CN103685011A - 一种确定节能路由的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种确定节能路由的方法，涉及通信领域，包括获取网络的拓扑结构，起始节点，目标节点和流量数据，流量数据包括网络内的所有节点之间的流量记录；根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算起始节点和目标节点之间的节能路由和节能路由对应的预留带宽。

Description

一种确定节能路由的方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种确定节能路由的方法和装置。

背景技术

互联网的运行需要消耗大量的电能。2007年互联网消耗的电能占当年全球消耗电能的5.3％，而同年美国互联网消耗的总电能占其总耗电量的9.4％。与此同时，所消耗的大量电能中，有大量的电能被浪费掉了。随着网络规模不断扩大和业务量的飞速增长，网络对电能的需求和消耗不断增长，对网络的运行成本以及生态环境都产生了巨大压力。因而网络节能技术得到越来越多的重视。

冗余链路和带宽的部署极大地提高了网络的可靠性。但是，经验表明骨干网的平均链路带宽占用率不足40％。然而，链路在带宽占用率很低时也必须保持开启，这就意味着大量的电能被浪费了。

现有技术中确定路由的方法存在节能效果差和节能路由计算时间过长的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种确定节能路由的方法和装置，可用于确定网络内起始节点和目标节点之间的节能路由。

一方面，本发明实施例提供一种确定节能路由的方法，包括：获取网络的拓扑结构，起始节点，目标节点和流量数据，流量数据包括网络内的所有节点之间的流量记录；根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算起始节点和目标节点之间的节能路由和节能路由对应的预留带宽；整数线性规划算法的目标函数为网络内的闲置链路的数量最大化，整数线性规划算法的约束条件包括流量约束条件，流量约束条件使用起始节点和目标节点之间的流量流经任意链路的流量值。

另一方面，本发明实施例提供一种确定节能路由的装置，包括网络数据获取单元，用于获取网络的拓扑结构、起始节点和流量数据，所述流量数据包括所述网络内的所有节点之间的流量；节能路由计算单元，用于根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算所述起始节点和目标节点之间的节能路由和所述节能路由对应的预留带宽；所述整数线性规划算法的目标函数为所述网络内的闲置链路的数量最大化，所述整数线性规划算法的约束条件包括流量约束条件，所述流量约束条件使用所述起始节点和目标节点之间的流量流经任意链路的流量值。

采用本发明实施例的技术方案，尽可能保证网络中闲置链路数量最大化。节能路由通过路由器之间的协同工作，将网络流量汇聚到网络中的部分链路上进行传输，使得网络中有的链路不承载流量，可以将这些链路关闭或置于休眠状态，从而节省能耗。

附图说明

图1为本发明实施例提供的确定节能路由的方法对应的流程图；

图2为本发明实施例提供的确定节能路由的方法和装置所确定的网络拓扑示意图；

图3为本发明实施例提供的确定节能路由的装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的具体实施方式包括控制网络设备的方法和装置。本发明的实施方式所包括的方法可由通用计算机或网络服务器等硬件设备实现。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，确定节能路由的方法包括：

100，获取网络的拓扑结构、起始节点和流量数据，所述流量数据包括所述网络内的所有节点之间的流量。

举例来说，上述的网络拓扑结构至少包括：所述网络中链路的带宽，所述网络中的节点之间的连接关系以及链路的网络性能，所述网络性能参数具体可以为链路的时延、丢包率或时延抖动等参数，也可以是将上述多个单一的性能参数作为输入通过特定算法得到综合性能参数。举例来说，所述性能路由中的网络性能参数值的值越小，表示性能越好，也就是路由越越优。值得说明的是，如何判定路由优越性基于选取参数以及参数对应的特定算法，上述定义只是可能的一种判定路由优越性的方式。本发明实施例中以开放式最短路径优先(Open Shortest Path First，OPSF)协议为例来衡量网络中各条链路的网络性能。

