虛擬網絡中的能效優化技術與方法研究

鄭雪純，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

虛擬網絡中的能效優化技術與方法研究

鄭雪純，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

信息通信技術的發展為人們的生活提供了便利，但同時帶來了巨大的能源浪費。網絡虛擬化允許在共享的物理網絡上運行多個虛擬資源，大大提高了物理網絡的能源效率。先前研究工作的主要目標是通過在同一物理資源上供應更多的虛擬網絡請求，最小化物理資源花費的成本，從而最大化ISP的收益。目前，已有研究人員將節能技術應用于虛擬網絡，提出改善基于成本的虛擬網絡映射(VNE)算法，旨在降低能耗。文中主要對虛擬網絡架構中的能效優化技術和方法進行研究，包括休眠機制、動態適應、比例計算、選擇性連接和網元等級化，分析了虛擬網絡映射中的能效優化。重點研究了能量感知VNE，并展望未來的研究工作和面臨的挑戰。

虛擬網絡；能源效率；虛擬網絡映射；能量感知

0 引 言

隨著信息技術的發展，能耗問題日益突出。據統計，美國的Akamai，世界領先的網絡服務提供商之一，每年消耗約1 000萬美元的電力成本。在中國，中國移動通信公司在2011年消耗了13 TWH的功率。意大利電信的能源消耗在意大利排名第二，每年消耗超過2 TWH，這相當于6.6萬個家庭一年內的消耗總量[1]。因此，節約網絡能耗成為急需解決的重要問題。

ISP的傳統范式是在一個服務器中運行一個應用程序，故而浪費了網絡資源，也消耗了過多的能源。網絡虛擬化是未來網絡、軟件定義網絡和云計算的重要技術，是允許在共享的物理網絡上運行多個虛擬資源的關鍵技術。網絡的虛擬化可以提高物理網絡的能源效率，主要體現在兩方面：一方面，虛擬化使合并技術成為可能。也就是說，在同一物理資源上可以容納多個虛擬資源;另一方面，可以通過移動虛擬資源在底層網絡上的位置，來平衡整個網絡的負載[2]。虛擬化技術可以在較少數量的機器上運行較多的應用程序，減少了執行應用程序的硬件，從而節約了硬件的能耗。

目前，已有研究工作者將綠色網絡的節能技術引入虛擬網絡，并相繼提出了自適應速率技術[3]、流量聚合機制[4]、休眠機制[5]、功率控制[6]等網絡節能方法。事實上，當前網絡中能源的利用率仍然很低。網絡中的設備都是針對最大流量負載或者最壞情況而設計的，在正常情況下會大大浪費網絡資源[7]。已有研究人員認識到，虛擬網絡映射(VNE)必須考慮能源效率這一因素，并提出能量感知的映射算法。

文中主要對虛擬網絡架構中的能效優化技術和方法進行研究，并展望了未來的研究工作。

1 節能技術分級模型

從應用的層面，文中將節能技術分為設備級、器件級和網絡級技術。但是在實際應用中，不同的節能技術之間可以相互交織和組合，不是完全獨立的。

1.1 設備級節能技術

設備級技術應用于一組設備或一個模塊，如光網絡節點、緩存服務器等。

(1)光網絡節點：這項技術的目的是將能效優化的光學技術應用在網絡節點中的傳輸接口和/或開關中。光網絡節點具有Tbps甚至更高的容量，從而極大地節省了網絡能源消耗。尤其是光分組交換網絡，因為在該網絡中不用進行光和電之間的轉換。問題是，在大的網絡和實際網絡中，它是難以實現的。

(2)緩存服務器：這項技術可以將重要的或是常被使用的內容緩存起來，從而減少不必要的流量，尤其適用于緩存內容具有很高的利用頻率的時候。但是問題在于，使用頻率低時，緩存服務器仍要頻繁地接入到原始服務器來檢査內容的可用性，從而消耗不必要的能量。所以，有必要制定一個策略，可以根據緩存內容的命中率來確定是否緩存，從而減少能耗。

1.2 器件級節能技術

器件級技術多應用于電子層設備，如多核中央處理單元(CPU)、時鐘門控、高級功率放大器(APA)等。

(1)CPU：根據電子設備的硬件特性可知，使用單個高規格CPU會比使用多個低規格CPU消耗更多的能源。而且，多核CPU可以動態地同時控制時鐘和睡眠模式，從而大大節約能源。

