CN104272665A - 功率感知入网点设计和自动配置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率感知入网点设计和自动配置方法，为了配置该功率感知入网点，入网点内的网络元件被加电，使得在容纳预期通信量的同时使功率消耗最小化。该IP功率感知入网点设计和自动配置方法包括：与入网点中的每个端口相关联的激活阈值的集合指示当通信量需求超过阈值时该端口应该被激活。该功率感知入网点设计和自动配置方法特别适用于将外部和内部链路通信量需求考虑在内，并且具有对端口激活进行排序的进一步优势的配置，使得仅需要最小数目的激活和停用操作来满足新的需求。该特性对于响应于不同需求的拓扑变化而引起的路由选择不稳定进行限制是有优势的。

Description

功率感知入网点设计和自动配置

技术领域

本发明通常涉及入网点(point-of-presence)之间的连接，并且尤其涉及到入网点内的网络元件被加电，使得在容纳预期通信量(traffic)的同时使功率消耗最小化的配置方法。

背景技术

当前的远程通信网络是以独立于通信量负载的近乎恒定的功率来运行的。暂时的通信量需求能够明显小于整个网络的容量。通常认为，通常通信量需求和网络容量之间的重大差异是随着时间推移网络通信量的重大变化和网络服务供应商容量超量供应的结果。

由于因特网主干网(backbone)由入网点(PoP)的网络组成，对每个单个PoP的能量消耗进行优化可以作为实现全网功率效率的方法。

在现代的IP网络中，每个PoP由多个核心路由器和访问路由器成，该多个核心路由器和访问路由器同地协作，并且如下所示相互连接。访问路由器作为局域网的终点连接到核心路由器。给定PoP的核心路由器典型地在全网(full mesh)中连接在一起。另外，一个PoP的核心路由器被连接到一个或多个不同的PoP的核心路由器。而且，在当前的实践中，不同PoP的核心路由器之间的连通典型地采用将多个物理链路合并为单个逻辑链路的链路聚合(或等同地，链路绑定(bundling))。

可获得的网络容量和暂时的通信量需求之间的差距提供了在减少网络功率消耗的同时不显著影响网络性能的停用网络组件的机会。因此，为了减小PoP内功率消耗而不显著影响网络性能，需要有能够确定对哪个网络组件进行停用或者激活的系统或方法。

发明内容

本发明的目的是提供用于最小化入网点处的功率消耗而不显著影响网络性能的方法和系统。

因此，根据本发明的一方面，提供了一种激活入网点节点内的网络元件的方法，所述入网点节点具有第一核心路由器、具有与所述第一核心路由器相关联的单独的端口的线卡的集合，所述激活涉及与入网点节点相关联的通信量需求，所述方法具有以下步骤：计算激活阈值的集合，其中，所述线卡的集合的每个端口具有单独的激活阈值；及时地在特定的点确定所述通信量需求；在所述通信量需求超过所述单独的激活阈值的情况下，激活线卡上的特定的端口；在所述通信量需求没有超过所述单独的激活阈值的情况下，将所述特定的端口置于功率最小化模式中；并且其中，在所述线卡上没有端口被激活的情况下，将所述线卡的集合中的线卡置于功率最小化模式中。

根据本发明的另一方面，提供了一种入网点节点内的系统，所述入网点节点具有第一核心路由器、具有与所述第一核心路由器相关联的单独的端口的线卡的集合、以及与入网点节点相关联的通信量需求，该入网点节点具有：激活阈值的集合的存储器，其中，所述激活阈值的集合中的激活阈值与所述线卡的集合的端口相关联；以及控制器，在所述通信量需求超过与所述端口相关联的所述单独的激活阈值的情况下，所述控制器激活线卡上的特定的端口；在所述通信量需求没有超过所述单独的激活阈值的情况下，所述控制器将所述特定的端口置于功率最小化模式中；并且在所述线卡上没有端口被激活的情况下，所述控制器还将所述线卡的集合中的线卡置于功率最小化模式中。

注意：以下说明书和附图中仅说明了本发明的原则。因此可以理解的是，本领域技术人员将能够设计出各种配置，即使没有在这里明确地描述，但这些配置体现了本发明的原则，并且被包括在本发明的精神和范围之内。此外，这里列举的所有示例大部分仅明确地用于教导的目的，以帮助读者理解本发明的原则和本发明人贡献的思想来进一步促进本技术，并且，这里列举的所有示例解释为不限于明确陈述的示例和条件。而且，这里陈述的本发明的原则、方面和实施方式的所有的表述与其具体的示例，其有意于包含了其等同物。

