[发明专利]一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法

权利要求书

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：

MinΣ_i∈N[n^c(i)·p^c+n^l(i)·p^l+nⁱ(i)·pⁱ]+Σ_{i，j∈N：i≠j}t(i，j)·p^t  (1)

受限于:

Σj∈N:j≠iiδ(ii,jj,ii,j)-Σj∈N:j≠iiδ(ii,jj,j,ii)=1∀ii,jj∈N:d(ii,jj)>0---(2b)]]>

Σi∈N:i≠jjδ(ii,jj,i,jj)-Σi∈N:i≠jjδ(ii,jj,jj,i)=1∀ii,jj∈N:d(ii,jj)>0---(2c)]]>

Σj∈N:j≠iδ(ii,jj,i,j)≤1∀ii,jj,i∈N:d(ii,jj)>0---(2d)]]>

Σj∈N:j≠iδ(ii,jj,j,i)≤1∀ii,jj,i∈N:d(ii,jj)>0---(2e)]]>

t(i,j)=Σii,jj∈N:d(ii,jj)>0δ(ii,jj,i,j)·d(ii,jj)∀i,j∈N:i≠j---(3)]]>

t(i,j)≤d′(i,j)·α·C∀i,j∈N:i≠j---(4)]]>

ni(i)≥Σj∈N:j≠id′(i,j)∀i∈N---(5a)]]>

ni(i)≥Σj∈N:j≠id′(j,i)∀i∈N---(5b)]]>

nl(i)·mi≥ni(i)∀i∈N---(6)]]>

nc(i)·ml·mi≥ni(i)∀i∈N---(7)]]>

各式中参数定义如下：

N表示网络结点集合，

i,j,ii,jj∈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，

p^t表示网络资源处理单位(1Gbps）业务负载的动态功耗，

pⁱ,p^l和p^c分别表示单个接口、线卡和机框的功耗，

mⁱ,m^l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)∈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n^c(i)·p^c、线卡功耗n^l(i)·p^l和接口功耗nⁱ(i)·pⁱ，使用线性函数近似动态功耗与业务负载的关系，即t(i,j)·p^t，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：

δ(ii,jj,i,j)∈{0,1}：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)∈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)∈R⁺：逻辑链路(i,j)上的总业务量，其中R⁺表示正实数集合；

nⁱ(i)∈Z⁺：网络结点i的活跃接口数量；

n^l(i)∈Z⁺：网络结点i的活跃线卡数量；

n^c(i)∈Z⁺：网络结点i的活跃机框数量，

3）GVTD模型采用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：

◆nⁱ(i)，n^l(i)和n^c(i)的值由以下式子确定：

ni(i)=max(Σj∈N:j≠id′(i,j),Σj∈N:j≠id′(j,i))∀i∈N---(8)]]>

◆通过以下方式计算目标函数的下界值：

Σ_{i，j∈N：i≠j}t(i，j)＝Σ_{i，j∈N：i≠j}d(i，j)  (12)

式(11)中，∑_j∈N:j≠id(i,j)和∑_j∈N:j≠id(j,i)分别表示结点i发送和接收的业务量的下界，α·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n^l(i)_lb和n^c(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,α,C,p^t,pⁱ,p^l,p^c,mⁱ,m^l和H

◆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nⁱ(i)_lb初始化每个网络结点的接口数nⁱ(i)，

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nⁱ(i)的最终值，通过式(3)、(9)和(10)分别确定t(i，j)、n^l(i)和n^c(i)，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H；

◆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。