摘  要： 目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構顯得越來越臃腫,，以致于產(chǎn)生很多的問題，其中能耗問題顯得越來越突出,。為了解決這些問題,，不是對已有的網(wǎng)絡架構做修補，而是革命性地更改網(wǎng)絡體系架構,。國內(nèi)外已經(jīng)有部分項目提出了未來網(wǎng)絡體系架構,，并且在一些新型的網(wǎng)絡體系架構下提出了休眠機制，旨在降低能耗,。主要介紹了未來網(wǎng)絡架構下的休眠方案,，同時對節(jié)點級休眠方案進行仿真和比較，為以后的研究做鋪墊,。

　　關鍵詞： 未來網(wǎng)絡,；能耗；能效,；休眠機制

0 引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目日益增多，網(wǎng)絡能耗隨之增加,，同時網(wǎng)絡架構顯得越來越臃腫,。關于ICT能耗消耗調(diào)查表明，ICT行業(yè)所消耗的能量占全球總能耗的2%~10%,，因此降低能耗意義非凡,。為了根本性地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡中的問題（移動性、安全性,、能耗等）,，國內(nèi)外已經(jīng)啟動相關的研究項目，提出了新的網(wǎng)絡體系架構,，例如美國的FIND和GENI項目,，歐盟的FP7項目,，日本的AKARI項目等。典型的新型網(wǎng)絡架構有DONA（Data-Oriented Network Architecture）,、PSIRP （The Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm）,、NDN（Named Data Networking）、Open Flow Network和DTN（Delay Tolerant Network）等,。

　　面對能源緊張的問題,，提出降低能耗的方案刻不容緩。休眠機制是降低能耗的一種方式,，將休眠方式應用到新的網(wǎng)絡架構體系下,，可以達到節(jié)省能耗的效果，國內(nèi)外已經(jīng)在一些新型的網(wǎng)絡中提出相應的休眠方案,。在DTN網(wǎng)絡體系架構下,，參考文獻[1]、[2]提出了EACDS（Exponential Adaptive Cyclic Difference Set system）和MACDS（Multiplicative Adaptive Cyclic Difference Set system）兩種休眠算法,；參考文獻[3],、[4]提出了將基于時間接觸的休眠機制應用到算法里，從而降低能耗,。在Open Flow Network網(wǎng)絡架構下,，參考文獻[5]提出了相關的休眠機制，選擇根節(jié)點,，形成節(jié)點樹,，根據(jù)網(wǎng)絡所需要的節(jié)點數(shù)和當前處于醒著狀態(tài)的節(jié)點數(shù)之間的關系，致相應的節(jié)點休眠,。在PSIRP網(wǎng)絡體系架構下,，參考文獻[6]、[7]提出了根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的重要性決定關閉相應的節(jié)點,，進入休眠,，并且權衡能耗和延時之間的關系。還有其他一些網(wǎng)絡級休眠方案,，如參考文獻[8]提出了ETE機制,，能量感知以關閉相應的節(jié)點。

　　上述休眠方案當中的一些算法是本文介紹的主要內(nèi)容,，在研究的過程中,，將休眠機制分為兩大類：節(jié)點級休眠和網(wǎng)絡級休眠，介紹了DTN網(wǎng)絡中節(jié)點級休眠方案和網(wǎng)絡級休眠方案,，并進行了仿真,。

1 節(jié)點級休眠

　　網(wǎng)絡節(jié)點處于工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)時，能耗的值相同,，如圖1所示[9],。休眠是指將處在空閑狀態(tài)的節(jié)點休眠，以節(jié)省能耗,。

　　DTN網(wǎng)絡屬于新型的網(wǎng)絡,，它的特點是頻繁中斷，長延時的連接,，這是因為移動性,、節(jié)點稀疏分布和噪聲等因素的影響。下面介紹DTN網(wǎng)絡下的休眠方案：EACDS和MACDS[1-2,，10],。

