網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的設(shè)計(jì)

摘要：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的一種方法。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，先分析了傳統(tǒng)睡眠機(jī)制存在的缺陷，然后提出動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整睡眠時(shí)間的方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 睡眠機(jī)制 運(yùn)行狀態(tài)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制需要實(shí)際硬件的支持，Microsoft，Intel，Toshiba在1997年共同制定了ACPI規(guī)范，ACPI定義了設(shè)備電源狀態(tài)、系統(tǒng)的全局狀態(tài)和處理器電源狀態(tài)，ACPI的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地管理電源。根據(jù)ACPI規(guī)范，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分

為了清楚地闡述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)劃分：運(yùn)行狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、空閑狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)整睡眠時(shí)間機(jī)制

利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。對(duì)于一個(gè)設(shè)備，如果其狀態(tài)轉(zhuǎn)換是即時(shí)的，即設(shè)備性能和功耗的損失為0，那么網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的設(shè)計(jì)將會(huì)非常容易，設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略可以非常貪婪：只要設(shè)備一空閑，就將其轉(zhuǎn)換到最深睡眠狀態(tài)；如果有請(qǐng)求到來，設(shè)備立即轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。然而，這種假設(shè)只存在于理想設(shè)備中，現(xiàn)實(shí)情況是大多數(shù)設(shè)備在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，性能和功耗損失都不可忽略。設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)需要一定的時(shí)間完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從睡眠狀態(tài)返回到運(yùn)行狀態(tài)需要的恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樵谠撨^程中設(shè)備需要依次完成穩(wěn)定電源和始終、重新初始化設(shè)備、恢復(fù)上下文等工作。

因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正處于空閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將決定該設(shè)備是選擇繼續(xù)保持空閑狀態(tài)還是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)。如果選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)需要先保存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，然后再讓設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)為止。系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)后，系統(tǒng)需要先恢復(fù)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后將設(shè)備轉(zhuǎn)換回到運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的關(guān)鍵問題就在于在什么時(shí)候、根據(jù)什么條件發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的命令。

由于設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗睡眠狀態(tài)需要付出額外的代價(jià)，一是增加了狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)所需的能耗Eex，二是增加了系統(tǒng)的延遲tde。因此設(shè)備只有在空閑時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，轉(zhuǎn)換至睡眠狀態(tài)才會(huì)節(jié)省設(shè)備的能量損耗。設(shè)這個(gè)足夠長(zhǎng)的空閑時(shí)間最小值為Tthr，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的功耗為Pa，睡眠狀態(tài)的功耗為Ps，空閑時(shí)間為Ti，設(shè)備喚醒所需的時(shí)間Twup和進(jìn)入睡眠狀態(tài)所需的時(shí)間tde之和為T0，則設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)必須滿足的條件：

設(shè)備在空閑狀態(tài)消耗的能量小于該時(shí)間段內(nèi)設(shè)備為工作狀態(tài)消耗的能量，即如下公式所示：Ps×（Ti-T0）+E0（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps）。因此，允許設(shè)備處于空閑狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度Tthr最長(zhǎng)為公式所示：Tthr=（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps），超過Tthr長(zhǎng)度設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省設(shè)備能量損耗。

