未來網絡休眠機制研究

張國鼎，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

未來網絡休眠機制研究

張國鼎，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

隨著網絡技術的發展、網絡普及率的提高和網絡規模的不斷增大，網絡能量消耗在社會總能量消耗中的比率已引起了社會的廣泛關注，控制網絡能耗以降低網絡運營成本已刻不容緩。為此，網絡節能技術已成為當今的研究熱點之一。由于技術等多種原因，難以在根本上解決傳統網絡能耗過大的問題。為此，需要采用新技術、新觀念設計革命性的未來網絡架構，并在此網絡架構下，探索包括休眠機制在內的網絡能耗控制技術。在介紹兩種未來網絡架構OpenFlow和DTN的基礎上，著眼于未來網絡新架構內休眠機制的研究進展，著重闡述了OpenFlow架構下的節點與鏈路休眠機制，以及DTN架構下情景感知和異步時鐘等休眠機制，分析了網絡休眠機制研究中面臨的問題與困難，并且給出了未來網絡休眠研究的建議。

OpenFlow網絡;DTN;節能;休眠

0 引 言

隨著網絡規模的不斷增大以及各種網絡需求的出現，網絡中能源浪費的問題引起了廣泛關注。根據文獻[1]，在如今的發達國家中網絡的能量消耗大約占到社會總能量消耗的5%，所以網絡節能問題變得尤為突出。當前互聯網普遍采用網絡帶寬超額提供和網絡資源冗余部署的方式來滿足網絡峰值負載的需求，然而大部分時間內互聯網的負載都遠低于峰值負載，使得互聯網中存在大量空閑或低利用率的網絡資源。又因為設備固有能耗開銷的存在以及硬件技術的制約，當前互聯網設備和部件的能耗幾乎不受到負載變化的影響，其在低負載時的能耗與滿負載時的能耗相近，導致網絡設備在全天全時的工作方式下消耗著大量無效的能量。然而在現有的網絡體系結構中很難有效地解決這種網絡的高能耗問題，所以一種不受現有TCP/IP體系結構所限制，重新設計的未來網絡體系架構、運行機制、控制機制等的革命式方案成為迫切需要，國內外將這些網絡稱之為未來網絡。

網絡休眠是網絡節能的主要手段之一，近年來國內外很多研究機構和學者投身于未來網絡的休眠方案的研究。Bhed Bahadur Bista等致力于在OpenFlow網絡下的網絡休眠，先后提出對網絡節點和網絡鏈路的休眠方案。Tiago Filipe等基于PSIRP(Publish/Subscribe Internet Routing Paradigm)網絡架構，提出一種將通信流量合并到常用鏈路使得不常用鏈路可以休眠的方案。Bong Jun Choi等基于容遲/容斷網絡(DTN)，提出了自適應異步時鐘休眠方案。Lefebvre等提出一種應用于P2P網絡的休眠機制，該機制是一種能量高效點對點存儲系統，即將空閑狀態的節點調至休眠模式，同時為這種休眠設置一個時間上限，使之不影響數據的存儲與傳輸。文獻[2]根據鄰居發現機制，對實現最小能耗問題進行了研究；文獻[3]提出了HABS(硬件輔助緩沖休眠)，可以有效避免數據包的丟失。

由于技術等多種原因，難以在根本上解決傳統網絡能耗過大的問題。為此，需要采用新技術、新觀念設計革命性的未來網絡架構，并在此架構下，探索包括休眠機制在內的網絡能耗控制技術。目前的未來網絡體系可以劃分為有線網絡以及無線網絡，文中在介紹兩種未來網絡架構的基礎上，著眼于未來網絡新架構內休眠機制的研究進展，著重闡述了OpenFlow架構下的節點與鏈路休眠機制，以及DTN架構下情景感知和異步時鐘等休眠機制，分析了網絡休眠機制研究中面臨的問題與困難，給出了未來網絡休眠研究的建議。

