基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由系統(tǒng)研究

張霖，趙金陽(yáng)，劉星

（1 四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 達(dá)州 635002；2 達(dá)州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，四川 達(dá)州 635002）

1 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)能耗的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，各種“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)層出不窮，如“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”、“互聯(lián)網(wǎng)+交通”、“互聯(lián)網(wǎng)+教育”等。這些智能化的運(yùn)作大多基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)、AI 算法等組成的云數(shù)據(jù)中心，而云計(jì)算、人工智能等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)中心的流量密度大幅增長(zhǎng)，其能耗問(wèn)題已經(jīng)不容忽視［1］。

數(shù)據(jù)中心的能耗主要來(lái)源于照明系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及IT 設(shè)備等［2-3］。對(duì)此擬做闡釋分述如下。

（1）照明系統(tǒng)與配電系統(tǒng)二者能耗之和約占數(shù)據(jù)中心總能耗的13%。

（2）空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗約占40%，雖然占比較大，但由于這方面的節(jié)能大多集中在地理環(huán)境和新能源的研究上，因此本文不做討論。

（3）IT 設(shè)備由服務(wù)器、存儲(chǔ)單元和通信設(shè)備構(gòu)成，其能耗約占47%。

因此，從IT 設(shè)備的角度出發(fā)，研究綠色能耗模型成為節(jié)能主流思想。一方面，根據(jù)路由器和服務(wù)器的負(fù)載需求來(lái)動(dòng)態(tài)設(shè)置休眠喚醒機(jī)制，從而降低設(shè)備能耗［4］。另一方面，利用相關(guān)感知流量的合并技術(shù)來(lái)提高路由效率，避免潛在的鏈路擁塞同時(shí)減少設(shè)備狀態(tài)的頻繁轉(zhuǎn)換，達(dá)到節(jié)能目的［5］。

然而，設(shè)備休眠及鏈路優(yōu)化都需要網(wǎng)絡(luò)的全局視圖與控制，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)缺乏靈活性，網(wǎng)絡(luò)策略一旦設(shè)置好，后期無(wú)法根據(jù)硬件或流量變化來(lái)動(dòng)態(tài)地分配資源。為了克服這些問(wèn)題，一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)—軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking，SDN）應(yīng)運(yùn)而生。SDN 將控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，由控制平面集中式管理并控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。而基于軟件就意味著該架構(gòu)能夠以編程方式來(lái)滿足不同的網(wǎng)絡(luò)要求，使部署復(fù)雜的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)變得更加簡(jiǎn)單、靈活和易操作。研究者們通過(guò)SDN 來(lái)集中式地控制全網(wǎng)設(shè)備，讓更多路由器／鏈路進(jìn)入休眠［6］，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

綜合以上研究，本文提出一種基于SDN 的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)下節(jié)能模型，全面考慮了流量冗余消除和流量低谷／高峰時(shí)間內(nèi)的節(jié)能路由策略。

2 基于SDN 的節(jié)能示例

在一個(gè)Fat-Tree 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，某一時(shí)刻有2 個(gè)流量需求，即：流f1從H2到H6；流f2從H3到H7，且f1≥f2。f2的傳輸路徑選擇策略如圖1 所示，設(shè)SDN 控制器為f1選擇綠色的傳輸路徑，為f2選擇如下3 種策略。對(duì)此可給出探述分述如下。

圖1 f2的傳輸路徑選擇策略Fig.1 Transmission path selection strategy of f2

（1）路徑1：選擇紅色路徑，并在t＝0 時(shí)刻同時(shí)發(fā)送f1和f2。

（2）路徑2：選擇藍(lán)色路徑，并在t＝0 時(shí)刻同時(shí)發(fā)送f1和f2。

（3）路徑3：選擇路徑2，但是由于f1和f2有重疊路徑，所以在t＝0 時(shí)刻先發(fā)送較小的f2，待其傳輸結(jié)束再發(fā)送f1。與此同時(shí)，啟用重復(fù)路徑的頭尾路由器的冗余消除（Redundancy elimination，RE）功能。

