未來網(wǎng)絡休眠機制的研究*

蘇俊基，楊龍祥，朱樂恒

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目日益增多，網(wǎng)絡能耗隨之增加，同時網(wǎng)絡架構顯得越來越臃腫。關于ICT能耗消耗調查表明，ICT行業(yè)所消耗的能量占全球總能耗的2%～10%，因此降低能耗意義非凡。為了根本性地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡中的問題（移動性、安全性、能耗等），國內外已經啟動相關的研究項目，提出了新的網(wǎng)絡體系架構，例如美國的FIND和GENI項目，歐盟的FP7項目，日本的AKARI項目等。典型的新型網(wǎng)絡架構有DONA（Data-Oriented Network Architecture）、PSIRP（The Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm）、NDN（Named Data Networking）、Open Flow Network和DTN（Delay Tolerant Network）等。

面對能源緊張的問題，提出降低能耗的方案刻不容緩。休眠機制是降低能耗的一種方式，將休眠方式應用到新的網(wǎng)絡架構體系下，可以達到節(jié)省能耗的效果，國內外已經在一些新型的網(wǎng)絡中提出相應的休眠方案。在DTN網(wǎng)絡體系架構下，參考文獻[1]、[2]提出了EACDS（ExponentialAdaptiveCyclicDifferenceSet system）和MACDS（MultiplicativeAdaptiveCyclicDifferenceSetsystem）兩種休眠算法；參考文獻[3]、[4]提出了將基于時間接觸的休眠機制應用到算法里，從而降低能耗。在Open Flow Network網(wǎng)絡架構下，參考文獻[5]提出了相關的休眠機制，選擇根節(jié)點，形成節(jié)點樹，根據(jù)網(wǎng)絡所需要的節(jié)點數(shù)和當前處于醒著狀態(tài)的節(jié)點數(shù)之間的關系，致相應的節(jié)點休眠。在PSIRP網(wǎng)絡體系架構下，參考文獻[6]、[7]提出了根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的重要性決定關閉相應的節(jié)點，進入休眠，并且權衡能耗和延時之間的關系。還有其他一些網(wǎng)絡級休眠方案，如參考文獻[8]提出了ETE機制，能量感知以關閉相應的節(jié)點。

上述休眠方案當中的一些算法是本文介紹的主要內容，在研究的過程中，將休眠機制分為兩大類：節(jié)點級休眠和網(wǎng)絡級休眠，介紹了DTN網(wǎng)絡中節(jié)點級休眠方案和網(wǎng)絡級休眠方案，并進行了仿真。

1 節(jié)點級休眠

網(wǎng)絡節(jié)點處于工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)時，能耗的值相同，如圖1所示[9]。休眠是指將處在空閑狀態(tài)的節(jié)點休眠，以節(jié)省能耗。

圖1 有無休眠的能耗對比

DTN網(wǎng)絡屬于新型的網(wǎng)絡，它的特點是頻繁中斷，長延時的連接，這是因為移動性、節(jié)點稀疏分布和噪聲等因素的影響。下面介紹DTN網(wǎng)絡下的休眠方案：EACDS和MACDS[1-2，10]。

介紹EACDS和MACDS之前，首先熟悉DTN網(wǎng)絡節(jié)點架構，如圖2所示。其中，灰色方格1、2、4等表示節(jié)點醒著的時隙，5、6、7方格表示節(jié)點休眠的時隙，在每一個醒著的時隙前面加一個幀讓相鄰節(jié)點能夠偵聽到此節(jié)點。對于每一個節(jié)點，預先規(guī)定固定長度為Ls的集合，再以這個長度為周期循環(huán)，而之前選取長度為Ls集合，必須保證此集合任意地循環(huán)移位都會有一個重合的、醒著的時隙。因為節(jié)點A和其他的節(jié)點是循環(huán)移位的關系，只有在某一時刻兩個節(jié)點都處于醒著的狀態(tài)，才具備通信的條件。

圖2 節(jié)點時隙

EACDS和MACDS的共同點是通過某一種縮放的關系放大集合的長度Ls，Ls越大，節(jié)能效果越好。

1.1 EACDS算法

EACDS是基于利用集合的分層方法，能量級為0的初始差集（P0=I=（υI，kI，λI））被另一個指數(shù)差集（E=（υE，kE，λE））放大為能量級1（P1=E?I）的分層集合，接著再次被放大為更高級別的分層集合 （P2=E2?I），依次類推，最后選擇某一能量級的P。其中，ν表示框架長度，k表示活動個數(shù)，λ表示重疊個數(shù)，?表示Kronecker積。

Kronecker積的定義為：A=（aij） 是m×n的矩陣，B=（bkI） 是p×q的矩陣，A和B的Kronecker積為mp×nq的塊矩陣C=（cαβ）=αijbkl，α=p（i-1）+k，β=q（j-1）+l。

1.2 MACDS算法

MACDS是基于集合的分層方法，與EACDS不同的是用乘子集M=（υM，kM，λM）代替指數(shù)集E，初始集（I）被另外一個乘子集（M1）縮放，用來創(chuàng)建分層集（P1=M1?I），然后再被另外一個乘子集M2縮放成另外一個分層集P2=M2?I。M1，M2， …，Mi都是旋轉集合， 滿足：RCP{Mi，Mj}=1。RCP（Rotational Closure Property）表示兩個節(jié)點在所有的循環(huán)移位下都會發(fā)現(xiàn)對方。對于集合Ei和集 合Ej，ni≤nj，有 ：

