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摘要:

隨著網絡規模的爆炸性增長，網絡能耗問題日益突出，面向軟件定義網絡(sdn)的節能技術的相關研究已成為熱點。這些研究主要以網絡單元、服務器等為節能方法的切入點。基于總結的現有SDN網絡節能技術，歸納出一種SDN網絡節能方法的分類標準，討論了不同分類下節能方法的實現原理。最后，分析了現有方法的不足，并對未來研究方向作出了展望。

關鍵詞:

軟件定義網絡;節能;分類;降低

0引言

隨著互聯網的迅猛發展，不但網絡規模呈現爆炸式增長，而且網絡業務的創新和需求也是日新月異。尤其是視頻語音、移動業務、云數據中心的迅速發展，傳統網絡的封閉式結構很難滿足當今靈活多變的互聯網趨勢特點，如當今數據中心網絡可能存在成百上千的網絡設備需要配置及管理。傳統的網絡設備的內置協議是封閉的，這給科研人員或網絡管理員部署新協議帶來了很大的難題。起源于美國斯坦福大學實驗室研究項目的軟件定義網絡(SDN)技術很好地解決了這一難題。2006年斯坦福的學生Casado和他的導師McKeown教授在其研究項目Ethane中試圖通過一個集中式的控制器，讓網絡管理員可以方便地定義基于網絡流的安全控制策略，并將這些安全策略應用到各種網絡設備中，從而實現對整個網絡通信的安全控制。隨后McKeown教授進一步提出了SDN最早的概念［1］。SDN將傳統網絡設備的數據平面和控制平面兩個模塊分離，通過集中式的控制器，以標準化的接口對各網絡設備進行管理，無須依賴底層設備(路由器、交換機等)。而且控制權是完全開放的，用戶可以自定義任何想實現的網絡路由和傳輸規則策略，因此更加靈活和智能。由于經濟、環境保護和市場等原因，降低能耗近年來成為行業關心的重要問題。考慮到信息與通信技術在日常生活中的廣泛應用，在發達國家，電信網絡的能耗占據整個能耗的5%，而且正以每年10%的速度增長［2］。例如，在2007年美國國會的一個報告中，環境保護機構估計到2011年，美國每年的數據中心能耗會增加到1000億千瓦時，花銷74億美元［3］。紐約時報發表了一篇文章，其中指出全世界范圍內數據中心的能耗接近300億瓦，這相當于30座核電站的能量消耗。而且，一個意大利的學者預言，2013年全球的互聯網能耗將比2012年增長12%還要多［4］。因此，網絡能耗問題絕對不能忽視。鑒于節能的重要性，怎么降低網絡能耗便是十分有意義的問題，近年來大量的研究工作圍繞網絡節能提出了相應的解決措施。以數據中心為例，在數據中心能耗分布中，服務器是主要的能耗來源，占據70%。除此之外，數據中心其他30%的能耗由通信鏈路、交換和匯聚單元構成［5］。