然而在Ti時(shí)間段內(nèi)，設(shè)備仍然處于高功耗運(yùn)行狀態(tài)，因而造成部分能量損耗。為了改善這種能量浪費(fèi)，本文使用另一種策略，空閑時(shí)間預(yù)測(cè)策略。該策略的核心思想是對(duì)當(dāng)前的空閑時(shí)間T長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)的空閑時(shí)間長(zhǎng)度Ti>T，那么設(shè)備一空閑就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。空閑時(shí)間T長(zhǎng)度與很多因素有關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、用戶習(xí)慣和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作頻率等，并且設(shè)備空閑時(shí)間T的取值并沒有規(guī)律性可循，不能用傳統(tǒng)的概率方法來預(yù)測(cè)?？紤]到在大多數(shù)情況下，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶的習(xí)慣是相似的，因此在同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備空閑時(shí)間長(zhǎng)度一般在某個(gè)固定的范圍內(nèi)。從這個(gè)角度來分析，同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相鄰的空閑時(shí)間段一般具有一定的延續(xù)性。然而空閑時(shí)間也有突發(fā)性情況，比如說使用某一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的所有用戶突然都離開電腦去休息或做別的事情，造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很長(zhǎng)一段時(shí)間的空閑時(shí)間，過一段時(shí)間后，空閑時(shí)間段的延續(xù)性又會(huì)恢復(fù)到常態(tài)。

為了更好地描述設(shè)備空閑時(shí)間的突發(fā)性情況，文獻(xiàn)定義：若ti（n）/Ti（n）≥C（其中，ti（n）為當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，Ti（n）為預(yù)測(cè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，C為常數(shù)），則認(rèn)為ti（n）是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段。由于設(shè)備當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度是根據(jù)它與上一個(gè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度有延續(xù)性預(yù)測(cè)的，因此設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段出現(xiàn)使實(shí)際值和上一空閑時(shí)間段長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)之間出現(xiàn)偏差，對(duì)當(dāng)前設(shè)備的空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)產(chǎn)生不利，為了糾正空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)中的偏差，采用下式來預(yù)測(cè)當(dāng)前的空閑時(shí)間長(zhǎng)度如公式所示：Ti（n+1）=

本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制策略，采用動(dòng)態(tài)閾值方法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠時(shí)間。由于本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS路由算法在選路時(shí)繞開空閑設(shè)備，因此空閑設(shè)備的空閑時(shí)間更多，有機(jī)會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可在任何時(shí)刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，而且將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)閉能夠進(jìn)一步地降低設(shè)備能耗。這里假定將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗是可忽略的，但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)和重新開啟的功耗是不可忽略的。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在某一時(shí)刻不執(zhí)行任何命令，就稱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在該時(shí)刻處于“空閑狀態(tài)”。初始狀態(tài)設(shè)設(shè)備的睡眠時(shí)間閾值為Ts，Ts的值通過該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的歷史情況預(yù)測(cè)。應(yīng)用動(dòng)態(tài)閾值法調(diào)整睡眠時(shí)間的長(zhǎng)度，前提是網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行期間的工作負(fù)載不均勻，并且系統(tǒng)能夠以一定的可信度預(yù)測(cè)到工作負(fù)載的波動(dòng)性，并且系統(tǒng)對(duì)工作負(fù)載的預(yù)測(cè)不消耗過多的能量。接下來討論網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入睡眠和喚醒的時(shí)間和條件：

3 結(jié)語

雖然這種睡眠機(jī)制還會(huì)有丟包現(xiàn)象，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠時(shí)間閾值Ts不斷調(diào)整的過程中，睡眠時(shí)間會(huì)越來越適應(yīng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，丟包率明顯下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hewleet-Packard I.Advanced configuration and power interface specification.ACPI Specification Document.Revision4.0a，2010.

[2]吳福煒，甘駿人.一種實(shí)時(shí)功耗管理算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2003，29（5）： 30-31.

[3]Nedevschi S，Popa L，Iannaccone G，Ratnasamy S， Wether-all D.Reducing network energy consumption via sleeping and rate-adaptationA].Proceeding of the 5th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation （NSDI'08）[C]，San Francisco，CA，2008，323-336.