單位時(shí)間內(nèi)，如果單個(gè)路由器的能耗為PR，執(zhí)行冗余消除的能耗為PRE；每條鏈路的傳輸速率均為C，傳輸數(shù)據(jù)的能耗為PL。每種策略的總能耗分析如下：

（1）路徑1：f1和f2沒(méi)有重疊鏈路。在t＝0 時(shí)刻同時(shí)發(fā)送f1和f2，完成時(shí)間分別為f1／C和f2／C。f1的傳輸路徑上共有5 個(gè)路由器，而f2也同樣有5個(gè)，故而此時(shí)傳輸這2 個(gè)流的總能耗為PR?（5f1+5f2）／C+PL?（6f1+6f2）／C。

（2）路徑2：f1和f2有重疊鏈路，所以在f2傳輸完成之前這2 個(gè)流的傳輸速率均為C／2，因此f2的完成時(shí)間為2f2／C；而當(dāng)f2完成傳輸后f1的傳輸速率變?yōu)镃，因此f1的完成時(shí)間為（f1+f2）／C。分析后可知，總能耗為PR?（5f1+9f2）／C +PL?（6f1+14f2）／C。

（3）路徑3：與路徑2 相同，f1和f2有重疊鏈路。但SDN 控制器設(shè)置優(yōu)先調(diào)度較小流f2，在f2傳輸完成后再調(diào)度f(wàn)1。假設(shè)流量的冗余率為50%，f2的完成時(shí)間約為0.5f2／C，f1的完成時(shí)間約為0.5（f1+f2）／C?？紤]到啟用RE 的路由器，傳輸這2 個(gè)流的總能耗約為PR?（3.5f1+3.5f2）／C +PL?（5f1+5f2）／C+PRE?（f1+f2）／C。

對(duì)比3 種策略發(fā)現(xiàn)，基于優(yōu)先級(jí)的依次調(diào)度策略、即路徑3，可以更早地完成傳輸任務(wù)，進(jìn)而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗。

3 模型設(shè)計(jì)

通過(guò)前文研究論述展開(kāi)分析后，本文提出一個(gè)基于SDN 的數(shù)據(jù)中心節(jié)能模型。如圖2 所示，該模型中SDN 控制器的主要功能可表述為：

圖2 基于SDN 的節(jié)能模型設(shè)計(jì)Fig.2 Design of energy-saving model based on SDN

（1）根據(jù)流量需求的大小來(lái)確定流的優(yōu)先級(jí)別。

（2）獲取全局視圖，為目標(biāo)流規(guī)劃可傳輸?shù)穆窂健?/p>

在流量高峰期間，SDN 控制器優(yōu)先通過(guò)全局視圖判斷目標(biāo)流的傳輸路徑中是否存在完全空閑的路徑，如果有、則把目標(biāo)流掛到活動(dòng)流隊(duì)列的隊(duì)尾，并選擇一條空閑路由器／鏈路最少的空閑路徑進(jìn)行傳輸。否則，就繼續(xù)判斷是否存在可搶占路徑，即目標(biāo)流的優(yōu)先級(jí)最高的非空閑路徑。如果有，則把優(yōu)先級(jí)較低的流掛到阻塞隊(duì)列的隊(duì)尾，并選擇重疊路徑最長(zhǎng)的路徑進(jìn)行傳輸，但是注意此時(shí)需要啟用重疊路徑的頭／尾路由器的RE 功能。如果沒(méi)有找到可行路徑，那么目標(biāo)流將被掛到阻塞隊(duì)列的隊(duì)尾。

在流量低谷期間，SDN 控制器優(yōu)先為目標(biāo)流選擇可搶占路徑，如果沒(méi)有，再為其選擇完全空閑路徑，以上2 種路徑都沒(méi)有，則目標(biāo)流被阻塞。