附图说明

本发明将由本发明的以下参考附图的实施方式的详细说明而得到进一步的理解，其中，相同的参考数字用于代表相同的元件，并且：

图1示出根据现有技术的具有连接链路的PoP的网络；

图2示出根据本发明的实施方式的具有连接链路的PoP的网络；

图3A和图3B示出根据本发明的实施方式的PoP及其访问端口布置；

图4A和图4B示出根据本发明的另一实施方式的PoP及其访问端口布置；以及

图5示出根据本发明的又一实施方式的PoP。

具体实施方式

以下描述中陈述了大量具体细节。然而，应该理解的是，本发明的实施方式没有这些具体细节也可以实践。在其他例子中，为了不妨碍本说明书的理解，熟知的电路、结构和技术不详细地示出。然而，本领域技术人员应该理解的是本发明没有这些具体细节也可以被实践。在其他例子中，为了不妨碍本发明的理解，控制结构、门级电路和全部软件指令序列并不详细地示出。根据所包括的说明书，本领域普通技术人员将不用通过过多的实验就能够实现适当的功能。

说明书中的参考“一个实施方式”、“实施方式”、“示例性实施方式”等表示所描述的实施方式可以包括特定的特点、结构或特征，但不是每一个实施方式都必须包括该特点、结构或特征。而且，这些词并不是必须指相同的实施方式。而且，联系实施方式来描述特定的特点、结构或特征时，不论是否明确地说明，都主张其在本领域技术人员的知识之内，以影响与其它实施方式有关的这些特点、结构或特征。

在接下来的说明书和权利要求书中，术语“耦合”和“连接”与它们的衍生词可以一起使用。应该理解的是，这些术语相互之间并不意于是同义词。“耦合”用于表示相互连接或不连接的两个或多个元件可以直接物理的或电性的互相配合或相互作用。“连接”用于表示互相耦合的两个或多个元件之间通信的建立。

附图中示出的技术能够用一个或多个电子设备(例如，网络元件)上存储并执行的代码和数据来实施。这些电子设备使用机器可读的介质(例如机器存储介质(例如，磁盘、光盘、随机存取存储器、只读存储器、闪存设备)和机器通信介质(例如，电、光、声或传播信号的其他形式-例如载波、红外线信号、数字信号等))对代码和数据进行存储和通信(内部地以及与网络上的其他电子设备)。另外，这些电子设备典型地包括耦合到一个或多个其他组件(例如，存储设备)的一个或多个处理器组、一个或多个用户输入/输出设备(例如，键盘和/或显示器)以及网络连接件。处理器组和其他组件的耦合典型地通过一个或多个总线和网桥(也叫作总线控制器)来完成。存储设备和运输网络通信量的信号分别代表一个或多个机器存储介质和机器通信介质。因此，给定的电子设备的存储设备典型地存储用于在该电子设备的一个或多个处理器的集合上执行的代码和/或数据。当然，本发明的实施方式的一个或多个部件可以通过使用软件、固件和/或硬件的不同组合来实施。

如这里所使用的，网络元件(例如，路由器、交换机、网桥等)是件网络装置，该网络装置包括与网络中的其他装置(例如，其他网络元件、计算机终端站等)相互通信地连接的硬件和软件。顾客计算机终端站(例如，智能终端、笔记本电脑、手持设备、移动电话等)对因特网上提供的内容/服务和/或(例如，与因特网)相关联的网络上提供的内容/服务进行存取。该内容和/或服务典型地由一个或多个服务器计算终端站来提供，该服务器计算终端站属于服务器或内容供应商，并且该内容和/或服务可以包括公共网页(免费内容、铺面、搜索服务等)、个人网页(例如，提供电子邮箱服务的用户名/密码存取的网页等)、VPN上的企业网等。典型地，用户计算终端站被耦合(例如，通过耦合到接入网的用户预定装置无线地耦合到接入网)到边缘网络元件，该边缘网络元件通过因特网的核心网络元件被耦合到该服务器计算终端站。

在以下附图中，相同的参考数字用于代表相同的元件。

初级示例

图1和图2中可以看到显示功率感知PoP设计和自动配置的优势的说明性示例。考虑图1中示出的带有三个PoP 102、104和106的网络。该示例的目的是关注PoP-A 102与其它两个PoP(叫作PoP-B 104和PoP-C 106)的相互连接。假设每个核心路由器被连接到全部局域网132、134和136。PoP-A包括4个核心路由器(CR)112、114、116和118，每个核心路由器分别具有2个100Gbps的端口122a和122b、122c和122d，122e和122f，122g和122h，用于在PoP之间进行通信。在这个示例中，PoP-A和其它PoP的每一个之间的通信量需求在峰值需求期间是200Gbps，在对应于谷值的期间是仅100Gbps。图1示出PoP过量提供了两倍。注意图1中的示例允许PoP-A 102和其它两个PoP 104和106之间相互连接的可能性。对于这个例子，假设除去端口的功率消耗之外，每个路由器(机箱(chassis))具有10kW的功率空间(footprint)，并且每个端口具有5kW的功率空间。

