一種基于拉格朗日松弛的ip網(wǎng)絡(luò)層功耗優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于拉格朗日松弛的IP網(wǎng)絡(luò)層功耗優(yōu)化方法。該方法針對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的模塊化特性，對(duì)功耗較高的IP網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行能耗優(yōu)化，建立單層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化模型，即SINEL模型，并設(shè)計(jì)高效的啟發(fā)式方法，即LR方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化。與已有優(yōu)化方法不同，SINEL模型不僅考慮網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)路由問題，還考慮網(wǎng)絡(luò)的虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題，不僅考慮鏈路和網(wǎng)絡(luò)接口的功耗，還考慮線卡、機(jī)框以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗和功耗更高的電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)，并且對(duì)IP層的能耗優(yōu)化同時(shí)適用于IP?over?DWDM網(wǎng)絡(luò)和IP?over?TDM?over?DWDM網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】-種基于拉格朗日松弛的IP網(wǎng)絡(luò)層功耗優(yōu)化方法 所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種基于拉格朗日松弛的IP網(wǎng) 絡(luò)層功耗優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著用戶數(shù)量的增加和在線視頻等多媒體應(yīng)用的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)流量逐年指 數(shù)增長(zhǎng)，能耗問題已成為Internet面臨的最大挑戰(zhàn)之一。2007-2011年，Internet流量平 均每年增長(zhǎng)56%，網(wǎng)絡(luò)帶寬平均每年增長(zhǎng)58%。網(wǎng)絡(luò)能耗隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷增加，2007年 Internet基礎(chǔ)設(shè)施的能耗已占到了全球?qū)拵Ы尤雵?guó)家總耗電量的1% (平均接入帶寬為 30Mb/s)，當(dāng)平均接入帶寬達(dá)到300Mb/s時(shí)，該比例將超過4%。按照目前的增長(zhǎng)速度，預(yù)計(jì) 到2050年網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的能耗將達(dá)到2006年水平的13倍。不斷增加的網(wǎng)絡(luò)能耗造成了網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)營(yíng)的電力成本持續(xù)上升和大量的溫室氣體排放，綠色I(xiàn)nternet已成為一個(gè)重要的研究 領(lǐng)域。
[0003] 在網(wǎng)絡(luò)流量的不斷增長(zhǎng)的同時(shí)網(wǎng)絡(luò)也逐漸扁平化發(fā)展，Internet已由接入網(wǎng)、匯 聚網(wǎng)和核心網(wǎng)三級(jí)結(jié)構(gòu)逐步演變?yōu)橛山尤刖W(wǎng)和核心網(wǎng)組成的兩級(jí)結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，Internet 的節(jié)能研究對(duì)象也可分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩大部分。由于核心網(wǎng)匯聚了接入網(wǎng)的流量，業(yè) 務(wù)需求的指數(shù)增長(zhǎng)對(duì)核心網(wǎng)的影響更大，這使得核心網(wǎng)絡(luò)能耗增長(zhǎng)尤為迅速，預(yù)計(jì)到2017 年核心網(wǎng)的能耗將超過接入網(wǎng)。因此，Internet核心網(wǎng)的節(jié)能研究將成為綠色I(xiàn)nternet領(lǐng) 域的重要研究課題。
[0004] Internet核心網(wǎng)由多個(gè)具有業(yè)務(wù)交換能力的網(wǎng)絡(luò)層組成，因此，核心網(wǎng)的能耗優(yōu) 化可分為單層能耗優(yōu)化和跨層能耗優(yōu)化兩大類。
