基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)

高 霞

（運(yùn)城師范高等專科學(xué)校 山西 運(yùn)城 044000）

0 引言

為了提高網(wǎng)絡(luò)性能，在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)期間，要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)峰值流量進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)為了保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，所使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供連續(xù)性服務(wù)體驗(yàn)。但是事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)流量一直不斷地變化，并不會(huì)一直處于峰值狀態(tài)，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率有所下降，出現(xiàn)大量的空閑設(shè)備，造成能源浪費(fèi)。為了解決這一網(wǎng)絡(luò)節(jié)能問題，提高網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效果，技術(shù)人員要在遺傳算法的應(yīng)用背景下，加強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。

1 研究背景

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中，為了確保網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效率得以大幅度提高，需要做好對SDN路由器的有效部署，以實(shí)現(xiàn)對鏈路的有效關(guān)閉，從而保證節(jié)能效果。此外，通過利用該算法，制定出以下路由器部署方案，該部署方案的采用，可以保證SDN路由器能夠覆蓋大量的鏈路，還能結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次關(guān)閉相應(yīng)的鏈路，這些鏈路的關(guān)閉在某種程度上嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)性能。所以，如何對節(jié)能與網(wǎng)絡(luò)性能兩者之間的關(guān)系進(jìn)行科學(xué)的權(quán)衡是本文重點(diǎn)分析和解決的問題：（1）如何對SDN路由器進(jìn)行科學(xué)升級(jí)，確保SDN路由器所控制的邊緣數(shù)量達(dá)到最多。輸入內(nèi)容為：對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)，使其被升級(jí)為SDN路由器部署開銷。輸出內(nèi)容為：利用SDN路由器部署方案，對鏈路的集合進(jìn)行科學(xué)控制。（2）如何對鏈路的重要性進(jìn)行科學(xué)衡量?？傊?，通過利用所部署好的SDN路由器，對各個(gè)鏈路的關(guān)閉情況進(jìn)行科學(xué)控制，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的，使得網(wǎng)絡(luò)性能得以顯著提升。

2 算法描述

在遺傳算法的應(yīng)用背景下，本文所提出的網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)，主要借助SDN路由器，對多個(gè)鏈路的關(guān)閉情況進(jìn)行自動(dòng)化控制，從而取得良好的節(jié)能效果。同時(shí)，還要制定行之有效的路由器部署方案[1]，確保所部署好的SDN路由器能夠?qū)崿F(xiàn)對大量鏈路的大面積覆蓋。另外，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，鏈路的關(guān)閉在某種程度上直接影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能，所以，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能與網(wǎng)絡(luò)性能兩者關(guān)系的有效權(quán)衡是技術(shù)人員必須思考和解決的問題[2]。

2.1 遺傳算法計(jì)算路由器部署方案

為了確保SDN路由器所控制的鏈路數(shù)量最多，從根本上解決SDN路由器升級(jí)問題，需要利用啟發(fā)式算法，確定出系統(tǒng)、完善的路由器部署方案。通過利用該部署方案，可以將每組路由器全部升級(jí)為SDN路由器，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開遺傳算法的應(yīng)用[3]，通過利用該算法可以對達(dá)爾文遺傳進(jìn)化論進(jìn)行精確化、真實(shí)化模擬，從而實(shí)現(xiàn)對最優(yōu)解的計(jì)算，確保遺傳算法表現(xiàn)出較高的全局搜索能力。遺傳算法在實(shí)際執(zhí)行期間，還要對路由器部署方案進(jìn)行抽象處理，使其被抽象為一個(gè)特定的種群，為保證路由器部分方案計(jì)算速度創(chuàng)造了良好的條件。遺傳算法在實(shí)際執(zhí)行中，通常會(huì)涉及編碼、初始化種群、適應(yīng)度、選擇、交叉和變異等環(huán)節(jié)，初始化種群屬于重要環(huán)節(jié)，技術(shù)人員在執(zhí)行這一環(huán)節(jié)期間，要重視對隨機(jī)方法的運(yùn)用，以完成對初始化種群的有效構(gòu)建，為后期精確地計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 節(jié)能算法

