（计算机科学与技术专业论文）并行报文交换网络的节能技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院丁学硕十学位论文 摘要 当前，互联网的飞速发展使得网络设备使用数量越来越多，设备使用时间越 来越长，核心链路速率越来越高，网络设备的功能也越来越复杂，同时互联网设 备的功耗利用率仍旧低下。这些因素都使得互联网耗能现状恶化，成为其继续健 康快速发展的障碍。 为了应对越来越高的能耗，各种节能技术以及能耗分析技术相继被提出。这 其中有针对特定边缘设备的节能改进，例如以太网卡的a l r 节能技术，交换机的 p p c 节能技术。也有针对整体网络设计以及协议角度的节能分析，如p o w e r a w a r e n e s s 技术。还有针对特定节能部件的耗能分析模型。这些技术的研究与应用 都为整个互联网的节能作出了贡献。 并行报文交换( p p s ) 是目前路由器解决链路速率与存储器带宽矛盾的热门交 换技术，对它的节能研究会对路由器整体功耗有较大影响。本文首先介绍了一种 可以保证q o s 的p p s 结构，通过对其可能的节能部件进行分析，提出了双阀值链 路节能思路。利用解复用器端的缓冲区长度判断流量大小，并据此开启与关闭解 复用器与交换层之间的链路，从而实现节能。 在具体的双阀值链路节能中，我们给出了阀值的具体判断条件，以及节能链 路的关闭与开启方式。通过对开关方式的分析，我们推理得到了阀值的取值范围。 另外，通过采取延迟读方式，较好的解决了链路开启后保持缓冲区队列长度一致 性的问题。 经过详细的分析与论证，基于a t m 交换平台，我们给出了节能p p s 结构中解 复用器与交换层之间关于链路节能控制的实现结构。通过对具体实现中的f i f o 长 度判断链路流量情况，进而作出控制决策，关闭或者开启f i f o 时钟。最后，我们 介绍了关于具体f p g a 芯片的功耗评估方式，并对芯片的节能效果作出了合理的分 析。 主题词：互联网，路由器，并行报文交换，节能 第i 页 国防科学技术大学研究生院丁学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h en u m b e ro fn e t w o r ke q u i p m e n t s i n c r e a s e sm o r e t h eu s i n gt i m eo fn e t w o r ke q u i p m e n t sb e c o m e sl o n g e r t h el i n k - s p e e do f n e t w o r ke q u i p m e n t sg e t sh i g h e r a l lt h e s ef a c t o r sm a k et h ei n t e m e te n e r g yc o n s u m i n g s t a t u sb a da n dw o u l db l o c ki t sh e a l t h ya n dr a p i dd e v e l o p m e n t i no r d e rt oc o p ew i t i lt h i s av a r i e t yo fe n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g i e sa n dt e c h n i c a l a n a l y s i sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h e r ea r em a n ye n e r g y - s a v i n gm e t h o df o r t h em a r g i n a l e q u i p m e n t ，s u c ha se t h e m e tp r o x y ，a l ra n dp p c a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r em a n y e n e r g y s a v i n gm e t h o df o rr o u t e ra n dn e t w o r kp r o t o c o l ，s u c ha st h ep o w e ra w a r e n e s s t e c h n o l o g y t h e s et e c h n o l o g yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh a v em a d eac o n t r i b u t i o nt o e n e r g yc o n s e r v a t i o n p a r a l l e lp a c k e ts w i t c h ( p p s ) i