1 有線OpenFlow網絡架構及網絡下的休眠方案

本節首先介紹了OpenFlow網絡架構，然后分析了在該架構下的兩種休眠方案，即網絡節點休眠方案和網絡鏈路休眠方案。介紹了兩種休眠方案的原理與執行過程，并且著重分析了它們的休眠條件、節能效果、適用場景等問題。

1.1 OpenFlow網絡架構

OpenFlow網絡被開放網絡基金會的成員(包括谷歌、思科、微軟、Facebook等)標準化。這種網絡已經在Internet2、美國斯坦福大學、日本的JGN2plus以及其他的10～15個科研機構中進行了部署和應用，并將在國家科研骨干網以及其他生產與科研中應用。OpenFlow網絡的國際覆蓋已經包括葡萄牙、意大利、美國、日本、瑞典、波蘭和西班牙等。這種網絡被認為是一種具有靈活性和可維護性的未來網絡架構。

OpenFlow網絡由一個控制器和大量的節點(交換機/路由器)組成，如圖1所示。

圖1 OpenFlow基本網絡

圖中的節點分為兩種，分別是接入節點和骨干節點。接入節點連接用戶終端，骨干節點是連接在兩個接入節點之間的中間節點。控制器通過安全通道以及OpenFlow協議與每一個節點通信，并且收集每個節點的網絡數據。

1.2 OpenFlow網絡中的節點與鏈路休眠方案

Gupta等在文獻[4-6]中最早研究在有線網絡下的網絡節能問題，他們研究出很多算法讓節點或鏈路在一定時間內休眠，但是這些算法并沒有給出節點或鏈路的休眠時間長短，也就是沒有解決在何時喚醒休眠的節點或者鏈路的問題。下面介紹的基于OpenFlow網絡中的休眠方案則很好地解決了節點或鏈路休眠以及喚醒的問題。在OpenFlow網絡下的休眠方案主要分為對網絡中節點的休眠以及對網絡中鏈路的休眠。

文獻[7]提出一種基于OpenFlow網絡下的節點休眠方案。該方案是根據整個網絡的通信量以及每個節點的通信能力計算出保證網絡正常工作所需要的節點數，通過比較網絡中所需的節點數和網絡現在正在工作的節點數，確定是否需要對網絡中的節點進行休眠。當網絡中工作的節點比需要的節點數多時，通過算法將一些節點休眠，使工作的節點數與網絡中需要的節點數相等。當網絡中工作的節點數少于需要的節點數時，要將網絡中所有休眠的節點喚醒，再通過算法進行休眠，使得工作的節點數與需要的節點數相等。值得注意的是，要在保證網絡正常運行的前提下選擇將要被休眠的節點，所以在選擇休眠節點時與主機和服務器相連的節點以及通信量較大的節點不能被休眠。

上述這種對于節點休眠的方案可以有效減少網絡中的能量消耗，但很多的節點在網絡運行中都有至關重要的作用，該方案難免會將一些重要的節點休眠，難以保證網絡的正常運行，當不能將一個節點完全休眠時，可以考慮不去休眠整個節點而是將這個節點中的某些鏈路休眠。基于這種考慮，文獻[8]提出基于OpenFlow網絡下的鏈路休眠方案。

鏈路休眠方案是將每個鏈路的利用率與設定好的門限值進行比較，將鏈路利用率小于休眠門限值的鏈路休眠，當節點中某些鏈路利用率大于喚醒門限時要將這個節點中所有正在休眠的鏈路喚醒。因為鏈路利用率超過喚醒門限值說明該鏈路連接的節點的流量負載較大，需要喚醒節點中其他的休眠鏈路，提升節點的處理性能。當有鏈路需要休眠時要注意以下兩點：一是休眠的鏈路不能屬于邊緣節點，二是鏈路休眠后不能將網絡分割。每次有鏈路被休眠或者被喚醒時，控制器都要根據新的網絡拓撲來更新流表，節點將按照更新后的流表進行數據轉發。