目前提出的節能措施主要圍繞服務器、計算服務器、網絡及冷卻展開。通過虛擬化和動態合并工作負荷，服務器可以獲得更好的利用率［6，7］。對于計算服務器，它的能量消耗與CPU利用率成比例，主要包括動態電壓頻率縮放［8～10］和動態能量管理［11～13］兩種方法。目前由于服務器是能耗的主要部分，所以較少研究嘗試去解決數據中心網絡的能耗，其占數據中心能耗的30%。然而，未來隨著數據中心服務器與工作負荷變得更加成能量比例，網絡能耗的百分比甚至可能增長到50%［5］。眾所周知，網絡的能量消耗與它的工作負荷無關，主要取決于網路單元，如鏈路、交換機等。因此為了獲得數據中心節能的目的，以上兩者都必須考慮。當前文獻中存在鏈路速率自適應和睡眠模型兩種方法。鏈路自適應方法根據流量需求，動態地調整鏈路數據傳輸速率［14～16］，因為鏈路的能耗取決于它的負荷，而不是利用率。另一方面，睡眠模型策略通過關閉網絡組件或者把一批空閑組件轉入睡眠狀態來實現網絡節能［17～20］，但應保證激活狀態的組件仍然能滿足剩余的服務需求。冷卻耗費的能量是數據中心另一個主要的能耗來源。為此，許多公司采取了預冷的措施，他們傾向于從自然冷卻機制中受益，比如Facebook把他們的服務器部署在瑞典，那里有較寒冷和干燥的氣候。因為SDN所呈現出的新特點，面向SDN的網絡節能管理和性能優化是當前的研究熱點，也是本文要探討的主要問題。利用SDN的集中管控、靈活編程等特點，可以很好地執行流量管理、資源分配、路由決策等，進一步促進了網絡節能技術的實現。其簡單說明了數據中心主干網如何集中式地實現流量管理。SDN控制器統一協調應用的網絡活動。流量管理周期性地運行，比如每3分鐘。在每個周期的開始，帶寬估計當前應用的帶寬需求，并向SDN控制器報告流匯聚信息①。OpenFlow協議允許交換機向控制器報告網絡事件和流量統計數據②，這使得控制器可以掌控整個網絡的狀態信息。基于收集的帶寬需求和網絡狀態，SDN控制器為競爭資源的應用計算如何分配帶寬③。這種集中控制方法可以靈活地實現各種流量管理目標。流量管理的結果由兩部分組成:路由路徑的建立及實施于每條路徑的速率限制。為了獲得較高的網絡利用率，必須建立新的路徑，并且必須拋棄一些存在的路徑。這涉及到改變交換機的轉發狀態④。通過帶寬，將分配給應用的帶寬限速⑤。這樣在合理的管理控制策略下，可以較好地滿足網絡的QoS需求。由此可看出，利用SDN技術可以方便、高效、合理地實現流量管理，這為基于流量管理的節能方法提供了有效手段。雖然目前已經存在大量的關于網絡節能的文獻，但SDN作為一門新興技術，專門面向SDN的節能技術研究相對較少。本文旨在對現有的面向SDN的節能技術進行歸納總結，提出了一種分類標準，并對這些節能方法存在的問題及未來研究方向進行了探討。