本发明的一个应用场景如图2所示，网络中共有1、2、3、4和5共5个节点(Node)，1-2、2-1、2-5、5-2、1-3、3-1、3-5、5-3、1-4、4-1、4-5、5-4共12条链路(因为链路是双向的)，每条链路的带宽为1Gbps。其中节点1和5例如可以为运营商边缘设备PE(Provider Edge)；节点2、3和4例如可以为运营商路由器P(Provider Edge)。节点1和5通过2、3和4分别与节点5相连。

在本发明实施例中，可以用流量矩阵表示各个节点之间的流量。对应的流量矩阵表如表1所示，各个节点之间的流量单位为Gbps。该表表示从Nodel到Node5有恒定的1Gbps的流量，即D_1，5＝1。其他节点之间流量为0，例如D_1，2＝0。

表1

102，根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算节能路由和节能路由对应的预留带宽。

$\mathrm{Maximize}\underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{P}_l{x}_l---\left(1\right);$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{O}_l^i-\underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{I}_l^i=\left\{\begin{array}{c}{D}_{s,t},i=s\\ -D_{s,t},i=t\\ 0,t\≠s,t\end{array}\right.\end{array}s,t,i\∈V,s\≠t---\left(2\right);$

$u_l=\frac{1}{C_l}\underset{s,t\∈V,s\≠t}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t},l\∈E$

x_l＝x_r(l)，l∈E    (3).

x_l+u_l≤1，l∈E

u_l≤u_T

线性规划中，要求所有的未知量都为整数的线性规划问题叫做整数规划(integer programming，IP)或整数线性规划(integer linear programming，ILP)问题。本发明实施例以整数线性规划作为优化模型为例对本发明实施例确定优化路由的方法进行描述，确定优化路由的算法如公式(1)、(2)和(3)组成。

在本发明的实施例中，优化模型中的流量约束是一个必备条件，在本发明实施例中以公式(3)表示。本发明实施例利用流量约束中的f变量来确定节能路由。在公式(3)表示的流量约束条件中，u_l表示链路l的利用率，C_l表示链路l的容量；x_l为整数变量，当链路l在空闲状态时(也就是关闭时)为1，当链路l开启时为0。约束条件中所有变量在其值域内可以取任意值，例如u_l为[0，1]内的所有实数。x_l为整数变量，取值为0或1。

公式(2)中参数

表示链路l是否是i节点的入链路；参数表示链路l是否是i节点的出链路。参数表示从s到t的通信流量。而

是优化模型求解需要得到的变量，表示从s到t的流量流经链路l的值。根据f取值确定从s到t的路由，并确定每条链路l之上，为从s到t的流量所预留的带宽。

取值为[0，D_s，t]内的所有实数。所有可能的变量取值构成了一个优化模型的求解空间。优化模型在这个求解空间内不断的尝试，每次尝试都会记录下公式(1)表示的目标函数的值，其中的x_l和约束条件中的定义相同，当链路l在空闲状态时(也就是关闭时)为1，当链路l开启时为0；Pl表示链路l的功耗。在所有的这些尝试中，使得目标函数最大的尝试对应的所有变量的取值既为该优化模型的最优解，也就是可以达到最优节能效果的变量取值。在本发明实施例中，搜索空间是一个包含每对节点之间k(k为大于等于1的自然数)条路由的集合。根据以上实例，该搜索空间限定了

的取值：如果链路l不出现在从s到t的k条路由上，则

的取值必然为0。而这种限定减少了优化过程中的无效尝试，提高了优化的求解速度。

对于图2所示的网络拓扑，假设约束条件UT取值为0.5，则表示所有链路的链路利用率不能大于50％。假设Pl取值为10瓦(W)，表示每条链路的功耗为10W。上述网络拓扑中有12条链路，全部开启时总体能耗为120W。

在本发明实施例中，可以使用优化工具缩小尝试范围，减少明显不能取得最优解的尝试，从而加快求解速度。例如，可以使用单纯性算法优化求解速度。本发明实施例对优化工具不做具体限定。

