基于可重构技术的网络节点节能问题关键技术研究

绿色网络论文 可重构柔性网络论文 能耗感知论文
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互联网已经成为支撑现代社会经济发展、社会进步和科技创新的最重要的基础设施之一。随着互联网的日益普及,互联网在满足人们对网络的规模、功能和性能等方面需求的同时也逐渐暴露出一些问题。能耗方面,信息和通信技术行业作为全球增长最快的行业之一,其碳排放也随着行业的增长而不断增长,目前信息和通信技术领域的碳排放占全球的2%,这一比例将在2020年翻一番。2008年网络基础设施,包括路由器、服务器、交换机、冷却设施等设备共消耗8680亿度电,占全球总耗电量的5.3%。按照目前的增长趋势,到2025年,IT行业的平均能耗将达到2006年的5倍,网络领域更会达到13倍。能耗问题已成为信息和通信技术持续发展的重大障碍。国家863计划信息技术领域重大专项“新一代高可信网络”提出了“可重构柔性网络”的思想,致力于建设能够承载新型业务、提供可靠服务保证、用户规模可规划、网络资源可管理、节点服务能力可重构、绿色节能的下一代网络与业务国家试验床。针对绿色网络对网络节点节能的需求,本文依托可重构柔性网络的研究工作,研究网络节点的绿色节能技术。本文从节点设备能耗跟随业务负载变化的思想出发,将节点能耗调整抽象为资源分配和资源调整的物理本质问题,研究基于可重构技术的网络节点能耗调整机制。首先研究基于构件运算的系统可重构理论;其次研究构件模型和构件能耗感知模型;再次研究基于构件重构的能耗细粒度调整方法;最后设计一种网络节点的低能耗转发架构。具体而言,本文主要研究成果如下:●对构件重构的基本理论进行研究,定义了构件和重构操作的相关概念,提出了可重构系统的代数模型。针对可重构系统在形式化描述和重构建模方面的不足,用代数学方法对可重构构件,构件组合,可重构系统的属性和行为特征进行抽象,把构件组合定义成构件的“运算”实现,结合进程代数中算子的概念,定义了多种构件组合运算,建立了可重构系统的代数模型。在代数模型基础上,提出了重构建模和重构范式,为使用可重构技术实现能耗调整奠定了理论基础。●针对构件的能耗感知问题进行研究,提出了内嵌能耗感知机制的构件模型。构件模型使用构件代理完成决策和重构部署,利用代理接口完成构件间的交互。在构件组装层面引入具有感知功能的容器隔离底层操作系统的影响,构件模型遵循重构范式实现构件连接关系的重构。构件模型为构件提供了运行环境,为重构操作提供了支撑。分析构件的能耗产生原因,根据构件开发过程和运行环境的特点定义了3个能耗特征量,提出了一种利用BP神经网络估算构件能耗的模型。能耗模型对3个能耗特征量进行度量,使用BP神经网络拟合出构件特征量与构件能耗的非线性函数关系,并通过实验验证了能耗感知模型的有效性。内嵌能耗感知机制的构件模型支持了构件重构并提供了能耗调整对象。●针对时延敏感业务的能耗调整问题,提出了截止时间约束下的频率调节算法。首先分析了业务时延特性,结合可重构柔性网络思想提出了一种业务时延特性区分方法。根据时延敏感业务对节点服务性能的要求,提出了一种以构件运行截止时间为约束的频率调节算法。算法使用频率调节点密度在构件组内部快速选择频率调节点,通过插入频率调节代码降低构件能耗。最后使用Zebra容器原型和Wattch功耗仿真软件进行了仿真实验,实验结果表明,频率调节算法可以节省构件组20%-40%的能耗,可使构件组能耗跟随业务负载发生变化,实现设备能耗的细粒度调整。●针对非时延敏感业务的能耗调整问题,提出了基于构件重构的能耗细粒度调整方法。为解决能耗调整时机的决策问题,提出了一种基于业务流特征分析的多时间尺度重构决策算法。该算法首先对到达业务流的突发水平进行分析选择合适的流模型,然后针对选定的流模型提取流特征进行能耗调整时机决策。仿真结果表明该算法可以准确选择流模型,可以提高能耗调整的成功率和准确率并能降低能耗调整对业务的影响。其次,在对构件化路由器低能耗模型分析的基础上,提出了基于构件重构的能耗细粒度调整方法。该方法使用布尔二次指数平滑法预测网络负载变化;使用遗传算法并行搜索构件配置空间,能够快速搜索出低能耗构件配置方案。使用真实网络流量进行实验,结果表明该方法能够根据负载的动态变化进行构件重构,能够使路由器能耗跟随业务负载进行变化,与传统算法相比可以节省60%的算法运行时间,降低构件组25%能耗,实现了设备能耗的细粒度调整。●针对网络节点能耗调整机制的部署问题,基于交换中转发的思想设计了一种低能耗转发架构。该架构通过模糊转发流水交换减少了路由器转发和交换阶段的存储需求和访存次数。该机制复用多个低速节点构成多级流水线结构,可降低报文IP查表和交换的硬件实现复杂度。通过重构规模化执行部件间的连接拓扑,可以部署论文提出的能耗调整机制。建立了交换中转发机制的能耗模型,仿真结果表明该机制可将路由查表中的存储开销降低为传统先转发后交换机制的50%,并且可节省查表过程中12.5%的能耗。本文的研究成果对准确把握构件可重构系统的宏观特征,实现构件能耗感知,部署能耗细粒度调整机制具有重要的应用价值,将直接为基于可重构技术实现能耗跟随负载变化和绿色网络能耗管理问题的解决提供研究思路和理论依据。
图目录第7-10页
表目录第10-11页
摘要第11-13页
Abstract第13-15页
第一章 绪论第16-36页
    1.1 论文研究背景及意义第16-18页
    1.2 相关技术现状及目前存在的问题第18-29页
        1.2.1 网络绿色节能技术研究现状第18-22页
        1.2.2 可重构柔性网络与可重构技术研究现状第22-27页