　　介紹EACDS和MACDS之前，首先熟悉DTN網(wǎng)絡節(jié)點架構,，如圖2所示,。其中，灰色方格1,、2,、4等表示節(jié)點醒著的時隙，5,、6,、7方格表示節(jié)點休眠的時隙，在每一個醒著的時隙前面加一個幀讓相鄰節(jié)點能夠偵聽到此節(jié)點,。對于每一個節(jié)點,，預先規(guī)定固定長度為Ls的集合，再以這個長度為周期循環(huán),，而之前選取長度為Ls集合,，必須保證此集合任意地循環(huán)移位都會有一個重合的、醒著的時隙,。因為節(jié)點A和其他的節(jié)點是循環(huán)移位的關系,，只有在某一時刻兩個節(jié)點都處于醒著的狀態(tài)，才具備通信的條件,。

　　EACDS和MACDS的共同點是通過某一種縮放的關系放大集合的長度Ls,，Ls越大，節(jié)能效果越好,。

　　1.1 EACDS算法

　　EACDS是基于利用集合的分層方法,，能量級為0的初始差集（P0=I=（I，kI,，λI））被另一個指數(shù)差集（E=（E,，kE，λE））放大為能量級1（P1=EI）的分層集合,，接著再次被放大為更高級別的分層集合（P2=E2I）,，依次類推,，最后選擇某一能量級的P。其中,，ν表示框架長度,，k表示活動個數(shù)，λ表示重疊個數(shù),，表示Kronecker積,。

　　Kronecker積的定義為：A=（aij）是m×n的矩陣，B=（bkI）是p×q的矩陣,，A和B的Kronecker積為mp×nq的塊矩陣

　　1.2 MACDS算法

　　MACDS是基于集合的分層方法,，與EACDS不同的是用乘子集M=（?自M，kM,，λM）代替指數(shù)集E,，初始集（I）被另外一個乘子集（M1）縮放，用來創(chuàng)建分層集（P1=M1?茚I）,，然后再被另外一個乘子集M2縮放成另外一個分層集P2=M2?茚I,。M1，M2,，…,，Mi都是旋轉(zhuǎn)集合，滿足：RCP{Mi,，Mj}=1,。RCP（Rotational Closure Property）表示兩個節(jié)點在所有的循環(huán)移位下都會發(fā)現(xiàn)對方。對于集合Ei和集合Ej,，ni≤nj,，有：

　　對于EACDS和MACDS，主要的特點是Pi級數(shù)越高即Ls長度越長,，越能降低能耗,。MACDS相對更加節(jié)能，但是如果在有能量級需要的情況下,，EACDS卻更加實用,。

2 網(wǎng)絡級別休眠

　　不僅僅在DTN網(wǎng)絡，在其他網(wǎng)絡架構下也有相關的休眠機制,，例如PSIRP網(wǎng)絡架構,、Open Flow Network等。

　　2.1 PSIRP架構下的休眠機制

　　這里介紹的休眠算法歸于以下幾個步驟[6-7]：

　?。?）檢查每條鏈路的利用率

　　對于網(wǎng)絡中的每個節(jié)點,，分析鏈路利用率，鏈路利用率超過閾值,，增加權重來減少利用率,，鏈路利用率低于閾值,，它成為減少權重的等待者。

　?。?）網(wǎng)絡節(jié)點排序

　　根據(jù)節(jié)點的局部中心度對網(wǎng)絡節(jié)點進行排列,，這個序列反映節(jié)點在網(wǎng)絡中的重要性。這一步驟很重要,。

　　（3）關閉網(wǎng)絡節(jié)點

　　節(jié)點進入休眠模式,，可能導致數(shù)據(jù)包丟失,，滿足下列條件，節(jié)點才能夠進入休眠模式,。

　?、倥c此節(jié)點連接的鏈路沒有流量；

　?、诖斯?jié)點關閉后,，其余的節(jié)點仍然可以連接；

　?、鄞斯?jié)點關閉后,，它所有相鄰節(jié)點可重新連接到網(wǎng)絡上。

　　該方案的特點是,，對網(wǎng)絡元素重要性排列,，以及根據(jù)節(jié)點進入休眠的條件判斷能否進入休眠。

　　2.2 Open Flow Network下的休眠機制

　　Open Flow Network元素有接入節(jié)點,、骨干節(jié)點,。接入節(jié)點用來連接用戶終端或服務器，而骨干節(jié)點連接其他節(jié)點,。骨干節(jié)點與接入節(jié)點之間的節(jié)點不能進入休眠,。節(jié)點的休眠、喚醒以及路由路徑的改變步驟如下[5]：

