网络设备节能控制机制的设计与仿真实现

2014-09-14王超WANGChao

价值工程 2014年14期

王超WANG Chao

（辽宁建筑职业学院，辽阳111000）

1 网络模型设计

本文针对接入网展开网络设备节能控制机制的研究。接入网设备指的是用户终端到骨干网络之间的所有设备。因为接入网的每个用户使用网络的时间和使用网络的方式千差万别，所以接入网的设备并不是一直处于工作状态，可以通过不断地改变接入网设备的线路端口状态，在满足用户能够正常通信的情况下，转换端口功耗，节省接入网设备的能耗。不同类型的设备功耗与设备的负载量、设备正在使用的端口数量等具体因素有关。本文将网络设备的状态从功耗的角度归纳为工作状态、空闲状态、睡眠状态和关闭状态。

网络模型是G(V,E)，其中V代表节点集，E代表边集。节点指与一个有独立地址和具有接收或传送数据能力的网络相连的设备，即拥有自己唯一一个网络地址的设备。节点可以是网络用户、客户、工作站或个人计算机，还可以是打印机、服务器和其他与网络连接的设备；边指由一条或多条链路组成的路径。∀vi，vj∈V（i，j=1，2，3，…，|V|），其间有0条、1条或多条边。∀el∈E，常用的QoS参数有如下几种：可用带宽范围［BwlL，BwlH］，延迟范围［DllL，DllH］，出错率范围［LslL，LslH］。其他的QoS参数有延迟抖动、缓冲区资源、路径跳数和费用等。对于不同的应用，考虑的边QoS参数不同。本文主要针对用户QoS路由请求，该请求表示为＜vs，vd，[bw_rqL，bw_rqH]，[dl_rqL，dl_rqH]，[ls_rqL，ls_rqH]＞，其中 vs代表源节点，vd代表目的节点，[bw_rqL，bw_rqH]代表用户带宽需求区间，[dl_rqL，dl_rqH]代表用户延迟允许区间，[ls_rqL，ls_rqH]代表用户出错率允许区间。采用区间的形式表示带宽、延迟和出错率是因为边参数值难以精确测量，用户QoS需求难以准确表达。

2 系统仿真实现

2.1 网络拓扑图的生成本文基于某大学校园网络拓扑结构图进行系统仿真实现，该拓扑于2005年建成。该大学校园网属于园区网，该网络对网络设备的操作较少，适合使用网络设备节能控制机制。大学校园网络结构拓扑图如图1所示。

图1 某高校校园网络拓扑结构图

2.2 链路QoS参数值的生成链路QoS参数通常包括可用带宽、传输延迟、链路物理距离等。网络拓扑图中每条链路的可用带宽和物理距离在图1中已标注，其中深灰色链路为万兆带宽，黑色链路为千兆带宽，浅灰色链路为百兆带宽。链路的传输延迟与很多因素有关，主要因素是链路的物理距离。在仿真实现时我们假设初始时网络处于理想状态，即网络中的链路没有阻塞、报文到达网络设备时没有排队等待的其他报文，也就是说其他因素对链路的延迟没有影响，那么链路的传输延迟只与该链路的物理距离有关。经过实际调查，该高校传输延迟最多不超过1ms，根据这一有效信息，设链路单位长度延迟θ为0.0002ms/秒。由此，可以求出每条链路的传输延迟Td如公式（1）所示：

其中，Dl为链路的物理距离。仿真实现时，band[][]二维int型数组存放链路带宽，band[i][j]的值代表两相邻节点i,j之间链路的带宽。linkdis[][]二维int型数组存放链路物理距离，linkdis[i][j]的值代表两相邻节点i,j之间链路的物理距离。linkdelay[][]二维float型数组存放链路传输延迟，linkdelay[i][j]的值代表两相邻节点i,j之间链路的传输延迟。

2.3 路径QoS参数值的生成路径QoS参数通常包括可用带宽、传输延迟、路径物理距离等。路径的可用带宽设为组成该路径的所有链路带宽的最小值，路径的传输延迟设为组成该路径所有链路传输延迟之和，路径的物理距离为组成该路径的所有链路物理距离之和。在仿真实现时，int pathband[][][]三维数组存放路径带宽，pathband[i][j][k]表示节点对i,j之间的第k条路径（每对节点之间有一条或多条路径）的带宽。int pathdis[][][]三维数组存放路径物理距离，float pathdelay[][][]三维数组存放路径的传输延迟。

2.4 QoS路由算法∀（vi，vj）∈V（i，j=1，2，3，…，|V|），根据公式 Ecr=αB·EBr+αD·EDr+αL·ELr其中，αB、αD和 αL分别代表带宽、延迟和出错率对用户QoS需求的相对重要性，0≤αB，αD，αL≤1，αB+αD+αL=1。EBr、EDr和 ELr代表路径带宽、延迟和出错率评价函数值。ECr反映了用户对路径el提供QoS的满意度。求出其间所有路径的QoS综合评价函数值ECr值，存放在三维float型数组ecl[NODE_NUM][NODE_NUM][NODE_NUM]中，用冒泡法选择ECr值最大的前n条路径作为节点对（vi，vj）之间满足QoS的通信首选路径。

2.5 网络设备节能QoS路由算法在该模块中，要实现本文的重点部分：网络设备的节能控制机制。网络设备节能QoS路由算法的主要目的是，在满足用户QoS要求的前提下，将网络设备能耗作为选路度量值进行路由，使网络中的设备合理利用。

实现方法为，在一段时间内，网络中可能有多对节点在进行通信，先选择最短路径QoS算法中求出来的第一条首选路径作为通信路径。每条通信路径都经过一些网络设备，求出网络中每个设备有多少条路径经过。选择经过的路径数最少的设备，将经过该设备的路径上的负载转移到其他路径上。其他路径的选取是从最短路径QoS算法中的第二条路径开始选择，必须满足的条件是这条路径不经过该设备，并且经过的设备都是正在工作的设备。当这个设备上所有的路径都被转移，那么这个设备空闲下来可以转为睡眠状态。但是有可能某条路径因为没有其他满足条件的路径进行负载转移，那么这个设备仍然继续工作。当第一个设备转为睡眠状态后，这段时间正在工作的就少了一个，再从其他的工作设备中找到另一个经过的路径数较少的设备，重复上述过程，直到遍历完网络上的所有设备为止，网络设备节能QoS算法结束，此时会有一些设备转换为睡眠状态，达到网络设备节能的目的。

每条路径经过空闲设备的数量求出存放到int crossidlequipnum[][][]数组中。仿真实现时，对每对节点间的路径按照crossidlequipnum值进行排序，排序结果覆盖table动态二维数组。路径综合评价值eval的求法为：