        1.2.3 当前研究技术的不足第27页
        1.2.4 论文研究面临的问题第27-29页
    1.3 论文研究思路及内容第29-33页
    1.4 论文结构安排第33-36页
第二章 可重构系统代数模型第36-50页
    2.1 引言第36页
    2.2 相关研究工作第36-37页
    2.3 基于构件运算的可重构系统代数模型第37-43页
        2.3.1 可重构构件第37-38页
        2.3.2 构件组合第38-42页
        2.3.3 可重构系统代数模型第42-43页
    2.4 可重构系统的可重构属性建模第43-45页
    2.5 应用研究第45-48页
    2.6 小结第48-50页
第三章 构件模型和构件能耗感知第50-76页
    3.1 引言第50-51页
    3.2 相关研究进展第51-53页
    3.3 构件模型和重构机制第53-58页
        3.3.1 感知、决策和执行分离机制第53-54页
        3.3.2 软件构件模型支持的重构机制第54-55页
        3.3.3 构件类型和构造方法第55-58页
    3.4 构件模型的验证及实验第58-61页
        3.4.1 支持构件重构的容器原型第58-59页
        3.4.2 构件模型应用实例第59-61页
    3.5 构件能耗感知模型第61-68页
        3.5.1 构件能耗建模方法第61-62页
        3.5.2 构件能耗特征量度量第62-66页
        3.5.3 构件能耗与能耗特征量拟合第66-68页
    3.6 能耗感知模型验证和结果分析第68-73页
        3.6.1 验证能耗感知模型的有效性第68-71页
        3.6.2 验证CWP和MWP能耗特征量对构件能耗的影响第71-73页
    3.7 小结第73-76页
第四章 时延敏感业务的能耗调整机制第76-92页
    4.1 引言第76页
    4.2 相关研究进展第76页
    4.3 业务时延特性区分第76-81页
    4.4 面向时延敏感业务的低能耗频率调节优化算法第81-85页
        4.4.1 顺序型构件组能耗优化算法第83-84页
        4.4.2 并行型构件组能耗优化算法第84-85页
        4.4.3 混合型构件组能耗优化算法第85页
    4.5 仿真实验与结果分析第85-90页
        4.5.1 仿真环境与参数设置第85-88页
        4.5.2 仿真结果分析第88-90页
    4.6 小结第90-92页
第五章 非时延敏感业务的能耗细粒度调整机制第92-120页
    5.1 引言第92页
    5.2 相关研究进展第92-95页
    5.3 能耗调整时机决策第95-106页
        5.3.1 网络演算第97-98页
        5.3.2 能耗调整决策系统模型第98-99页
        5.3.3 多时间尺度能耗调整决策算法第99-102页
        5.3.4 能耗调整时机仿真验证第102-106页
    5.4 能耗细粒度调整模型第106-108页
    5.5 能耗细粒度调整算法第108-111页
        5.5.1 负载变化预测第109页
        5.5.2 能耗细粒度调整算法第109-111页
    5.6 能耗调整仿真实验与结果分析第111-117页
        5.6.1 实验环境设置第111-113页
        5.6.2 实验结果分析第113-117页
    5.7 小结第117-120页
第六章 低能耗转发架构设计第120-138页
    6.1 引言第120-121页
    6.2 相关研究进展第121-122页
    6.3 绿色节能转发机制第122-127页
        6.3.1 交换中转发的数据包处理机制第122-123页
        6.3.2 转发操作到FSN阵列的映射第123-125页
        6.3.3 交换中转发机制的路由查找第125-127页
    6.4 交换中转发机制的能耗分析第127-134页
        6.4.1 Bit能耗模型第127-128页
        6.4.2 IP查表中的bit能耗第128-129页
        6.4.3 交换节点bit能耗第129-131页
        6.4.4 交换单元内部队列bit能耗第131-132页
        6.4.5 Bit能耗模型验证和分析第132-134页
    6.5 绿色可重构技术的应用第134-136页
        6.5.1 构件的灵活重构第135-136页
        6.5.2 基于FSN的能耗调整机制第136页
    6.6 小结第136-138页
第七章 结束语第138-141页
    7.1 本文的研究成果第138-139页
    7.2 论文的主要创新点第139-140页
    7.3 需要进一步研究的问题第140-141页
参考文献第141-151页
附录A 绿色网络研究文献列表第151-154页
作者简历 攻读博士学位期间完成的主要工作第154-156页
致谢第156页
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