作者簡(jiǎn)介：王超（1972-），女，遼寧朝陽人，信息工程系副主任，副教授，研究方向：軟件開發(fā)。

摘要：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的一種方法。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，先分析了傳統(tǒng)睡眠機(jī)制存在的缺陷，然后提出動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整睡眠時(shí)間的方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 睡眠機(jī)制 運(yùn)行狀態(tài)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制需要實(shí)際硬件的支持，Microsoft，Intel，Toshiba在1997年共同制定了ACPI規(guī)范，ACPI定義了設(shè)備電源狀態(tài)、系統(tǒng)的全局狀態(tài)和處理器電源狀態(tài)，ACPI的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地管理電源。根據(jù)ACPI規(guī)范，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分

為了清楚地闡述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)劃分：運(yùn)行狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、空閑狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)整睡眠時(shí)間機(jī)制

利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。對(duì)于一個(gè)設(shè)備，如果其狀態(tài)轉(zhuǎn)換是即時(shí)的，即設(shè)備性能和功耗的損失為0，那么網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的設(shè)計(jì)將會(huì)非常容易，設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略可以非常貪婪：只要設(shè)備一空閑，就將其轉(zhuǎn)換到最深睡眠狀態(tài)；如果有請(qǐng)求到來，設(shè)備立即轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。然而，這種假設(shè)只存在于理想設(shè)備中，現(xiàn)實(shí)情況是大多數(shù)設(shè)備在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，性能和功耗損失都不可忽略。設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)需要一定的時(shí)間完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從睡眠狀態(tài)返回到運(yùn)行狀態(tài)需要的恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樵谠撨^程中設(shè)備需要依次完成穩(wěn)定電源和始終、重新初始化設(shè)備、恢復(fù)上下文等工作。

因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正處于空閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將決定該設(shè)備是選擇繼續(xù)保持空閑狀態(tài)還是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)。如果選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)需要先保存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，然后再讓設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)為止。系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)后，系統(tǒng)需要先恢復(fù)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后將設(shè)備轉(zhuǎn)換回到運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的關(guān)鍵問題就在于在什么時(shí)候、根據(jù)什么條件發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的命令。

由于設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗睡眠狀態(tài)需要付出額外的代價(jià)，一是增加了狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)所需的能耗Eex，二是增加了系統(tǒng)的延遲tde。因此設(shè)備只有在空閑時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，轉(zhuǎn)換至睡眠狀態(tài)才會(huì)節(jié)省設(shè)備的能量損耗。設(shè)這個(gè)足夠長(zhǎng)的空閑時(shí)間最小值為Tthr，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的功耗為Pa，睡眠狀態(tài)的功耗為Ps，空閑時(shí)間為Ti，設(shè)備喚醒所需的時(shí)間Twup和進(jìn)入睡眠狀態(tài)所需的時(shí)間tde之和為T0，則設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)必須滿足的條件：

設(shè)備在空閑狀態(tài)消耗的能量小于該時(shí)間段內(nèi)設(shè)備為工作狀態(tài)消耗的能量，即如下公式所示：Ps×（Ti-T0）+E0（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps）。因此，允許設(shè)備處于空閑狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度Tthr最長(zhǎng)為公式所示：Tthr=（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps），超過Tthr長(zhǎng)度設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省設(shè)備能量損耗。

然而在Ti時(shí)間段內(nèi)，設(shè)備仍然處于高功耗運(yùn)行狀態(tài)，因而造成部分能量損耗。為了改善這種能量浪費(fèi)，本文使用另一種策略，空閑時(shí)間預(yù)測(cè)策略。該策略的核心思想是對(duì)當(dāng)前的空閑時(shí)間T長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)的空閑時(shí)間長(zhǎng)度Ti>T，那么設(shè)備一空閑就進(jìn)入睡眠狀態(tài)?？臻e時(shí)間T長(zhǎng)度與很多因素有關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、用戶習(xí)慣和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作頻率等，并且設(shè)備空閑時(shí)間T的取值并沒有規(guī)律性可循，不能用傳統(tǒng)的概率方法來預(yù)測(cè)。考慮到在大多數(shù)情況下，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶的習(xí)慣是相似的，因此在同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備空閑時(shí)間長(zhǎng)度一般在某個(gè)固定的范圍內(nèi)。從這個(gè)角度來分析，同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相鄰的空閑時(shí)間段一般具有一定的延續(xù)性。然而空閑時(shí)間也有突發(fā)性情況，比如說使用某一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的所有用戶突然都離開電腦去休息或做別的事情，造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很長(zhǎng)一段時(shí)間的空閑時(shí)間，過一段時(shí)間后，空閑時(shí)間段的延續(xù)性又會(huì)恢復(fù)到常態(tài)。

