一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是屬于路由算法技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 云計(jì)算是一種按需即用、隨需應(yīng)變、快速部署、瞬時(shí)釋放、價(jià)廉物美的服務(wù)模式，通 過(guò)網(wǎng)絡(luò)可W實(shí)現(xiàn)對(duì)共享計(jì)算資源池的可訪問(wèn)性、可定制性、可更改性、可付費(fèi)性和可釋放 性，同時(shí)，在僅需最少的付費(fèi)、管理和溝通的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的快速獲取、資源的瞬 時(shí)釋放和信息的觸手可及；實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的能耗管理，可W降低數(shù)據(jù)中屯、的開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少碳排放量，對(duì)社會(huì)和網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展具有一定的理論價(jià)值 和實(shí)踐意義；調(diào)查研究表明，全世界ICT部口二氧化碳的排放量占全球總排放量的2%，而 ICT設(shè)備所消耗的電能占全球能源消耗8%左右，并且該趨勢(shì)還在不斷增長(zhǎng)；隨著云網(wǎng)絡(luò)中 IT(In化rmationTechnology,IT)設(shè)備的增加，數(shù)據(jù)中屯、規(guī)模也越來(lái)越大，云計(jì)算中的能耗 問(wèn)題已成為限制其規(guī)模和服務(wù)能力的瓶頸，限制著網(wǎng)絡(luò)性能的進(jìn)一步提高，是最具挑戰(zhàn)性 的研究課題之一。
[0003] 網(wǎng)絡(luò)的整體能耗主要是由網(wǎng)絡(luò)的冗余部署決定的，而與網(wǎng)絡(luò)中流量負(fù)載的大小無(wú) 關(guān)；目前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路休眠的策略已展開(kāi)了廣泛研究，AntonioCian化ani等人提出了綠色 OSPF算法，該算法主要通過(guò)源-目的節(jié)點(diǎn)的最小生成樹(shù)來(lái)計(jì)算冗余的鏈路，并將該鏈路休 目民，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，60%W上的鏈路可W被關(guān)閉；Irani等人提出了休眠的工作機(jī)制，并提 出了一種基于概率的能耗最小算法，為了進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)能耗，Irani等人還將休眠機(jī)制 與速度縮放機(jī)制相結(jié)合，提出(3 +么泌齡自的簡(jiǎn)單算法；L.Chiaraviglio等人提出 通過(guò)關(guān)閉連通性和QoS約束條件下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響的設(shè)備，能夠減少25%處于激活狀 態(tài)的鏈路和節(jié)點(diǎn)數(shù)目，從而達(dá)到節(jié)能的目的；L.Wang等人在節(jié)約數(shù)據(jù)中屯、能耗方面提出了 彈性樹(shù)的概念，其基本思想是利用openflow/SDN提供的整網(wǎng)視圖和流量靈活操控的優(yōu)勢(shì)， 通過(guò)鏈路狀態(tài)自適應(yīng)遷移聚集少數(shù)流量的流至較少的鏈路交換和服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，最終關(guān)閉沒(méi) 有流量通過(guò)的鏈路和交換機(jī)，W達(dá)到節(jié)省能耗的目的；Y.Kim等人提出了基于蟻群算法的 自適應(yīng)節(jié)能路由算法，利用蟻群的優(yōu)化求解算法和流量中屯、參數(shù)設(shè)計(jì)了最小化能耗的啟 發(fā)式路由算法化Gelenbe,等人提出了有能耗感知的路由協(xié)議算法，該算法中包括自適應(yīng) 的Qos約束限制；R.Garroppo等人提出了與負(fù)載相關(guān)的線性鏈路能耗函數(shù)，并且定義在負(fù) 載為零時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能耗也為零;A.Wierman等人提出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能耗與速率的非線性模型， 巧.v) =a+//f(片>1)，其中a為空閑能耗或者靜態(tài)能耗，0和S為常數(shù)，與具體的設(shè)備有 關(guān)；W上方法雖然能夠降低網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，但是其性能還不夠理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由方法，W 達(dá)到最小化網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)滿足路由的約束進(jìn)行建模，保證滿足請(qǐng)求帶寬和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的 同時(shí)，減小網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。 陽(yáng)〇化]一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由方法，包括W下步驟：