[0005] 單層能耗優(yōu)化主要針對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)，通過業(yè)務(wù)路由實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)流的匯聚，提高鏈路的 利用率，并將空閑的鏈路等網(wǎng)絡(luò)資源轉(zhuǎn)入睡眠（或低功耗狀態(tài)），以減少網(wǎng)絡(luò)的能耗浪費(fèi)。 有研究者將IP網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化問題形式化建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，但沒有提供有 效的求解方法。也有研究者提出了一種啟發(fā)式方法，通過預(yù)先計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的k條最短 候選路徑，以減小求解搜索空間和縮短求解時(shí)間，但是解空間仍然為結(jié)點(diǎn)數(shù)的指數(shù)級(jí)規(guī)模。 有學(xué)者提出的啟發(fā)式方法首先對(duì)結(jié)點(diǎn)或鏈路進(jìn)行排序，然后依順序嘗試關(guān)閉每個(gè)結(jié)點(diǎn)或鏈 路，并進(jìn)行業(yè)務(wù)重路由，并以鏈路容量約束和網(wǎng)絡(luò)連通性作為判定條件。還有學(xué)者提出了 一種拉格朗日松弛和調(diào)和級(jí)數(shù)啟發(fā)式方法，但針對(duì)的能耗優(yōu)化模型以減小鏈路的功耗為目 標(biāo)，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的功耗。
[0006] 跨層能耗優(yōu)化考慮核心網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)，目前主流的多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括IP over DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復(fù)用）和 IP over TDM(Time Division Multiplexing,時(shí)分復(fù)用）over DWDM兩種。由于業(yè)務(wù)粒度、交換方式等方面的不 同使得網(wǎng)絡(luò)層的能量效率按IP，TDM和DWDM的順序增加?？鐚幽芰?jī)?yōu)化主要通過業(yè)務(wù)疏導(dǎo) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的合理分配，即網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)盡量由靠下的網(wǎng)絡(luò)層處理，從而降低 整個(gè)多層網(wǎng)絡(luò)的功耗。有研究者針對(duì)IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)MILP(Mixture Integer Linear Programming,混合整數(shù)線性規(guī)劃）能耗優(yōu)化模型，并基于光通路旁通和業(yè)務(wù)疏導(dǎo)策 略提出了兩個(gè)簡(jiǎn)單啟發(fā)式方法。但是，該能耗優(yōu)化模型只考慮了 IP路由器接口的功耗而不 是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗。有研究者在研究WDM (Wavelength Division Multiplexing,波分 復(fù)用）網(wǎng)絡(luò)的能量感知的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)問題時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的模塊化特性，提出了一種基于 輔助圖的啟發(fā)式方法，但是該輔助圖只對(duì)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行了建模，沒有考慮功耗更高的電 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。有研究者研究多機(jī)架IP over WDM網(wǎng)絡(luò)的高能效設(shè)計(jì)問題，考慮IP路由器的多 機(jī)架互聯(lián)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)IP層和WDM層建立MILP高能效設(shè)計(jì)模型，但沒有提供有效的求解方 法，無法對(duì)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)求解。
[0007] 本發(fā)明針對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)的多層結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的模塊化特性，對(duì)功耗較高的IP網(wǎng)絡(luò)層 進(jìn)行能耗優(yōu)化，建立單層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化模型，即SINEL(SIngle NEtwork Layer,單一網(wǎng)絡(luò) 層模型），并設(shè)計(jì)高效的啟發(fā)式方法，即LR方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化。與已有 優(yōu)化方法不同，SINEL模型不僅考慮網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)路由問題，還考慮網(wǎng)絡(luò)的虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì)問 題，不僅考慮鏈路和網(wǎng)絡(luò)接口的功耗，還考慮線卡、機(jī)框以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗和功耗更 高的電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)，并且對(duì)IP層的能耗優(yōu)化同時(shí)適用于IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)和 IP over TDM over DWDM 網(wǎng)絡(luò)。