為了更好地描述設(shè)備空閑時(shí)間的突發(fā)性情況，文獻(xiàn)定義：若ti（n）/Ti（n）≥C（其中，ti（n）為當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，Ti（n）為預(yù)測(cè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，C為常數(shù)），則認(rèn)為ti（n）是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段。由于設(shè)備當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度是根據(jù)它與上一個(gè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度有延續(xù)性預(yù)測(cè)的，因此設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段出現(xiàn)使實(shí)際值和上一空閑時(shí)間段長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)之間出現(xiàn)偏差，對(duì)當(dāng)前設(shè)備的空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)產(chǎn)生不利，為了糾正空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)中的偏差，采用下式來預(yù)測(cè)當(dāng)前的空閑時(shí)間長(zhǎng)度如公式所示：Ti（n+1）=

本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制策略，采用動(dòng)態(tài)閾值方法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠時(shí)間。由于本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS路由算法在選路時(shí)繞開空閑設(shè)備，因此空閑設(shè)備的空閑時(shí)間更多，有機(jī)會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可在任何時(shí)刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，而且將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)閉能夠進(jìn)一步地降低設(shè)備能耗。這里假定將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗是可忽略的，但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)和重新開啟的功耗是不可忽略的。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在某一時(shí)刻不執(zhí)行任何命令，就稱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在該時(shí)刻處于“空閑狀態(tài)”。初始狀態(tài)設(shè)設(shè)備的睡眠時(shí)間閾值為Ts，Ts的值通過該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的歷史情況預(yù)測(cè)。應(yīng)用動(dòng)態(tài)閾值法調(diào)整睡眠時(shí)間的長(zhǎng)度，前提是網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行期間的工作負(fù)載不均勻，并且系統(tǒng)能夠以一定的可信度預(yù)測(cè)到工作負(fù)載的波動(dòng)性，并且系統(tǒng)對(duì)工作負(fù)載的預(yù)測(cè)不消耗過多的能量。接下來討論網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入睡眠和喚醒的時(shí)間和條件：

3 結(jié)語

雖然這種睡眠機(jī)制還會(huì)有丟包現(xiàn)象，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠時(shí)間閾值Ts不斷調(diào)整的過程中，睡眠時(shí)間會(huì)越來越適應(yīng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，丟包率明顯下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hewleet-Packard I.Advanced configuration and power interface specification.ACPI Specification Document.Revision4.0a，2010.

[2]吳福煒，甘駿人.一種實(shí)時(shí)功耗管理算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2003，29（5）： 30-31.

[3]Nedevschi S，Popa L，Iannaccone G，Ratnasamy S， Wether-all D.Reducing network energy consumption via sleeping and rate-adaptationA].Proceeding of the 5th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation （NSDI'08）[C]，San Francisco，CA，2008，323-336.

作者簡(jiǎn)介：王超（1972-），女，遼寧朝陽人，信息工程系副主任，副教授，研究方向：軟件開發(fā)。

摘要：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的一種方法。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，先分析了傳統(tǒng)睡眠機(jī)制存在的缺陷，然后提出動(dòng)態(tài)閾值調(diào)整睡眠時(shí)間的方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 睡眠機(jī)制 運(yùn)行狀態(tài)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制需要實(shí)際硬件的支持，Microsoft，Intel，Toshiba在1997年共同制定了ACPI規(guī)范，ACPI定義了設(shè)備電源狀態(tài)、系統(tǒng)的全局狀態(tài)和處理器電源狀態(tài)，ACPI的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地管理電源。根據(jù)ACPI規(guī)范，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備按照網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分。

