基于混合線速率網絡設備配置的節能方法

揭水平1，江云飛，符小東3，陳伯文

(1. 中天通信技術有限公司，江蘇 南通 226400； 2. 蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006；3. 中天寬帶技術有限公司，江蘇 南通 226463)

0 引 言

近年來，隨著移動互聯網、云計算、邊緣計算和數據中心等應用服務的快速發展，網絡的帶寬需求呈現出激增態勢，造成網絡能耗也急劇上升，容易造成網絡資源效率和能源效率降低，使網絡發展面臨嚴峻的挑戰。據估計，截至2020年，互聯網骨干基礎設施的能源消耗將大約占用20%的網絡總體使用能源[1]。近年來，更高線速率(例如：100和400 Gbit/s)的光傳輸設備得到逐步應用[2]，利用新型光傳輸設備可進一步提高網絡的傳輸容量，并在滿足業務帶寬需求的同時，提高能耗效率。文獻[3]考慮了支持40和100 Gbit/s線速率的光傳輸設備，提出了一種距離自適應的多層流量疏導方法，這種方法有效提高了網絡能耗效率。

由于不同的業務流量需求，部分低帶寬需求的連接請求可能由于占用高線速率通道而造成網絡的帶寬資源浪費，造成網絡能耗升高。因此，為了節約網絡資源和能耗，頻譜靈活光網絡需要支持不同的線速率，以適應網絡中不同粒度的業務帶寬需求，并為這些連接請求配置對應線速率的IP路由器和相應的光傳輸設備。通過靈活地切分連接請求的帶寬、合理地配置網絡的傳輸設備，在IP融合頻譜靈活光網絡中，本文提出了一種基于混合線速率網絡設備配置的節能方法(Energy-Efficient Approach Based on Mixed-Line-Rate Equipment Configuration, MLRA)，以提高頻譜靈活光網絡中的能耗效率和網絡資源效率。

1 網絡模型與問題描述

IP融合頻譜靈活光網絡的網絡模型被定義為G(I,N,E,F)，其中，I={i1,i2,i3,…,i|I|}為一組IP路由；N={n1,n2,n3,…,n|N|}為一組光交換節點；E={e1,e2,e3,…,e|E|}為一組光纖鏈路；F={f1,f2,f3,…,f|F|}為每條光纖鏈路中可用頻譜間隙的集合，|I|、|N|、|E|和|F|分別為頻譜靈活光網絡中IP路由的數量、光交換節點的數量、光纖鏈路的數量以及每條光纖鏈路中可用頻譜間隙的數量。每個連接請求為cr(s,d,BR,t)∈CR， 其中，s和d分別為連接請求的源點和目的節點；BR和t分別為連接請求所需的頻譜間隙數目和持續時間；CR為連接請求的總體集合。

在IP融合頻譜靈活光網絡中，為了有效地提高網絡的頻譜資源利用效率和降低網絡的能耗，需要盡可能地減少網絡能耗設備(IP路由端口、光轉發器和光再生器)的數量，同時選擇合理的方法來配置網絡。對于每個連接請求，不同的配置方式會產生數量不同的能耗：根據連接請求的源點和目的節點，利用K條最短路徑算法選擇合適的工作路徑；根據連接請求的帶寬需求，選擇對應線速率的光學設備來傳輸業務，例如，在本文中主要采用支持40和100 Gbit/s線速率的網絡設備；建立光通道后，分配每個連接請求的頻譜資源，頻譜資源在分配過程中需要遵循頻譜連續性和頻譜一致性的雙重約束條件。所以，每個連接請求的總能耗為

2 頻譜靈活光網絡中MLRA

2.1 基于混合線速率的網絡設備配置方法

在傳統IP融合頻譜靈活光網絡中，用戶可以根據連接請求的帶寬需求粒度的大小選擇合適的頻譜資源，以建立業務傳輸光通道，實現網絡資源的最佳配置。然而，在連接請求建立的過程中，傳統IP融合頻譜靈活光網絡只會選擇單一線速率來承載網絡業務流量，導致部分網絡設備的資源不能被充分利用，這樣會不可避免地造成大量頻譜資源以及網絡端口的嚴重浪費。若采用混合線速率的網絡設備，既可以靈活地分配連接請求的帶寬需求，又能使網絡設備的資源得到最大程度的利用，提高網絡資源的利用率。本文主要采用線速率為TR1=40 Gbit/s和TR2=100 Gbit/s的IP路由端口、光轉發器以及光再生器來承載連接請求的帶寬需求，這里線速率40和100 Gbit/s的光通道占用的頻帶寬度分別為25.0和37.5 GHz，光再生器的最大傳輸距離分別為1 800和1 700 km。這些網絡設備的功耗參數[4]如表1所示，在線速率為40 Gbit/s的條件下，IP路由端口、光轉發器以及光再生器的功率分別為264.6、159.0和225.0 W；而在線速率為100 Gbit/s的情況下，它們的功率依次是453.6、260.0和450.0 W。