[0008] Internet核心網(wǎng)由多個(gè)具有業(yè)務(wù)交換能力的網(wǎng)絡(luò)層組成，主流的多層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包 括 IP over DWDM 和 IP over TDM over DWDM。這里以更復(fù)雜的 IP over TDM over DWDM 網(wǎng) 絡(luò)為例說明，IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)的情況與之類似。IP over TDM over DWDM網(wǎng)絡(luò)由IP層、 TDM層和光層（或DWDM層）3個(gè)網(wǎng)絡(luò)層組成。IP層與TDM層都使用下層提供的通道傳輸服 務(wù)（即電路/子波長(zhǎng)傳輸服務(wù)和波長(zhǎng)傳輸服務(wù)）向上層提供自己的業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)（即分組 傳輸服務(wù)和電路/子波長(zhǎng)傳輸服務(wù)），因此，IP層和TDM層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樘摂M拓?fù)?，結(jié)點(diǎn)間 的鏈路為邏輯鏈路，對(duì)應(yīng)下層提供的傳輸通道。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層都有自己的業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?和業(yè)務(wù)路由。IP層業(yè)務(wù)需求的基本粒度為分組，業(yè)務(wù)交換方式為分組交換，TDM層和DWDM 層的業(yè)務(wù)需由上層網(wǎng)絡(luò)的邏輯鏈路產(chǎn)成，基本粒度為電路和光通路，分別使用電路交換和 波長(zhǎng)交換方式。
[0009] 多層網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常由一組網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，包括IP設(shè)備、TDM設(shè)備和光網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備。IP設(shè)備的支路接口與接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連，IP設(shè)備和TDM設(shè)備的線路接口分別與 下層的TDM設(shè)備和光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支路接口相連，光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的線路接口之間通過光纖鏈路 互聯(lián)。業(yè)務(wù)通過支路接口流入\流出網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層的業(yè)務(wù)通過線路接口之間的鏈路進(jìn)行 傳輸，因此，業(yè)務(wù)路由只影響本網(wǎng)絡(luò)層的線路接口，而對(duì)本網(wǎng)絡(luò)層的支路接口沒有影響。各 個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的能量效率存在差異，光網(wǎng)絡(luò)的能量效率最高，其次是TDM設(shè)備，IP設(shè)備的能效最 低。所以，網(wǎng)絡(luò)層越靠上，能量效率就越低，網(wǎng)絡(luò)層的能耗通常也越大，故多層網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu) 化應(yīng)以靠上的網(wǎng)絡(luò)層為重點(diǎn)，本發(fā)明研究對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)層的能耗優(yōu)化。
[0010]目前，Internet核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常采用模塊化設(shè)計(jì)方法。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被設(shè)計(jì)成 由機(jī)框和模塊卡兩部分組成，根據(jù)實(shí)際的組網(wǎng)需求，通過向機(jī)框添加相應(yīng)的模塊卡組建所 需的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的靈活性和可擴(kuò)展性，只需增加或替換模塊卡 就可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的擴(kuò)容升級(jí)，此外，還可以通過多框集群的方式突破單個(gè)設(shè)備的 容量限制，滿足海量業(yè)務(wù)的處理需求。根據(jù)模塊間的層次關(guān)系，可將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為機(jī)框、線 卡和接口 3部分。接口包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理端口以及與物理端口一起同時(shí)處于工作和空閑 狀態(tài)的相關(guān)部件；線卡是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的眾多模塊的一類，它由一組接口所共享，能夠與這組接 口同時(shí)處于工作和空閑狀態(tài)；除接口和線卡以外的部分全都?xì)w入機(jī)框的范疇。因此，本發(fā)明 所述的接口、線卡和機(jī)框是一種更抽象的概念，不一定與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口、線卡和機(jī)框 完全對(duì)應(yīng)。