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)劃分

為了清楚地闡述網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠機(jī)制，本文將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)劃分：運(yùn)行狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、空閑狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)整睡眠時(shí)間機(jī)制

利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能。對(duì)于一個(gè)設(shè)備，如果其狀態(tài)轉(zhuǎn)換是即時(shí)的，即設(shè)備性能和功耗的損失為0，那么網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的設(shè)計(jì)將會(huì)非常容易，設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略可以非常貪婪：只要設(shè)備一空閑，就將其轉(zhuǎn)換到最深睡眠狀態(tài)；如果有請(qǐng)求到來，設(shè)備立即轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。然而，這種假設(shè)只存在于理想設(shè)備中，現(xiàn)實(shí)情況是大多數(shù)設(shè)備在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，性能和功耗損失都不可忽略。設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)需要一定的時(shí)間完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從睡眠狀態(tài)返回到運(yùn)行狀態(tài)需要的恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)，因?yàn)樵谠撨^程中設(shè)備需要依次完成穩(wěn)定電源和始終、重新初始化設(shè)備、恢復(fù)上下文等工作。

因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正處于空閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將決定該設(shè)備是選擇繼續(xù)保持空閑狀態(tài)還是進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)。如果選擇進(jìn)入睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)需要先保存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，然后再讓設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)為止。系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備喚醒信號(hào)后，系統(tǒng)需要先恢復(fù)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后將設(shè)備轉(zhuǎn)換回到運(yùn)行狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制的關(guān)鍵問題就在于在什么時(shí)候、根據(jù)什么條件發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換的命令。

由于設(shè)備從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗睡眠狀態(tài)需要付出額外的代價(jià)，一是增加了狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)所需的能耗Eex，二是增加了系統(tǒng)的延遲tde。因此設(shè)備只有在空閑時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，轉(zhuǎn)換至睡眠狀態(tài)才會(huì)節(jié)省設(shè)備的能量損耗。設(shè)這個(gè)足夠長(zhǎng)的空閑時(shí)間最小值為Tthr，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的功耗為Pa，睡眠狀態(tài)的功耗為Ps，空閑時(shí)間為Ti，設(shè)備喚醒所需的時(shí)間Twup和進(jìn)入睡眠狀態(tài)所需的時(shí)間tde之和為T0，則設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)必須滿足的條件：

設(shè)備在空閑狀態(tài)消耗的能量小于該時(shí)間段內(nèi)設(shè)備為工作狀態(tài)消耗的能量，即如下公式所示：Ps×（Ti-T0）+E0（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps）。因此，允許設(shè)備處于空閑狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度Tthr最長(zhǎng)為公式所示：Tthr=（E0-Ps×T0）/（Pw-Ps），超過Tthr長(zhǎng)度設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省設(shè)備能量損耗。

然而在Ti時(shí)間段內(nèi)，設(shè)備仍然處于高功耗運(yùn)行狀態(tài)，因而造成部分能量損耗。為了改善這種能量浪費(fèi)，本文使用另一種策略，空閑時(shí)間預(yù)測(cè)策略。該策略的核心思想是對(duì)當(dāng)前的空閑時(shí)間T長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)預(yù)測(cè)的空閑時(shí)間長(zhǎng)度Ti>T，那么設(shè)備一空閑就進(jìn)入睡眠狀態(tài)?？臻e時(shí)間T長(zhǎng)度與很多因素有關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、用戶習(xí)慣和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作頻率等，并且設(shè)備空閑時(shí)間T的取值并沒有規(guī)律性可循，不能用傳統(tǒng)的概率方法來預(yù)測(cè)?？紤]到在大多數(shù)情況下，在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中用戶的習(xí)慣是相似的，因此在同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備空閑時(shí)間長(zhǎng)度一般在某個(gè)固定的范圍內(nèi)。從這個(gè)角度來分析，同一網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相鄰的空閑時(shí)間段一般具有一定的延續(xù)性。然而空閑時(shí)間也有突發(fā)性情況，比如說使用某一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的所有用戶突然都離開電腦去休息或做別的事情，造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備很長(zhǎng)一段時(shí)間的空閑時(shí)間，過一段時(shí)間后，空閑時(shí)間段的延續(xù)性又會(huì)恢復(fù)到常態(tài)。