1SDN節能方法分類標準

前面提到，在傳統網絡系統中，節能策略可以從服務器、網絡單元等角度考慮。與傳統網絡相比，SDN控制器可以對整個網絡系統全局管控，它的可編程性賦予其強大的軟件功能。因此，從軟件角度考慮，目前的SDN節能策略從資源分配、流管理等方面著手，主要是將一些低利用率或閑置的網絡單元(交換機、路由器、鏈路)轉入睡眠狀態，把流匯聚到盡可能少的路徑中［21～27］。另外一方面，因為服務器是耗能的關鍵，關閉低利用率或不必要的服務器也是節能的重要手段，其主要通過把低利用率服務器上的虛擬機合并到其他服務器中［28～30］。再從硬件角度考慮，SDN交換機的存儲硬件TCAM是個極端耗能的設備，提高其利用率可以較好地降低能耗。利用流規則優化布局策略，能壓縮TCAM的內容，從而增加它的容量［31～37］。根據以上關于SDN節能策略的分析，以網絡單元、TCAM、服務器為切入點，將睡眠策略、流規則布局優化技術和虛擬機合并策略作為面向SDN網絡節能策略的分類標準。

2SDN節能方法分類討論

本章在提出的三個分類標準的基礎上，即睡眠策略、流規則布局優化技術、虛擬機合并策略，逐一介紹了表1中各分類下面向SDN的節能策略。

2.1睡眠策略

在整個網絡中，經常有一些網絡組件處于低利用狀態或空閑狀態，因此可以將一些沒有使用或處于較低利用狀態的資源(比如，交換機、端口、CPU等)關閉或轉換為睡眠狀態，沒有必要為這些資源浪費能量。當然要設計相應的機制，在需要的時候將這些資源激活，同時必須考慮網絡的QoS需求。這種方法可以結合流的動態管理實現，例如根據網路流量負荷，合并現有流或選擇最佳的路由路徑等，達成網絡資源的均衡分配。利用SDN的集中、靈活的資源管理功能，可以實現流的動態路由轉發。除了將網絡組件關閉或處于睡眠狀態，還能以鏈路利用率為依據，調整鏈路的傳輸速率。該策略利用了數據包連續爆發期間的空閑期，即在鏈路低利用率狀態下，降低鏈路的傳輸速率，達到節能的目的。對于降低鏈路速率方法，若速率減小為零，此時即為鏈路睡眠狀態，或者稱為深度睡眠狀態。若僅僅降低鏈路速率(不為零)，因為鏈路傳輸數據的能力減弱了，所以可以理解為一種淺睡眠或偽睡眠狀態，在此一并列入睡眠策略。

2.1.1鏈路速率自適應

網絡組件的設計通常能容忍最大負載，所以鏈路在大部分時間處于低利用率狀態。空閑鏈路和充分利用的鏈路消耗大約相同的能量。鏈路數據傳輸速率越大，能量消耗越大。因此，降低低利用率鏈路的數據傳輸速率可以有效地減少能量消耗。自適應鏈路策略一般分為兩種，即基于使鏈路睡眠的方法和改變鏈路速率的方法。對于改變鏈路速率的策略主要有三種:a)緩沖區占用;b)緩沖區占用和鏈路利用率;c)貪婪算法。在緩沖區占用方法中，鏈路自適應策略僅僅基于輸出緩沖區占用大小或隊列長度，當輸出緩沖區隊列長度大于高閾值時，提高鏈路速率，若長度小于低閾值時，降低鏈路速率。但此方法易造成網絡振蕩，為此進一步引入了鏈路利用率參數(通過計算一段時間周期內的字節傳輸量獲得)。如果字節傳輸量小于鏈路利用率閾值，則可改變傳輸速率。計算字節傳輸量需要硬件支撐，從而增加了硬件的復雜度，貪婪算法可以有效解決此問題。根據貪婪算法設置兩個時間參數，tMinHigh決定了鏈路保持較高傳輸速率的最小時間，tMinLow決定了鏈路保持較低傳輸速率的最小時間。調整鏈路速率所獲得的節能效果較深度睡眠策略要遜色，一般不獨立使用，可作為深度睡眠策略的輔助手段。

2.1.2優先級流調度

利用SDN技術，可以動態管理流的轉發路徑。如果考慮交換機的QoS需求和能量消耗，每條路由選擇路徑都有唯一的優先級。因此，流的優先調度問題就是找到有最高QoS屬性及使用交換機最少的流的問題。高優先級的流優先傳輸，它們需要的交換機較少，這樣可以選擇現有的激活交換機傳輸，最大限度地關閉非激活狀態的交換機，達到降低功耗的目的。文章提出優先調度問題本身是NP-hard問題，對此，提出了一種迭代平行分組算法。與非能量感知調度器相比，IPGA調度可以獲得近30%的節能優化效果。

