一种面向IP over TDM over DWDM的多层网络能耗优化方法

摘要

本发明公布了一种面向IP over TDM over DWDM的多层网络能耗优化方法。该方法首先定义了IP over TDM over DWDM多层网络功耗的目标函数，然后提出了目标函数在IP层、TDM层、光层的约束条件，最后实验从网络层与多层网络功耗的关系、动态功耗与网络功耗的关系、模块化设计与网络功耗的关系3个方面对该方法进行验证。实验结果显示面向IP over TDM over DWDM的多层网络能耗优化方法是有效的。网络功耗都随业务需求的减小逐渐降低，在业务需求低峰期时(Davg＝10Gbps)网络功耗可减小到业务高峰期(Davg＝100Gbps)时功耗时的24％-38％。无论网络设备的动态功耗和模块化结构如何变动，网络的功耗随业务需求减小而降低这一结论始终保存一致。

主权项

1.一种面向IPoverTDMoverDWDM的多层网络能耗优化方法，其特征在于该方法的步骤如下：1）在IPoverTDMoverDWDM的多层网络中，能耗优化的目标是最小化多层网络的功耗，即P_min，TDM设备和光网络设备的支路接口直接与上层设备的线路接口相连，支路线卡无法自由分配支路接口，所以支路线卡被纳入机框功耗考虑，支路接口功耗与上层的线路接口的功耗一并计算；由于相同容量的光网络设备的功耗远比TDM和IP设备的小，而光收发器是光网络设备的主要耗能组件，所以只考虑光网络设备支路接口的功耗，使用线性函数表示网络设备动态功耗与业务负载的关系，则目标函数为：$P_{\min }=\min \underset{u\in N_2}{\Sigma }(n_2^c\left(u\right)*p_2^c+n_2^l\left(u\right)*p_2^l+n_2^p\left(u\right)*(p_2^p+p_1^{\mathrm{bp}})+t_2\left(u\right)*p_2^t)+$$\underset{i\in N_3}{\Sigma }(n_3^c\left(i\right)*p_3^c+\underset{r\in R}{\Sigma }(n_3^l(i,r)*p_3^l\left(r\right)+n_3^p(i,r)*(p_3^p\left(r\right)+p_2^{\mathrm{bp}}\left(r\right)))+t_3\left(i\right)*p_3^t)---\left(1\right)$目标函数和后文公式中用到的参数和变量定义如下：x,y∈N₁：光层网络节点和节点集合u,v∈N₂：TDM层网络节点和节点集合，i,j,ii,jj∈N₃：IP层网络节点和节点集合，e₁(x,y)∈E₁：光层网络链路和链路集合，链路为有向弧d(ii,jj)∈D：IP层的节点ii到jj的业务需求和业务需求集合r∈R：IP设备的线卡/接口类型和类型集合c^r(r)：IP设备的r类型的线路接口容量IP设备的r类型线卡具有的接口数IP设备的r类型线卡的功耗IP设备的r类型的线路接口的功耗TDM设备的r类型的支路接口的功耗m^w：光层网络的每条物理链路的波长数c：光层网络每个波长的容量TDM层每个机框可容纳的线卡数TDM层每个线卡具有的接口数IP层每个机框可容纳的线卡数TDM层每个机框的功耗TDM层每个线卡的功耗TDM层每个线路接口的功耗光网络层每个支路接口的功耗TDM层单位业务的功耗，用于计算动态功耗，单位为watt/GbpsIP层每个机框的功耗IP层单位业务的功耗，用于计算动态功耗，单位为watt/Gbpsn₂(u,v)：TDM层链路(u,v)使用的光通路数目n₃(i,j,r)：IP层链路(i,j)使用的r类型的电路数目f₂₁(u,v,x,y)：TDM层链路(u,v)所使用的光层链路(x,y)提供的光通路数目f₃₂(i,j,r,u,v)：IP层链路(i,j)所使用的TDM链路(u,v)提供的r类型电路数目f(ii,jj,i,j)：IP层节点ii到jj的业务需求流经IP层链路(i,j)的流量TDM层节点u使用的机框数TDM层节点u使用的线卡数TDM层节点u使用的接口数t₂(u)：TDM层节点u转发的业务量IP层节点i使用的机框数IP层节点i使用的r类型线卡数IP层节点i使用的r类型接口数t₃(i)：IP层节点i转发的业务量2）在IPoverTDMoverDWDM的多层网络中，IP层的约束条件如下：等式(2)为IP网络层的路由约束，将每个业务需求看作一种商品，则路由约束即为多品种流量守恒约束，一对节点间的业务需求可以通过多条路径传输，该约束实现了IP层业务需求在IP层链路上的路由，等式(3)为网络节点的转发流量等式，近似等于所有流入该节点的业务量之和，$\underset{\mathrm{ii},\mathrm{jj}\in