上述的鏈路休眠方案中的休眠門限值以及喚醒門限值的選取是非常困難的，它與網絡中的通信量有關，所以只能通過不斷的實驗取出一個理想值。該方案中只是考慮怎樣將鏈路休眠來減少網絡中的能量消耗，并沒有考慮網絡負載特征以及鏈路休眠后對網絡的影響，比如將鏈路或者節點休眠后會增大數據包的延遲到達。所以對于這個休眠方案在包延遲、包丟失等問題上還要做進一步改進。

在對有線網絡的休眠方案中，文獻[9]提出了在PSIRP網絡架構下對網絡節點/鏈路休眠。這里還是利用每個鏈路的利用率與設定好的門限值進行比較，不同的是并不是將鏈路利用率低于門限值的鏈路直接休眠，而是將鏈路利用率低的鏈路上的通信集中到鏈路利用率高的鏈路上，這樣是為了進一步降低這些鏈路的利用率使得這些鏈路有可能被休眠。將網絡通信集中到常用的鏈路之后再將網絡中鏈路和節點排序，這個排序反映了各個鏈路和節點在網絡中的重要性，根據這個排序可以決定哪些鏈路和節點可以被休眠。當休眠鏈路時要保證鏈路休眠后網絡還能正常地連接通信。當休眠節點時要保證兩點：一是該節點的所有鏈路沒有在通信中，二是休眠該節點后不會對其他沒有休眠的節點之間的正常通信產生影響。

這種休眠方案可以有效減少網絡中的能量消耗，達到網絡節能的目的。文中提出了按網絡單元重要性的排序機制，這種機制能在減少網絡能耗的同時盡可能減少對網絡運行的影響。同時在低負載場景下，該休眠方案能很好地減少能耗并且不會對網絡運行產生大的影響；但是在高負載場景下，該方案也能減少能耗，但是效果不是很好。在以后的研究中，應該考慮如何適應不同拓撲結構和負載情況，讓這種休眠方案有更強的魯棒性。

2 無線DTN網絡及網絡下的休眠方案

本節首先介紹了DTN網絡架構，然后詳細介紹了三種在DTN網絡下的休眠機制，即情景感知休眠機制、基于接觸時間休眠機制、異步時鐘下的循環差集休眠機制。在循環差集休眠機制的基礎上介紹兩種改進方案，即EACDS(Exponential Adaptive Cyclic Difference Set)和MACDS(Multiplicative Adaptive Cyclic Difference Set)，這兩種改進方案能夠適應不同網絡場景與休眠時序長度。

2.1 容遲/容斷網絡(DTN)架構

容遲/容斷網絡[10-11]是近年來新興的一個研究方向，Fall K等在文獻[12]提出一種面向消息的覆蓋層網絡體系結構。DTN是未來網絡研究領域的一個重要方向，而對其的研究主要由互聯網研究專門工作組(IRTF)中的DTN工作組領頭。文獻[13]中DTN的設計最初是為了解決星際間的通信問題，后來發展延伸至同樣具有大延時、斷續連接等特征的無線傳感器網絡[14]、車輛網絡[15]、戰術通信網等。DTN的研究領域主要是在無法保證端到端連接性的極端環境下，設計一些架構和協議以滿足網絡通信的互操作性需求。DTN具有和傳統網絡不同的特性，比如在文獻[16]中提到路由策略上需要考慮節點移動性、數據緩存和能量消耗等問題。DTN的網絡環境直接決定它有著以下有別于傳統無線網絡的特點：間歇連接、時延極高、數據速率低、資源有限、壽命有限、隨機動態拓撲等。

為了適應各種特殊的網絡場景，DTN的網絡協議與傳統的網絡協議相比在傳輸層上增加了一個新的協議層來實現數據的存儲-攜帶-轉發，即Bundle協議層。其結構如圖2所示。