[0011] Internet的超額資源供應(yīng)和冗余設(shè)計(jì)導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)資源的平均利用率低下。研究 表明Internet核心網(wǎng)忙時(shí)最大平均鏈路利用率不超過30%，很多網(wǎng)絡(luò)的閑時(shí)鏈路利用率 只在5%以下。目前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率對(duì)其功耗的影響較小。網(wǎng)絡(luò)資源的平均利用率較低， 但卻產(chǎn)生幾乎與最大利用率相同的功耗，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)能耗浪費(fèi)。能量勻增計(jì)算 (energy-proportional computing)要求系統(tǒng)的功耗與資源利用率成比例。本發(fā)明通過以 下節(jié)能機(jī)制減少網(wǎng)絡(luò)能量浪費(fèi)和提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量勻增特性：
[0012] 1)通過業(yè)務(wù)路由實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)匯聚，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗受 利用率的影響較小，因此提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率可減少網(wǎng)絡(luò)的能量浪費(fèi)。本發(fā)明的業(yè)務(wù)匯 聚包括：（1)業(yè)務(wù)流向鏈路的匯聚，可提高鏈路（或接口）利用率；(2)鏈路向網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的匯 聚，可提高線卡和機(jī)框的利用率。
[0013] 2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的多粒度模塊睡眠。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化特性，讓空閑的模塊或網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，即睡眠。多粒度模塊睡眠從接口、線卡和機(jī)框3個(gè)層次使空閑模塊 睡眠，即：當(dāng)接口空閑時(shí)，則接口睡眠；當(dāng)線卡的所有接口都空閑時(shí)，則線卡睡眠；當(dāng)機(jī)框的 所有線卡都空閑時(shí)，則機(jī)框睡眠。
[0014] 3)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)配置。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的業(yè)務(wù)路由，動(dòng)態(tài)地建立虛擬拓?fù)?。由?只有實(shí)際被使用的邏輯鏈路才會(huì)成為虛擬拓?fù)涞囊徊糠郑c靜態(tài)的虛擬拓?fù)湎啾?，這樣可 減小下面網(wǎng)絡(luò)層的業(yè)務(wù)需求和降低網(wǎng)絡(luò)能耗。此外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)資源使用情 況，進(jìn)行資源的動(dòng)態(tài)配置，以實(shí)現(xiàn)多粒度模塊睡眠。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于拉格朗日松弛的IP網(wǎng)絡(luò)層功耗優(yōu)化方法。
[0016] 本發(fā)明解決其技術(shù)難題所采用的技術(shù)方案的步驟如下：
[0017] 1)網(wǎng)絡(luò)層的功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成。靜態(tài)功耗與業(yè)務(wù)負(fù)載無關(guān)， 為網(wǎng)絡(luò)資源在空閑時(shí)的功耗。網(wǎng)絡(luò)資源的靜態(tài)功耗體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化特性，由機(jī)框功 耗η ε⑴ρε、線卡功耗η1⑴p1和接口功耗"⑴？1三部分組成。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的靜態(tài)功耗由所 有網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的靜態(tài)功耗構(gòu)成，因此對(duì)所有結(jié)點(diǎn)i求和。動(dòng)態(tài)功耗依賴業(yè)務(wù)負(fù)載，使用線性函 數(shù)近似表示動(dòng)態(tài)功耗與轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)量的關(guān)系，動(dòng)態(tài)功耗可表示成鏈路的業(yè)務(wù)量與單位業(yè)務(wù)功 耗的乘積。