没有考虑网络设备的模块化结构。第三，由于问题的复杂性（NP问题)，现有 工作要么建立的形式化模型过于复杂，以至于不能有效求解，要么建立的模型过于简化而 忽略重要特性，如有些只考虑链路或线卡功耗忽略了 IP路由器处理流量的功耗。
[0006] 本发明以最小化网络功耗为目标的绿色虚拟拓扑设计（GVTD，Green Virtual Topology Design)问题。首先对GVTD进行形式化建模，该模型（即GVTD模型)通过业务路 由实现对业务流的汇聚和疏导以提高网络资源利用率，根据网络资源的实际利用按需地配 置网络资源以实现网络设备的多粒度睡眠，根据网络资源配置动态地建立虚拟拓扑，从而 达到降低网络能耗目的。GVTD模型考虑整个网络设备的功耗，目的是降低整个网络的功耗。 其次，GVTD模型考虑了网络设备的模块化结构，利用多粒度睡眠机制配置网络资源。第三， GVTD模型根据功耗与业务负载的依赖关系，同时考虑了不依赖业务负载的静态功耗和依赖 业务负载的功态功耗。最后，GVTD模型是一个NP难的ILP问题，只能在问题规模很小时精 确求解，本发明提出了一个基于约束路由的启发式解法，即CBR-GVTD (Constraint-Based Routing Green Virtual Topology Design,基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计）方法。 CBR-GVTD方法以网络功耗的下界为基础构造 GVTD问题的解，使用基于约束的路由方法以 保证链路容量约束和网络最大路由跳数约束。CBR-GVTD方法按照从大到小的顺序处理网 络的业务需求：对大的业务需求建立点到点的传输通道并进行单跳路由，从而确定网络的 虚拟拓扑；对小的业务需求使用基于约束的路由方法在虚拟拓扑的剩余带宽上进行多跳路 由，通过业务疏导提高网络资源利用率。CBR-GVTD方法按需配置网络资源，动态地建立虚拟 拓扑，实现了虚拟拓扑对网络业务需求的动态适应，并且，可通过调节网络最大路由跳数来 实现对路由性能的控制。
【发明内容】
[0007] 1) GVTD模型的建立
[0008] 本发明根据核心网的网络设备的模块化结构把网络资源分成接口、线卡和机框3 类：接口由一对发送/接收端口组成，每条传输通道起始于源结点的1个发送端口并终止于 目的结点的1个接收端口；线卡由一组接口所共享，能够与这组接口同时处于空闲或活跃 状态；除接口和线卡以外的部分全都归入机框的范畴。基于这种分类，本发明提出一种多粒 度睡眠机制来配置网络资源：当接口空闲时让接口睡眠，当线卡的所有接口都空闲时则线 卡睡眠，当所有线卡都空闲时则机框睡眠。
[0009] GVTD模型假定网络资源按照峰值需求供给，S卩：每个网络结点具有充足的接口、 线卡和机框；下层网络可以提供IP层所需的传输通道。GVTD模型主要包括以下几个部分： [0010] ?网络功耗模型，即GVTD模型的目标函数。网络功耗模型同时考虑网络设备的静 态功耗和动态功耗，静态功耗指网络设备独立于业务负载的那部分功耗（即空闲状态下的 功耗)，动态功耗指网络设备依赖业务负载的那部分功耗。根据网络设备的模块化结构，静 态功耗可进一步细分为接口功耗、线卡功耗和机框功耗。
[0011] ?业务路由，即GVTD模型的路由约束，为了避免多径路由引发的时延抖动，GVTD 模型使用单径路由。
[0012] ?资源配置，即GVTD模型的资源约束，该约束确定每个结点的活跃网络资源，并 按照多粒度睡眠机制使空闲的网络资源睡眠。
[0013] ?虚拟拓扑设计，对应于GVTD模型的链路容量约束，该约束确定网络中需要建立 的传输通道。此外，通过设定接口最大利用率参数，实现了对网络拥塞的控制。
[0014] GVTD模型的输入参数定义如下。N表示网络结点集合，i，j，ii，jj e N表示网络结 点，C表示接口的容量，α表示接口（或链路）所允许的最大利用率，pt表示网络资源处理单 位（lGbps)业务负载的动态功耗，ρ^ρ 1和分别表示单个接口、线卡和机框的功耗，m1，!!!1 分别表示每个线卡具有的接口数量和每个机框可配备的线卡数量，D表示网络的业务需求 集合，d(ii, jj) e D表示从结点ii到结点jj的业务需求。