(2)時鐘門限：電源感知的時鐘門限技術可以在沒有任務時，使電路和時鐘停止供應。時鐘停止供應的時間越長，節約的能源就越多。電源感知虛擬內存技術可以根據實際需求和使用量，控制活躍的內存。網絡節點的讀寫存儲器就運用了這一技術。

(3)APA：在無線通信中，單功率放大器占了基站總功耗的一大部分。APA技術是一種應用在無線網絡基站中，能高度改善效率的功率放大器，可以降低能源的消耗。

1.3 網絡級節能技術

網絡級技術應用于整個網絡，比如光突發交換，能源消耗感知的網絡規劃，能量消耗為基礎的路由/交通工程等。

(1)光突發交換：在核心路由器，光突發交換可以大大減少能耗。其主要技術特點是，邊緣路由器把數據包聚合成突發數據流，這一機制可以減少核心路由器計算數據包包頭的操作量。與光分組交換網絡相比，光突發交換明顯減少了處理器的操作，節約了核心網絡的能量消耗。但是，該技術會使網絡性能受到突發組裝機制的影響。

(2)基于能源消耗的路由/流量工程：該節能技術的特點是，通過控制流量路由來使得網絡范圍內的能耗大大下降。它的前提是假設在各個網絡節點中都能實現睡眠模式或ALR/DVS功能。在使用睡眠控制技術時，基于能源消耗的路由/流量工程這一技術把流量聚合到一組路由里，同時可以將未被使用的節點或鏈路調節到睡眠模式，從而節約了不必要的能源消耗[8]。

2 低能耗虛擬網絡架構中的節能方法

文中在研究低能耗虛擬網絡架構的節能方法時，主要介紹以下5種：休眠機制、動態適應、比例計算、選擇性連接和網元排名。這些節能方法不是完全獨立的。在實際應用中，這些節能方法是相互結合和滲透的，任何一個節能方案的實施都包括兩種甚至以上的節能方法。

2.1 休眠機制

休眠這一節能方法基于電源管理，將網絡節點或者鏈路或它們的一部分模塊幾乎完全關閉，使其進入低能量狀態，并凍結它們所有的功能，從而節約能源。因此，休眠狀態也是較深程度的空閑狀態，具有更高能量儲蓄和更多喚醒時間的特征。隨著休眠機制在虛擬網絡節能中發揮的作用越來越重要，國內外的研究學者已經提出了相應的休眠方案和算法，比如Energy-Aware、EACDS、MACDS等等[9]。

這種能量感知方法的主要問題是，當今網絡應用程序和服務的共同目標和設計要求，它們通常要一直處于完全可用的狀態。具體地說，當一個設備(或它的一部分)處于休眠狀態時，它的應用和服務會停止工作，那么該設備就失去了網絡連接性。它不能維持網絡連接，也不能應答應用和服務的特殊消息。而且，設備醒來后必須通過發送不可輕視的數量的信號來重新初始化它的應用和服務。就比如，盡管PC有電源管理的功能(允許臺式機和服務器快速進入休眠和節能模式)，但網絡功能和應用程序經常對其造成干擾。這是因為現在的個人計算機一旦進入休眠模式，就會丟失TCP連接、局域網廣播服務等。這就是為什么，即使一些連網計算機和服務器的資源沒有被用戶使用，它們也必須處于完全供電狀態。這很大程度上是因為，遠程用戶和其他計算機需要一直訪問它們共享的資源。

對此，克里斯坦森和諾德曼在文獻[10]等相關文獻中實現了該場景的能源效率增強功能。詳細點說，維持網絡持續連接的解決方案是，當一個網絡主機進入睡眠模式時，它要將網絡在場的消息傳輸給“代理”，也就是網絡連接代理(NCP)。

如圖1所示，NCP是為主機處理ARP、ICMP、DHCP和其他低層網絡連接任務的代理。NCP必須能夠維持TCP連接和UDP數據流，并響應應用的消息。因此，這類代理的主要目標是當通信設備休眠時，對“例行”的網絡流量做出反應，當且僅當確實必要時喚醒設備。NCP和進入休眠的設備要交換兩種消息：

