Page 306 - 《软件学报》2020年第9期

张金宏 等:面向主干网的网络级绿色节能机制 2927

regard to network power consumption and network performance (as for average routing hops, the number of physical links powered off,
routing success rate, and running time) and further the differences among them are analyzed fully. The results of simulation indicate that
the proposed mechanism has a remarkable energy saving effect and a satisfactory performance.
Key words: network-level energy saving; bundled link; QoS; green bin packing problem; backbone network

近些年,随着互联网用户数持续增长和云存储、物联网等新技术和新模式的不断涌现和发展,急剧增长的
互联网流量呈现出全球化趋势,预计全球网络年流量将从 2017 年的 1.5ZB 上升到 2022 年的 4.8ZB(Cisco
Systems. Cisco visual networking index: Forecast and trends, 2017~2022. 2019. https://www.cisco.com/c/en/us/
solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper-c11-741490.html).为此,网络运营商
不得不频繁增加网络设备数量和升级网络设备性能来容纳新增的网络流量;同时,不得不相应地增强支撑设备
(例如冷却设备和不间断电源);而且传统互联网遵循过供给原则(为应对峰值流量而配备网络资源)和冗余设计
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原则(为应对网络突发故障而设置冗余网络资源),这将进一步增加互联网中的网络设备数量 .如此激增的网络
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[3]
设备,导致互联网能耗的爆炸式增长 .全球互联网耗电量约占全球总耗电量的 5.3% .按目前的增长趋势,到
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2025 年,互联网耗电量将会达到 2006 年的 13 倍 .互联网的电费支出预计在未来的 7~8 年将翻一番 .如此高
的能耗增长率必将导致网络运营商的运营成本不断上涨,这将引发一系列的经济问题.
互联网能耗的快速增长往往也伴随着严峻的环境问题,因为目前在整个能源体系中,可再生的清洁能源所
[6]
占的比重很小,主要还是依赖于传统的化石能源(大约占全球一次能源消耗的 81% ),这些都加剧了碳排放,引
起了全球气候变暖.“全球电子可持续发展倡议组织(global e-sustainability initiative,简称 GeSI)”发表的《节能化
2020 年:在信息时代推动低碳经济》报告认为:2020 年,全球二氧化碳排放当量将达到 519 亿吨(其中,信息通信
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技术(information and communication technology,简称 ICT)领域产生 14 亿吨) .无论从经济角度、能源角度还是
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环境角度看,都亟需建设低能耗高能效的绿色互联网 .
接入网的流量汇聚,使得主干网承受着比接入网更快的流量增长和能耗增长.随着网络流量的激增,主干网
[9]
路由器将成为互联网中最耗能的网络设备 .因此,面向主干网的节能问题在绿色互联网的建设与发展过程中
必须加以解决.
此外,随着互联网的飞速发展,网络应用类型日益丰富,对文件传输等传统应用的尽力而为(best effort)服务
不适用网络电话(voice over Internet protocol,简称 VoIP)、视频会议(video teleconference,简称 VTC)、网络电视
(Internet protocol television,简称 IPTV)以及视频点播(video on demand,简称 VOD)等网络应用类型 [10] .鉴于此,
互联网工程任务组(Internet engineering task force,简称 IETF)于 1994 年发布了标准 RFC1633,第 1 次将服务质
量(quality of service,简称 QoS)引入网络,提出了综合服务(integrated services,简称 IntServ)模型;此后,为了克服
IntServ 可扩展性差的不足,IETF 又于 1998 年发布了标准 RFC2474 和 RFC2475,提出了差分服务(differentiated
services,简称 DiffServ)模型,规定了网络对不同类型应用的 QoS 保证.
本文面向主干网节能问题,提出了一种网络级绿色节能机制,它包括对功率感知路由器模型和捆绑链路模
型的刻画,在全局视图上,使用基于最小剩余容量优先(smallest remaining capacity first,简称 SRCF)的绿色路由
算法对网络流量负载进行疏导汇聚,在局部视图上使用绿色降序最佳适应(green-best fit deceasing,简称 G-BFD)
算法求解捆绑链路内部的流量分配问题(即绿色装箱问题).该机制在考虑网络节能收益最大化的同时,还基于
DiffServ 模型考虑网络对不同应用的 QoS 支持,在实现最大化网络节能的同时,兼顾应用 QoS 需求.
本文第 1 节综述目前主干网网络级节能机制的研究工作现状.第 2 节介绍本文涉及的网络模型、节点模型、
链路模型和功耗模型.第 3 节给出我们提出的绿色节能机制所采用的 SRCF 算法.第 4 节在 3 个实际网络拓扑和
高、 中和低流量负载下将本文提出的路由机制和选定的基准机制在功耗和性能上进行对比分析.第 5 节对全文
工作进行总结.

1 相关工作

目前,针对主干网网络级节能机制的研究工作 [1,11] 可以按不同的分类标准划分如下.