表1 網絡設備功耗參數表

式中，n為支持線速率TR2的光通道的數量。例如，若一條連接請求的帶寬需求為140 Gbit/s，則這個帶寬請求可以被分為40和100 Gbit/s，這樣可以分別使用一組線速率40 Gbit/s的網絡設備和一組線速率100 Gbit/s的網絡設備來完成信號的傳輸。

2.2 IP 融合頻譜靈活光網絡中MLRA

為了降低IP融合頻譜靈活光網絡的業務阻塞率，提高網絡的頻譜資源效率和能源效率，通過采用混合線速率的業務帶寬承載方式，提出了MLRA，具體步驟如下：

步驟1：IP融合頻譜靈活光網絡初始化。初始化網絡G(I,N,E,F)，生成一組連接請求CR。

步驟2：K條最短路徑的獲取。對于每一條連接請求cr(s,d,BR,t)，采用K條最短路徑算法計算從源節點到目的節點之間的K條候補工作路徑。

步驟3：網絡設備的配置方法。把連接請求的帶寬需求切分成恰當的混合線速率進行傳輸，即BR′=m×TR1+n×TR2，m和n為分割后線速率TR1和TR2各自的數目(具體的線速率切割模型如式(2)所示)，再為這些線速率配置容量合適的網絡設備。

步驟4：最小光再生器數目的計算。以這條工作路徑中的源和目的節點為基礎，重新建立一個計算再生器數目的臨時拓撲：在這條工作路徑中的任意兩個節點對，若節點的傳輸距離小于連接請求采用線速率的最大傳輸距離，則這個節點對建立連接鏈路，并設置權值為1個單位長度，由此形成計算再生器數目的臨時拓撲；利用最短路徑算法，在臨時拓撲中計算得到一條權值最小的路徑，這條路徑的節點數記為n0，路徑中間的節點(除去源節點和目的節點)即為設置光再生器的點。因此配置的光再生器的數量為n0-2。

步驟5：光通道的建立與頻譜資源的分配。在連接請求選擇工作路徑后，利用計算得出的網絡設備配置方法來配置對應的IP路由端口、光轉發器以及光再生器，以承載連接請求的帶寬需求。根據混合線速率組合BR′=m×TR1+n×TR2，依次為這些線速率分配頻譜資源：利用首次命中法，從最低頻譜間隙編號查找到最高頻譜間隙編號，查找合適的頻譜資源以建立光通道；同一光通道內，頻譜資源的占用需滿足頻譜一致性和頻譜連續性約束條件。當查找到所有可用的頻譜資源后，為該連接請求分配頻譜資源，則這個連接請求建立成功；若找不到合適的頻譜資源，則該連接請求阻塞。

步驟6：網絡狀態的更新。根據頻譜資源的占用情況實時更新IP融合頻譜靈活光網絡的狀態，并計算該連接請求的總能耗；對于剩下的連接請求，重復步驟2～5。

IP融合頻譜靈活光網絡中MLRA流程圖如圖1所示。

圖1 IP融合頻譜靈活光網絡中MLRA流程圖

2.3 傳統的節能方案描述

為了有效評估IP融合頻譜靈活光網絡中MLRA的性能，本文引入一種基于單線速率網絡設備配置的傳統方法(Traditional Approach Based on Single-Line-Rate Equipment Configuration, SLRA)，并考慮兩種線速率，即40和100 Gbit/s。這種傳統方法與MLRA的步驟基本相同，但步驟3是不一樣的。在傳統方法中，在對每一個連接請求的帶寬需求切分時，是按照單線速率來進行切分。在光通道的建立與頻譜資源分配時，也是按照單線速率建立光通道和頻譜資源分配。把所有連接請求都分配到IP融合頻譜靈活光網絡時，計算出傳統方法的能耗效率。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真條件設置與評價指標

本次仿真實驗采用的是美國國家基礎網絡(National Science Foundation Network，NSFNET)拓撲結構，如圖2所示，該網絡拓撲包含14個路由節點和21條鏈路；同時每條鏈路被分割成100個頻譜間隙，每個頻譜間隙的帶寬是12.5 GHz，并且每條鏈路都是雙向的。連接請求的總數為10 000。對于每一條連接請求，源節點和目的節點服從均勻分布；帶寬需求在40～200 Gbit/s間均勻分布；連接請求的到達時間間隔服從到達率為λ(s,d)的泊松分布，連接請求的持續時間滿足負指數分布μ(s,d)，它們的比值為業務量Erl:λ(s,d)/μ(s,d)。在計算K條最短路徑時，K的值取3。