N_3:d(\mathrm{ii},\mathrm{jj})>0}{\Sigma }f(\mathrm{ii},\mathrm{jj},i,j)\le \underset{r\in R}{\Sigma }{c}^r\left(r\right)*n_3(i,j,r)\forall i,j\in N_3:i\ne j---\left(4\right)$等式(4)为链路的容量约束，确保链路上的流量不超过链路的容量，由于IP层链路可能对应多种类型的多条TDM电路，该约束实现了IP层的链路到TDM层电路的映射，$\underset{j\in N_3:j\ne i}{\Sigma }{n}_3(i,j,r)\le n_3^p(i,r)\forall i\in N_3,r\in R---\left(5\right)$$\underset{j\in N_3:j\ne i}{\Sigma }{n}_3(j,i,r)\le n_3^p(i,r)\forall i\in N_3,r\in R---\left(6\right)$$n_3^p(i,r)\le m_3^p\left(r\right)*n_3^l\left(r\right)\forall i\in N_3,r\in R---\left(7\right)$$\underset{r\in R}{\Sigma }{n}_3^l(i,r)\le n_3^c\left(i\right)*m_3^l\forall i\in N_3---\left(8\right)$等式(5)-(8)对网络资源进行合理配置，其中等式(5)和(6)确保为链路分配充足的接口，一个接口既是正向链路的发送端，又是逆向链路的接收端，因此分配的接口数量应不少于正向和逆向链路的数量；等式(7)和(8)分别为接口分配足够的线卡，为线卡分配足够的机框；3）在IPoverTDMoverDWDM的多层网络中，TDM层的约束条件如下：TDM网络层业务的最小粒度为TDM电路，等式(9)为TDM层的电路路由约束，实现IP层的电路请求在TDM层链路上的路由，等式(10)为TDM网络层节点的转发流量等式，需乘上电路容量将电路数转化为流量，$\underset{i,j\in N_3,r\in R:i\ne j}{\Sigma }{c}^r\left(r\right)*f_{32}(i,j,r,u,v)\le c*n_2(u,v)\forall u,v\in N_2:u\ne v---\left(11\right)$等式(11)为TDM层链路容量约束，TDM层链路对应于光层网络的一条或多条光通路，该等式实现了TDM层链路到光网络层的光通路的映射，$\underset{v\in N_2:v\ne u}{\Sigma }{n}_2(v,u)\le n_2^p\left(u\right)\forall u\in N_2---\left(12\right)$$\underset{v\in N_2:v\ne u}{\Sigma }{n}_2(u,v)\le n_2^p\left(u\right)\forall u\in N_2---\left(13\right)$$n_2^p\left(u\right)\le m_2^p\left(u\right)*n_2^l\left(u\right)\forall u\in N_2---\left(14\right)$$n_2^l\left(u\right)\le m_2^l\left(u\right)*n_2^c\left(u\right)\forall u\in N_2---\left(15\right)$等式(12)和(13)为TDM层链路分配充足的接口，等式(14)-(15)分别为TDM层节点的接口分配充足的线卡，为线卡分配充足的机框；4）在IPoverTDMoverDWDM的多层网络中，光层的约束条件如下：光层约束比较简单，等式(16)为光网络层的光通路路由约束，实现TDM层的光通路请求在光纤链路上的路由，由于光层网络节点具有波长转换能力，故不用考虑波长一致性约束，$\underset{u,v\in N_2:u\ne v}{\Sigma }{f}_{21}(u,v,x,y)\le m^w\forall x,y\in N_1:e_1(x,y)\in E_1---\left(17\right)$等式(17)为光层网络的链路容量约束，确保链路的使用的波长数小于链路的总波长数。