为了取得更好的优化效果和减小优化计算时间，本发明实施例在计算节能路由前，确定路由搜索空间时，将节能效果最优的路由优先包含在路由搜索空间内。一般地，节能效果用该条路由所使用所有链路的总能耗来衡量，总能耗越小，节能效果越好。在评价多条路由的节能效果时，用这多条路由所使用的所有链路的总能耗来衡量，总能耗越小，这多条路由的节能效果越好，而不是仅仅将k-shortest path(k条最短路径)作为路由搜索空间。

举例来说，本发明实施例在计算节能路由前，确定路由搜索空间时，对节能路由的节能效果进行排序，然后优先将将节能效果最优的路由包含在路由搜索空间内，如果这时搜索空间内的路由还不够k条，可以将没有包括在节能效果最优的路由中的k条最短路径加入路由搜索空间，以使得路由搜索空间内的路由达到k条。

在本发明实施例中，采用公式(1)、(2)和(3)对图2所示的网络拓扑计算节能路由的结果如下。

该图表示使用使用了两条路由，“125”和“135”，每条分配0.5Gbps的流量，满足链路利用率不大于50％的约束条件。模型中有三个变量

x_l和u_l。

的取值如下：

所有s不为1，或t不为5的

取值均为0。

对于s＝1和t＝5的

对应l取值为链路12，链路25，链路13和链路35时，取值均为0.5，否则取值为0。

x_l的取值如下(可以由此计算目标函数取值为40W)：

对应l取值为链路14，链路41，链路45和链路54时取值为1

其他取值为0.

u_l的取值如下：

对应l取值为链路12，链路25，链路13和链路35时，取值均为0.5

其他取值为0.

在本发明实施例中，在采用上述算法确定节能路由时，搜索空间是一个包含每对节点之间k(k为大于等于1的自然数)条路由的集合。根据以上实例，该搜索空间限定了

的取值：如果链路l不出现在从s到t的k条路由上，则的取值必然为0。而这种限定减少了优化过程中的无效尝试，提高了优化的求解速度。优选的，在本发明实施例中，可以进一步的采用优化的搜索空间确定节能路由。举例来说，确定了节能路由后，对每对节点之间所有可能的路由按照能耗从低到高排序，从上述排序的路由中选出前k条路由作为搜索空间，如果不够k条，以所有可能的路由作为搜索空间。采用优化的搜索空间计算节能路由，可以得到更优的节能优化效果，并且节省计算时间。

根据本发明的另一个实施例，如图3所示，本发明实施例还提供了一种确定节能路由的装置300，包括：

网络数据获取单元302，用于获取网络的拓扑结构、起始节点和流量数据，所述流量数据包括所述网络内的所有节点之间的流量。

节能路由计算单元304，用于根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算节能路由和节能路由对应的预留带宽。

优选地，节能路由计算单元304可以进一步包括节能路由计算子单元3040和搜索空间确定单元3042。其中，搜索空间确定单元3042用于对节能路由的节能效果进行排序，优先将将节能效果最优的路由包含在路由搜索空间内，而不是仅仅将k-shortest path(k条最短路径)作为路由搜索空间。从而可以取得更好的优化效果和减小优化计算时间。

本发明实施例提供的确定路由的装置和本发明实施例提供的确定路由的方法相对应，在此不再赘述。

本发明实施例提供的确定路由的方法和装置可以取得更好的优化效果和减小优化计算时间。

通过以上的实施方式的描述，本领域的普通技术人员可以清楚地了解到本发明实施例可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件来实现。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备、或者服务器、或者其他网络设备执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种确定节能路由的方法，其特征在于，包括：

获取网络的拓扑结构，起始节点，目标节点和流量数据，所述流量数据包括所述网络内的所有节点之间的流量记录；

根据所述的网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算所述起始节点和目标节点之间的节能路由和所述节能路由对应的预留带宽；

所述整数线性规划算法的目标函数为所述网络内的闲置链路的数量最大化，所述整数线性规划算法的约束条件包括流量约束条件，所述流量约束条件使用所述起始节点和目标节点之间的流量流经任意链路的流量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网络拓扑结构至少包括：