對于EACDS和MACDS，主要的特點是Pi級數(shù)越高即Ls長度越長，越能降低能耗。MACDS相對更加節(jié)能，但是如果在有能量級需要的情況下，EACDS卻更加實用。

2 網(wǎng)絡級別休眠

不僅僅在DTN網(wǎng)絡，在其他網(wǎng)絡架構下也有相關的休眠機制，例如PSIRP網(wǎng)絡架構、Open Flow Network等。

2.1 PSIRP架構下的休眠機制

這里介紹的休眠算法歸于以下幾個步驟[6-7]：

（1）檢查每條鏈路的利用率

對于網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，分析鏈路利用率，鏈路利用率超過閾值，增加權重來減少利用率，鏈路利用率低于閾值，它成為減少權重的等待者。

（2）網(wǎng)絡節(jié)點排序

根據(jù)節(jié)點的局部中心度對網(wǎng)絡節(jié)點進行排列，這個序列反映節(jié)點在網(wǎng)絡中的重要性。這一步驟很重要。

（3）關閉網(wǎng)絡節(jié)點

節(jié)點進入休眠模式，可能導致數(shù)據(jù)包丟失，滿足下列條件，節(jié)點才能夠進入休眠模式。

①與此節(jié)點連接的鏈路沒有流量；

②此節(jié)點關閉后，其余的節(jié)點仍然可以連接；

③此節(jié)點關閉后，它所有相鄰節(jié)點可重新連接到網(wǎng)絡上。

該方案的特點是，對網(wǎng)絡元素重要性排列，以及根據(jù)節(jié)點進入休眠的條件判斷能否進入休眠。

2.2 Open Flow Network下的休眠機制

Open Flow Network元素有接入節(jié)點、骨干節(jié)點。接入節(jié)點用來連接用戶終端或服務器，而骨干節(jié)點連接其他節(jié)點。骨干節(jié)點與接入節(jié)點之間的節(jié)點不能進入休眠。節(jié)點的休眠、喚醒以及路由路徑的改變步驟如下[5]：

（1）預先測量網(wǎng)絡流量。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡流量計算節(jié)點需要轉發(fā)流量的數(shù)量以及決定根節(jié)點。整個網(wǎng)絡所需要的節(jié)點數(shù)=整個網(wǎng)絡的流量/節(jié)點轉發(fā)率。

（3）根據(jù)休眠算法讓節(jié)點休眠或者喚醒。

（4）改變使用醒著節(jié)點的路由路徑，用最短路徑算法來計算路由路徑。

其中根節(jié)點的選擇是為了形成一個樹結構的拓撲，從而選取相應的休眠等待節(jié)點。按照下面的方法選擇根節(jié)點：

①處理最大流量的節(jié)點作為根節(jié)點。

②如果多個節(jié)點的最大流量相同，選擇鏈路連接數(shù)最多的節(jié)點作為根節(jié)點。

休眠算法有以下幾種情況：

（1）醒著的節(jié)點數(shù)目大于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù)。這種情況下，主要又分為兩種：

①當前的根節(jié)點和之前選擇的根節(jié)點不同。

（a）從根節(jié)點到其他節(jié)點用最短路徑構建一個訪問樹。這里用Dijkstra算法。

（b）選擇候選的休眠節(jié)點，注意，根節(jié)點與訪問節(jié)點之間的節(jié)點不能休眠，其余的節(jié)點休眠。

（c）從最小流量節(jié)點開始把候選節(jié)點休眠一次，直到醒著的節(jié)點數(shù)量等于所需節(jié)點數(shù)量或所有候選節(jié)點睡眠。

②當前的根節(jié)點與之前的根節(jié)點相同。

當前選擇的根節(jié)點與原先選擇的節(jié)點相同，則有相同的訪問樹。然而，如果之前沒有休眠的候選節(jié)點，節(jié)點可能像上面提到的那樣進入休眠。否則，沒有其他操作將被執(zhí)行。

（2）醒著的節(jié)點數(shù)目小于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù)。喚醒休眠中的節(jié)點，順序按照休眠時的逆序，直到兩者數(shù)目相等。

（3）醒著的節(jié)點數(shù)目等于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù)。沒有節(jié)點需要喚醒或者休眠。

該方案的特點是選擇根節(jié)點構建樹，根據(jù)相關的準則，選擇休眠等待節(jié)點，優(yōu)化樹的結構，從而降低能耗。

3 仿真分析

本文采用ns-2網(wǎng)絡仿真工具，針對DTN網(wǎng)絡下的EACDS和MACDS兩種算法進行仿真實驗。節(jié)點采用Random Way Point移動模型，采取的路由協(xié)議是MFlood（洪泛協(xié)議），另外一些網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)設置如表1所示。

根據(jù)MACDS和EACDS的原理分析，在仿真中選擇I=（7，3，1），MACDS中的P3=（42，9，1），而EACDS中的P3=（63，12，1）。 如圖3所示，采取休眠方式的能耗明顯比沒采取休眠機制的能耗低，而MACDS比EACDS方案節(jié)能。

表1 仿真參數(shù)

圖3 仿真時間對平均能耗的影響

4 結論

不同的網(wǎng)絡體系架構下，休眠機制會存在網(wǎng)絡連通性的問題，網(wǎng)絡節(jié)點處于休眠狀態(tài)，不接受數(shù)據(jù)報文，所以要權衡能耗與網(wǎng)絡QoS之間的關系。在未來的工作當中，會對新的網(wǎng)絡體系架構下的主流休眠方案下的能耗和延時參數(shù)進行仿真和優(yōu)化。

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