2.1.3預建標簽交換路徑

多協議標簽交換路徑是預先定義好的，SDN控制器使用PLSPs在入口路由器和出口路由器間執行路由轉發和管理控制。入口路由器和出口路由器之間的核心交換機只會基于標簽轉發數據包。激活狀態的PLSPs傳輸網絡流量，被動狀態的路徑則處于睡眠模式，如果控制器想使用它們，就會打開路徑上的網絡組件。控制器分三種情況執行能量感知路由模型:a)路徑選擇算法。一個網絡中的流可以通過較少的路徑傳輸，即把一些激活路徑中的流遷移到其他使用中的路徑。這樣，控制器就向不再傳輸流的路徑中的交換機發送信號，使交換機進入睡眠狀態(所有與此相連的鏈路就會關閉)。為了決定激活哪條路徑，以保證最大數量的交換機可以被休眠，文章提出了一種PLSPs選擇算法，選擇最佳路徑(同時考慮節能和路徑負載)傳輸流。該算法利用SDN的動態編程能力。b)PLSP負載均衡。通過負債均衡最小化路徑擁塞程度，提高鏈路利用率，降低能耗。首先，控制器從入換機定期地收集所有鏈路和路徑的狀態信息;然后控制器計算相關IEPs中路徑間的信息遷移量;接著把擁塞的PLSPs中一定數量的流遷移到相對暢通的PLSPs中，實現負載均衡。遷移通過改變相關入換機流表的流標簽來執行，可以周期性地執行，也可以基于預先設置的閾值。c)重設PLSP容量。路徑的負載隨時都在變化，盡管采取了負載均衡措施，但某個IEP的負載也許會超過閾值(比如90%)，這意味著該IEP中的所有路徑過載。重設PLSP容量的目的就是把沒有充分利用的PLSP上的資源分配給過度使用的PLSP。當不同IEP的PLSPs共享鏈路時，此方法可行。重設PLSP容量算法既保證需要開啟的新PLSP數量最少，又提高了資源利用率。預建標簽算法中提出了路徑虛擬化概念，基于PLSPs的負荷情況，SDN控制器可以執行流的準入控制，這有效降低了流的準入時間。另外，因為PLSPs避免了和鏈路中核心交換機的通信需求，控制器僅僅需要與入換機通信，通信的可擴展性也得到了保證。預建標簽算法的關鍵是PLSPs，其中的PLSPs是預先定義好的，但該算法并沒有涉及PLSPs的建立方法。

2.1.4獨占式路由

獨占式路由不需要同步服務器間的時間，利用SDN控制器可以全局地管理流的狀態，并且明確地告知虛擬機允許或者暫停一條流的傳輸。當一條新的流達到服務器的虛擬機中，或者一條激活的流傳輸結束，虛擬機均會向SDN控制器發送報告(1)。SDN控制器執行獨占路由算法，并更新激活流和懸置流(2)。如果一條新到的流被激活，SDN控制器就會通知虛擬機允許流傳輸，并將流表項寫入交換機中(3A);或者一條暫停的流被激活，SDN控制器會通知虛擬機允許流的傳輸(3B);如果一條激活流變成暫停狀態，那么控制器就會告知虛擬機阻止該流的傳輸(3C)。在獨占式路由算法中，每個激活的流獨占路由鏈路，因此沒有必要為某條流保留帶寬或者限制速率。網絡能耗節約來自交換機、鏈路的高利用率。對于獨占式路由算法，如果有空閑的路徑，則流就選擇該路徑傳輸;否則，如果在路徑中傳輸的流的優先級較低，則該流搶占路徑，被搶占路徑的流變為暫停狀態。否則，如果既沒有空閑路徑，又沒有能搶占的路徑，則該流為暫停狀態。如果是上述第二種情況，即搶占路徑，其他的暫停狀態的流需要重新安排調度。首先，被搶占路徑的流也許比某些激活的流優先級更高;其次，被搶占的流也許會為其他暫停狀態的流留下可用路徑。相對于獨占式路由，其他幾種睡眠策略可稱為共享式路由，因為流的輸出共享鏈路的帶寬。共享式路由通常會導致高階數據中心中一些瓶頸鏈路或交換機的低利用率，消耗了不必要的能量。獨占式路由算法以時間維度調度流，當傳輸數據時，每條流獨自占用它路由路徑中的鏈路，不存在降低鏈路利用率的問題。

