绿色通信网的设计分析

余大国

（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京，210003）

0 引言

能源和环境早就已经成为全世界各个国家和组织共同关注的敏感话题，2009年哥本哈根会议更是将人们对这一问题推向了前所未有的高度。ICT业也不例外，网络是ICT中很主要的部分，毫无疑问它将在满足社会可持续发展和全球节能减排目标中扮演重要角色。面对日益增加的环境和经济压力，实现高效、稳定、安全的绿色网络建设已刻不容缓。如图1、图2所示网络的发展已经从性能、成本直线关系发展到了它们和能源之间的三角关系。过去的几年中，关于计算机和通信设备的节能的方法已经引起了研究者们的极大兴趣。预测性的能源管理第一次提及是文献[1]，动态能源管理的处理方式在磁盘驱动，处理器以及其他的一些组件中可以得到很好的应用。移动设备和无线网络中，为了延长电池使用寿命，已经做了大量的关于如何节省能源消耗的研究。新传输层协议，新路由协议，新的MAC协议，这些都是为了在没有传输或接收数据时能使接口关闭。无线网络总是通过网关自我包含或连接到大的因特网中，这些就需要我们的协议和产品能和原来的网络和协议相兼容，这个要求也在一定程度上限制了这些新方法的应用。减少有线网络的链路和网络设备的能量消耗最早在文献[2]和[3]中提及，文献[4]中，建议在包传输间隙降低局域网交换机网络接口的能量。下一个包到达的时间是可预测的，如果包到达的间隔值大于预测值，接口将将降低能耗。论文研究显示，这样做会使能源消耗降低50%以上。本文没有具体研究如何节能的方法，而是从整个网络和能量意识的角度概括了绿色网络的设计以及它对协议的可能影响。

图1 传统网络优化因素

图2 下一代网络优化因素

1 关注网络能耗的原因

1.1 现在的设备低能效性

现在2007年数据显示，整个电信业电能消耗占全球耗能的1%以上，而在文献[5]中显示ICT业占整个全球耗能的2%～10%（其中10%为将降温设备计算在内），而在[4]中研究表明整个在通信设备镇南关可以降能耗降低50%以上，足已看出我们能效现用设备能效之低。将来当我们用更快的更新的设备取代现行的设备时，必然还会增加能量的消耗。面对当前的能源紧张状况我们不得不考虑提高能耗的方法。

1.2 增加更多的设备安装

在世界的很多地方，电能是个极其稀缺的资源，这同样为我们的通信及网络设备的普及发展带来了极大地阻碍。如果能减少设备的能耗，我们就能在相同能耗的情况下安装更多的通信及网络设备，一定程度上不仅推进了通信及网络资源的发展，也能增加整个网络的性能。

比如，印度2005年总的电能消耗量为509TW-h，利用人均的网络连接量看，网络设备耗能为24.2TW-h，约占4.75%[6]。而世界上通信设备平均耗能约为2%左右，可以看出通信设备占了相当大的比重，我们有很大的动力和潜力去为更加高效的网络设备而努力。

1.3 面临灾难及移动设备中受益

在面临灾难时或移动设备中，网络设备主要依靠蓄电池供电，如果我们能有低能耗或不同情形可以处于不同低能工作模式下工作的网络设备，可以使我们的电池持续更长时间。这样我们的医院、通信保障单位等在面临灾难时就可以提供更长的数据支撑时间。低能耗设备和低能耗数据中心可以保障我们面临困境时设备有更多的生存缓冲时间。

2 网络中可能的节能机会

从以上的网络节能原因中看出，对网络拓扑和网络协议的适当的改变，完全可以满足我们提高能耗的目标。在这些许多的方法中可以参考以下几个方面去考虑：

●单个交换机或路由器级，可以在空闲或业务量小时将线卡等元件处于休眠状态或将一些硬件设备处于低速状态。目前的交换机或路由器等网络设备还没有这方面的能力，应该能在将来的路由器或交换机上实现这种功能。

●网络级上，可以考虑在低业务量时改变某些路由，使它聚合在某几条路由上而让那些空闲设备处于休眠状态。这需要在第2层和第3层协议工作方式上做些许改变，甚至需要在第4层的诸如TCP上做些改变以适应这些工作模式的改变。需要研究这些影响并做出合适的解决方案。