sah o tt e c h n o l o g yw h i c hi s t r yt or e s o l v et h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er o u t e r sh i g hl i n k s p e e da n dm e m o r yb a n d w i d t h s w i t c h n e t w o r kp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nt h es t r u c t u r eo fr o u t e ra n dh a sag r e a ti m p a c to nt h e o v e r a l lp o w e rc o n s u m p t i o n h o w e v e r ，t h e r ei sl i t t l e s t u d ya b o u ti t se n e r g y s a v i n g i m p r o v e m e n t t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e sap p ss t r u c t u r ew h i c hc a ng u a r a n t e eq o s ， a n a l y s i si t sp o s s i b l ee n e r g y s a v i n gc o m p o n e n t s ，t h e n ，w ep r o p o s ed u a l - t h r e s h o l dl i n k e n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g y i no u rt e c h n o l o g y ，w eg i v et h em a n n e ro fh o wt od i c i d et h et h r e s h o l d ，a sw e l la s t h ew a yo fo p e n i n go rc l o s i n gl i n k b yw a yo fa n a l y s i so fm a n n e r ，w eg e t st h er a n g eo f t h et h r e s h o l d i na d d i t i o n ，w ef i n dab e t t e rw a yt om a i n t a i nt h ec o h e r e n c eo fb u f f e r l e n g t hw h e no p e n i n gan e w l i n k a f t e rc a r e f u la n a l y s i sa n da r g u m e n t ，b a s i n gt h ea t ms w i t c hp l a t f o r m ，w eg i v et h e s t r u c t u r eo fm u l t i p l e x e ra n dd e m u l t i p l e x e ri no u re n e r g y s a v i n gp p s w em a k eu s eo f t h el e n g t ho fs p e c i f i cf i f ot oo b t a i nt r a f f i cs i t u a t i o n ，a n dt h e nm a k ead e c i s i o nc o n t r 0 1 f i n a l l y ，w ei n t r o d u c e dt h em e t h o dt oe s t i m a t et h ep o w e ro ff p g ac h i p ，a n dm a k ea r e a s o n a b l ea n a l y s i so fe n e r g y - s a v i n ge f f e c t k e y w o r d s ：i n t e r n e t ，r o u t e r ，p p s ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1i d l e 状态下网卡处理的协议8 表2 2 使用a l r 后的p c 节能评估1o 表2 3 实验中的三种测试值1 3 表2 4 不同输入向量下的节点耗能1 4 表2 5b a n y a n 网络中缓冲器b i t 耗能1 5 表2 6 c i s c og s r1 2 0 0 8 的配置1 7 表2 7 c i s c o7 5 0 7 的配置一l7 表2 8 不同网络拓扑情况。