(1)特殊應用：這些消息用來向NCP注冊休眠主機的應用和服務，包含應用連接描述以及應用程序“例行”消息；

(2)喚醒/休眠：當主機進入休眠時，需要這類消息來觸發NCP；當NCP收到一條需要主機處理的消息時，需要這類消息來喚醒主機[11]。

圖1 網絡連接代理服務器的實例

2.2 動態適應

動態適應是旨在根據當前的流量負荷和服務要求，調節網絡設備資源的能力(例如鏈路帶寬、數據包處理引擎的計算能力等)的節能方法。這種方法通常建立在由硬件水平提供的兩種主要的電源管理功能，即功耗縮放和空閑邏輯。然而，如今大多數的網絡設備不包括這樣的硬件水平。

功耗縮放技術可以動態地減小處理引擎或鏈路接口的工作速率。實現這一功能的方式有調整時鐘頻率、處理器電壓，或限制CPU時鐘。例如，CMOS的功率消耗可以大致表示為：

P=CV2f

其中，P是浪費的功率;C是CMOS的電容;V和f分別是電壓和工作頻率。

值得一提的是，為了使CMOS正常工作，V和f需要成正比。顯然，降低工作頻率，或降低處理器的電壓，或限制時鐘，都可以降低能耗和散熱，但代價是系統性能變慢。

空閑邏輯技術降低能耗的方式，是當系統中沒有活動體需要執行時快速關閉子組件，當系統出現新的活動時重新喚醒它們。

為了使系統性能適應當前工作負載的要求，這兩個能量感知的功能可以被聯合采用。在通用計算系統，通過預先選擇一些可行和穩定配置的HW，使HW執行空閑邏輯和功耗縮放方案，盡可能地實現能量消耗和性能狀態之間的折衷和平衡。

如圖2所示，功耗縮放(見圖2(c))顯然延長了數據包服務時間(即處理引擎處理數據包頭的時間， 鏈路

圖2 數據包服務時間和能耗

接口傳輸數據包的時間)，僅采用空閑邏輯(見圖2(b))，由于喚醒時間的緣故，會給數據包服務造成時間延遲。

如圖2(d)所示，這兩種能量感知技術的結合，可能不會帶來顯著的能源收益。這是因為，功耗縮放導致延長了數據包服務時間，從而縮短了空閑時間。因此，有必要生成一個優化策略，這個策略可以根據評估的工作負荷和服務需求，配置和控制這兩種能量感知功能的使用和狀態。在現成的計算系統中，這種優化策略通常是作為一個軟件應用被開發的。關于優化政策，為了可以評估當前工作量和最佳控制網絡性能和能耗之間的平衡，有相關的學者已經提出幾種方法。然而，這些方法都需要大量的計算來推導出最優策略和評估目前的工作量，這在任何情況下都是不可能的[11]。

2.3 比例計算

比例計算是指網絡設備能夠自動調節能耗等級以適應業務量需求的大小。動態電壓調節(DVS)和自適應鏈路速率(ALR)是比例計算的兩個典型應用，其中DVS是根據節點CPU的利用率調節CPU電壓，ALR則是通過鏈路的利用率來調節鏈路帶寬。比例計算這一節能方法可以實現網絡資源的動態適應性。資源整合指，在無業務量的情況下，網絡設備使用比例計算節能方法的一個特例。

DVS是比例計算在設備CPU上的一種應用技術。它可以在流量較低時，把CPU、線卡、網卡等的轉發能力降低。在DVS中，設備的CPU可以自動切換到合適的電壓等級上以適應不同的需求大小。通過調節CPU時鐘頻率、提供不同的CPU容量來實現電壓的變化。CPU電壓、CPU容量和設備能耗三者之間大致符合線性的關系，可以認為一個CPU電壓等級對應著一個CPU容量等級和一個設備能耗等級。

ALR是比例計算在網絡鏈路中的一種應用技術，ALR通過檢測持續數據包發送之間的時間間隔，可以根據鏈路利用率來動態地調節鏈路速率。在很大程度上，可以認為以太網中鏈路的能耗與鏈路的利用率是無關的。雖然在鏈路處于空閑狀態時，鏈路仍然會持續地發送大量無意義的數據包以保持同步，但是它造成的能耗與非空閑時相差無幾。可以得出，鏈路的能耗主要是由設定的帶寬大小來決定的，實際的負載并不會對其造成影響。根據鏈路的利用率情況，ALR可以將鏈路調節到最合適的帶寬等級以實現鏈路能耗的自適應。