[0015] GVTD问题的决策变量定义如下：
[0016] > δ (ii，jj，i，j) e {〇，1}:业务需求d(ii，jj)的路径是否经过逻辑链路（i，j)， 1表示经过，0表示不经过；
[0017] > d'（i，j) e Z+:逻辑链路（i，j)包含的传输通道数量，其中，Z+表示正整数集合， 传输通道由下层网络提供，而且每条传输通道需要消耗一个发送端口和接收端口；
[0018] > t(i，j) e R+ :逻辑链路（i，j)上的总业务量，其中R+表示正实数集合；
[0019] > d⑴e Z+:网络结点i的活跃接口数量；
[0020] > nHi) e Z+ :网络结点i的活跃线卡数量；
[0021] > ηεα) e Z+:网络结点i的活跃机框数量。
[0022] GVTD问题可以形式化描述为
[0023]
【权利要求】
1. 一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法，其特征在于建立该方法的步骤如下： 1. GVTD (Green Virtual Topology Design,绿色虚拟拓扑设计）模型主要包括： ?网络功耗模型，即GVTD模型的目标函数，网络功耗模型同时考虑网络设备的静态 功耗和动态功耗，静态功耗指网络设备独立于业务负载的那部分功耗（即空闲状态下的功 耗)，动态功耗指网络设备依赖业务负载的那部分功耗，根据网络设备的模块化结构，静态 功耗可进一步细分为接口功耗、线卡功耗和机框功耗； ?业务路由，即GVTD模型的路由约束，为了避免多径路由引发的时延抖动，GVTD模型 使用单径路由； ?资源配置，即GVTD模型的资源约束，该约束确定每个结点的活跃网络资源，并按照 多粒度睡眠机制使空闲的网络资源睡眠； ?虚拟拓扑设计，对应于GVTD模型的链路容量约束，该约束确定网络中需要建立的传 输通道，此外，通过设定接口最大利用率参数，实现了对网络拥塞的控制； 2. GVTD模型的形式化描述如下： ?目标函数定义如下：
受限于：
各式中参数定义如下： N表示网络结点集合， i，j，ii，jj e N表示网络结点， C表示接口的容量， α表示接口（或链路）所允许的最大利用率， pt表示网络资源处理单位（lGbps)业务负载的动态功耗， Ρ1，P1和分别表示单个接口、线卡和机框的功耗， m1，m1分别表示每个线卡具有的接口数量和每个机框可配备的线卡数量， D表示网络的业务需求集合， d(ii, jj) e D表示从结点ii到结点jj的业务需求， 目标函数（式（1))最小化整个网络的功耗，网络功耗由静态功耗和动态功耗两部分组 成，静态功耗可进一步分为机框功耗nli) 、线卡功耗η1。）《ρ 1和接口功耗ι^α) ?ρ1，使 用线性函数近似动态功耗与业务负载的关系，即t(i，j) ·ρ\路由约束(式（2a)?（2e))为 经典的多品种流守恒约束，业务需求d(ii，jj)经过单条路径从源结点ii到达目的结点jj， 式（3)计算经过逻辑链路（i，j)的业务负载（即链路流量)，链路的容量约束(式（4))确保 链路的流量不超过链路的容量，IP层的链路（i，j)为逻辑链路，由下层网络提供的d' (i， j)条传输通道组成，每条传输通道的容量为C，并引入最大利用率α以应对IP业务的动态 特性，IP层虚拟拓扑的确立过程即为决策变量d' (i，j)的值的确立过程，因此，式（4)在 实现链路容量约束的同时还实现了 IP层的虚拟拓扑设计，实现了 IP层的逻辑链路与下层 网络提供的传输通道的映射（即IP层与下层网络的层间约束)，式（5)-(7)为资源约束，其 中，式（5a)和（5b)可确保结点提供足够的活跃接口，即活跃接口不应该少于传输通道所需 的发送端口（式（5a))和接收端口（式（5b))，式（6)和（7)确保结点能提供足够的活跃线卡 和活跃机框，即活跃线卡和活跃机框提供的接口数不少于活跃接口数； ? GVTD模型的决策变量定义如下： S (ii，jj，i，j) e {〇, 1}:业务需求d(ii，jj)的路径是否经过逻辑链路（i，j)，1表示 