節(jié)能算法在實(shí)際執(zhí)行中，需要對鏈路集合進(jìn)行計(jì)算關(guān)閉處理，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用遺傳算法，實(shí)現(xiàn)對SDN路由器部署方案的有效確定。其次，還要對鏈路網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的分析和判斷，如果鏈路網(wǎng)絡(luò)處于連通狀態(tài)，需要對鏈路進(jìn)行關(guān)閉處理；如果不連通，需要對鏈路進(jìn)行重新打開。最后還要通過對最短路徑算法的有效執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對鏈路拉伸度的精確化計(jì)算，從而形成鏈路集合，并對該鏈路集合進(jìn)行全面化、完整化輸出。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證基于遺傳算法網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)的有效性和可靠性，現(xiàn)利用C++語言，對該技術(shù)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，利用所搭建好的模擬系統(tǒng)，對該技術(shù)的指標(biāo)進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含以下：（1）路由器控制鏈路數(shù)量。（2）算法的節(jié)能比率。另外，通過將SDN路由器部署在整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)中，可以獲得一定的部署開銷比率[4]，但是，受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平的限制，所部署SDN路由器數(shù)量相對較少，所以，科學(xué)地設(shè)置路由器部署位置顯得尤為重要，在對路由器進(jìn)行部署期間，要確保所部署的路由器，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)鏈路的大面積覆蓋，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路覆蓋面達(dá)到最大時(shí)，才能獲得最佳節(jié)能效果[5]。節(jié)能比率主要是指當(dāng)控制鏈路被關(guān)閉之后，所獲得的能量節(jié)省量與鏈路消耗能量之間的比值。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)所獲得的節(jié)能能量會(huì)隨著節(jié)能比率的不斷增加而呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。為了確保表述內(nèi)容的簡潔性和精確性，需要引入“部署開銷比率”這一參數(shù)，部署開銷比率主要是指SDN節(jié)點(diǎn)開銷后所對應(yīng)的比值。

3.1 實(shí)驗(yàn)拓?fù)?/h3>

為了實(shí)現(xiàn)對多種算法性能的高效化、科學(xué)化、精確化評(píng)估，現(xiàn)將真實(shí)拓?fù)湓O(shè)置為實(shí)驗(yàn)對象，并形成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集。同時(shí)，還要從網(wǎng)絡(luò)中分別獲取Abilene真實(shí)流量數(shù)據(jù)和Geant真實(shí)流量數(shù)據(jù)，然后借助這兩個(gè)拓?fù)渫瓿蓪ο嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)的開展。實(shí)驗(yàn)所使用的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所使用的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 控制的鏈路數(shù)量

控制鏈路數(shù)量通常會(huì)受到以下兩個(gè)因素的影響，分別是部署開銷比率和遺傳代數(shù)，接下來全面地分析和研究這兩大因素的具體影響。

當(dāng)部署開銷固定不變時(shí)，控制鏈路數(shù)量和遺傳代數(shù)之間存在一定的關(guān)系[6]。對于Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，當(dāng)其部署開銷比率達(dá)到了20%時(shí)，獲得如表2所示的Abilene中控制鏈路數(shù)量與遺傳代數(shù)之間的關(guān)系。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制鏈路最大數(shù)量達(dá)到12時(shí)，占Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)比例為85.71%（計(jì)算公式為：12/14=85.71），當(dāng)控制鏈路的最少數(shù)量達(dá)到5時(shí)，占Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)比例為35.71%（計(jì)算公式為：5/14=35.71）。此外，7～9個(gè)控制鏈路所對應(yīng)的代數(shù)共計(jì)3個(gè)，10～12個(gè)控制鏈路所對應(yīng)的代數(shù)共計(jì)4個(gè)。這表明：在Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用背景下，所獲得的部署SDN路由器控制鏈路數(shù)量占整個(gè)控制鏈路數(shù)量的最小比例為50.00%（計(jì)算公式為7/14=50%），最大比值為67.86%（計(jì)算公式為9/14=67.86%）。

在Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，部署開銷比率達(dá)到了20%，所獲得的控制鏈路數(shù)量與遺傳代數(shù)之間的關(guān)系如表3所示，從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，控制鏈路最大值達(dá)到了27時(shí)，占Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的72.97%（計(jì)算公式為：27/37=72.97%）；當(dāng)控制鏈路最小值達(dá)到14時(shí)，占Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的37.84%（計(jì)算公式為：14/37=37.84%）。此外，20～25個(gè)控制鏈路所對應(yīng)的代數(shù)共計(jì)4個(gè)；15～20個(gè)控制鏈路所對應(yīng)的代數(shù)共計(jì)3個(gè)；這表明在Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過利用本文所提出的基于遺傳算法網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)對SDN路由器進(jìn)行部署，所獲得的控制鏈路數(shù)量占比最小值為40.54%（計(jì)算公式為：15/37=40.54%），占比最大值為67.57%（計(jì)算公式為：25/37=67.57%）。