在比例計算中，根據業務量需求的大小，網絡的節點和鏈路可以自適應地調節至最合適的能耗等級。因此，設備的能耗可以在多個等級離散區間內變化，這使在比例計算網絡中能耗需要多個階梯型函數來表示。顯然，傳統的虛擬網絡映射的數學模型已不能滿足這一需求，必須對此提出新的數學模型[12]。

2.4 選擇性連接

選擇性連接是指處于空閑狀態的網絡設備，可以在不丟失網絡連接的前提下，進入休眠狀態。在這個過程中，該網絡設備處理數據的簡單工作全部交由相關的外部設備代理完成[12]。

有選擇地連接終端系統可以管理網絡連接性，響應內部或外部事件。從而它們可以預測連接變化，并給出相應的反應。例如，當終端系統僅僅通過知道它們要移動到有底兩層連接性的區域，就可以預測出連接丟失。因此，選擇性連接這一節能方法在不犧牲主機在網絡中的位置的前提下，允許主機進入休眠，從而節約大量能源。

終端系統的電源管理有三種不同的狀態：開啟、關閉和休眠。以此類推到網絡，終端系統被分為三類：有連接、無連接以及在選擇連接模式下操作。端系統可以在進入休眠狀態時不丟失其在網絡中的位置。然而有時候，端系統需要從休眠狀態蘇醒過來，執行一些特定的任務。具體解決方案如下所示：

(1)助手：助手是一種在主機休眠時協助主機執行相關操作的通用機制。例如，助手可以通過代表主機響應保持存活的消息，來維持主機的可連接性。

(2)使選擇性連接暴露：為了方便能源管理，端系統之間最好能清楚地知道彼此的狀態。也就是說，主機可以根據協議棧的不同層，來暴露自己的連接等級。當主機想要建立通信時，會通知相應的同伙。例如，當主機試圖與一個進入休眠的主機建立通信時，它會被誘發進入休眠模式。

(3)基于主機的控制：端系統可以控制網絡中的其他端系統如何來響應它的選擇性連接。一個主機無論什么時候進入選擇性連接模式，它都有必要將自己的任務委派給其他參與者[13]。

2.5 網元等級化

為了有效地選出關閉的網元，根據網元在網絡中的重要性給它們排等級是很重要的。這可以根據網絡拓撲或通過網元的流量大小做出判斷。

使用最廣泛的、基于排名的拓撲有：中心度、中介中心度、接近中心性、特征向量中心性。中心度表示連接到每個節點的鏈路條數。中介中心度表示節點所參與的最短路徑的數量。接近中心性給出了一個節點和其他所有節點的距離的平均值。具有接近中心性最小值的節點相對來說更重要。最后，特征向量中心表示節點在網絡中的影響力，可以通過考慮節點的鄰節點的重要性級別來判斷。問題是，基于排等級的流量大小僅僅考慮了從該網元路由出的流量[13]。

3 能效優化的虛擬網絡映射

3.1 技術背景

近幾年來，VNE受到了越來越多的重視。先前研究工作的主要目標是通過在同一物理資源上供應更多的虛擬網絡請求，最小化物理資源花費的成本，從而最大化ISP的收益。然而，卻忽略了虛擬網絡映射的能耗。如果VNE的主要目標變為最小化能耗，物理網絡就可以根據當前流量需求而不是峰值需求來設計，可以大大節約能源。

為了提高VNE算法的能源效率，有必要從物理網絡消耗能量的組件著手。文獻[2]提出，大部分消耗的能量歸因于網絡節點(比如網絡中的路由器)，而不是鏈路。

所以，節約網絡能耗的焦點可以放在如何最小化網絡節點的功率消耗。文中著眼于以下4種方法：

(1)在滿足虛擬網絡請求的前提下，將盡可能多的虛擬節點映射到一個物理節點，然后把未被利用的物理節點關閉；

(2)把多個虛擬節點映射到已動態運行的物理節點。從而最大化無任何負載節點的數量，通過休眠或關閉這些節點達到節能的目的；

(3)盡量避免節點功能單一化，比如說，一部分物理節點是純粹用于轉發數據包的轉發節點，即使不作為工作節點，它們仍然需要保持運行；

(4)底層網絡節點通常是分布式部署，不同位置的節點消耗的電力成本也是不同的，而且會隨時間進行波動變化。優先選擇功率消耗低和電力代價小的節點來映射，也有助于系統節能。

