CN108964931A - 一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以太网的节能方案，特别是一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案。本发明主要包括下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。主要应用在大型网络规模、大型网络拓扑结构的以太网网络节能。

Description

一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案
技术领域
本发明涉及一种以太网的节能方案，特别是一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，可用于大型网络规模、大型网络拓扑结构的以太网网络节能，为以太网网络应用及其研究提供节能方案。
背景技术
以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，其传输速率有10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s、10Gbit/s四种，介质为双绞线或光纤，能满足以太网快速、实时、可靠的控制要求。从而在近几年得到了广泛应用。
目前，国内外都对以太网网络进行了大量的研究与应用。统计数据显示，2018年全球以太网的接入节点数已超过40亿，而与之相连接的交换机、路由器等设备的数量也同样庞大。然而传统以太网网络系统设计的两个原则：超额资源供给和冗余设计，都有悖于低碳节能的目标，从而造成当前以太网网络的能耗效率极其低下。目前以太网网络繁忙时的最大平均链路利用率不足30％，很多以太网网络的空闲时链路利用率甚至不足5％。大多数所有以太网网络设备的能耗都是由峰值带宽决定的，且绝大部分设备为7×24小时全速工作。但网络用户真正需要最高带宽的工作时间不足设备运行时间的5％。这就意味着即使在以太网网络空闲的情况下以太网网络设备依旧按照峰值带宽的标准消耗能量。
因此，以太网网络设备和计算机设备对能源的消耗严重阻碍着节能型社会的创建，如何减少以太网网络的能量消耗已成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有以太网网络存在的能量消耗的问题，提供一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，由两个部分组成：下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。
为了保证以太网网络的稳定，网络中的数据必须进行快速可靠的传输。所有的数据类型可分为实时周期数据、实时非周期数据及非实时数据三种类型，在先入先出FIFO(First-In-First-Out)队列中，这三种数据类型都会被视为相同优先级依次等待转发。然而若长数据帧一直在发送，实时数据长时间的得不到转发，就会对系统时延产生极大的影响。本发明将高优先级算法和低优先级算法两者相结合，采用下游分组调度，提出低负载网络单元帧间级调度和帧内级调度相结合的综合分组调度方法。低负载网络单元帧间级调度解决了非实时性数据抢占新到从而导致实时数据不能得到实时传输的问题。低负载网络单元帧内级调度对实时数据和非实时数据包采取了不同的策略，解决了优先级队列中数据转发顺序的问题。
同时，在网络的运行中，传统以太网能耗较大，即使不发生数据碰撞，收发端也工作在最高能耗模式，实际上系统多数时间段处于闲置时期，并且以太网的链路利用率一般很低，链路传输速率越大能耗也越大。本发明提出的一种以太网混合睡眠模式，将以太网网络单元深度睡眠模式和发射机、接收机的独立睡眠模式结合起来。这种方法允许发送者和接收者同时进入睡眠模式，即当发送端和接收端都完成了传输，并且可以启动睡眠状态，则整个网络单元将切换到深度睡眠模式。在本发明中以太网在系统无数据传输时让网络进入低能耗的混合睡眠模式，以此来节省系统中的能耗。当系统有数据准备传输的时候快速将其从混合睡眠状态唤醒。在从睡眠到唤醒的转换期间，要求数据传输要在物理层被唤醒条件下进行，因此不会出现数据丢失现象。