[0006] 步驟1、初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，設(shè)置初始鏈路容量矩陣及初始鏈路 權(quán)重矩陣；
[0007] 步驟2、隨機(jī)生成源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)和流量需求，并將業(yè)務(wù)流量需求從大到小進(jìn)行排 序，求帶寬在[10 : 15X請(qǐng)求次數(shù)]之間均勻分布；
[0008] 步驟3、根據(jù)流量需求、鏈路容量矩陣及鏈路能耗，獲得新的鏈路權(quán)重矩陣；
[0009] 步驟4、采用DUkstra算法獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械哪芎淖钚〉穆窂剑?br>[0010] 步驟5、判斷所獲能耗最小的路徑是否滿足約束條件，若是，則執(zhí)行步驟6 ;否則， 故障次數(shù)加1，方法結(jié)束；
[0011] 所述的約束條件包括：流約束條件、多商品流模型的約束條件、網(wǎng)絡(luò)的鏈路負(fù)載約 束條件和所選的路徑必須為源目的節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑；
[0012] 步驟6、判斷所獲的能耗最小的路徑的剩余帶寬是否滿足請(qǐng)求的帶寬的需求，若 是，則執(zhí)行步驟7,否則，執(zhí)行步驟9;
[0013] 步驟7、將能耗最小的路徑的鏈路權(quán)重設(shè)置為無(wú)窮大進(jìn)行重路由，獲得新的路由路 徑；
[0014] 步驟8、判斷新的路由路徑的剩余帶寬是否滿足請(qǐng)求的帶寬的需求，若是，則重路 由成功，轉(zhuǎn)到步驟9,否則，進(jìn)行下一次請(qǐng)求處理并返回執(zhí)行步驟4;
[0015] 步驟9、根據(jù)得到的路徑路由，更新網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)載，獲得網(wǎng)絡(luò)能耗、休眠的鏈路數(shù)， 并保存數(shù)據(jù)；
[0016] 步驟10、判斷請(qǐng)求是否結(jié)束，若是，則所有請(qǐng)求結(jié)束，否則，返回步驟3。
[0017] 步驟1所述的輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，設(shè)置初始鏈路容量矩陣及初始鏈路權(quán)重矩陣， 具體為：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑镚= {V，E，W}，其中，V表示拓?fù)渲兴泄?jié)點(diǎn)集合，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為 N，E表示拓?fù)渲兴墟溌返募希怀跏兼溌啡萘吭O(shè)為Cii;W表示鏈路權(quán)重集合，各個(gè)鏈路權(quán) 重設(shè)為無(wú)窮大。
[0018] 步驟4所述的采用DUkstra算法獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械哪芎淖钚〉穆窂?，具體公式如 下：
M
[0020] 其中，Mininize表示"最小"；IIbe表示能耗，B表示比特；E表示拓?fù)渲兴墟溌返?集合，E(Xy)表示鏈路能耗函數(shù)，Xy表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的鏈路容量。 陽(yáng)OW 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 本發(fā)明提出一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由方法，W最小化網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí) 滿足路由的約束進(jìn)行建模，在保證滿足請(qǐng)求帶寬和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的同時(shí)，選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗增 加影響最小的路徑，建立優(yōu)化模型；根據(jù)鏈路帶寬利用率和鏈路負(fù)載的能耗函數(shù)設(shè)置能效 路由的權(quán)重，通過(guò)認(rèn)知理論進(jìn)行鏈路權(quán)重的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)，使得網(wǎng)絡(luò)選擇能耗最小的鏈 路進(jìn)行路由，提高網(wǎng)絡(luò)的能效；利用本發(fā)明可W有效地減少云計(jì)算的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)能效。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖I為本發(fā)明一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由算法流程圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；