接下来，列举了4种不同情景中的功率消耗。如图1中所示，前三种情景考虑了基于链路聚合(也叫链路绑定)的PoP连通，而图2中示范了供选择的PoP设计的效果。

不间断：在这种情况下，全部网络元件总是处于加电状态。简单的计算示出总功率消耗为：

4·(10+2·5)＝80kW

明显超量供应：这里假设该网络在峰值需求下运作，并且简单地利用该网络被2倍超量供应的事实。因此，例如，有可能在满足峰值需求并服从以下总功率消耗的同时，将两个核心路由器与附带的链路一起关闭：

2·(10+2·5)＝40kW

利用通信量变化：假设图1所描述的连通，接下来的方案通过利用每日通信量变化示范了能量节省。在较低需求的体制下，仅需要两个活动的路由器，每个活动的路由器带有单个活动的端口。简单的计算示出这种情况下总功率消耗为：

2·(10+5)＝30kW

供选择的网络设计：该方案说明了致使PoP内拓扑结构重新设计的能量节省。考虑图2中示出的拓扑结构，其中，相同的参考数字代表相同的PoP和网络元件。与图1的122a-122h的PoP内部链路相比较，图2中拓扑结构的变化是对于PoP内部链路224a-224h的连接的差别。容易看出，在较低通信量需求之下，有可能关闭除了服从以下总功率消耗的单个路由器之外的所有路由器：

(10+2·5)＝20kW

最后两种情景中的每一种结果都是两个活动端口。

功率消耗中的差别是由这两种情景要求不同数目的活动的核心路由器引起的。因此，从“不间断”网络到被认真设计并能够利用超量供应和通信量变化的网络，能够观察到功率较少了4倍。

以上示例说明，即使是在由两个路由器和两个端口/路由器组成的简单例子中，也能够用仔细的网络设计和自动配置来实现明显的功率节省。

网络模式

二级IP主干网被认为是一般的代表。在更高等级上(称为网络级)，该网络由多个入网点(PoP)组成。每个PoP为局域网提供通信服务，并且还连接到其他几个PoP。代表PoP的网络的图表称为网络图。

每个PoP的内部拓扑结构构成了IP主干网的较低等级。这里，每个PoP由几个IP核心路由器(CR)组成。该CR具有内部和外部链路，其中，内部链路是同一PoP内部的两个CR之间的连接，而外部链路是不同PoP中两个CR之间或CR和接入网络之间的连接。单个PoP的内部拓扑结构及其与其它PoP和接入网络的链接叫作PoP图。

二级IP主干网被认为是一般的代表。在更高等级上(称为网络级)，该网络由多个入网点(PoP)组成。每个PoP为局域网提供通信服务，并且还连接到其他几个PoP。代表PoP的网络的图表称为网络图。

每个PoP的内部拓扑结构构成了IP主干网的较低等级。这里，每个PoP由几个IP核心路由器(CR)组成。该CR具有内部和外部链路，其中，内部链路是同一PoP内部的两个CR之间的连接，而外部链路是不同PoP中两个CR之间或CR和接入网络之间的连接。单个PoP的内部拓扑结构及其与其它PoP和接入网络的链接叫作PoP图。

每个PoP A由G(V,U,E)表示，其中，V＝{v₁,···,v_N}表示PoP内部N个完全相同的CR的集合。U＝{u₁,···,u_M}是代表连接到PoP A的其他PoP和局域网的M个访问节点(AN)的集合。该AN组成了该模型中通信量的来源和终点。集合E定义了PoP A的内部和外部连接。每一个带有容量的链路都规范到一个单元。注意到，集合E不包含AN之间的任意链路。还注意到，图G能够是多个图，也就是，两个相邻的节点可以通过多个链路来连接。所考虑的是两个可能的PoP架构。

1、多个单机箱系统：在该架构中，每个CR都是单机箱系统，并且因此，一些路由器端口用于PoP内部通信。当考虑该架构时，假设有带有N个CR的系统。

2、单个多机箱系统：多机箱路由器允许多个机箱聚合在一起形成单个逻辑路由器。在这种架构中，几个线卡机箱经由它们的底板(backplane)连接到无阻塞可扩展交换机结构矩阵。因此，所有的端口用于外部链路。当考虑该配置时，假设有带有N个机箱的单个CR。

不论所考虑的架构是什么，假设每个机箱有L个线卡，并且每个线卡有P个端口。而且，假设网络中的每个组件(机箱、线卡或端口)都支持操作的睡眠模式，也就是，一经要求，每个设备都能够转换到睡眠模式。假设设备在睡眠模式不消耗功率。特别地，CR的总功率消耗T由以下等式给出：