●最后，可以考虑在网络拓扑，使一定范围内的网络负载允许有路由自适应。也就是说让我们的网络拓扑上能有网络负载量和网络工作设备上有个相协调的工作模式。业务越多，工作设备越多；反之，休眠模式的设备越多。

无线ad-hoc网路和传感网中已经有了许多相关的研究，有许多方法同样适应于我们有线网络中。Jones等人在文献[8]中对不同协议层的不同技术作了概括。其中许多技术可以借鉴用于有线网中，比如在保证网络连接的情况下，尽可能长的将不用的元件置于休眠状态，在MAC层和网络层都有彼此的与之相对应算法。MAC层中，将本接口的状态发给邻居接口并基于邻居接口的状态决定睡眠状态的分布式算法和当接口没有发送或接受信号时包括TDMA或相似的协调传输机制允许睡眠的算法，这些决定何时置接口于睡眠状态的算法可以在我们通信网络中接口中得到相似的应用。网络层中主要的方法是通过路由选择使大量的节点处于休眠状态从而达到节能的效果。我们有线网络中可以利用这些机制使低网络业务量时将信息包聚合到少数路由中从而使许多节点设备处于休眠状态。

总之，注意到节能网络中通过休眠工作模式达到最大节能效果是个合适的选择。为了实现这些休眠的算法需要：

（1）重新设计网络设备的硬件从而使这些软件休眠算法得到应用。

（2）路由协议需要改变从而允许通过聚合和休眠的工作模式使网络能量消耗于与业务量呈自适应的状态。

（3）修改网络拓扑从而允许通过聚合和休眠的模式使路由有更多的选择。

（4）需要研究睡眠模式对上层协议如TCP等的影响，从而与休眠节点的状态相适应。

2.1 路由设备上的节能机会

如果仔细观察不同的交换机和路由器，可以发现它们有着不同的体系结构。通常在一个交换机或路由器上节能可以将部分或全部设备元件如内层、主处理器、总线、线卡和交换组织置于低能耗休眠模式或硬件时钟减慢。相信这样肯定可以明显的减少网络设备的耗能状况。

线卡：线卡的复杂性从很简单的接口到复杂接口有网络处理器、内层、接口和交换组织接口。将一个线卡或任何一个元件于休眠状态可以节省能耗，但取决于状态转变的速度我们可以想象出明显的包丢失和延迟。假设一个线卡在输入端口处收到数据即触发唤醒休眠状态，需要10μs转换到正常工作状态，在1Gbps的链路上转换期间将有10Kbit的数据和10μs的点到点延迟，这显然在网络中式不可接受的。可以想象出两种可能的方法来处理这个问题

●网络法 也称协调休眠法，在低业务负载时通过路由协议聚合业务到少数几个路由上，从而使一些接口处于睡眠状态。

●链路层法 也称非协调法，接口的休眠与否完全取决于本地接口状况。当本地接口可以处于休眠状态时，它将该状况通知相邻接口，当相邻接口需要对该睡眠接口发送数据包时首先发送一个包唤醒该接口，然后等一个状态装换时间后在发送实际的信息包。这种以时延的增大换取包丢失的避免。

纵横交换组织：将纵横的交换组织连同线卡处于休眠状态不会导致额外的延时或包丢失。原因是在唤醒线卡的同时可以唤醒纵横的交换组织，这样一旦线卡收到数据包就可以在交换组织上路由数据包。如果线卡不休眠而交换组织休眠，除非增大线卡处缓冲器的容量，否则会在交换组织的输入处导致包丢失。

主处理器：主处理器都是典型的在GHz速率的RSIC处理器，可以在低网络业务负载时减慢处理器速达到节能的效果。但这里的主要问题是何时启动减速处理器的措施。

这里似乎可以通过将交换机或路由器的不同元件置于休眠状态，当有数据包来临时再唤醒该接口达到节能网络的效果，然而，这里由于在线卡和其它元件的状态转变过程的延时会导致整个端到端时延的增大。

2.2 网络设计中的能量意识

2.2.1 系统设计的能量意识

CMOS技术的发展使带宽增长有了一个新的发展空间。路由器的ASIC中对于能效设计的技术标准的主要在时钟门、流程特定的供电电压和减小供电压几个方面， CMOS能效增长速率正在逐渐减慢，这就要求我们在改变路由器系统设计以满足散热需求。另外两种包括传统限制空气冷却方法在内的为满足指数增长的带宽需求有：