2 0 表2 9 采用p a 后相对最短路径节省的功耗2 1 表5 1 部件与链路状态关系4 l 表5 2 链路状态控制信号4 3 表5 3f i f 0 设置与功耗4 7 第l i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕十学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图3 1 图3 2 图3 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图 图 图 图 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图目录 互联网设备能耗利用率对比。2 i n t e lx s c a l ei x p 2 4 0 0 处理器3 不同视角下的网络平均功耗4 p p s 总体结构5 网卡在不同工作频率下的功耗9 r p s 握手协议9 p a u s ep o w e r c y c l e 1l p p c 模拟测试1 2 不同设置下的p p c 体验13 b a n y a n 交换网络中2 2 交换节点电路1 4 8 8 接口下各交换网络耗能与流量的关系1 6 四种交换网络的b i t 耗能。1 6 不同配置下g s r 路由器的耗能1 8 不同配置下7 5 0 7 的耗能。1 8 p a 实验平台l8 不同流量不同配置下网络整体功耗2 0 4 4p p s 结构2 3 改进后的解复用器内部队列情况。2 5 双阀值链路节能2 7 关闭链路示意图3 1 开启链路示意图3 2 队列加长后的解复用器3 4 关闭交换层3 5 k = 5 的p p s 多阀值节能判断3 6 系统总体架构图3 8 交换板逻辑图3 9 节能p p s 设计实现图4 0 链路状态转换图。4 l 缓冲队列控制图4 2 交换层链路控制器4 3 解复用器链路控制结构4 4 b u f g c e 的实现结构4 4 x p e 工具界面4 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的1 4 志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：羞堑拯塞塞逸圈鳌煎芷毖挂苤盟究 学位论文作者签名：毯鱼：盥日期：伽p # 1 - 月7e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：羞盈抠塞塞捶圈经鲍堇能挞苤鲤究 学位论文作者签名：塑垒焦 作者指导教师鲐一到至型一 日期：例挈年肛月叩日 日期坳舅年m 刁日 国防科学技术大学研究生院- t 学硕士学位论文 第一章绪论 自从互联网诞生以来，其发展速度可谓是惊人的。然而发展的背后是庞大的 设备数量，高额的功耗，以及低下的功耗利用率，这些都为互联网的进一步发展 带来了阻碍。因此，对于互联网设备的节能研究逐渐为研究者所重视，并取得了 丰硕的成果。 1 1 1 互联网耗能现状 1 1课题背景 互联网无疑是上世纪发展最为迅猛的技术，从1 9 9 5 年正式的商业化开始，它 已经在短短的十几年中迅速发展壮大，并融入到现代工作生活的各个方面。2 0 0 6 年的统计显示，全球以太网的接入节点已超过1 b i l l i o n l l l ，与之相连接的交换机， 路由器的数量同样庞大。而且，随着网络成本的降低与应用的普及，这些数字仍 将快速提高着。正如微软的首席技术官r a yo z z i e 所讲：“我们已经进入了一个以 互联网为中心的新时代”1 2 j 。 如此庞大的设备数量必然会带来巨额的功耗，l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a l l a b o r a t o r y ( l b n l ) 的研究表明【3 】：在美国，每年由互联网直接消耗的电能为7 4 t w h ，如果再加上附属在网络周边的所有i t 设备( b i gi t ) 的话，这一数字将变 为2 0 0 t w h 。并且，这一数据的统计时间是2 0 0 6 年，统计范围只包括美国，计算 中还未加入冷却这些设备以及u p s 本身所产生的耗能。如果再算上整个世界其它 国家的消耗量，那么，总的数字无疑将更加惊人。这种惊人的发展让美国能源安 全局的s p e n c e ra b r a h a m 也发出惊呼：如果照目前情况发展下去，到2 0 2 0 年，我 们将不得不再新建1 9 0 0 多个电厂去满足如此巨大的能源需求 4 1 。 巨大的能耗一方面固然与使用设备的绝对数量有关。另一方面也与我们因忽 视节能而造成的低效利用有关。这种低效利用不仅包括人为的不当使用，设备功 耗管理的低效，同时也包括互联网协议本身以及体系结构方面的缺陷。在互联网 设备能耗中，有大约3 2 可以在桌面应用中通过良好的功耗管理被节省p j 。目前， 由于网络费用的下降，以及网络应用的普及，开始出现了大量的7 2 4 开机的p c 终端。