圖2 NSFNET拓撲圖

為了更好地評估IP融合頻譜靈活光網絡中MLRA的性能，需要對所提MLRA方法與SLRA方法進行比較。對于SLRA，本文只考慮兩種不同的線速率，即40 Gbit/s(SLRA_40)和100 Gbit/s(SLRA_100)。對于MLRA和SLRA，本文的性能評估主要考慮在網絡阻塞率、平均能耗和網絡連接配置3個方面進行對比。網絡阻塞率是指被拒絕的連接請求數目與連接請求總數的比值；平均能耗則為所有建立成功的連接請求單位時間內每條鏈路所消耗的能量；而網絡連接配置是指在同一業務量下完成連接請求所需的各網絡設備的數目。

3.2 仿真結果與分析

(1) 網絡阻塞率。不同業務負載下3種不同的節能方法的網絡阻塞率如圖3(a)所示。與SLRA_40和SLRA_100相比，MLRA可以有效地降低網絡阻塞率。在網絡負載壓力較低時，MLRA的阻塞率比起其他兩種傳統方法呈明顯的下降趨勢；隨著負載壓力的增大，SLRA_40、SLRA_100和MLRA的阻塞率都增大，與SLRA_40和SLRA_100相比，雖然MLRA上升速度更快，但是總比他們小，說明MLRA能夠有效減少阻塞率。當業務量為180 Erl時，MLRA的阻塞率相較于SLRA_40和SLRA_100有了較大降低(分別降低了99.3%和95.8%)。這是因為，若是采用單一線速率的網絡設備建設連接請求，在只采用40 Gbit/s線速率的網絡設備的情況下，建立的每一個光通道需要25.0 GHz的頻帶寬度(而100 Gbit/s線速率的網絡設備只需占用37.5 GHz的頻帶寬度)，頻譜資源效率較低；在只采用100 Gbit/s線速率的網絡設備的情況下，由于連接請求的實際帶寬需求很可能會遠遠低于100 Gbit/s，使得光通道內的頻譜資源并未得到充分利用，造成部分頻譜資源的浪費，進而導致SLRA的網絡阻塞率升高。然而，MLRA采用混合線速率網絡設備的配置方法，靈活切分連接請求的帶寬需求，既考慮了頻譜資源的使用效率，也避免了大量頻譜資源的浪費，使其阻塞率與SLRA_40和SLRA_100相比有了明顯降低。

圖3 不同業務負載下3種方法的對比

(2) 平均能耗。不同業務負載下3種不同節能方法的平均能耗如圖3(b)所示。與SLRA_40和SLRA_100相比，MLRA的平均能耗有了大幅度地降低，分別降低了約35%和20%。其中，在業務量為180 Erl的情況下，相比于SLRA_40和SLRA_100，MLRA的平均能耗分別下降了32.1%和18.4%，平均能耗效率得到明顯的改善。這是由于，在SLRA_40中, 40 Gbit/s線速率的網絡設備功耗超過100 Gbit/s線速率設備功耗的一半，連接請求的帶寬需求超過40 Gbit/s，則需要多個40 Gbit/s線速率的網絡設備，此時1個100 Gbit/s線速率的網絡設備所消耗的能源遠低于2個或3個40 Gbit/s線速率的網絡設備，所以SLRA_40的能源效率較低；在SLRA_100中，連接請求的帶寬需求可能會低于100 Gbit/s，這相當于網絡設備還可以容納部分流量，實際上無需使用100 Gbit/s的網絡設備，所以造成了能源的浪費；而MLRA能夠保證能源效率。因此，在降低能耗方面，與SLRA相

比，MLRA具有明顯的優勢。

(3) 網絡連接配置。表2所示為在業務量為180 Erl時每單位Erl下網絡連接請求建立成功的網絡設備配置情況。由表可知，相較于傳統的SLRA，MLRA明顯減少了IP端口數、光轉發器數和光再生器數的使用，即減少了網絡設備的使用數目。因此， MLRA能夠有效減少網絡的能耗。

表2 業務量為180 Erl時的網絡設備配置情況

4 結束語

在IP融合頻譜靈活光網絡中，為了有效解決網絡的能耗與頻譜效率問題，提出了MLRA。為了方便比較，引入了傳統的SLRA，并考慮了兩種不同線速率，即40和100 Gbit/s，也就是SLRA_40和SLRA_100。仿真結果表明，與SLRA_40和SLRA_100相比較，本文所提出的MLRA通過靈活的切分連接請求的帶寬、配置合適的網絡設備，可以有效地降低網絡阻塞率，同時也提高了網絡能源效率，減少了網絡能耗。