3.2 能量感知的虛擬網絡映射

在文獻[14]中，有研究學者考慮了虛擬網絡映射的能源效率問題，在映射中采用資源整合的節能模式，提出多目標決策的虛擬網絡映射能耗模型，設計了基于最小化運行的網絡設備數量的能量感知映射算法。該算法可以在不影響虛擬網絡映射性能的情況下，把虛擬網絡資源映射在有限的節點和鏈路集合，主動把未被使用的底層節點和鏈路休眠，有效節約系統能耗。

ISP應該根據映射目標來選擇相應的VNE方案。文獻[14]比較了基于成本VNE和能量感知VNE(VNE-EA)在四個度量標準上的差別，這四個指標分別是不活動鏈路的百分比、不活動節點的百分比、物理網絡成本以及虛擬網絡請求(VNRs)的接收率，得到以下結果：

(1)VNE-EA方案在低負荷(比如夜間流量)時可以大大節約能源，在高負荷時兩個方案的能源收益差別幾乎可以忽略不計。

(2)VNE-EA花費了更多的映射成本，這是因為VNE-EA試圖將幾乎全部的VNR映射到最少數量的活動網絡設備，而忽略了映射成本。

(3)在低流量負荷時段，兩種VNE的VNRs接收率幾乎相同。因此，在這個時段，VNE-EA允許網絡進行動態重新規劃，從而可以在節約大量能耗的同時維持幾乎不變的VNRs接收率。

能量感知的虛擬網絡映射的問題是，該方案假設網絡資源的能耗是均勻的，但這個假設并不現實。而且，有研究總結，隨著虛擬網絡流量負荷的增大，該解決方案會大大增加映射成本，還會產生通信時延，還會增加映射成本。所以一般情況下，要充分權衡這些因素[15]。

4 結束語

文中首先從應用的層面，將節能技術分級為器件級、設備級和網絡級技術。然后，較為詳細地分析了低能耗虛擬網絡架構中的節能方法，包括休眠機制、動態適應、比例計算、選擇性連接和網元等級化。接著，研究了能效優化的虛擬網絡映射，重點介紹了能量感知VNE。最后，展望了該課題在未來的研究工作和挑戰。

(1)未來的研究工作包括，擴展當前的能耗模型，將資源負載和能耗的依賴關系考慮在內。評估應該既要包括隨機生成的網絡拓撲，還要包括切合實際的網絡拓撲結構。除此之外，網絡的可擴展性還應進一步評估，在虛擬資源請求的量超過可用的物理資源的數量(過載)情況下，測試算法。

(2)未來的研究可側重于在合理的時間內，提供最優化的啟發式能量感知策略。需要注意的是，在使用節能的VNE解決方案時，要盡量避免拒絕VNRs。此外，拓撲結構和負載的依賴性也是不可忽視的。當前ISP的拓撲結構是按等級劃分的，底層的網元的能耗較低，頂層的網元的能耗偏高。

(3)綠色的ICT信息通信技術設備最近有了新的發展，它的能耗取決于負載，這可以作為未來能量感知VNE的研究課題。

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Research on Energy-efficient Technology and Approach for Virtual Network

ZHENG Xue-chun,YANG Long-xiang

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The development of information communication technology brings not only convenience to people’s life,but also great energy consumption and waste of network resources.Network virtualization,which enables multiple virtual resources to run in the shared underlying network,greatly improves the energy efficiency of physical network.The major goal of the previous study is to supply virtual network requests as many as possible on the same physical resources,to minimize physical resources cost,so as to maximize the benefits of ISP.In order to reduce energy consumption,energy-saving technologies of network and modification of VNE algorithm based on cost has been introduced to virtual network.It focuses on the energy-saving technologies and methods for virtual network architecture in this paper,including sleeping mechanism,dynamic adaptation,scale computation,selective connection and hierarchical network element.The energy-efficiency optimization in VNE was analyzed.Focus on the energy-aware VNE and look forward to the future research work and challenges at last.

virtual network;energy-efficiency;VNE;energy-aware

2015-05-07

2015-08-11

時間：2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(61372124)；國家“863”高技術發展計劃項目(2013CB329104)

鄭雪純(1991-)，女，碩士，研究方向為移動通信與無線技術；楊龍祥，教授，博士生導師，研究方向為移動無線通信系統和物聯網。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1517.020.html

TP301

A

1673-629X(2016)02-0168-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.038