圖2 Internet和DTN協議

由于疊加了一個新層,DTN的數據傳遞形式相比于傳統的TCP/IP有很大不同，由原來的報文分組和報文交換變為數據束。也就是說，第一步各個域網絡要把數據包在Bundle層中轉化成數據束，然后通過DTN的傳遞之后，在目標域網絡中還原成正常的數據包的形式。這樣各個網絡就可以在不改動原有網絡架構的情況下，通過Bundle層進行網絡間的互聯通信以及各種網絡操作。

2.2 情境感知能量管理(CAPM)休眠機制

文獻[17]提出一種在DTN網絡下通過情境感知能量管理機制對網絡中節點進行休眠的方案。圖3給出了CAPM機制的休眠模式，每個節點都有一個固定長度的工作周期。在每個工作周期內，節點只在一個固定時間段W內覺醒，其余的時間段S都在休眠。假設一個周期的時間為C(C=W+S)，且在第K周期內，節點保持完全活躍。這是為了保證任意兩個節點之間有共同的覺醒時間，保證網絡運行的性能。因此，一個節點的完整工作周期內包含了K個覺醒活躍期，在這K個活躍期內實現節點之間的相互通信。節點間通信的方式是網絡的每個節點在活躍期內周期性地廣播信標(beacon)，當一個節點想要傳輸數據時，它會在其beacon消息上攜帶一個投遞擴展通知，在該通知里包括目標節點的ID消息。此時，如果目標節點處于活躍期就會收到該擴展通知，目標節點將發送一個投遞接收消息給原發送節點，這樣兩個節點之間就能夠正常通信。

圖3 CAPM機制休眠模式

從文獻[17]的仿真結果中可以看到，在不同節點密度以及網絡負載環境下，選擇合適的W,C,K的值可以讓網絡節點在休眠的同時不會對網絡傳輸比率、平均時延產生大的影響。CAPM休眠方案可以適應多種多樣的網絡環境，節省了大量的能量，同時對網絡性能的影響也不明顯。

2.3 基于接觸時間的休眠機制

文獻[18]提出的休眠機制是一種基于歷史相遇信息的休眠方案，在網絡結構不發生較大突變時，利用歷史信息可以有效預測未來的網絡狀態。在這個機制中每個節點維護一張接觸時間表，表中記錄了最近N次與其他節點的接觸時間，并記錄節點與其他節點的接觸時間間隔，接觸時間的間隔反映了節點之間相遇的頻率，根據接觸時間間隔的歷史信息可以進行休眠時間的設置。節點休眠采用的是“等待-休眠”的分段模式，如圖4所示，即在休眠前有一段等待時間，如果在等待時間內沒有發現其他節點，則節點轉入休眠狀態。如果在等待時間內發現其他節點，則進行消息傳輸。接觸時間間隔T1分布在坐標軸[Tmin,Tmax]范圍內，Tave是接觸時間間隔的平均值，開始時間是每次消息傳輸完畢或中止后開始計時進入等待階段，或每次休眠結束后重新開始計時進入下一輪的等待階段。

圖4 基于接觸時間休眠示意圖

這種休眠機制是根據與歷史節點相遇信息決定等待時間和休眠時間的長短，接觸時間表的長度N越大，則記錄的歷史相遇信息越多，對于休眠時間參數的設置就越準確，但會花費更多的計算時間。仿真結果表明，這種算法在保證消息交付率的基礎上降低網絡開銷和能耗，但平均時延較大，在降低平均時延上需要做出進一步的研究。

2.4 自適應異步時鐘休眠機制

在對DTN網絡下的休眠方案的研究中，研究人員提出的休眠方案可以分為同步時鐘休眠和異步時鐘休眠。同步時鐘休眠是網絡里的節點在經過時間同步的前提下，在相同的時間間隔被喚醒并進行通信；異步時鐘休眠則不需要時鐘同步，而是通過一個設定好的休眠/喚醒時隙結構，每個節點在這個時隙結構中會在特定的時間間隔內被喚醒，而在其他的時間里處于休眠的狀態，通過設定好的協議算法保證每個節點與鄰居節點的喚醒間隔重疊，在重疊的時間間隔內節點之間可以進行通信。