$T=\underset{i=1}{\overset{N_a}{\mathrm{\Σ}}}(W_c+\underset{j=1}{\overset{L_i}{\mathrm{\Σ}}}(W_l+\underset{k=1}{\overset{P_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Σ}}}{W}_p))$

其中，W_c、W_l和W_p分别表示每个机箱、线卡和端口的功率消耗。N_a≤N表示活动的CR的数目，L_i(1≤i≤N_a)表示第i个活动的CR中活动的线卡的数目，并且P_ij(1≤i≤N_a,1≤j≤Li)表示第i个活动的CR的第j个活动的线卡中活动端口的数目。

假设一对AN(u_i,u_j∈U)之间的随时间变化的通信量需求(f_i,j(t))是事先已知的，并且所有的需求由暂时的需求矩阵F(t)代表。该矩阵的第(i,j)个入口由f_i,j(t)表示，并且代表AN u_i和u_j之间的暂时的需求。该讨论处理穿过不同的来源终点对的通信量需求相关的情况，也就是，规模一致的情况。总之，如果暂时的需求矩阵F(t)由下式给出，那么通信量需求被认为是相关的：

$f\left(t\right)=\left[f_{i,j}\left(t\right)\right]=\left[F_{i,j}\right]\·\mathrm{\α}\left(t\right),{\∀}_{i,j,t}$

其中，F_i,j是正的常量，其表示u_i和u_j之间最大的通信量需求，并且α(t)(暂时的负载)是在范围[0...1]内已知的时变函数。注意到，对于相关的通信量需求来说，所有来源终点对在每个时间点的α(t)都是相同的。令r_i(t)＝R_i·α(t)表示节点u_i的聚合暂时的需求，其中，并代表节点u_i的最大通信量需求。

方法概述

当活动的端口的数目(由e(t)表示)、活动的线卡的数目(由l(t)表示)、以及活动的CR的数目(由n(t)表示)被最小化时，在PoP处获得最优化的功率消耗。有可能通过在任意给定的时间t恰好激活每个访问节点u_i∈U的端口，来最小化活动的端口的数目。然而，由于被选为激活的端口的集合来确定哪个CR和线卡被激活，因此，对活动的CR和线卡的数目进行最小化的问题更加具有挑战性。主要的挑战是找到使e(t)、l(t)和n(t)最小化的CR端口和AN端口之间的匹配。

考虑带有N个核心路由器(编号为1,...,N)的PoP，每个核心路由器都带有L个线卡，每个线卡具有P个端口。穿过各种CR的线卡编号为1,...,N·L。相似地，穿过各种CR的端口编号为1,...,N·L·P。特别地，第一CR的端口编号为1,...,L·P，而该CR的第一线卡的端口从1,...,P开始枚举。第二CR的端口编号为P·L+1,...,2·P·L等等。代表CR端口和AN端口之间连通的匹配是由Λ表示的NKP元组。Λ的第j个元件对应于连接到CR端口j的AN端口。

在该方法背后主要的理念是将AN端口以用于满足通信量需求而被激活的顺序来安排。更特别地，元组Λ确保任意CR端口j仅在CR端口j-1之后(或与CR端口j-1同时)和端口j+1之前(或与CR端口j+1同时)被激活。

通过考虑以下属性，可以更好地理解本发明。

如果由图G(V,U,E)代表的PoP设计满足由矩阵F_max指定的最大通信量需求，则其为有效的。

考虑到这些，自动配置方法的目标是当最小化PoP的全部功率消耗时，找到有效的PoP设计G(V,U,E)和时间表S，该时间表S指定每个CR、线卡和端口的活动和睡眠时间，以使得在每个时间点t由活动的元件来满足通信量需求。

令r_i(t)为AN u_i∈U的聚合需求。在时间t，活动的端口的最小数目是活动的线卡的最小数目是并且所需的活动的核心路由器的最小数目是

可以通过考虑任意访问节点u_i∈U在时间t的聚合需求r_i(t)来进行示范。由于每条链路的容量是一个单元，所以访问节点u_i和核心路由器之间的活动链路的数目必须至少为马上将在下文介绍关于在时间t所需活动端口的数目的下界e_min(t)。由于每个核心路由器有L个线卡，每个线卡有P个端口，结果就是，所需的活动的线卡和核心路由器的数目分别至少为l_min(t)和n_min(t)。

如果通过在任意给定时间t仅激活第一e_min(t)CR端口、第一l_min(t)线卡和第一n_min(t)CR来满足通信量需求，则PoP设计被认为是嵌套的。

由之前的讨论可以得到，嵌套的PoP设计产生最佳的链路激活。

该嵌套特性还确保了以下重要结果，就是当通信量需求改变时，自动配置方案要求最小数目的激活和停用操作来满足新的需求。上述结果对于限制由拓扑的改变而引起的路由选择不稳定性是重要的。

