[发明专利]一种基于约束路由的绿色虚拟拓扑设计方法

说明书

所属技术领域

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

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。

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 SONET/SDH/OTN网络或IP over WDM网络。下层网络（即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。

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。

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。