網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能控制機(jī)制的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

王超WANG Chao

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼陽(yáng)111000）

1 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

本文針對(duì)接入網(wǎng)展開(kāi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能控制機(jī)制的研究。接入網(wǎng)設(shè)備指的是用戶終端到骨干網(wǎng)絡(luò)之間的所有設(shè)備。因?yàn)榻尤刖W(wǎng)的每個(gè)用戶使用網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和使用網(wǎng)絡(luò)的方式千差萬(wàn)別，所以接入網(wǎng)的設(shè)備并不是一直處于工作狀態(tài)，可以通過(guò)不斷地改變接入網(wǎng)設(shè)備的線路端口狀態(tài)，在滿足用戶能夠正常通信的情況下，轉(zhuǎn)換端口功耗，節(jié)省接入網(wǎng)設(shè)備的能耗。不同類型的設(shè)備功耗與設(shè)備的負(fù)載量、設(shè)備正在使用的端口數(shù)量等具體因素有關(guān)。本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)從功耗的角度歸納為工作狀態(tài)、空閑狀態(tài)、睡眠狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)模型是G(V,E)，其中V代表節(jié)點(diǎn)集，E代表邊集。節(jié)點(diǎn)指與一個(gè)有獨(dú)立地址和具有接收或傳送數(shù)據(jù)能力的網(wǎng)絡(luò)相連的設(shè)備，即擁有自己唯一一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址的設(shè)備。節(jié)點(diǎn)可以是網(wǎng)絡(luò)用戶、客戶、工作站或個(gè)人計(jì)算機(jī)，還可以是打印機(jī)、服務(wù)器和其他與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備；邊指由一條或多條鏈路組成的路徑。?vi，vj∈V（i，j=1，2，3，…，|V|），其間有0條、1條或多條邊。?el∈E，常用的QoS參數(shù)有如下幾種：可用帶寬范圍 ［BwlL，BwlH］，延遲范圍 ［DllL，DllH］，出錯(cuò)率范圍 ［LslL，LslH］。其他的QoS參數(shù)有延遲抖動(dòng)、緩沖區(qū)資源、路徑跳數(shù)和費(fèi)用等。對(duì)于不同的應(yīng)用，考慮的邊QoS參數(shù)不同。本文主要針對(duì)用戶QoS路由請(qǐng)求，該請(qǐng)求表示為＜vs，vd，[bw_rqL，bw_rqH]，[dl_rqL，dl_rqH]，[ls_rqL，ls_rqH]＞，其中 vs代表源節(jié)點(diǎn)，vd代表目的節(jié)點(diǎn)，[bw_rqL，bw_rqH]代表用戶帶寬需求區(qū)間，[dl_rqL，dl_rqH]代表用戶延遲允許區(qū)間，[ls_rqL，ls_rqH]代表用戶出錯(cuò)率允許區(qū)間。采用區(qū)間的形式表示帶寬、延遲和出錯(cuò)率是因?yàn)檫厖?shù)值難以精確測(cè)量，用戶QoS需求難以準(zhǔn)確表達(dá)。

2 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的生成 本文基于某大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)，該拓?fù)溆?005年建成。該大學(xué)校園網(wǎng)屬于園區(qū)網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的操作較少，適合使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能控制機(jī)制。大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 某高校校園網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 鏈路QoS參數(shù)值的生成 鏈路QoS參數(shù)通常包括可用帶寬、傳輸延遲、鏈路物理距離等。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中每條鏈路的可用帶寬和物理距離在圖1中已標(biāo)注，其中深灰色鏈路為萬(wàn)兆帶寬，黑色鏈路為千兆帶寬，淺灰色鏈路為百兆帶寬。鏈路的傳輸延遲與很多因素有關(guān)，主要因素是鏈路的物理距離。在仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)我們假設(shè)初始時(shí)網(wǎng)絡(luò)處于理想狀態(tài)，即網(wǎng)絡(luò)中的鏈路沒(méi)有阻塞、報(bào)文到達(dá)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)沒(méi)有排隊(duì)等待的其他報(bào)文，也就是說(shuō)其他因素對(duì)鏈路的延遲沒(méi)有影響，那么鏈路的傳輸延遲只與該鏈路的物理距離有關(guān)。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查，該高校傳輸延遲最多不超過(guò)1ms，根據(jù)這一有效信息，設(shè)鏈路單位長(zhǎng)度延遲θ為0.0002ms/秒。由此，可以求出每條鏈路的傳輸延遲Td如公式（1）所示：