对于多机箱系统的方法详情

对于AN u_i∈U的每个AN端口p∈{1,…,R_i}，其中R_i表示AN u_i的最大聚合需求，定义了元组：

$w_{i,p}=(h_{i,p}=\frac{p-1}{R_i},u_i,p)$

其中，h_i,p叫作端口p的激活阈值。更特别地，如果α(t)>h_i,p，则端口p被激活。因此，端口布置Λ通过根据编辑(lexicographical)顺序(也就是，基于元组w_i,p)对AN端口进行排序来获得。当暂时的负载(t)超过h_i,p时，激活节点u_i的每个AN端口p及其配对的CR端口。相似地，如果其至少一个端口被激活，则CR被转换为活动模式。否则，其仍然是睡眠模式。

该方法的伪代码表示如下：

对于每个AN u_i∈U，每个端口p∈[1,R_i]，则：

对于每个CR j∈N，则：

当考虑线卡时，将CR j与Λ中的AN端口(j–1)·L·P+1到j·L·P连接。

由该方法定义的连接满足该嵌套特性。可以看出该方法仅激活了链路。考虑AN u_i。在时间t，只有当h_i,p<α(t)时，该端口排序方法才激活u_i的端口p。结果就是，AN u_i的活动端口的数目是因此，u_i的活动端口的总数目满足活动端口的最小数目的下界。

并且，该方法仅激活线卡和核心路由器。由于AN端口是根据它们的激活阈值来排序的，所以以所排序的顺序，节点u_i的端口p之前出现的AN u_j的每个端口p′满足：

h_j,p′<h_i,p

并且因此，不论端口p何时被激活，p′将被激活。因此，结果就是，在时间t仅有Λ中的第一e_min(t)AN端口被激活。因此，在时间t仅有指标小于或等于e_min(t)的CR端口被激活。

参考图3，可以看到示范本发明的端口排序方法的操作的实施方式的示例。图3中可以看到PoP 300具有N＝3个CR 340、342和344，每个CR有L＝3个线卡341a、341b、341c；343a、343b、343c；以及345a、345b、345c；每个线卡分别具有P＝2个端口。进一步可以看到四个AN 351、352、353和354(分别表示为U＝{u₁,…,u₄})。第一个AN是相邻的PoP，并且其他三个代表局域网。为简单起见，假设仅在每个AN{u₂,u₃,u₄}和PoP u₁之间有通信量(也就是，在AN之间没有通信量)，并且AN的最大通信量需求是R₂＝4,R₃＝R₄＝2，而其他PoP u₁有最大通信量需求R₁＝8。图3示出产生该端口排序方法的PoP设计，而表1示出了端口布置元组Λ。为了便于说明表1，AN端口被布置在4行中，每一行对应于一个AN的端口。注意到在这个设计中，仅有CR-1340及其第一341a和第二341b线卡始终被激活。随着α(t)被增加，额外的CR和线卡被激活。例如，当α(t)>1/4时，CR-2342被激活，并且当α(t)>5/8时，CR-3344被激活。对于后者，通信量需要在CR-2342和CR-3344之间交换，并且因此，这两个CR应该被连接。该方法中这种情况需要额外对待，如将要进一步描述的。

对于单机箱系统的方法详情

在一些PoP设计中，内部通信量(也就是，PoP内部的CR之间的通信量)是不可避免的。在这部分中，提出了用于对PoP内部的CR进行内部连接的星形拓扑。这里，额外的CR(叫作中心节点)被连接到所有其他的CR，并且传递全部的PoP内部的通信量。

假设每一个CR(除去中心节点)都为PoP内部的通信量贡献其L·P个端口中的Q个端口，而剩余的K＝L·P-Q个端口用于外部通信量。为内部通信量贡献的Q个端口可以均匀地分布在每个CR的线卡之中，或者也可以与一个或几个线卡相关联。当这个设计选择影响CR的活动的线卡的数目时，它就不会影响PoP内部的通信量的数目。由于Q依赖于通信量矩阵和AN与PoP内部的CR之间的连通，因此使用迭代过程来计算K和Q。该过程通过初始化Q＝0和K＝P·L开始。在每次迭代中，Q增加了1，并设置K＝P-Q直到找到满足通信量需求的PoP配置。注意到对于Q≥L·P/2，这种设计能够被找到。在每次迭代中，该方法执行了以下两个步骤：

1、首先，通过使用之前描述的端口排序方法来计算PoP配置。

2、然后，使用线性程序LP1检查是否Q个端口足够用于支撑最大通信量负载下的PoP内部的通信量，也就是α(t)＝1。

以伪代码给出该方法的正式的描述如下：

Q＝-1；Found＝FALSE

重复

Q＝Q+1,K＝L·P-Q

计算PoP配置，每个CR有K个端口

的解决方案

如果(LP1有可行的解决方案)并且那么

Found＝TRUE

直到(found＝＝TRUE)