2.1.5基于流的在線能耗管理

文章提出了一種基于流的在線路由選擇方法，目標是最小化無線網格網絡接入點的能量消耗，同時路由轉發到來的流，并且考慮QoS限制，mesh用戶動態且無法預判地到來、離開和移動。該方法可以很容易地與SDN結合，因為它依賴于一個中央控制器，此控制器監控、管理整個網絡，并且決定流的路由選擇。文中首先將此問題作為整數線性規劃來構筑。構筑的目標函數考慮了MAPs在睡眠和激活狀態間轉換的花銷，也兼顧了重新路由或者合并現有的流，因為此問題是NP-hard問題。提出一個簡單有效的蟻群算法，即基于流的蟻群在線能效路由算法，與最短路徑策略、最小鏈路剩余容量路由方法及負債均衡方法相比，AC-OFER能獲得更佳的節能效果。相比其他WMNs提高能量效率的方法，該方法特點在于它的在線性。在離線方式中，流量模式在策劃階段被認為是已知的，然而實際情況并非如此，因此在線方法更適合實際中的部署應用。

2.1.6路由分割

網絡的集中管理是種趨勢，SDN可以很好擴展到主干網絡，為降低網絡設備能耗提供了有利途徑。文章使用了SPRING傳輸協議改善流量工程能效方法的穩定性。當交換鏈路開啟和關閉時，SPRING協議的靈活性很適合頻繁的路由狀態改變，而且該協議與SDN融合得較好。本方法的應用是在一種框架形式下提出的，即基于路由分割的能耗流量工程。它是一種在線方法，其根據網絡負荷動態地轉變某些鏈路的開關狀態。此框架的通用性允許逐漸改進，比如通過簡單地更新組成算法，可以增加保護及更智能的流布局計算。STREETE框架的在線特點及SPRING路由協議的靈活性，很好地提高了該方法的適應性和穩定性。

2.1.7相關性感知的能量優化算法

文中提出了一種相關性感知的能量優化算法，該算法動態地把流量合并到一小批鏈路和交換機中，然后關閉不使用的網絡設備，以實現網絡節能。相關性感知能量優化算法的設計基于這樣的兩個重要分析觀察結果:a)從真實數據中心的軌跡分析，流量通常松散地聯系在一起，所以不同流的帶寬需求不會在同一時刻到達頂峰;b)對于大多數流，其90%的鏈路使用率一般要比它們自己的峰值小得多。如果在流合并過程中，考慮到流之間的相關性，可以節省更多的能量。另外，該算法把流匯聚和鏈路速率自適應結合，以求最大的節能效果。對于流匯聚和鏈路的數據傳輸速率問題，利用線性編程工具得到了一種近似最佳的解決辦法。為了降低計算的復雜度，文中還提出了一種啟發式算法，實現了在可接受的運行時間內找到流合并和速率調整的解決辦法。由于在流的合并過程中，流的帶寬需求是在隨時變化的，現在方法普遍采用最大帶寬需求或平均帶寬需求來執行流的合并過程，但這樣勢必分別造成不必要的能量消耗或違反鏈路的負荷限制。相關性感知的能量優化算法基于上述兩個觀察分析結果，引入流之間的相關性分析，較好地避免了這種缺陷。

2.2流規則布局優化技術

CAM是內容尋址存儲器，寫入CAM的數據會和其內部存儲的每一個數據進行比較，并返回與端口數據相同的所有內部數據的地址。TCAM是一種特殊的CAM，可以視為一組固定寬度的流表項。每個TCAM流表項由三元數字構成，即0，1和x(任意值)。對于輸入x，代表通配字節，可用來基于模式匹配進行更廣泛的搜索。由于TCAM的快速查找性能，其在SDN交換機中得到廣泛應用，但其價格昂貴且十分耗能。TCAM的能量消耗可以說由兩部分引起:a)硬件本身的耗能，1MB的TCAM芯片耗能15～30W，SDN網絡有更好的細粒度，其流表項更長，占用空間更大;b)TCAM的資源限制，使得存儲在TCAM中的流表項十分有限，這樣節能效果就會打折扣，因為沒有足夠的流規則以更好的方式按路由轉發流。針對上述兩個問題，可以考慮從兩方面解決。流表項一般由頭域、計數器和操作項組成。每個流表項就是一個轉發規則。如果在滿足功能的情況下，能用更短的標簽代替現在的流表項組成方式，流表項所占的字節數就變小了，可以實現TCAM能耗的降低［34，36］。另外，即使不改變流表項本身所占空間的大小，但是可以提高流規則的利用率［31～33，35，37］。換句話說，就是在滿足相同功能的情況下，所需要的流規則數量減少了，TCAM的利用率提高了，也能實現能耗的降低。