所述网络中的链路的带宽，所述网络中的链路的权值和所述网络中的节点之间的连接关系。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述整数线性规划算法由公式表示如下：

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{O}_l^i-\underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{I}_l^i=\left\{\begin{array}{c}{D}_{s,t},i=s\\ -D_{s,t},i=t\\ 0,t\≠s,t\end{array}\right.\end{array}s,t,i\∈V,s\≠t$

其中参数E表示所述网络的链路集合，参数V表示所述网络的节点集合；

参数

表示链路l是否为i节点的入链路；参数

表示链路l是否为i节点的出链路；

参数D_s，t表示所述流量数据中从所述起始节点s到所述目标节点t的流量；以及

是需要求解的变量，表示从所述起始节点s到目标节点t的流量流经链路l的值，根据f的取值确定所述节能路由。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述约束条件由公式表示如下：

$u_l=\frac{1}{C_l}\underset{s,t\∈V,s\≠t}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t},l\∈E$

x_l＝x_r(l)，l∈E

x_l+u_l≤1，l∈E

u_l≤U_T

其中，u_l表示链路l的利用率，C_l表示链路l的容量；x_l当链路l在空闲状态时为1，否则为0。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，满足目标函数Maximize

的

和xl的取值对应的路由为确定的节能路由，其中Pl表示链路l的功耗。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在计算节能路由之前确定路由搜索空间时，对节能路由的节能效果进行排序，优先将将节能效果最优的路由包含在路由搜索空间内。

7.一种确定节能路由的装置，其特征在于，包括：

网络数据获取单元，用于获取网络的拓扑结构、起始节点和流量数据，所述流量数据包括所述网络内的所有节点之间的流量。

节能路由计算单元，用于根据网络拓扑结构和流量数据，利用整数线性规划算法计算所述起始节点和目标节点之间的节能路由和所述节能路由对应的预留带宽；

所述整数线性规划算法的目标函数为所述网络内的闲置链路的数量最大化，所述整数线性规划算法的约束条件包括流量约束条件，所述流量约束条件使用所述起始节点和目标节点之间的流量流经任意链路的流量值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述网络拓扑结构至少包括：

所述网络中的链路的带宽，所述网络中的链路的权值和所述网络中的节点之间的连接关系。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述整数线性规划算法由公式表示如下：

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{O}_l^i-\underset{l\∈E}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t}{I}_l^i=\left\{\begin{array}{c}{D}_{s,t},i=s\\ -D_{s,t},i=t\\ 0,t\≠s,t\end{array}\right.\end{array}s,t,i\∈V,s\≠t$

其中参数E表示所述网络的链路集合，参数V表示所述网络的节点集合；

参数

表示链路l是否为i节点的入链路；参数

表示链路l是否为i节点的出链路；

参数D_s，t表示所述流量数据中从所述起始节点s到所述目标节点t的流量；以及

是需要求解的变量，表示从所述起始节点s到目标节点t的流量流经链路l的值，根据f的取值确定所述节能路由。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的装置，其特征在于，所述约束条件由公式表示如下：

$u_l=\frac{1}{C_l}\underset{s,t\∈V,s\≠t}{\mathrm{\Σ}}{f}_l^{s,t},l\∈E$

x_l＝x_r(l)，l∈E

x_l+u_l≤1，l∈E

u_l≤U_T

其中，u_l表示链路l的利用率，C_l表示链路l的容量；x_l当链路l在空闲状态时为1，否则为0。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，满足目标函数Maximize

的和x_l的取值对应的路由为确定的节能路由，其中Pl表示链路l的功耗。

12.根据权利要求7至11任意一项所述的装置，其特征在于，所述节能路由计算单元具体包括节能路由计算子单元和搜索空间确定单元，其中，所述搜索空间确定单元用于对节能路由的节能效果进行排序，优先将将节能效果最优的路由包含在路由搜索空间内。

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