基于网络拓扑的IP骨干网鲁棒能效路由算法仿真与实现

摘要

近年来互联网飞速发展，给人们的生活带来巨大的变化，与此同时也带来了高能耗、低利用率和巨大的能源浪费问题，这与节能减排的时代背景相悖，且能耗问题已经成为制约互联网和通信行业可持续发展的重大障碍。传统IP骨干网设计遵循资源过提供和冗余设计原则，这两种设计原则有利于互联网的可靠性，能够提高用户体验，但是带来的能耗问题也是不容忽视的。网络能效问题成为当前IP骨干网的研究热点，本文研究IP骨干网络中的高能效路由策略，改善网络性能并提高网络能效。
　　实际网络中的流量随时间不断变化，并且流量数据大体成昼夜性周期变化，白天网络中的流量明显高于夜晚。现阶段的能效组网技术根据网络流量的周期性，可以在网络流量较低的时候，将网络中利用率低的链路进行休眠，从而节约网络能耗，提高网络的能源效率。在保证网络性能的前提下，降低发送单位信息量的网络能耗，实现“能效网络”是未来互联网领域的研究热点。休眠策略能够利用网络中的流量特性，将负载低的链路休眠，进而直接降低网络能耗。鲁棒能效路由策略是一种间接节能的方法，由于网络的能耗与信息量有关，鲁棒的路由策略能够提高网络成功传送信息的概率，进而提高了单位能耗发送的有效信息量，从而实现高能效网络。本文基于网络拓扑对网络链路进行休眠，开展了针对IP骨干网的能效机制研究。
　　本文主要通过两方面实现能效网络，一是休眠策略，二是能效路由策略。提出了三种基于网络拓扑的鲁棒能效路由算法，分别是基于最大化链路休眠集合的鲁棒能效路由算法(OSRE)、基于代数连通性和中间状态的鲁棒能效路由算法(ABRE)、分布式SPT迭代的鲁棒能效路由算法(DSPTI)。OSRE算法是将休眠链路问题转化为最优化问题来求解，通过启发式算法获得的解有可能是局部最优解，而不是全局最优解，且算法时间复杂度较高。为此本文提出了ABRE算法，该算法将休眠策略直观的表示为休眠具体链路，通过判断网络的连通性来决定是否可以休眠当前链路。但是OSRE和ABRE算法的休眠策略中都未能考虑到网络的性能，进而本文中又提出了DSPTI算法。该算法将休眠策略与网络性能约束相互融合。能够同时考虑网络性能和能效，实现了具有实用价值的能效网络雏形。
　　通过仿真实验比较分析，本文所提出的三种算法在提高网络能效、降低能源浪费、减少因休眠链路所带来的拒绝服务次数及提高网络整体吞吐量方面体现出了其优越性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 研究现状

1．3 本文的主要工作

1．4 课题来源

第2章 能效网络概述

2．1 能效网络定义

2．2 能效网络性能评价指标

2．3 能效算法实现模型

2．4 仿真数据来源

2．5 本章小结

第3章 基于最优化链路休眠集合的鲁棒能效路由算法

3．1 优化问题基础知识

3．1．1 MCP问题

3．1．2 背包问题

3．1．3 启发式贪婪算法

3．2 OSRE算法

3．2．1 OLSA休眠策略

3．2．2 MCWA权重更新策略

3．2．3 OSRE算法实现

3．2．4 OSRE算法步骤和流程图

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 仿真环境及数据

3．3．2 仿真结果及分析

3．4 本章小结

第4章 基于代数连通性和中间状态的鲁棒能效路由算法

4．1 概述

4．1．1 随机游走

4．1．2 中间状态

4．1．3 连通性

4．2 ABRE算法

4．2．1 ACLB休眠策略

4．2．2 三阶段链路权重更新策略

4．2．3 ABRE算法步骤及流程图

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 仿真环境及数据

4．3．2 仿真结果及分析

4．4 本章小结

第5章 分布式SPT迭代的鲁棒能效路由算法

5．1 概述

5．1．1 最短生成树

5．1．2 相似度

5．2 DSPTI算法

5．2．1 DSPTI休眠策略

5．2．2 DSPTI权重更新策略

5．2．3 DSPTI算法步骤和流程图

5．3 仿真结果及分析

5．3．1 仿真环境及参数

5．3．2 仿真结果及分析

5．4 三种算法对比分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目