而实际上，这些p c 真正工作的时间远远小于开启时间。很明显，这种不当 利用造成了巨大的能源浪费。商用服务器一样不容乐观，统计表明，它们的有效 利用率一般在大约1 5 2 0 t 5 1 。类似的低效利用在处于互联网核心位置的路由器中 同样存在。 总体上，目前互联网设备的能源使用率还很低( 如图1 1 ) 。理想上，设备的 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 功耗应当在使用率较低时维持在一个较低的水平，而后随着使用率的提高逐步提 高。然而，目前的实际情况是，大多数设备即使不工作，只要一上电它的基础功 耗就已经很高，与其最高使用率下的功耗相差无几。 图1 1 互联网设备能耗利用率对比嘲 这样的状况是由于设备设计时对能耗问题的忽视造成的。一些新的节能技术 表明，只要通过良好的功耗管理，设备实际功耗与利用率之间的关系会有相当大 的改善。结合到网络设备数目的庞大性，每年因此而节省的能源无疑是惊人的。 这些现状一方面表明，互联网设备的功耗利用率依然很低，另一方面也说明， 互联网设备的节能空间还很大，值得去研究解决。 1 1 2 网络设备的节能思路 终端设备例如显示器以及其它计算设备会在空闲状态下会遵照“e n e r g ys t a r 的建议，进入各种节能状态。而网络设备如路由器，交换机等则大多属于7 2 4 运转的设备，因此它们的节能相比较终端设备更特殊一些。现实中的无线设备， 在节能技术上已经取得很多成果。如果两者相比较，网络设备在单位字节传输耗 能上是后者的1 2 5 倍，而这只是粗略的计算，尚不包括报文每经过一跳时被处理 时消耗的能量【7 1 。对于不同的网络设备以及所处的层次，可以有不同的节能思路去 实现节能。 1 ) 单个交换机和路由器：在实际运行中，可以将其系统中不工作的子部件休眠。 例如路由器中的线卡，或者将这些部件的时钟降低甚至关闭，同样达到减少功 耗的目的。另外，随着制造工艺的发展，采用更具节能优势的芯片同样是快捷 的节能方法。图1 2 给出的就是一种支持功耗管理的多模的处理器，这种硬件 上的改进能够为整个设备的动态功耗管理( d p m ) 提供硬件上的支持。当前， 越来越多的芯片厂商都推出了类似的芯片，这为今后的设备节能提供了有力的 支持。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 图1 2 i n t e lx s c a l ei x p 2 4 0 0 处理器 2 ) 网络级：在网络这一级主要涉及到路由问题，因此可以尝试改变路由，在一个 a s 范围内控制工作路由器集。当流量较低时，集中将流量交由一部分路由器 处理，而将其它路由器置于节能状态。类似的实现可能会改变网络协议中的第 二层与第三层，同时也可能会对第四层带来不确定的影响。因此，还需要深入 细致的研究。 3 ) 修改网络拓扑：根据网络的负载实现路由自适应，网络设备之间保持特定的联 系，根据流量的情况动态决定路由器设备运行集，其余设备则进入节能状态。 由于第二种与第三种节能思路的涉及面更广，更复杂。因而，目前可实现的网 络设备节能还基本上停留在设备节能这一层，然而相关的理论研究已经广泛展开 并逐步深入。 1 1 3 路由器节能的必要性与紧迫性 互联网应用的普及以及终端数目的快速增长，导致了网络带宽需求呈现持续 的，指数式的提高。而要满足如此巨大的带宽需求，路由器的链路速率必须做出 相应的提高。同时，波分复用( w d m ) 技术的成熟也促进了光纤技术在核心链路 中的传输应用，目前的链路速率已经从o c l 9 2 ( 1 0 g b s ) 向o c 7 6 8 ( 4 0 g b s ) 甚至 o c 3 0 7 2 ( 1 6 0 g b s ) 发展t 引，可以预计，这一数字很快就将达到t b s 的数量级。这就 要求路由器的处理能力大幅度的提高，而更高的处理能力必然带来更复杂的设计， 更多的电路，同时也意味着更大的功耗。 目前的高性能核心路由器在处理如此高的流量大多采用a s i c 硬件。现今，虽 然c m o s 制造上已经进入了4 5 n m 工艺时代，并且核心电压也在不断下降，使得 单位字节所需的电压以每两年减半的速度降低着 9 1 。尽管如此，由于链路的增长大 大超过了硬件技术提高所能带来的功耗优势，因而，整体上的路由器功耗密度仍 然呈现增长态势( 如图1 3 ) 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 图1 3 不同视角下的网络平均功槲9 】 以目前高端核心路由器c i s c oc r s 1 为例，系统最大配置为8 个交换机架和 7 2 个线卡机架，可支持1 1 5 2 个4 0 g 端口的线速交换。c r s 1 线卡机架包括2 个 相互备份的路由处理器、1 6 个模块服务卡和、1 6 个接口模块卡和8 个交换卡，其 使用的s p p 网络处理器是当前世界最复杂的a s i c ，由1 8 8 个3 2 位的r i s c 处理器 ( 每一个都可以独立的进行任务处理) 组成。