数据中心网络节能路由研究

论文摘要

为了满足云计算应用对网络带宽和可靠性的需求，近年来已提出许多新型的数据中心网络体系结构，它们使用丰富的网络资源互连服务器，以提供高性能和高容错的路由转发服务。然而这些“富连接”体系结构存在着网络能耗巨大和网络能量使用低效等问题，导致了高额的网络营运成本和大量能耗浪费。本文分析典型数据中心体系结构的网络能效，从网络路由和流调度的角度出发研究节省数据中心网络能耗和提高能量使用效率的方法。本文的主要研究内容和贡献如下：(1)网络节能技术研究综述。提出网络节能技术的分类和研究方法，针对典型节能方案的问题模型、实现细节和局限性等进行分析与评价。(2)数据中心网络节能路由模型研究。分析模块化网络设备的能耗特性，给出网络设备能耗计算模型，为量化评估节能机制的有效性提供支持。提出数据中心网络节能路由模型，指导节能路由和流调度机制的设计。(3)数据中心网络能效分析。提出不同数据中心网络体系结构的能效比较方法。通过分析典型数据中心体系结构的网络能耗特点、使用节能机制的效果以及网络性能与能耗间的权衡关系，给出各体系结构网络能效的比较结果。该研究结果能够为设计和升级数据中心网络提供重要的参考依据。(4)保证网络吞吐率的节能路由机制研究。给出研究问题模型，并证明该问题求解复杂度为NP难。提出一种有效的节能路由算法，在网络吞吐率和可靠性约束下使用网络拓扑剪枝方式计算网络流的节能传输路径。实验结果表明该机制能够有效减少数据中心网络能耗，并且在网络低负载时的节能效果更优。(5)网络路由与流调度相结合的节能机制研究。研究不同网络流调度和路由策略对数据中心网络能耗的影响，提出一种网络流抢占调度与路由相结合的节能机制，使网络流在其传输路径上独占网络链路带宽，以提高链路利用率和网络能量的使用效率。该机制能够有效节省网络能耗，并有助于改善网络流的平均完成时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文的主要研究内容
• 1.3 论文主要贡献
• 1.4 论文的组织
• 第2章 相关研究综述
• 2.1 本章引论
• 2.2 研究范围与分类
• 2.3 设备级节能技术研究
• 2.3.1 设备休眠技术
• 2.3.2 动态适配技术
• 2.3.3 新型硬件设计技术
• 2.3.4 设备级节能方案比较
• 2.4 网络级节能技术研究
• 2.4.1 域内节能路由
• 2.4.2 数据中心网节能路由
• 2.4.3 其它节能技术
• 2.4.4 网络级节能方案比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 数据中心网络节能路由模型
• 3.1 本章引论
• 3.2 网络设备能耗模型
• 3.2.1 通用能耗模型
• 3.2.2 简化能耗模型
• 3.3 节能路由模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 数据中心网络能效分析
• 4.1 本章引论
• 4.2 网络能效分析方法
• 4.2.1 网络能耗计算
• 4.2.2 网络能效评价指标
• 4.2.3 拓扑参数设置
• 4.2.4 网络路由策略选择
• 4.3 数据中心网络总能耗
• 4.4 随负载变化的网络能耗
• 4.4.1 拓扑规模影响
• 4.4.2 休眠技术效果
• 4.4.3 节能路由效果
• 4.5 数据中心网络能耗有效性
• 4.5.1 休眠技术影响
• 4.5.2 拓扑规模影响
• 4.5.3 网络负载影响
• 4.5.4 网络性能阈值影响
• 4.5.5 设备能耗数据影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 一种保证网络吞吐率的节能路由机制
• 5.1 本章引论
• 5.2 问题模型
• 5.2.1 问题模型描述
• 5.2.2 求解复杂度分析
• 5.3 TGPAR 机制
• 5.3.1 TGPAR 算法
• 5.3.2 功能模块
• 5.3.3 实现与部署考虑
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 实验设置
• 5.4.2 基于交换机休眠粒度
• 5.4.3 基于网络接口休眠粒度
• 5.4.4 使用典型流量模式
• 5.4.5 可靠性需求影响
• 5.4.6 与其它方案比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 一种流抢占调度与路由结合的节能机制
• 6.1 本章引论
• 6.2 问题描述
• 6.3 FPPAR 机制
• 6.3.1 FPPAR 算法
• 6.3.2 功能模块
• 6.4 实验结果
• 6.4.1 实验设置
• 6.4.2 网络流到达间隔影响
• 6.4.3 网络流大小影响
• 6.4.4 网络流数量影响
• 6.4.5 网络流分布影响
• 6.4.6 网络拓扑规模影响
• 6.4.7 休眠模式切换时长影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文的主要结论
• 7.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果