返回PoP配置和Q

接下来描述线性程序方法LP1。考虑最大需求矩阵F_max和带有ANu_i∈U和CR之间的链路的PoP设计G(V,U,E)。该LP使用以下变量：

对于每一对AN u_i,u_j∈U和CR v_a,v_b∈V，令表示横穿CR v_a的从u_i到u_j的通信量的数量。另外，令表示从u_i到u_j沿着路径{u_i,v_a,hub,v_b,u_j}穿过中心节点的通信量的数量。

注意到这个构想并没有假设在任意对AN的两个方向上有相同的通信量需求。

在如下所述的线性程序LP1中，约束条件(2a)和(2b)证实Q是每个方向上中心节点和每个CR之间的通信量的上界。约束条件(2c)是流量约束以确保LP的解决方案满足每个来源终点对之间的通信量需求。约束条件(2d)和(2e)是证实流量分配并没有违背每个CR-AN对之间的可用容量的容量约束条件。

现在LP1可以通过以下式子来描述：

LP1:       最小Q

使：

$\&ForAll;v_a\&Element;V:Q\&GreaterEqual;\underset{u_i,u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{i,j}^{a,b}}---\left(2a\right)$

$\&ForAll;v_a\&Element;V:Q\&GreaterEqual;\underset{u_i,u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{i,j}^{b,a}}---\left(2b\right)$

$\&ForAll;u_i,u_j\&Element;U:F_{i,j}=\underset{v_a\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{i,j}^a+\underset{v_a,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{i,j}^{a,b}---\left(2c\right)$

$\&ForAll;u_i\&Element;U,v_a\&Element;V{S}_i^a\&GreaterEqual;\underset{u_j\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{i,j}^a+\underset{u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{i,j}^{a,b}}---\left(2d\right)$

$\&ForAll;u_i\&Element;U,v_a\&Element;V{S}_i^a\&GreaterEqual;\underset{u_j\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{j,i}^a+\underset{u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{j,i}^{b,a}}---\left(2e\right)$

$\&ForAll;u_i,u_j\&Element;U,v_a\&Element;V{y}_i^a\&GreaterEqual;0---\left(2f\right)$

$\&ForAll;u_i,u_j\&Element;U,v_a,v_b\&Element;V{h}_{i,j}^{a,b}\&GreaterEqual;0---\left(2g\right)$

参考图4，现在可以详细考虑PoP内部通信量的问题。如参考上图3所提及的，当α(t)>5/8时，CR-2342和CR-3344必须被连接。在图4的供选择的配置中，每个CR 440、442和444都用单个链路连接到中心节点446，也就是Q＝1。该额外的连通足以用最小的Q来支持最大通信量需求。表2代表由端口排序方法计算的端口的激活阈值。

注意到图4中示出的配置能够通过将CR-1440和CR-2442直接连接并将AN u₁的端口从中心节点446转移到CR-3444来改进。图5中描述的供选择的配置能够将图4的中心节点446移除，而同时继续满足最大通信量需求。

自动配置方法

本发明现在给出了用于最小化活动的组件的总数目，同时对于给定的α(t)满足暂时的通信量需求的自动配置方法。该自动配置方法还考虑了PoP内部的连通。在将PoP的暂时的通信量需求列入预算时，额外的外部链路的激活可能是必需的。

如前所述，考虑到排序的矢量仅当α(t)超过某个阈值时，才激活新的链路。给定两个连续的值以下过程确定对于给定的暂时的负载的自动配置。该方法寻求通过激活以较高指标附于CR的链路之前激活连接到具有较低指标的CR的链路，来满足该嵌套特性。权重w_a＝j被关联到以指标j附到CR v_a∈V的每个链路，并且权重w_h被关联到附到中心节点的所有链路。在该方法中，在额外的外部链路上，优先使用内部链路。因此，使用的设置是w_h＝1。因此，使用线性程序LP2来最小化CR和AN之间流量的总权重。线性程序LP2具有与线性程序LP1相同的变量，还有以下新的变量。

每个变量用作AN u_i和CR v_a之间通信量的上界，而x^a≥0用作CR v_a∈V和中心节点之间的通信量的上界。

线性程序LP2具有以下约束条件：约束条件(3a)、(3b)和(3c)证实了是AN u_i和CR v_a之间通信量的上界，而没有违背这两个节点之间的容量。约束条件(3d)、(3e)和(3f)确保CR和中心节点之间的相似条件，而约束条件(3g)确保LP2满足通信量需求。因此，对于给定的负载AN-CR对u_i和由LP2输出的v_a之间的活动链路的数目是并且任意CR v_a∈V和中心节点之间的活动链路的数目是

