摘  要： 目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(luò)架構(gòu)做修補(bǔ),，而是革命性地更改網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。國內(nèi)外已經(jīng)有部分項(xiàng)目提出了未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),，并且在一些新型的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下提出了休眠機(jī)制,，旨在降低能耗。主要介紹了未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的休眠方案,，同時(shí)對節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠方案進(jìn)行仿真和比較,，為以后的研究做鋪墊,。

　　關(guān)鍵詞： 未來網(wǎng)絡(luò)；能耗,；能效,；休眠機(jī)制

0 引言

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目日益增多,，網(wǎng)絡(luò)能耗隨之增加,，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯得越來越臃腫。關(guān)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(luò)中的問題（移動(dòng)性,、安全性,、能耗等），國內(nèi)外已經(jīng)啟動(dòng)相關(guān)的研究項(xiàng)目,，提出了新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，例如美國的FIND和GENI項(xiàng)目,，歐盟的FP7項(xiàng)目,，日本的AKARI項(xiàng)目等。典型的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(jī)制是降低能耗的一種方式,，將休眠方式應(yīng)用到新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系下,，可以達(dá)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(luò)中提出相應(yīng)的休眠方案,。在DTN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下,，參考文獻(xiàn)[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(xiàn)[3],、[4]提出了將基于時(shí)間接觸的休眠機(jī)制應(yīng)用到算法里，從而降低能耗,。在Open Flow Network網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,，參考文獻(xiàn)[5]提出了相關(guān)的休眠機(jī)制，選擇根節(jié)點(diǎn),，形成節(jié)點(diǎn)樹,，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)和當(dāng)前處于醒著狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系,，致相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)休眠。在PSIRP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下,，參考文獻(xiàn)[6],、[7]提出了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重要性決定關(guān)閉相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入休眠,，并且權(quán)衡能耗和延時(shí)之間的關(guān)系,。還有其他一些網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠方案，如參考文獻(xiàn)[8]提出了ETE機(jī)制,，能量感知以關(guān)閉相應(yīng)的節(jié)點(diǎn),。

　　上述休眠方案當(dāng)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(jī)制分為兩大類：節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠和網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠,，介紹了DTN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠方案和網(wǎng)絡(luò)級(jí)休眠方案，并進(jìn)行了仿真,。

1 節(jié)點(diǎn)級(jí)休眠

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)時(shí),，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(diǎn)休眠,，以節(jié)省能耗。

　　DTN網(wǎng)絡(luò)屬于新型的網(wǎng)絡(luò),，它的特點(diǎn)是頻繁中斷,，長延時(shí)的連接，這是因?yàn)橐苿?dòng)性,、節(jié)點(diǎn)稀疏分布和噪聲等因素的影響,。下面介紹DTN網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，如圖2所示,。其中,，灰色方格1、2,、4等表示節(jié)點(diǎn)醒著的時(shí)隙,，5、6,、7方格表示節(jié)點(diǎn)休眠的時(shí)隙,，在每一個(gè)醒著的時(shí)隙前面加一個(gè)幀讓相鄰節(jié)點(diǎn)能夠偵聽到此節(jié)點(diǎn)。對于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，預(yù)先規(guī)定固定長度為Ls的集合,，再以這個(gè)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(huì)有一個(gè)重合的,、醒著的時(shí)隙,。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)A和其他的節(jié)點(diǎn)是循環(huán)移位的關(guān)系，只有在某一時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于醒著的狀態(tài),，才具備通信的條件,。

　　EACDS和MACDS的共同點(diǎn)是通過某一種縮放的關(guān)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(jí)為0的初始差集（P0=I=（I,，kI,，λI））被另一個(gè)指數(shù)差集（E=（E，kE,，λE））放大為能量級(jí)1（P1=EI）的分層集合,，接著再次被放大為更高級(jí)別的分層集合（P2=E2I），依次類推,，最后選擇某一能量級(jí)的P,。其中，ν表示框架長度,，k表示活動(dòng)個(gè)數(shù)，λ表示重疊個(gè)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(gè)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(gè)乘子集M2縮放成另外一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)在所有的循環(huán)移位下都會(huì)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(diǎn)是Pi級(jí)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(jí)需要的情況下，EACDS卻更加實(shí)用,。