當(dāng)遺傳代數(shù)固定不變時(shí)，分析和討論控制鏈路數(shù)量與部署開銷比率兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系[7]。在Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)遺傳算法進(jìn)化代數(shù)設(shè)置為10時(shí)，獲得如表4所示的控制鏈路數(shù)量與遺傳代數(shù)之間的關(guān)系。從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，這兩個(gè)參數(shù)之間并不存在一定的擬合線性關(guān)系，但是整體上呈現(xiàn)出一定的線性正相關(guān)趨勢。對于部署開銷比率而言，當(dāng)其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20%時(shí)，路由器所對應(yīng)的控制鏈路數(shù)量為3，占Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的21.43%（計(jì)算公式為：3/14=21.43%）；當(dāng)部署開銷比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20%時(shí)，控制鏈路最小值為6，占Abilene網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的42.86%（計(jì)算公式為：6/14=42.86%），整個(gè)占比幾乎上升了一倍。

表2 Abilene中控制鏈路數(shù)量與遺傳代數(shù)之間的關(guān)系

表3 Geant中控制鏈路數(shù)量與遺傳代數(shù)之間的關(guān)系

表4 Abilene中控制鏈路數(shù)量與部署開銷比率之間的關(guān)系

在Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)遺傳算法進(jìn)化代數(shù)為10時(shí)[8]，所獲得的控制鏈路數(shù)量與部署開銷比率之間的關(guān)系如表5所示。從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)部署開銷比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于20%時(shí)，路由器所對應(yīng)的控制鏈路數(shù)為16，占Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的43.24%（計(jì)算公式為：16/37=43.24%）；當(dāng)部署開銷比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20%時(shí)，路由器所對應(yīng)的控制鏈路數(shù)達(dá)到24，占Geant網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路總數(shù)的64.84%（計(jì)算公式為24/37=64.84%）。

表5 Geant中控制鏈路數(shù)量與部署開銷比率之間的關(guān)系

結(jié)合表2、表3、表4中的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，部署開銷比率大小，對控制鏈路數(shù)量產(chǎn)生了直接性的影響。當(dāng)部署開銷比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20%時(shí)，以上兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈路數(shù)均呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，部署開銷比率僅僅達(dá)到了21.91%，這表明部署開銷比率這一參數(shù)并不是影響路由器控制數(shù)量的唯一參數(shù)，路由器控制數(shù)量大小還與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大小、遺傳算法初始種群選擇方式有關(guān)。

3.3 節(jié)能比率

節(jié)能比率可以用于對網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)節(jié)能效果的精確化衡量。節(jié)能比率主要是指鏈路在實(shí)際關(guān)閉期間所節(jié)省的能量與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有鏈路消耗能量之間的比值[9]。這表明，該技術(shù)節(jié)能效果會(huì)隨著節(jié)能比率的增加而呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。對于網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)而言，其節(jié)能比率與部署開銷占比之間存在著密切的聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)所對應(yīng)的節(jié)能比率相對較高，當(dāng)部署開銷比率超過40%時(shí)，其節(jié)能比率不再呈現(xiàn)比較明顯的變化趨勢[10]，另外，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)全部升級(jí)為SDN節(jié)點(diǎn)后，才能確保網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)的節(jié)能比率得以大幅度提高。由此可見，本文所提出的算法，具有較高的適用性和有效性，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效果，完全符合實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，在遺傳算法的應(yīng)用背景下，本文所提出的網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)，主要取得了以下應(yīng)用成效：利用遺傳算法，從根本上解決IP網(wǎng)絡(luò)中SDN節(jié)點(diǎn)部署問題，當(dāng)部署開銷數(shù)量不變的情況下，SDN路由器可以將控制鏈路數(shù)量控制為50%，在此基礎(chǔ)上，通過借助鏈路關(guān)鍵度模型，對那些不必要的鏈路進(jìn)行全部關(guān)閉，確保節(jié)能效果達(dá)到最佳狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過利用本文所提出的基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)能技術(shù)，可以獲得良好的節(jié)能效果，其節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他算法。

總之，本文研究成果如下：第一，借助遺傳算法，確定出相應(yīng)的路由器部署方案，通過利用該方案，可以利用少量的路由器，對相對較多的鏈路進(jìn)行覆蓋，從根本上解決部署SDN路由器數(shù)量較多問題，將SDN網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成本降到最低。第二，通過完成對鏈路比較模型的構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)對鏈路重要性的精確化衡量，該模型充分考慮了鏈路消耗能量，有效地反映出單條鏈路在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所體現(xiàn)出的重要程度。接著按照所設(shè)置好的順序，對多條鏈路進(jìn)行一一關(guān)閉，使得網(wǎng)絡(luò)性能和節(jié)能效果得以大幅度提高，從而保證算法的有效性和適用性。但是，本文在研究部署開銷比率與控制鏈路數(shù)量兩個(gè)參數(shù)之間的影響關(guān)系時(shí)，并沒有構(gòu)建和應(yīng)用線性擬合模型，因此，技術(shù)人員需要對這一不足進(jìn)行改進(jìn)。