（1）多机箱系统：多机箱路由器允许多个分离的物理组件聚集起来形成一个简单的逻辑路由器。通常一个多机箱路由器的体系结构由多个线卡机架连接到一个非阻塞可测交换机架上所组成的。通过提供一种不依赖于不断增长的带宽密度和频谱密度的增长路径来使多机箱设备解决了带宽的可估量问题。虽然总的能耗在不断增加，但以物理设备上使用现有的空气冷却技术为代价可以是散热问题得以解决。

（2）可选系统：很早以前就已有将光交换作为现在电路由器替代品的设想。纯光交换不仅可以提供T比特级带宽能力，而且还有比电交换设备更少散热量的功能。更有甚者，由于它的宽光谱交换能力可以使它完成比特独立交换功能。实际应用中由于许多实际问题的存在阻止了它的进一步大范围应用。首先，由于技术的限制，端口数必须小于100。这就使得它只能用在核心网中。其次，尤其重要的光缓冲现在还不可行。虽然如此，光技术正在不断演进，相信在未来会在节能方面有着重要的影响。

2.2.2网络设计的能量意识

在满足稳健性和性能要求的情况下，网络设计中能量意识为我们驻地设备节能效果提供了机会。首先，多路由级网络拓扑可以满足一个即定容量、稳健性和能量消耗的设计目标，后面部分的设计说明在设计网络拓扑中有侧重点的注意能量消耗可以节省相当大的能量。其次，实际网络中可以把低能耗包的处理放到路由器的子系统中进行处理。

现在的网络设计、配置和管理实践都是基于这样一个原则，即它们要高可靠，有竞争力的业务等级管理性能以及能吸引各个不同应用客户的特征业务集服务的性能。为达到这个目的，网络体系结构的构造总是在核心网中使用具有互连高带宽多冗余路径相连的路由器，核心网周围采用低带宽多连接分布路由器，甚至会在外设部分采用低带宽接入路由器和交换机。从中注意到这点，由于系统的大容量处理能和一些竞争力以及经济因素的考虑，传统中设备制造商们都特别注重核心路由器的性能设计。因此，网络设计、配置和管理实践中总是首先考虑核心网中的容量设计，而将边缘设备放置在其次的因素考虑。

具有能量意识的网络设计，长期的目标是用一个仍能提供可靠性和性能要求的低能耗系统取代现行的能缺系统。充分理解当前不同配置和业务负荷下的路由器和交换机的能量需求，ISP有机会发展一个节能和减少即时业务点的设备数的低能和低预算成本的网络。

2.2.3 能量意识协议

最后一个方面我们要考虑的是网络设计和实现中的协议问题。这和传统的点到点的论述和文献[8]相当吻合，甚至更是提高了超过性能考虑之外的观点。在无线领域具有能耗意识的协议已经有了相当时间的研究并取得了很大的进展，相信在有线领域也同样会有很有价值的发展机会。

正如已有的论述所说的一样，最基本的能量意识协议的设计应是将非即时使用设备置于睡眠状态。发展新的数据链路和路由协议可以（i）使业务能力更高效（ii）使线卡部分可以关闭或（iii）使整个线卡处于休眠状态。

3 路由设备级耗能测试及结论

对于在网络设计和路由中的能量意识可以通过特别是运营商们常用的路由器来研究，通过在路由器每个底板上不同的线卡的组合所消耗的能量情况估算它们的大致能耗特征。

测试使用CISCO 7507，CISCO 7507是一个网络边缘设备并且每一个槽达到1Gb/s的七槽路由器，配置如表1所示，这些选择的配置参数代表着一个通用网络技术。由于硬件均为一个厂商制造，因此这些配置并不是一个通用的基准平台。

表1 CISCO 7507配置

能量测量设备是一个配置了i200 AC 的Fluke 189数字万用表。实验中这个测量负载在路由器的能量线缆上，这种设置使我们在实验中可以测量系统能耗。实验从配置一个具体的路由器/线卡开始，首先从已安装线卡的所有接口端口上将线缆移除，在给定的测试配置中不需要用到的线卡从底板上移除。每一个测试首先开启路由器然后留出足够长的路由器初始化时间。然后对秒测试一次能量消耗情况，并且保持400 s以上，然后能耗取他们测量的平均值。测量结果如图3所示。