為了更好地描述設(shè)備空閑時(shí)間的突發(fā)性情況，文獻(xiàn)定義：若ti（n）/Ti（n）≥C（其中，ti（n）為當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，Ti（n）為預(yù)測(cè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度，C為常數(shù)），則認(rèn)為ti（n）是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段。由于設(shè)備當(dāng)前空閑時(shí)間的長(zhǎng)度是根據(jù)它與上一個(gè)空閑時(shí)間的長(zhǎng)度有延續(xù)性預(yù)測(cè)的，因此設(shè)備突發(fā)性的空閑時(shí)間段出現(xiàn)使實(shí)際值和上一空閑時(shí)間段長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)之間出現(xiàn)偏差，對(duì)當(dāng)前設(shè)備的空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)產(chǎn)生不利，為了糾正空閑時(shí)間長(zhǎng)度預(yù)測(cè)中的偏差，采用下式來預(yù)測(cè)當(dāng)前的空閑時(shí)間長(zhǎng)度如公式所示：Ti（n+1）=

本文提出一種新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠機(jī)制策略，采用動(dòng)態(tài)閾值方法調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的睡眠時(shí)間。由于本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)能QoS路由算法在選路時(shí)繞開空閑設(shè)備，因此空閑設(shè)備的空閑時(shí)間更多，有機(jī)會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可在任何時(shí)刻進(jìn)入睡眠狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，而且將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)閉能夠進(jìn)一步地降低設(shè)備能耗。這里假定將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為睡眠狀態(tài)和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗是可忽略的，但是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)和重新開啟的功耗是不可忽略的。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在某一時(shí)刻不執(zhí)行任何命令，就稱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在該時(shí)刻處于“空閑狀態(tài)”。初始狀態(tài)設(shè)設(shè)備的睡眠時(shí)間閾值為Ts，Ts的值通過該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的歷史情況預(yù)測(cè)。應(yīng)用動(dòng)態(tài)閾值法調(diào)整睡眠時(shí)間的長(zhǎng)度，前提是網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行期間的工作負(fù)載不均勻，并且系統(tǒng)能夠以一定的可信度預(yù)測(cè)到工作負(fù)載的波動(dòng)性，并且系統(tǒng)對(duì)工作負(fù)載的預(yù)測(cè)不消耗過多的能量。接下來討論網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)入睡眠和喚醒的時(shí)間和條件：

3 結(jié)語

雖然這種睡眠機(jī)制還會(huì)有丟包現(xiàn)象，但是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備睡眠時(shí)間閾值Ts不斷調(diào)整的過程中，睡眠時(shí)間會(huì)越來越適應(yīng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間，丟包率明顯下降。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hewleet-Packard I.Advanced configuration and power interface specification.ACPI Specification Document.Revision4.0a，2010.

[2]吳福煒，甘駿人.一種實(shí)時(shí)功耗管理算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2003，29（5）： 30-31.

[3]Nedevschi S，Popa L，Iannaccone G，Ratnasamy S， Wether-all D.Reducing network energy consumption via sleeping and rate-adaptationA].Proceeding of the 5th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation （NSDI'08）[C]，San Francisco，CA，2008，323-336.

作者簡(jiǎn)介：王超（1972-），女，遼寧朝陽人，信息工程系副主任，副教授，研究方向：軟件開發(fā)。