仅其交换网络的功耗就达到了8 0 0 0 w ， 而当其线卡总速率为1 2 8 t b p s 的时候，功耗达到了1 3 6 k w 。当采用其最大配置方 案的话( 总链路速率为9 2 t b p s ) ，功耗则达到了令人吃惊的1 m e g a w a t t t l o j 。 这种高功耗首先面临的问题是散热。我们知道，电子设备在温度过高时，可 靠性会大大降低，为了让系统正常工作，就必须保证系统工作产生的热量及时散 出，从而使得设备工作在合适的温度环境下。目前的散热主要还是采用风冷技术。 然而这种传统的技术在解决逐步增长的功耗密度时显得越来越困难。并且，散热 本身又会消耗大量的电能，复杂的散热系统还会成为系统整体设计中重要的考虑 因素，增加了设计难度。按照目前的发展趋势，造价高昂的液冷技术将很快被迫 采用。这些都将大大提高核心路由器的成本，包括电能，机房占地，设备维护等 费用。 可以想象，照此发展下去，巨大的成本以及技术压力将严重阻碍互联网持续 快速的发展。因而，路由器节能已经具备了相当的紧迫性，并被广泛重视。在这 种背景下，各种路由器的节能技术不断涌现。 1 2p p s 与节能 在目前的路由器中，交换网络是其重要的基础模块。它负责将所有的入口报 文交换至系统指定的出口。因而它是整个路由器报文转发过程中的重要一环，对 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 路由器的整体性能至关重要。 并行报文交换( 以下简称p p s ，p a r a l l e lp a c k e ts w i t c h ) 是近年来新提出的一种 适用于t 比特路由器的交换结构。它是基于反向复用器( i n v e r s em u l t i p l e x i n g ) 的 结构而提出【1 1 】。这种交换结构能够以低速工作的存储器来构造一个高速交换结构。 p p s 交换结构由多个低速并行的单级交换层、解复用器和复用器共同组成。由于它 一能够良好的解决存储器带宽瓶颈以及q o s 问题，因此近年来得到广泛的研究与关 注。 图1 4p p s 总体结构 图1 4 给出了p p s 的总体结构。从图中可知，p p s 大体由三级组成，第一级是 解复用器部分，负责将外部高速链路传来的报文解复用为k 条相对低速的内部链 路。并传至第二级的交换层。第二级中的交换层彼此独立工作，并且功能上均可 以提供任何输入到输出的通路。经过交换层后的信元通过复用器m 部分，再次合 流为速率为r 的高速链路。 由于交换网络在路由器功能中的重要性，也使它在路由器整体功耗中占据重 要地位。因而，对交换网络的节能改进也同时会为路由器节能做出重大的贡献。 在交换网络中，虽然它具有自己的理论交换能力，但是这并不等于它实际的 交换报文数量。实际中，可能会出现交换的报文数量远小于交换网络本身的交换 能力，这时如果缺乏一定的节能方式，其实际上消耗的能量与全速工作是相差无 几的。因此，我们希望改进p p s 的设计，使得p p s 能够动态检测到接口处的流量 情况，并据此来合理使用自己的交换资源。通过这样的改进最终实现p p s 耗能与 流量相匹配，实现节能的目的。 第5 页 国防科学技术大学研究生院下学硕十学位论文 1 3 课题研究内容与成果 交换网络是路由器总体结构中的重要组成部分，同时也在路由器整体功耗中 占据很大比例。因而，对交换网络的节能改进对整个路由器的节能会做出重大的 贡献。p p s 作为当前路由器交换网络研究的热门技术，较好的解决了目前链路速率 与内存带宽的矛盾。然而，目前针对p p s 所作的节能研究还比较少。因此，开展 类似的研究不仅具有一定的现实意义，同时也具有一定的开拓意义。 本论文主要内容就是针对p p s 进行技术改进以实现其对节能的支持。 首先详细给出了p p s 的结构，介绍了其中的一些参数以及参数对q o s 的影响。 对其中的解复用器，交换层，复用器各部件的节能可行性进行了详细的分析。通 过分析，最终确定通过控制解复用器与交换层之间的链路以实现节能。 在给出大体的节能思路后，对于具体的节能方式做了深入细致的分析，提出 了双阀值节能方式。并详细给出了具体的关闭链路和开启链路的判断条件以及实 现方式。通过严格的数学推导，给出了双阀值q ：，与鲔的大体取值范围。 在节能p p s 中，解复用器采用r o u n d r o b i n 调度算法。对于节能后对该调度 算法的影响给出了详细的讨论。分析了关闭链路和开启链路后对缓冲区最大长度 的影响。提出了延迟读方法，以解决开启新的链路后保持缓冲区长度一致化的问 题。 最后，给出了链路节能的具体实现结构，并介绍了实验平台。通过x i l i n x 芯 片功耗评估方式，理论上分析了节能p p s 的节能效果。 1 4 论文组织 为了系统明确的阐述上述研究内容， 第一章介绍本课题的有关背景知识， 并简要描述了并行报文交换网络。 