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的動(dòng)態(tài)功耗由所有鏈路業(yè)務(wù)量的動(dòng)態(tài)功耗之和構(gòu)成，因此對(duì)所有鏈 路（i，j)求和。則網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于拉格朗日松弛的IP網(wǎng)絡(luò)層功耗優(yōu)化方法，其特征在于建立該方法的步驟 如下： 1. SINEL(SIngle NEtwork Layer,單一網(wǎng)絡(luò)層）模型形式化描述如下： 網(wǎng)絡(luò)層的功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成，靜態(tài)功耗與業(yè)務(wù)負(fù)載無關(guān)，為網(wǎng)絡(luò) 資源在空閑時(shí)的功耗，網(wǎng)絡(luò)資源的靜態(tài)功耗體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的模塊化特性，由機(jī)框功耗#α) 、線卡功耗r^ab1和接口功耗"（Dpi三部分組成，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的靜態(tài)功耗由所有網(wǎng)絡(luò) 結(jié)點(diǎn)的靜態(tài)功耗構(gòu)成，因此對(duì)所有結(jié)點(diǎn)i求和，動(dòng)態(tài)功耗依賴業(yè)務(wù)負(fù)載，使用線性函數(shù)近似 表示動(dòng)態(tài)功耗與轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)量的關(guān)系，動(dòng)態(tài)功耗可表示成鏈路的業(yè)務(wù)量與單位業(yè)務(wù)功耗的乘 積，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的動(dòng)態(tài)功耗由所有鏈路業(yè)務(wù)量的動(dòng)態(tài)功耗之和構(gòu)成，因此對(duì)所有鏈路（i，j) 求和，則網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為
(1) 目標(biāo)函數(shù)和后面式中用到的符號(hào)定義如下：
輸入?yún)?shù) i，j，ii，jj e N :網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)集合， d(ii, jj) e D :結(jié)點(diǎn)ii到j(luò)j的業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)需求集合， p e p(i，j):業(yè)務(wù)需求d(i，j)的候選路徑和候選路徑集合， δ (p，i，j) e {〇，1}:如果路徑p包括鏈路（i，j)，則值為1 ;否則為〇， C :下面網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸通道的容量，單位為Gbps， a :下面網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸通道的最大利用率， P1 :網(wǎng)絡(luò)接口的功耗， :線卡具有的接口數(shù)， P1 :線卡的功耗， m1 :機(jī)框可配備的線卡數(shù)， :機(jī)框的功耗， πιεα):網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)i配備的機(jī)框數(shù)， pt :單位業(yè)務(wù)的功耗，用于計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗，單位為watt/Gbps,
決策變量 d' (i，j):鏈路（i，j)使用下面網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸通道數(shù)目， x(P) e {〇，1}:路徑選擇決策變量，若路徑p被選中為最終路徑，則值為1，否則為〇 ne(i):結(jié)點(diǎn)i的活躍機(jī)框數(shù)， n1 (i):結(jié)點(diǎn)i的活躍線卡數(shù)， nW):結(jié)點(diǎn)i的活躍的接口數(shù)， t(i，j):鏈路（i，j)的業(yè)務(wù)量； 2. SINEL模型目標(biāo)函數(shù)的約束條件為

式（2)為每個(gè)業(yè)務(wù)需求d(i，j)尋找一條路徑p，即從結(jié)點(diǎn)i到結(jié)點(diǎn)j的所有可能的路 徑集合P(i，j)中選擇一條路徑P， 式（3)表示路徑選擇決策變量x(p)為布爾變量， 式⑷計(jì)算鏈路（i，j)的業(yè)務(wù)量t(i，j)，其中Σ pepkjj^p) δ (p，i，j)是一個(gè)布爾 函數(shù)，表示業(yè)務(wù)需求d(ii，jj)的路徑是否經(jīng)過鏈路（i, j)，該布爾函數(shù)與業(yè)務(wù)需求d(ii， jj)相乘表示，如果d(ii, jj)的路徑經(jīng)過鏈路（i, j),則業(yè)務(wù)需求d(ii, jj)是鏈路（i, j) 業(yè)務(wù)量的一部分，因此，鏈路（i，j)的總業(yè)務(wù)量應(yīng)該等于所有經(jīng)過鏈路（i，j)的業(yè)務(wù)需求之 和，即需對(duì)業(yè)務(wù)需求d(ii，jj) eD求和， 式（5)是鏈路（i，j)的鏈路容量約束，表示鏈路的業(yè)務(wù)量不能超過鏈路允許的最大速 率(1'(1，]_)〇(：，其中(1'(1，]_)為鏈路（1，]_)使用下面網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸通道數(shù)量，〇〇 