在本发明中，我们考虑了以太网的节能组件，包括发射机，接收器和整体的网络单元。我们首先提出了一种算法和规则，在帧间和帧内条件下对下游分组进行调度，以确保最早到达的实时分组也可以先发送，所有实时分组都可以在非实时分组之前发送。然后，我们开发了一种混合睡眠模式，该模式考虑了网络单元的深度睡眠和发射机、接收机的独立睡眠的组合。为了实现这一组合，本发明设计了一个带有10个时间点的修改过的门控制消息，用于控制发射机、接收机和整个网络单元的睡眠过程。
相比于现有技术，本发明基于分组调度算法和规则，在混合睡眠模式的基础上，提出了一种网络单元的睡眠方案，即基于下游分组调度的节能方案，最大限度地降低了任务的能耗，尽可能地降低了分组延迟。其采用以太网网络单元的深度睡眠模式、发射机和接收机的独立睡眠模式以及下游分组调度算法，从而使整个以太网总能量消耗最小化。并且采用优先级算法进行分组调度，这解决了信道竞争时的分配问题；而混合睡眠模式将网络单元深度睡眠模式与发射端、接收端的独立睡眠模式结合起来，实现了连接间的错误控制与流量控制，从而了保证实时性要求，解决了信道使用权问题以及网络节能问题。
附图说明
图1为本发明的网络下游分组调度过程示意图。
图2为本发明的网络混合睡眠模式示意图。
图3为本发明的网络轮询周期的序列图。
图4为本发明的系统方案之间能耗对比示意图。
图5为本发明的不同网络单元情况下下游数据包到达速率与网络单元能耗的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出进一步的详细说明。如图1所示，线路终端中的每个网络单元都设置了两个First-In-First-Out(FIFO)队列，并将它们分别指定为高优先级和低优先级队列。上游数据包括了调度数据与非调度数据，下游数据包括实时数据和非实时数据。实时数据包(延迟敏感数据包)被缓冲在高优先级队列中，非实时数据包(延迟不敏感数据包)则被缓冲在低优先级队列中。同时基于排队延迟，我们的下游分组调度过程是在帧间和帧内进行的。
在帧间调度级别中，线路终端可以确定所轮询的任务顺序。在轮询周期的开始，线路终端将检测下游的队列以确定网络单元。如果实时数据包驻留在网络单元i的队列中，则线路终端获得第一个实时数据包的延迟，用表示。否则，线路终端获得第一个非实时数据包的延迟，用表示。如果两个下游队列中都没有包，那么和都被设置为零。实时和非实时数据包的延迟分别按降序排序。
而在帧内调度级别中，在验证了以太网网络单元轮询的顺序之后，线路终端应考虑网络单元级别上每个网络单元的实时和非实时数据包的调度。同时由于实时数据包的延迟敏感性，对于每个网络单元,线路终端需首先发送实时数据包。当高优先级队列中没有实时数据包时，则可以发送非实时数据包。若不能完全发送网络单元的排队下游数据包，则应优先忽略非实时数据包，并允许等待下一个轮询周期。
如图2所示，混合睡眠模式包括了网络单元的深度睡眠模式与发射机、接收机独立的睡眠模式。与网络单元的休眠模式不同，我们的方法允许发送者和接收者同时进入睡眠模式。并且每个组的睡眠过程是独立的，只由它们各自分配的槽决定。当一个网络单元被唤醒后，数据包出现在上游/下游时，发射机/接收器将继续工作。而在工作时间之外，发射机/接收机可以进入睡眠模式。如果发送端和接收端都完成了传输，并且可以启动睡眠状态时，那么整个网络单元将切换到深度睡眠模式。
如图3所示，它显示了一个轮询周期的序列图，同时也显示了一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案的具体工作步骤。其中发射机的睡眠过程与上游带宽分配有关。在报告控制消息中，以太网网络单元通知线路终端发射机所请求的带宽。在接收到所有报告控制消息后，线路终端负责进行动态带宽分配。假设为所请求的网络单元Si上游带宽，则分配的带宽应按照以下公式计算：
其中Bmax是最大允许的上游带宽。因此，所有上游传输的时间记为可以用以下公式计算：
其中R为上下游传输速率，Tg为带宽分配保护时间。
而接收方下游的睡眠过程比发送方的睡眠过程更为复杂，因为接收方必须准备好在每个轮询周期的开始接收数据。在线路终端分配下游传输槽之前，它首先要检测每个网络单元队列中的下游数据包。因此，所有下游传输的时间记为计算公式如下：
其中为网络单元Si的下游包负载，LG为修改后的门消息长度(以字节为单位)。
同时，图3也标记了混合睡眠模式中所涉及的十个时间点，具体计算步骤如下：
步骤1：在我们的以太网节能方案中，下游传输应该发生在所有的门消息之后。因此，所有的接收器在启动它们自己的下游传输之前都可以休眠一段时间。第一次睡眠开始时间记为以及第一次醒来时间记为