2 網(wǎng)絡(luò)級(jí)別休眠

　　不僅僅在DTN網(wǎng)絡(luò),，在其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下也有相關(guān)的休眠機(jī)制，例如PSIRP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),、Open Flow Network等,。

　　2.1 PSIRP架構(gòu)下的休眠機(jī)制

　　這里介紹的休眠算法歸于以下幾個(gè)步驟[6-7]：

　　（1）檢查每條鏈路的利用率

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

　?。?）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)排序

　　根據(jù)節(jié)點(diǎn)的局部中心度對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排列,，這個(gè)序列反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。這一步驟很重要,。

　?。?）關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

　　節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失,，滿足下列條件,，節(jié)點(diǎn)才能夠進(jìn)入休眠模式。

　?、倥c此節(jié)點(diǎn)連接的鏈路沒有流量,；

　　②此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后,，其余的節(jié)點(diǎn)仍然可以連接,；

　　③此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉后,，它所有相鄰節(jié)點(diǎn)可重新連接到網(wǎng)絡(luò)上,。

　　該方案的特點(diǎn)是，對網(wǎng)絡(luò)元素重要性排列，以及根據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠的條件判斷能否進(jìn)入休眠,。

　　2.2 Open Flow Network下的休眠機(jī)制

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

　?。?）預(yù)先測量網(wǎng)絡(luò)流量。

　?。?）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)流量的數(shù)量以及決定根節(jié)點(diǎn),。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)=整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量/節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)率。

　?。?）根據(jù)休眠算法讓節(jié)點(diǎn)休眠或者喚醒,。

　　（4）改變使用醒著節(jié)點(diǎn)的路由路徑,，用最短路徑算法來計(jì)算路由路徑,。

　　其中根節(jié)點(diǎn)的選擇是為了形成一個(gè)樹結(jié)構(gòu)的拓?fù)洌瑥亩x取相應(yīng)的休眠等待節(jié)點(diǎn),。按照下面的方法選擇根節(jié)點(diǎn)：

　?、偬幚碜畲罅髁康墓?jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)。

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

　　休眠算法有以下幾種情況：

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

　?、佼?dāng)前的根節(jié)點(diǎn)和之前選擇的根節(jié)點(diǎn)不同,。

　?。╝）從根節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)用最短路徑構(gòu)建一個(gè)訪問樹,。這里用Dijkstra算法。

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

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

　?、诋?dāng)前的根節(jié)點(diǎn)與之前的根節(jié)點(diǎn)相同。

　　當(dāng)前選擇的根節(jié)點(diǎn)與原先選擇的節(jié)點(diǎn)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(diǎn),，節(jié)點(diǎn)可能像上面提到的那樣進(jìn)入休眠,。否則，沒有其他操作將被執(zhí)行,。

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

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

　　該方案的特點(diǎn)是選擇根節(jié)點(diǎn)構(gòu)建樹,，根據(jù)相關(guān)的準(zhǔn)則,，選擇休眠等待節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化樹的結(jié)構(gòu),，從而降低能耗,。

3 仿真分析

　　本文采用ns-2網(wǎng)絡(luò)仿真工具，針對DTN網(wǎng)絡(luò)下的EACDS和MACDS兩種算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),。節(jié)點(diǎn)采用Random Way Point移動(dòng)模型,，采取的路由協(xié)議是MFlood（洪泛協(xié)議），另外一些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)設(shè)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(jī)制的能耗低，而MACDS比EACDS方案節(jié)能,。

4 結(jié)論

　　不同的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下,，休眠機(jī)制會(huì)存在網(wǎng)絡(luò)連通性的問題，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài),，不接受數(shù)據(jù)報(bào)文,，所以要權(quán)衡能耗與網(wǎng)絡(luò)QoS之間的關(guān)系。在未來的工作當(dāng)中,，會(huì)對新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)下的主流休眠方案下的能耗和延時(shí)參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化,。

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