图3 CICSO 7507不同配置耗能情况

从图中可以看出，底板加上RP耗能约为210W，超过所有配置耗能的一半。对于不同类型的线卡加载到基本系统上能耗呈不同的阶跃装增长；但是，对于系统来说基本系统占绝大多数的耗能。

因此，从性能、成本和能量意识的角度来说，在一定能耗情况下，尽可能较少底板而增加每个地板上所能加载的线卡数。

4 对一个AS内部的路由器的影想

正如之前提到过的协调和非协调两种休眠模式，逻辑上说在非协调睡眠情况下，由于接口在收到数据包时会立即唤醒唤醒接口，应该对路由协议没有影响。然而取决于协议的不同机制，会有一些不可预料的负面影响。在现行的OSPF协议中，如果一路由器将某一个接口置于休眠状态并且会在那个接口的链路上通知它的邻居，这些路由器将会产生LSA包指出一个失败链路。这样将会产生有所有路由器根据最短路径算法重新计算路由并产生一个洪泛过程。很明显这个行为是不必要和昂贵的。这样我们就应该避免这种情况的发生，对OSPF协议作相应的修改使其把这种非协调休眠不作为链路失败的情况考虑。同样对于其他的路由协议也应该如此考虑。

另一方面，实行协调休眠模式，更是需要对现行协议作一个明显改变，还会产生不可预料的负面影响。从更高层面上说，在低负载时期的协调休眠思想，路由协议在源目的对间识别单路由要优于多路由。由于要减少整个网络的总的工作接口数，就需要对OSPF协议作以下的相应改变：

（1）在可能协调睡眠期间，SPF算法需要用一个支持业务流满足QOS情况的所有保证路由识别最小链路数的算法所取代。考虑一个最简单的有5条节点环链路，如果我们用SPF算法产生路由，所有5条链路都将会使用到而不会有接口可以处于休眠状态。然而在某些情况下，删除某一个链路而保持另外4个链路仍然可以满足QOS需求。这就可以让两个接口处于休眠状态。这就要我们的新路由算法能识别最小扩展树从而使在满足流QOS情况下的全网的最小能耗的效果。

（2）对于单路由的一个缺点就是在链路或路由器失效下的路由影响。从这些失效的情况下收敛链路需要我们唤醒新的链路满足平衡算法。这样我们又需要增加OSPF协议的复杂性。

（3）周期性发送的Hello信息包需要严格限制在唤醒状态的接口之间转发。更进一步说我们需要对多播接入网络指定路由器(DR)和备用指定路由器（BDR）的选择在平衡模式下需要做相应的改变。

（4）以上的各种情况都是在潜在的假设条件下进行的，即知道网络的负荷低并且正是进入低能节能模式的时候。这不是个简单的问题，我们需要研究预测该事件并且和OSPF协议相协调的算法。

对于重新计算OSPF和IBGP等协议计算路由需要做一下的两个基本的体系结构的改变以促进休眠的推进：

首先，可以在网络上实行多个节能等级。当所有接口和设备都处于工作状态时处于等级0，节能等级越高，工作的接口和设备数目就会越少。由于OSPF和IBGP在每一次转换时都需要重新计算路由，需要我们保证每一个路由器能观测到整个网络拓扑并能阻止不稳定和不正确的路由。

其次，需要某种形式的中心决策算法来决策何时关或开接口和设备。这个协议应该同时保证现行的网络拓扑映射关系以让包可以达到多有的路由器。换句话说也就是我们要收集整个网络的业务数据来做出是否休眠的决策和有一个关于整个网络的链路状态数据库并能把它发布到所有路由器的应用。

同时也应该研究休眠对其他的如EIGRP、ISIS和RIPv2等协议的影响。

5 结束语

本文从相关领域的网络节能技术的介绍引入绿色网络的设计与分析话题，从网络的现状分析开始，从网络设备级、网络路由级和网络拓扑级分析了可能的节能机会，并从主要的休眠技术出发分析了可能对OSPF的路由协议和网络拓扑影响。通过对路由设备级耗能测试实验出发，根据不同元件的耗能情况结果分析适当对配置改变是可以从性能、成本和能源角度达到一个相对的平衡点，同时通过对现有网络协议和网络拓扑作适当的改变从而达到从硬件和软件满足最大节能效果，达到绿色节能的目的。

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[5]SMART 2020 Report, http://www.theclimategroup.org, 2008.

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