為每條傳輸通道的所允許的最大速率， 式（6)表示決策變量d' (i，j)的取值范圍為正整數(shù)， 式（7)表示結(jié)點(diǎn)自身不存在環(huán)路，式（5)-(7)不僅實(shí)現(xiàn)了鏈路的容量約束，確立了當(dāng) 前網(wǎng)絡(luò)層的虛擬拓?fù)洌€實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)層的邏輯鏈路與下面網(wǎng)絡(luò)層提供的傳輸通道的映 射， 式（8)-(9)決定網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)i活躍的接口數(shù)量，由于每個(gè)傳輸通路對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng) 絡(luò)結(jié)點(diǎn)i的活躍接口數(shù)να)應(yīng)大于正向鏈路和逆向鏈路的所有傳輸通道數(shù)量， 式（10)表示活躍的線卡的所有接口數(shù)應(yīng)大于活躍的接口數(shù)量， 式（11)-(12)表示活躍的機(jī)框的所有線卡數(shù)應(yīng)大于活躍的線卡數(shù)量，而且活躍的機(jī)框 數(shù)應(yīng)小于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i配備的機(jī)框數(shù)量， 式（13)表示決策變量da)，η1 (ihy⑴的取值范圍為正整數(shù)； 3. SINEL模型可通過拉格朗日松弛分解為3個(gè)問題： 根據(jù)SINEL模型的約束條件的難易程度以及決策變量間的依賴關(guān)系，對(duì)約束（5) (8) (9)進(jìn)行松弛，將式（5) (8) (9)轉(zhuǎn)變?yōu)閼土P項(xiàng)加到目標(biāo)函數(shù)上，當(dāng)約束（5) (8) (9)被違反時(shí)， 懲罰項(xiàng)為正值，將增大目標(biāo)函數(shù)值，即"懲罰"目標(biāo)函數(shù)，懲罰項(xiàng)系數(shù)又稱拉格朗日乘子，分 別為入2(1)，且入々），λ2α)，λ3α，_?)彡〇,用向量λ表示所有的拉 格朗日乘子系數(shù)，即Λ = ( λ ρ λ 2, λ 3)彡〇,其中：λ工=(λ工⑴，λ工⑵，…，λ JlN!))， λ2 = (λ2(1)，λ2(2)，…，λ2(|Ν|))，λ3 = (λ3(1，1)，λ3(2,2)，…，λ3(|Ν|，|N|))，則 對(duì)SINEL模型進(jìn)行拉格朗日松弛后為 ：
s. t.約束條件⑵（3) (4) (6) (7) (10) (11) (12) (13) 將式（14)中的Λ看成常量，則Ζ(Λ)可以分解為以下3個(gè)獨(dú)立的子問題： Z (A) = Zi (A) +Z2 (A) +Z3 (A) (15)
業(yè)務(wù)路由子問題：
s. t約束條件（2) (3) (4)
虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì)子問題：
s. t.約束條件（6) (7)
資源配置子問題：
s.t.約束條件（10) (11) (12) (13); 4) 業(yè)務(wù)路由子問題求解如下： 將式⑷帶入式（16)得到：
令 w(i，j) = (pt+λ 3(i，j))，表示鏈路（i，j)的權(quán)值，則 Σ p e P(ii, j {χ(ρ) · Σ i, j eN[Pt+X 3(i，J·)] · δ (p，i，j)}表示業(yè)務(wù)需求d(ii, jj)的路徑的帶權(quán)長(zhǎng)度，因此，Z1 Λ最 小化問題就轉(zhuǎn)變成鏈路權(quán)值為w(i，j)的最短路由問題，可使用Dijkstra方法在多項(xiàng)式時(shí) 間內(nèi)求解； 5) 虛擬拓?fù)湓O(shè)計(jì)子問題求解如下： 由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的活躍接口數(shù)不能超過該結(jié)點(diǎn)的最大接口數(shù)，因此可添加以下約束：
式（20)表示所有以結(jié)點(diǎn)i為起點(diǎn)的鏈路使用的接口不超過結(jié)點(diǎn)i的總接口，式（21) 表示所有以結(jié)點(diǎn)i為終點(diǎn)的鏈路使用的接口不超過結(jié)點(diǎn)i的總接口，Ζ2(Λ)取最小值時(shí)，滿 足： 當(dāng) λΑΗλΑΟ-λΑ，j) · α · C 彡 0 時(shí)，決策變量 d' (i，j)=0. 當(dāng) λ 丄⑴ + 入 2(」)-λ 3(i，j) · α · C < 0 時(shí)，令 ω (i，j) = -[ λ 丄（；〇 + λ 2(」)-λ 3(i， j) · α · C] > 0， 則決策變量d' (i，j)的值可由以下整數(shù)線性規(guī)劃問題求得：
s. t.約束條件（6) (7) (20) (21) 為了降低求解的復(fù)雜度，使用式（23)的啟發(fā)式解法，即根據(jù)結(jié)點(diǎn)的所有鏈路權(quán)值 ω (i，j)的相對(duì)大小，按比例確定決策變量d' (i，j)的值，
6)資源配置子問題求解如下： 資源配置子問題需要按需決定活躍的機(jī)框、線卡和接口等網(wǎng)絡(luò)資源，才能使23(人）最 小，當(dāng)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)i的決策變量da)確定后，決策變量n1 (i)和nli)的值越小，Ζ3( Λ) 值越小，因此約束（10) (11) (12)可改寫為：
Ζ3(Λ)達(dá)到最小時(shí)必然滿足：
