基于多商品流的網絡能耗模型與智能算法研究.pdf

1、最近幾十年，全球變暖導致的溫室效應等一系列問題日益突出，發(fā)展低碳經濟、節(jié)能減排已經成為各個行業(yè)的共識。在信息技術領域，節(jié)能問題同樣不容小覷。近幾十年信息技術的迅速發(fā)展，在所有工業(yè)中，信息通信產業(yè)所貢獻的碳排放一直不斷上升。根據數(shù)據顯示，在所有人類制造業(yè)產生的二氧化碳排放中，單單信息通信設備就貢獻了將近2％，這個數(shù)字與全球航空業(yè)相近，但是卻有著比其更快的增長速度;并且，在英國等發(fā)達國家，這個數(shù)字甚至達到10％，在未來幾年還有繼續(xù)增長的趨勢

2、。
　　在真實網絡中，由于流量的突發(fā)性和周期性，大部分時間網絡帶寬的利用率不到40％。然而由于網絡設備能耗與負載的相對獨立，即使處于低利用率狀態(tài)，設備的能耗也與峰值時相差無幾?；谶@種情況，人們提出了綠色網絡(Green Network)的思想。在工程學角度，綠色網絡的核心思想是在滿足當前帶寬需求和服務質量(Quality of Service，QoS)的情況下，使網絡的能量消耗最小。這方面的研究有很多，我們按照優(yōu)化的范圍分為兩個

3、級別:一是設備級，設備級的能耗優(yōu)化主要是集中在單個設備，比如路由器、交換機、線卡、網卡等。設備級的優(yōu)化目標是使得單個設備的能耗與負載成比例，常見的優(yōu)化方法有動態(tài)電壓縮放、自適應鏈路速率、可擴展組件、流量預測等。二是網絡級，網絡級優(yōu)化的目標是使整個網絡的能耗與負載成比例，網絡級優(yōu)化主要是通過能量感知路由(Energy-Aware Routing，EAR)實現(xiàn)，這個問題已被歸結為容量約束的多商品流問題(Capacitated Multi-c

4、ommodity Network Flow，CMCF)，而CMCF是NP完全的。設備級節(jié)能和網絡級節(jié)能并不是互斥的，實際上在真實情況，網絡級節(jié)能和設備級節(jié)能需要聯(lián)合使用才能達到最好的節(jié)能效果。
　　CMCF問題的基本思想是將所有網絡流量聚合到整個網絡拓撲的一個子集上，關閉或者休眠其他空閑的鏈路和節(jié)點，從而使得網絡的整體的能耗與整體負載成比例，它的目標是找到滿足需求的最小能耗子集。CMCF問題目前已經有了經典的數(shù)學模型，本文在此基礎

5、上將目的相同的需求進行了聚合，將變量數(shù)目減少了一個數(shù)量級，加快了求解速度。然而由于混合整數(shù)規(guī)劃(Mixed Integer Programing，MIP)是NP-hard的，在拓撲規(guī)模較大時計算時間變的不可接受，因此我們提出了一種基于克隆螞蟻的蟻群優(yōu)化路由算法(CACO-RA)。在算法中。我們將信息素按目的節(jié)點分類，最大限度的將流量聚合到較少的節(jié)點和鏈路;同時我們實現(xiàn)的是可分流的流量調度，充分利用了網絡帶寬。隨機網絡拓撲實驗顯示我們的算

6、法有著比其他算法更少的能量消耗、更快的計算速度和更好的實用性。
　　在CACO-RA算法中，我們使用了分流的思想最小化能耗，效果確實很好，然而這帶來了另外一個問題——延遲增大。傳統(tǒng)的基于最短路徑的算法，延遲無疑是最小的，且流量都是單路徑傳輸，不存在抖動問題。在CACO-RA算法中，我使用顯式路由為每個需求對分配多條路徑，這就帶了延遲和抖動的問題。為了在能耗和QoS之間取得一個良好的折中，我們結合粒子群優(yōu)化的思想修改了CACO-RA