綜上所述，提出的模型在流量高峰期間通過(guò)更短的傳輸時(shí)間來(lái)更早關(guān)閉活動(dòng)的路由器／鏈路，且在流量低谷期間減少路由器／鏈路的狀態(tài)切換次數(shù)。不論哪種情況都是減少傳輸過(guò)程中活動(dòng)路由器／鏈路的數(shù)量來(lái)節(jié)省能耗。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本文利用Mininet 仿真平臺(tái)［7］來(lái)搭建基于SDN的4 階Fat-Tree 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)??？刂破鬟x用廣泛流行的POX 控制器，所有鏈路均被設(shè)置為帶寬10 Mbps 的全雙工鏈路。假設(shè)流量的冗余率為50%。

圖3 顯示了在該仿真網(wǎng)絡(luò)下提出模型、ILPEAR［8］和HILP-GreenRE［9］三種模型的節(jié)能效果隨流量負(fù)載的變化。當(dāng)流量負(fù)載增加時(shí)，3 種模型節(jié)省的網(wǎng)絡(luò)能耗呈下降趨勢(shì)，但所提出的模型要比其他2 個(gè)表現(xiàn)更好，尤其是在流量負(fù)載增加至75%以后，節(jié)省的能耗比其他2 個(gè)平均高出3%～5%左右。

圖3 不同流量負(fù)載下3 種模型的節(jié)能效果Fig.3 Energy-saving effect of three models under different traffic loads

由于流量的突發(fā)性，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以分為流量高峰時(shí)期和流量低谷時(shí)期。ILP-EAR 和HILPGreenRE 通過(guò)設(shè)置空閑設(shè)備進(jìn)入休眠的方式在流量低谷期間獲得明顯的節(jié)能效果。然而，如果在流量高峰期間也使用這些路由策略，那么更多的網(wǎng)絡(luò)流將共享阻塞鏈路的帶寬，造成路由器和鏈路不得不工作更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)支持繁重的流量需求，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)一步增加。本文提出的模型有效解決了以上問(wèn)題：在流量低谷期間，執(zhí)行冗余消除，并將流量需求聚集到鏈路子集，休眠空閑的鏈路／路由器以節(jié)省能耗；在流量高峰期間，按照流量的優(yōu)先級(jí)傳輸能夠更快地完成傳輸任務(wù)，從而使路由器／鏈路更早進(jìn)入休眠，進(jìn)一步降低能耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，由于SDN 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重新定義，使得采用SDN 來(lái)控制并管理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，其中最廣泛且高效的應(yīng)用是基于SDN 的能量感知技術(shù)。本文首先對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀以及基于SDN 的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。其次，本文通過(guò)一個(gè)示例重點(diǎn)討論了當(dāng)前節(jié)能技術(shù)的思想，并提出了一種具有冗余消除的集中式數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能模型。該模型根據(jù)流量的高峰／低谷時(shí)期，對(duì)流量需求采用不同方式進(jìn)行傳輸，在提高路由器／鏈路利用率的同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。最后，仿真實(shí)驗(yàn)從流量負(fù)載方面對(duì)所提出的模型進(jìn)行了分析，并與現(xiàn)有的節(jié)能模型加以對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的節(jié)能性。

此外，本文為了簡(jiǎn)化模型建立，簡(jiǎn)單地按照流量大小來(lái)設(shè)置流量的優(yōu)先級(jí)。然而在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，流量的優(yōu)先級(jí)可能隨著運(yùn)營(yíng)商的不同需求而改變，可能被設(shè)置為流量的截止期限、流量的工作時(shí)間等。因此，提出的模型在降低流量平均完成時(shí)間的同時(shí)，也可能會(huì)造成某些延遲敏感的流量錯(cuò)過(guò)其截止時(shí)間的問(wèn)題。未來(lái)，可以繼續(xù)深入探討分布式的節(jié)能策略，以期提高路由計(jì)算的實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。