并行报文交换网络的节能技术研究

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ALR节能技术,交换机的PPC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Power Awareness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(PPS)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QoS的PPS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ATM交换平台,我们给出了节能PPS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FIFO长度判断链路流量情况,进而作出控制决策,关闭或者开启FIFO时钟。最后,我们介绍了关于具体FPGA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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 互联网耗能现状
• 1.1.2 网络设备的节能思路
• 1.1.3 路由器节能的必要性与紧迫性
• 1.2 PPS 与节能
• 1.3 课题研究内容与成果
• 1.4 论文组织
• 第二章 网络设备节能的相关研究
• 2.1 以太网卡的节能
• 2.2 以太网交换机的节能
• 2.2.1 PPC 基本思路介绍
• 2.2.2 PPC 控制的设置
• 2.2.3 PPC 实验结果与分析
• 2.3 不同交换网络的耗能分析
• 2.3.1 估算内部交换结点消耗
• 2.3.2 估算内部Buffer 消耗
• 2.3.3 估算线路消耗
• 2.3.4 四种网络的耗能评估
• 2.4 路由器设计与节能
• 2.4.1 路由器基本耗能分析
• 2.4.2 配置与操作对功耗的影响
• 2.4.3 网络设计与耗能的关系
• 2.4.4 路由与耗能的关系
• 2.5 总结
• 第三章 PPS 节能的研究
• 3.1 PPS 结构介绍
• 3.1.1 取值k 的确定
• 3.1.2 PPS 的参数与QoS
• 3.2 PPS 节能思路
• 3.2.1 关闭模块
• 3.2.2 关闭链路
• 3.3 Round-Robin 调度算法
• 3.4 节能后对 Round-Robin 调度算法的影响
• 第四章 双阀值链路节能的研究
• 4.1 节能的具体实现方式
• 4.1.1 关闭连接
• 4.1.2 开启连接
• 4.2 队列长度一致化
• L与Q_H 的确定'>4.3 阀值Q_L与Q_H的确定
• H 的估算'>4.3.1 Q_H的估算
• L 的估算'>4.3.2 Q_L的估算
• 4.4 关闭交换层
• 4.5 进一步的研究
• 4.6 总结
• 第五章 节能PPS 的实现研究
• 5.1 实验平台
• 5.1.1 交换板介绍
• 5.1.2 具体实验思路
• 5.2 节能链路的控制
• 5.2.1 链路状态定义
• 5.2.2 缓冲区的FIFO 实现
• 5.2.3 链路控制器
• 5.2.4 时钟的关闭与开启
• 5.3 Xilinx 芯片耗能评估
• 5.3.1 XPE 介绍
• 5.3.2 FIFO 功耗的评估
• 5.4 下一步工作
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果