其中是第n轮询周期中第一个上游传输的启动时间。
步骤2：接下来计算发射机的第一次睡眠开始时间和第一次醒来时间
a.如果网络单元Si是第n轮询周期的第一个轮询，则在完成上游传输之前，发送器无法休眠。因此：
b.如果网络单元Si不是第一个被调查的网络单元，则应允许传送者在等待完成网络单元收到的所有网络单元的上游传送时睡上一段时间。和如下所示：
步骤3：由于使用了独立的睡眠模式，在完成了必要的传输和接收步骤后，发射机和接收机都可以再睡一段时间。因此，必须解决另外四个时间点。发射机公式如下所示：
步骤4：接收器的第二次睡眠开始时间发射机的第二次唤醒时间接收器的第二次唤醒时间和网络单元Si的睡眠开始时间都应该在不同的情况下计算,本发明对这四个时间点分别做一个度规，用以下方程表示：
步骤5：所有网络单元的唤醒时间点是相同的，可以由以下公式给出：
其中RTT为每个网络单元的往返时间，假设其为所有网络单元的常数。表示门控消息到达网络单元Si的时间。
其中一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案具体工作步骤如下：
Step 1:线路终端接收来自以太网网络单元的所有报告消息；
Step 2:线路终端在每个周期开始时检测每个网络单元的下游数据包，并确保网络单元的轮询顺序；
Step 3:根据上游和下游使用的动态带宽分配算法，线路终端为所有的网络单元分配上游带宽和下游带宽；
Step 4:线路终端为发送器、接收方和整个网络单元的睡眠过程计算10个时间点；
Step 5:线路终端完成修改后的所有网络单元的门控件消息，然后根据10个时间点将消息和下游数据包发送给相应的网络单元；
Step 6:当时钟恢复和同步时，所有的网络单元在时醒来；
Step 7:在接收到修改后的门控件消息后，任务首先提取有用的信息。然后，在10个时间点的基础上，对上游和下游的传输过程和睡眠过程进行评估；
Step 8:直到在此周期中轮询的最终线路终端的报表控制消息到达网络单元为止，该过程返回到步骤1。
为了验证本发明供一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案的有效性，将本发明方案与UCS系统方案进行比较，如图4所示，本发明的方案在网络单元能耗方面优于UCS系统方案，本发明除了网络单元处于深度睡眠状态外，还存在额外的节能。例如在网络单元进入深度睡眠状态之前，在上游/下游没有数据包，发射机/接收器可以独立切换到睡眠状态。相比之下，UCS系统的节能只有在上下游都没有包存在的情况下，才由网络单元深度睡眠从而节能。因此，本发明的网络单元能耗小于UCS系统。同时，随着下游包到达率的增加，本发明的方案和UCS系统的下游实时和非实时包延迟都在逐渐增加。其原因是随着下游包到达率的增加，在接收机的睡眠时间内会有更多的数据包到达，从而导致了排队时间的增加。然而由于本发明中网络单元的轮询，最先到达的下游实时数据包会首先被发送。此外，对于每个网络单元，实时信息包都在非实时信息包之前发送。因此，本发明的实时分组时延不仅低于非实时分组时延，而且显著低于UCS系统。因此，与UCS系统相比，本发明在保持实时和非实时数据包在下游低水平延迟的同时，消耗的能量更少。
如图5所示，为平均网络单元能量消耗。其中当网络单元为4个时能源消耗是最大的，当网络单元为16个时能源消耗是最小的，这是因为网络单元的节能是发射端睡眠，接收端睡眠和网络单元深度睡眠的结果，而后者起主导作用。因此，4个网络单元的能耗最大，因为网络单元深度睡眠时间最低。所以，本发明具有更低的下游式分组延迟，能耗更低。此外，从图中可以看出，大型网络的平均网络单元能耗低于小型网络，也就是说，本发明也适合应用在更大规模的网络。
本发明一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，目的是为了减少下游的数据包延迟，进而减少以太网网络的能源消耗。本发明由两个部分组成，包括下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度确保了下游数据包，特别是实时数据包的延迟能够满足要求。对于后者，混合式睡眠模式是网络单元深度睡眠模式和发射机、接收机的独立睡眠模式的结合，可以为以太网网络节省额外的能量。

Claims (7)