论文被分为六章，各章内容如下： 包括互联网整体以及路由器的耗能现状， 第二章介绍网络设备节能的相关研究，包括以太网卡，以太网交换机的节能， 还包括对交换网络以及网络设计方面能耗的分析。 第三章介绍p p s 节能的研究，分析了p p s 结构可能的节能部件，提出通过关 闭和开启解复用器与交换层链路实现节能的方式。 第四章介绍双阀值链路节能的研究，详细分析了开启和关闭链路的方式，并 推导了阀值的取值范围。 第五章给出了具体实现硬件结构和硬件平台一星载a t m 交换机，以及功耗评 估方法与分析结果。 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕十学位论文 第六章对本课题相关工作进行总结并提出相关展望。 第7 页 国防科学技术大学研究生院下学硕士学位论文 第二章网络设备节能的相关研究 互联网设备按照其在互联网结构中的位置分为边缘设备与核心设备。边缘设 备包括以太网卡，交换机等。而核一i i , 设备主要是指路由器。边缘设备与核心设备 由于具有不同的工作特点，因此，针对它们的节能技术以及分析也有所区别。 2 1以太网卡的节能 接入网络的大量p c ，为维持网络连接，大约有2 3 的使用时间是处于无人值 守状态p j 。而在此状态下，很多机器并没有去做实际的有效数据传输而处于i d l e 状态。在c h r i s t e n s e n 对u s f 校园网络中的统计显示2 j ：经特意选取的1 0 0 台网络 使用频繁的p c 中，一天之内，最大的一台p c 处于i d l e 状态时间达到了2 3 2 h o u r s ， 平均值也达到了2 9 h o u r s 。但是，由于网络中存在大量的简单协议需要网卡响应 或处理，使得处于该状态下的主机无法通过a c p i 去安心休眠以降低功耗。 2 0 0 4 年，c h r i s t e n s e n 与其同事提出了以太网代理功能l l 引。其思路就是在网 卡与网络间加入一个代理装置，专门代理那些琐碎的简单协议( 如表2 1 ) 。而只 在出现无法代理的复杂协议时再将主机唤醒。 表2 ii d l e 状态下网卡处理的协谢1 2 1 p r o t o c o ii n 订a c e a r p 5 2 5 u p n p1 6 5 b r i d g eh e l l o 7 8 ci s c od i s c o v e r y6 9 n e t bi o sd a t a g r a m4 4 n e t b i o sn a m es e r v i c e3 6 b a n y a ns y s t e m 1 8 o s p f 1 6 d h c p 1 2 i pm u l t i c a s t1 o 随着研究的深入，到2 0 0 6 年，p r a d e e pp u r u s h o t h a m a n 等又提出了将p 2 p 协 议的部分功能也纳入代理范围州。p 2 p 是很多p c 在夜间长时间工作的主要原因， 但是真正下载或者上传文件的时间大多小于p 2 p 软件的工作时间。由于不同连接 点必须频繁的进行彼此交互而发送简单发现与响应( p i n g ，p o n g ) 报文，使得即 使没有任何数据传输的主机也无法休眠，这些报文的处理完全可以通过代理去实 现，而不打扰主机的休眠。与p 2 p 协议相类似的u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y 也已 经提出修改标准的意见，以配合代理机制。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 代理方法适用于对网络访问具有j 、日j 断性的p c ，然而对于需要持续繁忙的处理 网络请求的设备，采用代理机制，将会使得网络总是处于不断的休眠与唤醒切换 过程，而牺牲了本身的性能。因而需要更具适用性的节能机制，这种机制应该按 照网络的实际需求来协商网卡之间的工作频率。 为此，c h r i s t e n s e n 等提出了a l r ( a d a p t i v el i n kr a t e ) 【1 5 】【1 6 1 。它基于这样一 个事实，以太网卡的功耗会随着工作频率迅速增加，而与是否有实际数据传输的 关系不大。 图2 1网卡在不同工作频率下的功槲1 7 1 a l r 首先要求工作网卡通过侦测缓冲区的使用情况来判断实际数据传输速率， 之后再通过特定的硬件协议与交互方去协商两者的工作频率。也就是说，数据传 输两端的以太网卡，具有多个不同工作频率下的工作状态，并根据实际数据传输 情况动态调节自己的工作状态，从而达到节能的目的。这种协商机制被称为r p s ( r a p i dp h ys e l e c t i o n ) ，并以m a c 帧方式实现【l 牝川。 