回想到带有一些微小修改的线性程序LP2可以用于找到对于图5中示出的配置的端口的最优激活阈值。因此，对于α(t)∈(1/2,5/8]，也可以用最小数目的元件来满足暂时的通信量需求。

LP2:     最小 $\underset{u_i\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_a\&CenterDot;g_i^a+\underset{v_a\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_h\&CenterDot;x_a$

使:

$\&ForAll;u_i\&Element;U,v_a\&Element;V:g_i^a\&GreaterEqual;\underset{u_i\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{i,j}^a+\underset{u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{i,j}^{a,b}}---\left(3a\right)$

$\&ForAll;u_i\&Element;U,v_a\&Element;V:g_i^a\&GreaterEqual;\underset{u_j\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{j,i}^a+\underset{u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{j,i}^{b,a}}---\left(3b\right)$

$\&ForAll;u_i\&Element;U,v_a\&Element;V:s_i^a\&GreaterEqual;g_i^a---\left(3c\right)$

$\&ForAll;v_a\&Element;V:x^a\&GreaterEqual;\underset{u_i,u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{i,j}^{a,b}}---\left(3d\right)$

$\&ForAll;v_a\&Element;V:x^a\&GreaterEqual;\underset{u_i,u_j\&Element;U,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}{h}_{j,i}^{b,a}}---\left(3e\right)$

$\&ForAll;v_a\&Element;V:Q\&GreaterEqual;x^a---\left(3f\right)$

$\&ForAll;u_i,u_j\&Element;U:F_{i,j}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\underset{v_a\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{y}_{i,j}^a+\underset{v_a,v_b\&Element;V}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{i,j}^{a,b}---\left(3g\right)$

模拟结果

假设所公开的各种能量节约方法是在单个PoP(以后叫作PoP A)中进行部署的。在模拟设置中，PoP A具有4个相邻的PoP和10个相邻的局域网。14个AN(4个PoP+10个局域网)是模拟设置中产生的所有通信量的来源和终点，所有的通信量假设为经过PoP A。

不失一般性地，该模拟假设始终都是每个CR都有单个线卡。该假设简化了讨论而没有影响所呈现结果的一般性。PoP A内部的每个CR具有P个端口(在该模拟中P＝8、12、16)，每个端口运输一个单元的通信量(注意到在这个部分中P表示核心路由器的端口的总数目)。这些端口中的一些端口运输外部的通信量，同时剩余的端口运输PoP A内部的CR之间的通信量。如前所述，假设核心路由器经由中心节点互相连接，并且核心路由器还假设具有P个端口。对于该模拟，假设每个活动的端口的功率消耗是0.5KW，而CR机箱的功率消耗依赖于其具有的端口数目。对于该模拟，具有8、12和16个端口的CR的功率消耗假设分别为4KW、6KW和8KW。尽管不同评价算法的绝对功率消耗可以在不同的假设下变化，但可以预料到不同算法的相对的性能是相似的，强调这一点是比较重要的。

接下来的方法用于具体说明每个来源终点对之间的通信量需求。由PoP A处理的最大通信量(进来的和出去的)是固定的，然后该最大通信量根据固定的配置被分成三个等级(在模拟设置中分别是30％、40％和30％)，也就是，PoP-PoP、PoP–局域网和局域网-局域网。每个等级内部的通信量进一步在属于该等级的所有来源终点对中相等地分开。为了确保现实的通信量模式的产生，将初始需求乘以均匀分布在[1/4,7/4]范围内的随机变量。在该模拟中，产生了40个明显的通信量例子，其中用于支持每个例子的峰值通信量需求的所需容量在60和80个通信量单元之间。

用于模拟比较的候选算法

各种候选算法的区别是基于：

(i)用于确定AN和PoP内部的CR之间的连通的算法；以及

(ii)自动配置过程。

随机方案：这里，从AN到PoP A的CR的链路(排除中心节点)随机地穿过CR均匀分布。更准确地说，每个链路随机选择穿过CR连接的有效端口。来自给定AN的链路总数由其峰值需求来确定。另外，选择最小化PoP内部通行量的随机设计，也就是，对于每个通信量例子和对于K和Q的每个值，产生了10个随机PoP设计。该设计具有内部链路的最小数目，也就是当选择满足该通信量需求时的最小的Q。对于每个AN，随机均匀地选择其链路的子集以运输其通信量。

贪婪方案：在该方案中，以随机方案中相同的方式来确定AN和CR之间的内部连接。然后，用贪婪启发法来激活CR。在每个步骤中，计算与每个CR相关联的权重，该权重代表来自能够令人满意的访问节点的(目前为止仍)未分配的通信量需求的总数目。然后，具有最大权重的核心路由器被激活，并且该过程被重复，直到每个访问节点的通信量需求量令人满意。