经过，0表示不经过； d'（i，j) e Z+:逻辑链路（i，j)包含的传输通道数量，其中，Z+表示正整数集合，传输 通道由下层网络提供，而且每条传输通道需要消耗一个发送端口和接收端口； t(i，j) e R+:逻辑链路（i，j)上的总业务量，其中R+表示正实数集合； r^i) ez+:网络结点i的活跃接口数量； r^i) e Z+:网络结点i的活跃线卡数量； nli) e Z+:网络结点i的活跃机框数量， 3. GVTD 模型米用 CBR-GVTD (Constraint-Based Routing Green Virtual Topology Design，基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计）启发式方法求解 4. CBR-GVTD方法需要用到的式子如下： ? fQ)，dQ)和ηε(;?)的值由以下式子确定：
?通过以下方式计算目标函数的下界值：
Z i, j e N :i 关 jt (i，j) - Z i, j e N :i 关 jd (i，j) (12) 式（11)中，Σ jetjgidQ，j)和Σ i)分别表示结点i发送和接收的业务 量的下界，a *c为每个接口允许的最大容量，将式（11)代入式（8)?（10)可以分别求得 n1 (i) lb和f (i) lb，最后将这些决策变量代入目标函数式（1)中可得目标函数的下界为
5. CBR-GVTD方法描述如下： ?输入包括 N, D, a，C, ρ' p1，p1，ρε, m1，m1 和 Η ?输出为网络功耗和步骤2)中定义的决策变量； ? CBR-GVTD方法步骤如下： ① 根据式（11)用下界值1^(1)113初始化每个网络结点的接口数να)， ② 按照从大到小的顺序为每个业务需求d(i，j)建立从i到j的传输通道，并进行单跳 路由，每个传输通道消耗源结点i的一个发送端口和目的结点j的一个接收端口，直到到接 口耗尽、没有传输通道可以建立为止； ③ 在步骤②建立的虚拟拓扑基础上，限制网络的最大跳数为H，利用单跳路由的剩 余带宽，对剩余的业务需求按照从大到小的顺序进行CBR-Dijkstra (Constraint-Based Routing Dijkstra，基于约束路由的Dijkstra)路由； ④ 如果对业务需求d(i，j)路由失败，则增加结点i和j的接口，为i到j建立传输通 道并消耗相应的接口数，这表明网络的虚拟拓扑发生了变化； ⑤ 如果网络虚拟拓扑发生变化，则迭代步骤①?④； ⑥ 初始化链路集合E'为当前的逻辑链路集合E ; ⑦ 从E'中取出剩余带宽最大的逻辑链路（i，j)并将（i，j)从E'中去除； ⑧ 尝试移除从i到j的1条传输通道，限制网络的最大跳数为H，对经过逻辑链路（i， j)的所有业务需求进行CBR-Dijkstra重路由，如果重路由成功，则释放该传输通道消耗的 接口，否则恢复移除的传输通道； ⑨ 若E'中还有链路，则更新链路的剩余带宽，转到步骤⑦； ⑩ 移除每个结点剩余的接口，计算r^a)的最终值，通过式（3)、（9)和（10)分别确定 t(i，jhnHi)和ηεα)，再通过式（1)计算整个网络的功耗； 6. CBR-Dijkstra方法描述如下： ?输入包括业务需求d(i，j)，网络结点集合N，网络链路集合E，网络链路的可用带宽 集合B和网络的最大路由跳数Η ; ?输出为d(i，j)的路径； ? CBR-Dijkstra方法步骤如下： ① 从源结点i开始，计算源结点i的最短路径生成树，直到计算出到目标结点j的路径 时停止； ② 只考虑可用带宽大于业务需求的路径，当跳数相同时，选择可用带宽最小的路径； ③ 如果计算的最短路径小于网络的最大跳数H，则路由成功，计算结果为前驱结点表示 的最短路径，否则结果为NIL，表示路由失败。
【文档编号】H04L12/801GK104113480SQ201310136979
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】郭兵, 沈艳, 伍元胜, 徐阔海, 刘凡, 罗标, 张强, 张俊涛 申请人:成都赛恩泰科技有限公司