　?。?）預先測量網(wǎng)絡流量,。

　　（2）根據(jù)網(wǎng)絡流量計算節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)流量的數(shù)量以及決定根節(jié)點,。整個網(wǎng)絡所需要的節(jié)點數(shù)=整個網(wǎng)絡的流量/節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)率,。

　　（3）根據(jù)休眠算法讓節(jié)點休眠或者喚醒,。

　?。?）改變使用醒著節(jié)點的路由路徑，用最短路徑算法來計算路由路徑,。

　　其中根節(jié)點的選擇是為了形成一個樹結(jié)構的拓撲,，從而選取相應的休眠等待節(jié)點,。按照下面的方法選擇根節(jié)點：

　　①處理最大流量的節(jié)點作為根節(jié)點,。

　?、谌绻鄠€節(jié)點的最大流量相同，選擇鏈路連接數(shù)最多的節(jié)點作為根節(jié)點,。

　　休眠算法有以下幾種情況：

　?。?）醒著的節(jié)點數(shù)目大于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù)。這種情況下,，主要又分為兩種：

　?、佼斍暗母?jié)點和之前選擇的根節(jié)點不同。

　?。╝）從根節(jié)點到其他節(jié)點用最短路徑構建一個訪問樹,。這里用Dijkstra算法。

　?。╞）選擇候選的休眠節(jié)點,，注意，根節(jié)點與訪問節(jié)點之間的節(jié)點不能休眠,，其余的節(jié)點休眠,。

　　（c）從最小流量節(jié)點開始把候選節(jié)點休眠一次,，直到醒著的節(jié)點數(shù)量等于所需節(jié)點數(shù)量或所有候選節(jié)點睡眠,。

　　②當前的根節(jié)點與之前的根節(jié)點相同,。

　　當前選擇的根節(jié)點與原先選擇的節(jié)點相同,，則有相同的訪問樹。然而,，如果之前沒有休眠的候選節(jié)點,，節(jié)點可能像上面提到的那樣進入休眠。否則,，沒有其他操作將被執(zhí)行,。

　　（2）醒著的節(jié)點數(shù)目小于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù),。喚醒休眠中的節(jié)點,，順序按照休眠時的逆序，直到兩者數(shù)目相等,。

　?。?）醒著的節(jié)點數(shù)目等于傳輸流量所需要的節(jié)點數(shù)。沒有節(jié)點需要喚醒或者休眠。

　　該方案的特點是選擇根節(jié)點構建樹,，根據(jù)相關的準則,，選擇休眠等待節(jié)點，優(yōu)化樹的結(jié)構,，從而降低能耗,。

3 仿真分析

　　本文采用ns-2網(wǎng)絡仿真工具，針對DTN網(wǎng)絡下的EACDS和MACDS兩種算法進行仿真實驗,。節(jié)點采用Random Way Point移動模型,，采取的路由協(xié)議是MFlood（洪泛協(xié)議），另外一些網(wǎng)絡環(huán)境參數(shù)設置如表1所示,。

　　根據(jù)MACDS和EACDS的原理分析,，在仿真中選擇I=（7，3,，1），MACDS中的P3=（42,，9,，1），而EACDS中的P3=（63,，12,，1）。如圖3所示,，采取休眠方式的能耗明顯比沒采取休眠機制的能耗低,，而MACDS比EACDS方案節(jié)能。

4 結(jié)論

　　不同的網(wǎng)絡體系架構下,，休眠機制會存在網(wǎng)絡連通性的問題,，網(wǎng)絡節(jié)點處于休眠狀態(tài)，不接受數(shù)據(jù)報文,，所以要權衡能耗與網(wǎng)絡QoS之間的關系,。在未來的工作當中，會對新的網(wǎng)絡體系架構下的主流休眠方案下的能耗和延時參數(shù)進行仿真和優(yōu)化,。

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