[0025] 圖3為本發(fā)明一種實(shí)施例的不同al地a條件下網(wǎng)絡(luò)休眠鏈路個(gè)數(shù)示意圖；
[00%] 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的不同alpha條件下網(wǎng)絡(luò)總能耗示意圖；
[0027] 圖5為不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)激活鏈路個(gè)數(shù)示意圖；
[0028] 圖6為不同路由算法中鏈路狀態(tài)分布示意圖；
[0029] 圖7為不同路由算法的激活鏈路的平均利用率示意圖；
[0030] 圖8為不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)總能耗示意圖；
[0031] 圖9為不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)的比特能耗示意圖；
[0032] 圖10為不同路由算法的網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求故障次數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034] 一種基于能效優(yōu)先和認(rèn)知理論的路由方法，方法流程圖如圖1所示，包括W下步 驟：
[0035] 步驟1、初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，設(shè)置初始鏈路容量矩陣及初始鏈路 權(quán)重矩陣；
[0036] 本發(fā)明實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為C0ST266,如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蜑镚= {V， E，W}，其中V= (1，2，…，2到為拓?fù)渲兴泄?jié)點(diǎn)集合，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N= 28,E為拓?fù)渲兴?鏈路的集合，矩陣E是一個(gè)28行28列的矩陣，鏈路i一j用Ei, ,= 1表示，否則記為0,其 中i，jGV，共有82條單向鏈路，并將其賦值給以表示可能建立的LSP請(qǐng)求的所有進(jìn)出節(jié) 點(diǎn)對(duì)；初始鏈路容量為Cii= 800Gb/s;W為鏈路權(quán)重集合，各個(gè)鏈路權(quán)重COi= ;
[0037] 步驟2、隨機(jī)生成源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)和流量需求，并將業(yè)務(wù)流量需求從大到小進(jìn)行排 序，求帶寬在[10 : 15X請(qǐng)求次數(shù)]之間均勻分布；
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例中，隨機(jī)生成源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)及流量需求，源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)用k= (S，d)表示，多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)形成集合K，則kGK，S和d分別表示業(yè)務(wù)量的入口和出口節(jié) 點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)對(duì)的請(qǐng)求用集合r(k，b)表示，b表示（S，d)間業(yè)務(wù)量需求的帶寬，流量需求為 t，且V7e'/；?/.= !...，Z，Z=IO為請(qǐng)求次數(shù)，且每次請(qǐng)求的流量需求逐漸增大，請(qǐng)求帶寬b在 [10 : 15X請(qǐng)求次數(shù)]之間均勻分布。
[0039] 步驟3、根據(jù)流量需求、鏈路容量矩陣及鏈路能耗，獲得新的鏈路權(quán)重矩陣； W40] 本發(fā)明實(shí)施例中，鏈路能耗函數(shù)E(Xii)表示為：
(2)
[00創(chuàng)其中，C。為鏈路容量，通過(guò)W下方式計(jì)算得到：根據(jù)流量矩陣，采用最短路徑方法 路由流量矩陣，每條邊的容量設(shè)為該邊的最大鏈路負(fù)載值，則鏈路容量Cu取值為所有邊的 最大鏈路負(fù)載值，P為基本能耗比例系數(shù)；
[0043] 鏈路帶寬利用率U。為： W44]Uij= [l-(Rij-b)/C。]X100% 做 W45] 其中，b表示（s，d)間業(yè)務(wù)量需求的帶寬，Ri,表示鏈路的剩余帶寬，R1,是正實(shí)數(shù) 集；
[0046] 權(quán)重Wi更新函數(shù)為：
如 W48] 其中，tk為節(jié)點(diǎn)對(duì)k上的流量需求，E1, , (tk)為路徑U上源目的對(duì)k的流量需求tk的能耗值，CGR+為鏈路權(quán)重調(diào)整因子，當(dāng)能耗值Ei,,不為0時(shí)，鏈路權(quán)重更新函數(shù)與能 耗值和鏈路容量有關(guān)，