文獻[19]提出了在一種異步時鐘下基于循環差集(Cyclic Difference Set)的休眠方案，這種方案在保證網絡性能的前提下使節點充分休眠。因為時鐘是不同步的，所以不可能保證所有節點會在同一個時隙內被喚醒，為了保證節點間的通信，引入循環差集。在循環差集中引入一個集合(v,k,x)，集合中的元素是由v個時隙組成的長度為v的序列，在這組序列中存在k個喚醒時隙，這樣就能保證集合中任意兩個不同的序列一定存在x個重疊的喚醒時隙。但是，由于DTN網絡的長延時和節點分布稀疏等特性，使得節點等待通信的時間間隔極為漫長。這就要求循環差集的長度盡可能長一些，以便節點有更多的機會休眠。又因為構建循環差集的條件比較苛刻，難以匹配各種場景要求和時序長度，所以衍生出了兩種自適應的休眠方案，分別為EACDS和MACDS。其中，EACDS是依靠單一的級數集構建不同等級的休眠時序，而MACDS是依靠一組不同的級數集合來構建不同等級的休眠時序。這兩種自適應的循環差集休眠方案都能夠匹配不同休眠時序長度和各種網絡場景。

3 結束語

主要圍繞未來網絡下休眠方案的研究進展，介紹了目前國內外對于未來網絡下休眠機制的幾種算法及其優缺點。其中，基于OpenFlow網絡下的節點和鏈路休眠算法在減少網絡能耗的同時增加了網絡時延；DTN網絡中的CAPM雖能適應不同的網絡環境，有效減少了網絡能耗，但研究僅限于Prophet路由機制下CAPM對數據傳輸性能和能量節省的影響；DTN網絡架構下基于循環差集的休眠方案及其衍生出的EACDS和MACDS算法則能根據網絡環境的要求，在網絡時延與能量消耗之間做出平衡。即使如此，仍有涉及未來網絡休眠機制的諸多問題和關鍵技術亟待解決。

未來網絡休眠機制研究是一個復雜且艱巨的系統性工程，目前國內外對未來網絡架構及其休眠機制的研究仍處于起步階段，研究工作還面臨著很多挑戰。除OpenFlow網絡和DTN網絡外，未來網絡架構還包括CCN網絡體系架構、PSIRP網絡體系架構、面向服務體系架構(ServiceOrientedFutureInternetArchitecture，SOFIA)等。可見，今后的研究范疇不僅包括OpenFlow和DTN網絡休眠機制所涉及的新技術和新方法，而且還應包括上述網絡體系架構下的休眠方案研究。

[1]Globale-SustainabilityInitiative(GeSI).Smart2020report:globalICTsolutioncasestudies[R].[s.l.]:GeSI,2008.

[2]YangD,ShinJ,KimJ,etal.Anenergy-optimalschemeforneighbordiscoveryinopportunisticnetworking[C]//Proceedingsofthe6thIEEEconferenceonconsumercommunicationsandnetworking.[s.l.]:IEEEPress,2009.

[3] 織 田,翔 太,野 林,等.Flow-basedroutingschemesforminimizingnetworkenergyconsumptionusingOpenFlow[J].電子情報通信學會技術研究報告=IEICEtechnicalreport:信學技報,2014,113:85-90.

[4]GuptaM,SinghS.DynamicEthernetlinkshutdownforpowerconservationonEthernetlinks[C]//ProceedingsofIEEEinternationalconferenceoncommunications.[s.l.]:IEEE,2010.

[5]GuptaM,GroverS,SinghS.AfeasibilitystudyforpowermanagementinLANswitches[C]//Proceedingsofthe12thIEEEinternationalconferenceonnetworkprotocols.[s.l.]:IEEE,2004:361-371.