图2 2r p s 握手协测侧 初步的实验结果表明，采用a l r 技术后的网卡所获得的节能效果很可观( 如 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表2 2 ) 表2 2 使用a l r 后的p c 节能评估n 8 1 参数值 单个以太网连接节省的功耗 4w 1g b s 流量下的日工作时间l h r a l r 日低流量工作时间1 8h r7 5 a l r 年低流量工作时间 7 0 单个p c 的年能耗节省 2 4 5k w l = l y r 4 0m i l l i o np c s 的年能耗节省o 9 8t w h y r 年节省费用( $ 0 0 8p e rk w h ) $ 7 8 m i l l i o n y r 目前这种机制已经吸引了包括i n t e l 在内的多家芯片厂商关注，并且正被 i e e e8 0 2 3e n e r g ye f f i c i e n te t h e m e t 工作组所考虑采纳。但是它仍面临很多问题， 包括如何更准确的判断实际流量，切换频率后的同步问题，以及对上层协议有什 么样的影响。 2 2以太网交换机的节能 由于互联网中以太网交换机使用的普及性，使得以太网交换机在节能方面的 些许改进，就会对整个互联网能耗产生大的影响。i e e e8 0 2 3 a z 任务组就一直在为 此努力，他们在开发一种可以匹配以太网链路速率与链路利用率的新型技术以及 协议，希望通过这样获取节能方面的改进。很明显，这种技术是针对今后的交换 机的，而在现行的交换机上却难有作为，这主要是因为其技术兼容性很难作到向 下兼容j 为此，一种新的向后兼容的交换机节能技术被提出。 这种向后兼容的节能技术就是f r a n c i s c o 所提出p a u s ep o w e rc y c l e ，简称 p p c l 2 1 1 。p p c 最大的特点一是良好的兼容性，二是技术上实现简单。 2 2 1p p c 基本思路介绍 在i e e e8 0 2 3 协议中，提供了一种流控功能，它可以将以太网连接暂时关闭 一段时间，在此期间，连接中的p h y ，m a c 等也被临时关闭，因而这种关闭理论 上一定会带来相应的节能。而实现这种关闭开启功能的就是协议中定义的p a u s e 帧。 如图2 3 中，实现这一功能的就是一个局域网交换机。它将p a u s e 帧发向了所 有与之连接的所有设备。p p c 中定义了两种链路状态 o n ：连接被暂停 o f f - 连接正常 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图2 3p a u s ep o w e rc y c l e 【2 1 j 当链路处于o n 状态下，一切正常。而当处于o f f 状态下，链路被暂时关闭， 直到链路暂停的时间周期到达。很明显，p p c 的采用会降低交换机的性能，因而 它是一种在性能与节能之间折中的技术。虽然这种方法必然会造成报文的丢失， 但是由于上层协议的a r q 功能，仍然可以保证链路的正常运行。当然，网络的性 能肯定是会受到影响的。 2 2 2p p c 控制的设置 由上面的描述可以得知：在p p c 控制下，以太网链路呈现周期性的开启和关 闭。 t o n ：链路开启状态记时器 t o f f ：链路关闭状态记时器 与此同时，为了给出开启和关闭时间的长短，又定义如下常量： t o ：链路开启的持续时间 t o # ：链路关闭的持续时间 这之中，乙与。可以在交换机启动时作为启动选项进行设置。在启动工作时， 首先将交换机置于o n 状态，t o n = t o 并且t o n 开始倒计时，直到t o n 为0 。 之后，交换机进入o f f 状态，t o f f = f 。矿并开始倒计时，直到为o 时，链路再次 开启。以后就是周期性重复以上状态的切换。而实现以上切换的正是由i e e e8 0 2 3 定义的流控p a u s e 帧。 乙与。的设置决定了交换机工作的周期。定义d 为交换机的工作比。则有 d = ，当d = 0 5 时，n 有t o = 切时。如果预先指定了d 的取值，则很 第l l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕七学位论文 容易得出乙：d 万x t o 矿。 在实际应用中，只要将d 与乞两个参数确定，p p c 的设置就基本完成，接下 来只需要通过实验去寻找两者设置中的较优值。 2 2 3p p c 实验结果与分析 为了验证p p c 的节能效果以及对性能的影响，f r a n c i s c o 搭建了实验平台。平 台由五台p c ，一台摄像机，以及一个h u b 组成。其中，一台p c 负责p a u s e 帧的 发送，它被称为p a u s e 控制器。它按照设置周期性发送p a u s e 帧，之后通过h u b 将该帧传送到其它所有连接到h u b 上的p c 网卡。这就模拟了一个可以实现p p c 的局域网交换机。其中，所有以太网链路速率均为1 0 0 m b s ( 如图2 4 ) 。 