1.一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：包括由两个部分组成：下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的下游分组调度是在线路终端中的每个网络单元都设置了两个First-In-First-Out(FIFO)队列，并将它们分别指定为高优先级和低优先级队列。上游数据包括调度数据与非调度数据，下游数据包括实时数据和非实时数据。实时数据包被缓冲在高优先级队列中，非实时数据包则被缓冲在低优先级队列中。同时基于排队延迟，将下游分组调度过程分为帧间和帧内两个过程进行。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的帧间调度级别，线路终端可以确定所轮询的任务顺序。在轮询周期的开始，线路终端将检测下游的队列以确定网络单元。如果实时数据包驻留在网络单元i的队列中，则线路终端获得第一个实时数据包的延迟，用表示。否则，线路终端获得第一个非实时数据包的延迟，用表示。如果两个下游队列中都没有包，那么和都被设置为零，实时和非实时数据包的延迟分别按降序排序。
4.根据权利要求2所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的帧内调度级别，在验证了以太网网络单元轮询的顺序之后，线路终端应考虑网络单元级别上每个网络单元的实时和非实时数据包的调度。同时由于实时数据包的延迟敏感性，对于每个网络单元,线路终端需首先发送实时数据包。当高优先级队列中没有实时数据包时，则可以发送非实时数据包。若不能完全发送网络单元的排队下游数据包，则应优先忽略非实时数据包，并允许等待下一个轮询周期。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的混合睡眠模式包括了网络单元的深度睡眠模式与发射机、接收机独立的睡眠模式。与网络单元的休眠模式不同，我们的方法允许发送者和接收者同时进入睡眠模式。并且每个组的睡眠过程是独立的，只由它们各自分配的槽决定。当一个网络单元被唤醒后，数据包出现在上游/下游时，发射机/接收器将继续工作。而在工作时间之外，发射机/接收机可以进入睡眠模式。如果发送端和接收端都完成了传输，并且可以启动睡眠状态时，那么整个网络单元将切换到深度睡眠模式。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的混合睡眠模式中发射机的睡眠过程与上游带宽分配有关。在报告控制消息中，以太网网络单元通知线路终端发射机所请求的带宽。在接收到所有报告控制消息后，线路终端负责进行动态带宽分配。假设为所请求的网络单元Si上游带宽，则分配的带宽应按照以下公式计算:
其中Bmax是最大允许的上游带宽。因此，所有上游传输的时间记为可以用以下公式计算：
其中R为上下游传输速率，Tg为带宽分配保护时间。
而接收方下游的睡眠过程比发送方的睡眠过程更为复杂，因为接收方必须准备好在每个轮询周期的开始接收数据。在线路终端分配下游传输槽之前，它首先要检测每个网络单元队列中的下游数据包。因此，所有下游传输的时间记为计算公式如下：
其中为网络单元Si的下游包负载，LG为修改后的门消息长度(以字节为单位)。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的以太网节能方案具体工作步骤如下：
Step1:线路终端接收来自以太网网络单元的所有报告消息；
Step2:线路终端在每个周期开始时检测每个网络单元的下游数据包，并确保网络单元的轮询顺序；
Step3:根据上游和下游使用的动态带宽分配算法，线路终端为所有的网络单元分配上游带宽和下游带宽；
Step4:线路终端为发送器、接收方和整个网络单元的睡眠过程计算10个时间点；
Step5:线路终端完成修改后的所有网络单元的门控件消息，然后根据10个时间点将消息和下游数据包发送给相应的网络单元；
Step6:当时钟恢复和同步时，所有的网络单元在时醒来；
Step7:在接收到修改后的门控件消息后，任务首先提取有用的信息。然后，在10个时间点的基础上，对上游和下游的传输过程和睡眠过程进行评估；
Step8:直到在此周期中轮询的最终线路终端的报表控制消息到达网络单元为止，该过程返回到步骤1。
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