绑定链路PoP设计方案：将多个物理链路耦合成为单个逻辑链路的通常使用的绑定链路技术启发了该方案。在该方案中，在较小数目的逻辑链路上绑定该访问节点的通信量，使得每个访问节点最多物理地连接到两个CR。计算关于外部链路和核心路由器的数目的下界。这些计算忽略了内部通信量，并且假设所有的CR端口只用于外部通信量。

与其他候选解决方案相比，该模拟产生了端口排序方法所示范的重大优点。当P＝12、16时，其中作为结果的PoP配置产生了近似最优的功率消耗，并且在正常通信量下，在任意可能的不间断策略之上，提供了超过3倍的功率节省，该方法在这种情况下特别具有吸引力。

从该模拟产生基于该绑定链路方案的PoP设计，该方案比其他候选算法显著地需要更多数目的活动的CR。特别地，对于α＝100％，需要支持最大通信量需求的PoP A中的CR的数目被模拟。CR的数目需要在PoP中进行部署。该结果示出绑定链路方法需要比本发明的端口排序方法所需的数目多两倍的CR数目。这证明了本发明的方法不仅减少了功率消耗，而且从巨大的设备费用节约中产生了利益。

这样概括，当与目前的最先进技术(其使所有的网络元件一直在运行)相比较时，根据本发明的实施方式的自动配置方法，在需求-容量比率值的广阔范围上实现3倍或更多的能量节省。除了当与基于网络设计的链路绑定相比较的重大能源节省(5倍)之外，该模拟还示出，该方案还实现了用于支持最大通信量需求的所需核心路由器的数目减少2倍(或更多)。比较产生巨大数目的PoP内部通信量的链路绑定方法，这些节省几乎全部通过消除PoP内部的通信量来实现。

因此，本发明所公开的是一种用于激活阈值的集合的确定的方法和系统，以及连接访问节点和核心路由器的端口的排序，使得只有在临时通信量超过与给定端口相关联的激活阈值的条件下，该端口才被激活。只有给定线卡的至少一个端口被激活，该线卡才被激活。同样地，只有给定核心路由器的至少一个线卡被激活，该核心路由器才被激活。如果设备没有被激活，其处于睡眠状态，则使功率消耗最小化。该端口排序方法在外部(PoP到PoP)链路和内部(该PoP内部的CR到CR)链路上的通信量需求都提供了解释。该自动配置方法还具有将端口激活进行排序的优点，使得只有最小数目的激活和停用操作来满足所需的新的需求。该特性对于限制由拓扑变化引起的路由选择不稳定来说是有利的。

注意，在之前的讨论中，本领域技术人员将很容易地认识到上述各种方法的步骤能够通过适当配置的网络处理器来执行。这里，一些实施方式还有意于覆盖程序存储装置(例如，数字数据存储介质，该数字数据存储介质是机器或计算机可读的，并对机器可执行或计算机可执行指令的程序进行编码)，其中所述指令执行上述方法的全部步骤。该程序存储装置全部是有形的，并且是非暂存存储介质，并且例如可以是数字存储器、磁性存储介质(例如，磁盘和磁带)、硬盘驱动器或光学可读的数字数据存储介质。该实施方式还有意于覆盖被编程以执行上述方法所述的步骤的网络元件处理器。

可以对本发明的实施方式作出不偏离权利要求书中所定义的本发明的范围的很多修改、变型和改编。

Claims (2)

1.一种激活入网点节点内的网络元件的方法，所述入网点节点具有第一核心路由器、具有与所述第一核心路由器相关联的单独的端口的线卡的集合，所述激活涉及与入网点节点相关联的通信量需求，所述方法包括以下步骤：

计算激活阈值的集合，其中，所述线卡的集合的每个端口具有单独的激活阈值；

及时地在特定的点确定所述通信量需求；

如果所述通信量需求超过所述单独的激活阈值，则激活线卡上的特定的端口；

如果所述通信量需求没有超过所述单独的激活阈值，则将所述特定的端口置于功率最小化模式中；并且

其中，如果所述线卡上没有端口被激活，则将所述线卡的集合中的线卡置于功率最小化模式中。

2.一种入网点节点内的系统，所述入网点节点具有第一核心路由器、具有与所述第一核心路由器相关联的单独的端口的线卡的集合、以及与入网点节点相关联的通信量需求，该入网点节点具有：

具有激活阈值的集合的存储器，其中，所述激活阈值的集合中的激活阈值与所述线卡的集合的端口相关联；以及

控制器，在所述通信量需求超过与所述端口相关联的所述单独的激活阈值的情况下，所述控制器激活线卡上的特定的端口；

在所述通信量需求没有超过所述单独的激活阈值的情况下，所述控制器将所述特定的端口置于功率最小化模式中；并且

在所述线卡上没有端口被激活的情况下，所述控制器还将所述线卡的集合中的线卡置于功率最小化模式中。