其中，Dl為鏈路的物理距離。仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，band[][]二維int型數(shù)組存放鏈路帶寬，band[i][j]的值代表兩相鄰節(jié)點(diǎn)i,j之間鏈路的帶寬。linkdis[][]二維int型數(shù)組存放鏈路物理距離，linkdis[i][j]的值代表兩相鄰節(jié)點(diǎn)i,j之間鏈路的物理距離。linkdelay[][]二維float型數(shù)組存放鏈路傳輸延遲，linkdelay[i][j]的值代表兩相鄰節(jié)點(diǎn)i,j之間鏈路的傳輸延遲。

2.3 路徑QoS參數(shù)值的生成 路徑QoS參數(shù)通常包括可用帶寬、傳輸延遲、路徑物理距離等。路徑的可用帶寬設(shè)為組成該路徑的所有鏈路帶寬的最小值，路徑的傳輸延遲設(shè)為組成該路徑所有鏈路傳輸延遲之和，路徑的物理距離為組成該路徑的所有鏈路物理距離之和。在仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，int pathband[][][]三維數(shù)組存放路徑帶寬，pathband[i][j][k]表示節(jié)點(diǎn)對(duì)i,j之間的第k條路徑（每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間有一條或多條路徑）的帶寬。int pathdis[][][]三維數(shù)組存放路徑物理距離，float pathdelay[][][]三維數(shù)組存放路徑的傳輸延遲。

2.4 QoS路由算法?（vi，vj）∈V（i，j=1，2，3，…，|V|），根據(jù)公式 Ecr=αB·EBr+αD·EDr+αL·ELr其中，αB、αD和 αL分別代表帶寬、延遲和出錯(cuò)率對(duì)用戶QoS需求的相對(duì)重要性，0≤αB，αD，αL≤1，αB+αD+αL=1。EBr、EDr和 ELr代表路徑帶寬、延遲和出錯(cuò)率評(píng)價(jià)函數(shù)值。ECr反映了用戶對(duì)路徑el提供QoS的滿意度。求出其間所有路徑的QoS綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值ECr值，存放在三維float型數(shù)組ecl[NODE_NUM][NODE_NUM][NODE_NUM]中，用冒泡法選擇ECr值最大的前n條路徑作為節(jié)點(diǎn)對(duì)（vi，vj）之間滿足QoS的通信首選路徑。

2.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS路由算法 在該模塊中，要實(shí)現(xiàn)本文的重點(diǎn)部分：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的節(jié)能控制機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS路由算法的主要目的是，在滿足用戶QoS要求的前提下，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗作為選路度量值進(jìn)行路由，使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備合理利用。

實(shí)現(xiàn)方法為，在一段時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中可能有多對(duì)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行通信，先選擇最短路徑QoS算法中求出來(lái)的第一條首選路徑作為通信路徑。每條通信路徑都經(jīng)過(guò)一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，求出網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備有多少條路徑經(jīng)過(guò)。選擇經(jīng)過(guò)的路徑數(shù)最少的設(shè)備，將經(jīng)過(guò)該設(shè)備的路徑上的負(fù)載轉(zhuǎn)移到其他路徑上。其他路徑的選取是從最短路徑QoS算法中的第二條路徑開(kāi)始選擇，必須滿足的條件是這條路徑不經(jīng)過(guò)該設(shè)備，并且經(jīng)過(guò)的設(shè)備都是正在工作的設(shè)備。當(dāng)這個(gè)設(shè)備上所有的路徑都被轉(zhuǎn)移，那么這個(gè)設(shè)備空閑下來(lái)可以轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)。但是有可能某條路徑因?yàn)闆](méi)有其他滿足條件的路徑進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，那么這個(gè)設(shè)備仍然繼續(xù)工作。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)后，這段時(shí)間正在工作的就少了一個(gè)，再?gòu)钠渌墓ぷ髟O(shè)備中找到另一個(gè)經(jīng)過(guò)的路徑數(shù)較少的設(shè)備，重復(fù)上述過(guò)程，直到遍歷完網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備為止，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS算法結(jié)束，此時(shí)會(huì)有一些設(shè)備轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能的目的。

每條路徑經(jīng)過(guò)空閑設(shè)備的數(shù)量求出存放到int crossidlequipnum[][][]數(shù)組中。仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)每對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路徑按照crossidlequipnum值進(jìn)行排序，排序結(jié)果覆蓋table動(dòng)態(tài)二維數(shù)組。路徑綜合評(píng)價(jià)值eval的求法為：

路徑綜合評(píng)價(jià)值eval越大，說(shuō)明該路徑越短，給用戶提供的服務(wù)質(zhì)量越好且該路徑使用空閑網(wǎng)絡(luò)設(shè)備越少。選路時(shí)選取eval最大的邊作為最佳路徑。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的滿足QoS設(shè)備節(jié)能路由機(jī)制，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，找出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗最小的路徑集合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理，從網(wǎng)絡(luò)全局的角度上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能的目的。

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