图2 4p p c 模拟测试 在实验中，分别对几种重要的网络应用做了相关测试。为了更真实的获得用 户的体验值，所有实验都是在用户不知情的情况下进行的。 针对每种实验结果，都要求用户在特定网络应用中给出体验值( 1 糟糕，2 较 差，3 一般，4 好，5 非常好) 。得分越高，说明p p c 技术对性能的影响越小，反 之，说明其对性能的影响较大。表2 3 给出了试验中的三种不同设置。为了更好的 测试出工作比对p p c 性能的影响，每种设置中分别取d = 0 3 与d = 0 5 。 第1 2 贞 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表2 3 实验中的三种测试值f 2 1 j d u t yc y c l e5 0 3 0 d a t ar a t e5 0m b s3 0m b s p p c 参数 t o n ( m s ) t o g ( m s ) t o n ( m s ) t o f f ( m s ) s e t t i n g1 5 05 0 2 2 5 0 s e t t i n g2 1 0 0 1 0 0 4 3 1 0 0 s e t t i n g3 3 0 0 3 0 0 1 2 93 0 0 图2 5 给出了在两种应用中，针对表2 3 中的三种设置，用户对日常网络应用 中最普遍的网页浏览，文件下载的体验情况( d = o 5 时) 。 5 萋三 暑 耋： i j 0 ：一： 麓j 键? ；鹫善 縻莲翳 惑 、i ： 童蔓 i震 l落磁 j r 、， 嚣菇j 浩 、 蕊蔓葛蔫鼍淤建 藤葵蔽鲻 釜；釜釜装辩鬟i p 嗍翻孵蛐孵( 5 0 m s , 但) 1 0 0 眦 3 湖鹏 图2 5 不同设置下的p p c 体验让1 i 总体上，用户对p p c 带来的性能降低基本上满意。这就基本证明p p c 技术的可 行性。按照2 0 0 0 年美国交换机数量为9 5 ，0 0 0 ，如果其中有一半采用了p p c 技术， 那么每年因此节省的费用保守估计会有$ 1 3 2m i l l i o n ( $ 0 0 8 依帅) 。 2 3 不同交换网络的耗能分析 交换网络作为路由器中重要部件，同时也在总体能量消耗中占据较大的份额。 因此，对交换网络的节能研究受到很多人的重视。s t a n f o r d 大学的t e r r yt a oy e 等针对不同交换结构，提出了一种新的耗能评估模型- - t h eb i te n e r g y 。它是一 种基于b i t 位精度的估算模型【2 2 】。 在模型中，每位数据经过交换结构所消耗的能量：e 。包括。 经过内部结点消耗能量：e 。妇 存储于内部b u f f e r 消耗能量：e 胁， 经过传输线路消耗：盯 最终的比特能耗为 e b h = e s b t c + eb b h + e 骱瞰q 第1 3 页 哪防科学技术人学研究生院i 。学硕十学 奇论文 231 估算内部交换结点消耗 内部交换结点就是报文在交换网络中实现路径改变的实际电路。在此消耗的 能量包括两部分，一部分为报文头数据消耗，另一部分为有效负载数据消耗。由 于路由器在处理报文头与报文数据之间有不同的方式，也就是说经过不同的电路- 因此计算耗能时需要将两者区别对待。典型的交换节点处理电路如图2 6 。 图2 6b a n y a n 交换网络中2 2 交换竹点电路田 由于报文头部只占据整个报文中的较少部分，粗略的计算可以将其忽略而 只将有效负载数据计算在内。当整体报文数据所需的耗能结果得出后，。也就很 容易可以得知。 实际中的交换节点在处理不同接口组合的数据组合时耗能是有差别的。例如 一个2 x 2 交换节点，只有一个接口需要数据交换，与两个都需要交换时的耗能关 系并非是1 ：2 的关系。也就是说，交换节点的耗能是与输入向量直接相关的。表 2 4 给出了不同交换节点输入向量与耗能情况。 表2 4 不同输入向量下的节点耗能吲 变换阿络 输入向量b i t 耗能输入向量b i t 耗能 1 0 3 j o u l e 1 0 。j o u l e c r o s s b a r l i【0 】【i 】 【0 , 0 】 0 0 ，1 【i ，0 i ，1 】 1 8 2 i 【0 , 0 】 0 ，1 【i ，0 】 1 ，1 】 n - i n p u tm u x n = 87 8 2 n = 1 6 n = 3 2 232 估算内部b u f f e r 消耗 内部b u f f e r 是用柬缓冲暂时被阻塞的数据。交换中的阻塞一股分为两种 第1 4 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 目的阻塞：当有两个报文同时需要到达一个目的地，此时目的阻塞便产生。这 种阻塞与具体应用相关，并且可以通过调度去避免。为简化分析，这种阻塞不 被实验考虑。 内部阻塞：在交换电路中，一个交换节点会处理多个到达不同目