由于網(wǎng)絡(luò)每個(gè)結(jié)點(diǎn)活躍的接口數(shù)至少應(yīng)該能處理以該結(jié)點(diǎn)為源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)的業(yè) 務(wù)需求，因此增加以下約束：
式（28)表示每個(gè)結(jié)點(diǎn)的活躍接口至少能夠傳輸以該結(jié)點(diǎn)為源結(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求，式 (29)表示每個(gè)結(jié)點(diǎn)的活躍接口至少能夠接收以該結(jié)點(diǎn)為目的結(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求，根據(jù)式 (24) (25) (26) (27)，式（18)可改寫為：
因此，很容易求得Ζ3(Λ)最優(yōu)解： 當(dāng)
當(dāng)
時(shí) n1 (i) = mc (i) · m1 · m1 (32) 將式（31)(32)帶入式（24)(25)可以求得決策變量r^a)和nli)的值； 7) 子問題的解通過makeSolutionFeasible (使解可行）方法進(jìn)行可行化處理， makeSolutionFeasible方法的步驟如下： ① 根據(jù)業(yè)務(wù)路由子問題的解獲取決策變量χ(ρ)和t(i，j)的值， ② 由式（5)得
據(jù)此計(jì)算d' (i，j); ③ 由式⑶和（9)得η1⑴=max{ Σ」εΝ(Γ (i，j)，Σ」eNcT (j，i)}，據(jù)此計(jì)算n1 (i); ④ 分別由式（24)和（25)計(jì)算n1⑴和nli); ⑤ 由式⑴計(jì)算Ζ(Λ); ⑥ 若η1⑴彡nf⑴· m1 · mp，則結(jié)果為Ζ (Λ)，否則結(jié)果為-Ζ (Λ)，表示可行化失?。? 8) 通過可行化處理得到的可行解使用improveSolution(改進(jìn)解）方法進(jìn)行改進(jìn)，獲得 次優(yōu)解，improveSolution方法步驟如下： ① 將Pmin初始化為當(dāng)前的可行解Ζ(Λ); ② 若沒有未處理的且具有最小利用率的鏈路，則轉(zhuǎn)到步驟⑦； ③ 對(duì)一條未處理且具有最小利用率的鏈路（i，j)，若其利用率低于50%，則使其睡眠， 否則轉(zhuǎn)到步驟⑦； ④ 如果網(wǎng)絡(luò)非連通，則恢復(fù)鏈路（i，j)為活動(dòng)狀態(tài)，否則求解業(yè)務(wù)路由子問題，并對(duì)其 解進(jìn)行可行化處理； ⑤ 若可行化成功，且可行化后的網(wǎng)絡(luò)功耗power小于pmin，則將power賦值給pmin，否則 將鏈路（i，j)恢復(fù)到活動(dòng)狀態(tài)； ⑥ 如果還有未處理的且具有最小利用率的鏈路，則轉(zhuǎn)到步驟②； ⑦ 方法計(jì)算的結(jié)果為; 9) 在求解子問題時(shí)，Λ被看成常量，因此每個(gè)子問題可獨(dú)立求解，但是拉格朗日乘子 向量Λ作為各個(gè)子問題相互作用的紐帶，維系著子問題間的依賴關(guān)系，SINEL模型的每個(gè) 次優(yōu)解對(duì)應(yīng)Λ的一個(gè)取值，因此，可通過尋找最優(yōu)的Λ，從而得到更好的次優(yōu)解，利用次梯 度法設(shè)計(jì)LR方法求解該問題，LR方法的步驟如下： ①將Λ初始化為0,根據(jù)式（33) (34)計(jì)算Zlb和Zub，并將Zub賦值給Zmin和ρ，將β設(shè) 置為2, iteration_counter初始化為0, k初始化為1 ;
② 若k等于iteration_number，則結(jié)束本方法； ③ 求解3個(gè)子問題，并將iteration_counter加 1，再使用makeSolutionFeasilbe方法 對(duì)子問題進(jìn)行可行化處理； ④ 若可行化失敗，則依次遍歷所有Ι^α) >π^α) ?m1·!!!15的結(jié)點(diǎn)i，使用下式計(jì)算δ 的值
若s的值大于2,則將δ賦值為2,再對(duì)所有的結(jié)點(diǎn)j，由式子λ a，j) = λ a，j) · δ 和 λ (j，i) = λ (j，i) · δ 計(jì)算 λ (i，j)和 λ (j，i); ⑤ 若可行化成功，則將可行化結(jié)果賦值給P，并采用improveSolution方法優(yōu)化可行 解，若improveSolution方法優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)功耗比當(dāng)前的最小的網(wǎng)絡(luò)功耗Z min小，則更新 Zmin和為優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)功耗，將當(dāng)前解賦給當(dāng)前最好次優(yōu)級(jí)解bstSolution，并將循環(huán)計(jì)數(shù) iteration_counter 設(shè)置為 0 ; ⑥ 若循環(huán)計(jì)數(shù)iteration_counter不小于iteration_threshold，則將β減半，將 iteration_counter 重賦值為 0 ; ⑦ 根據(jù)式（35) (36) (37)計(jì)算Si、S和Θ
⑧ 若Θ小于ε，則由Λ = Λ+Θ重新計(jì)算Λ ; ⑨ 遍歷Λ中的所有λ，若λ小于〇,則將λ重賦值為〇 ; ⑩ 將k加1，轉(zhuǎn)到步驟②。
【文檔編號(hào)】H04L12/70GK104113473SQ201310136985
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月19日
【發(fā)明者】郭兵, 沈艷, 伍元?jiǎng)? 徐闊海, 李鵬, 夏俊, 馬波 申請(qǐng)人:成都賽恩泰科技有限公司