[6]GuptaM,SinghS.Usinglow-powermodesforenergyconservationinEthernetLANs[C]//INFOCOM2007.[s.l.]:[s.n.],2007:2451-2455.

[7]BistaBB,TakanohashiM,TakataT,etal.Apowersavingschemeforopenflownetwork[J].JournalofCleanEnergyTechnologies,2013,1(4):276-280.

[8]BistaBB,FukushiA,TakataT,etal.ReducingenergyconsumptioninwiredOpenFlow-basednetworks[J].InternationalJournalofControl&Automation,2014,7(6):401-402.

[9]Comunica?oesED.EnergyefficientarchitecturesforthecurrentandfutureInternet[M].[s.l.]:[s.n.],2012.

[10]FarrellBS,CahillV.Delay-tolerantnetworkingresearchgroup[EB/OL].2009-08-22.http://www.dtnrg.org/wiki.

[11]VahdatA,BeckerD.Epidemicroutingforpartially-connectedAdHocNetworks[R].NorthCarolina:DukeUniversity,2000.

[12]FallK.Adelay-tolerantnetworkarchitectureforchallengedinternets[C]//ACMSIGCOMMconferenceonapplications.[s.l.]:ACM,2003:27-34.

[13]BurleighS,HookeA,TorgersonL,etal.Delay-tolerantnetworking:anapproachtointerplanetaryInternet[J].IEEECommunicationsMagazine,2003,41(6):128-136.

[14] 劉 唐,彭 艦,王建忠,等.延遲容忍移動傳感器網絡中基于節點優先級的數據轉發策略[J].計算機科學,2011,38(3):140-143.

[15]LiX,ShuW,LiM,etal.DTNroutinginvehicularsensornetworks[C]//ProceedingsofGlobeCom.[s.l.]:IEEE,2008:1-5.

[16] 蘇金樹,胡喬林,趙寶康,等.容延容斷網絡路由技術[J].軟件學報,2010,21(1):119-132.

[17]XiY,ChuahM,ChangK.Performanceevaluationofapowermanagementschemefordisruptiontolerantnetwork[J].MobileNetworks&Applications,2007,12(5-6):370-380.

[18] 付 凱,夏靖波,尹 波.DTN中一種基于接觸時間的休眠機制[J].計算機科學,2013,40(2):87-90.

[19]ChoiBJ,ShenX.Adaptiveasynchronoussleepschedulingprotocolsfordelaytolerantnetworks[J].IEEETransactionsonMobileComputing,2011,10(9):1283-1296.

Investigation on Sleep Mechanism for Future Network

ZHANG Guo-ding，YANG Long-xiang

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

Due to development of network technology,improvement of Internet popularity and increasing scale of network,ratio of network energy consumption in total energy consumption has caused high attention in the society,and it is imperative that network energy consumption be managed to lower operating cost.Therefore,the technique for network energy saving is one of most popular issues under investigation nowadays.Because of various reasons involving technical cause,it is very hard to solve the problem of excessive energy consumption of traditional network fundamentally.Thus,new techniques,revolutionary concepts and new designs are required to construct future network architectures,under which technical explorations of network energy consumption control include that of sleep mechanism.On the basis of general introductions on both future network architectures of OpenFlow and DTN,with an eye to the progress on the investigations of dormancy mechanism under new framework of future network,various mechanisms,such as node and link dormancy mechanism under OpenFlow framework,situational awareness and asynchronous clock sleep mechanism in DTN architecture,have been expounded emphatically.Analysis on the problems and difficulties encountered in above investigations have been presented as well as future directions for network dormancy investigations.

OpenFlow network;DTN;energy conservation;sleep

2016-04-23

2016-08-16

時間：2017-02-17

國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329104)；國家自然科學基金資助項目(61372124)

張國鼎(1992-)，男，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與物聯網。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.050.html

TP31

A

1673-629X(2017)04-0012-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.003