2.2.1調色板算法

調色板分配框架是一種應用到SDN流表的分配方法。因為SDN流表僅能處理數百級的流表項，并且存儲器十分昂貴和耗能，調色板算法把大的SDN流表分解成子流表，然后把這些子流表分配到整個網絡，同時保持整個SDN的策略語義。調色板算法幫助平衡整個網絡的流表大小，通過分享不同鏈接之間的資源也降低了流表項的總數量。它處理了兩個NP-hard問題:把一個大的SDN流表分解成若干等價的子流表，分配這些小流表。文中介紹了PBD和CBD兩種方法實現大流表分割為子流表。對于子流表分配問題，把分割得到的所有子流表上色，這些顏色是唯一的，并且保證每條路徑至少傳輸每種顏色一次。調色板算法的應用基于圖理論構筑算發和貪婪算法。調色板分配流表算法中網絡的每條路徑局限于相同的策略，然而這不適用于多任務數據中心的情況。

2.2.2混合路由

有兩種主要方式可以獲得多重流量矩陣的負載均衡，即基于目的地的路由和顯式路由。對于多重流量矩陣，顯式路由要比基于目的地的路由方法效果好。但是顯式路由復雜度更高，需要路由器有更大的TCAM存儲空間，而TCAM很耗能且不可擴展。文章提出了一種混合路由方法，其具有低復雜度和良好的擴展性。混合路由的基本思想是用少量的顯式路由轉發項補償基于目的地的路由，以實現多重流量矩陣的負載均衡。近似最佳的混合路由配置由啟發式算法獲得。在混合路由配置下，屬于主要節點對的流量由基于目的地的路由方法轉發，屬于一些所選的關鍵節點對的流量由補償的顯式路由轉發。混合路由把基于目的地路由轉發項存在靜態隨機存儲器中，節省了大量的TCAM資源，因為混合路由中的大部分轉發項是基于目的地的路由轉發項。與純粹的顯式路由方法相比，混合路由可以獲得近似最佳的負債均衡效果。混合路由算法由中央控制器執行，因此很適合與SDN結合。混合路由算法中把基于目的路由轉發項存儲在SRAM中，然而SRAM本身也是一種較高功耗和昂貴的硬件，所以這方面仍有待改進。

2.2.3流規則多重復用

單路徑路由轉發廣泛應用于單播會話，然而它無法滿足QoS需求。多路徑轉發可以提高網絡的輸出速率，但現有方法通過復制每條會話路徑中同套流規則來實現多路徑路由，這無疑導致了很高的TCAM消耗。為了解決SDN中TCAM流規則存儲效率，以保證多路徑路由的QoS需求，提出了一種流規則多重復用策略。其基本思想是:如果一個節點在重疊路徑上，重復使用該節點的每條流規則足夠流量經歷不同的路徑，如圖3節點5。假設網絡中從源S到目的地D的會話需要1Gb-ps的輸出，每條鏈路上的數字表示它的最大傳輸速度。然而最好傳輸路徑1-2-5-7僅能獲得最大0．8Gbps的輸出。為了滿足1Gbps的輸出需求，可以同時使用另一條傳輸速度為0．2Gbps的路徑1-3-5-7，這樣就達到總共1Gbps的傳輸速度。流規則復用有效降低了流規則占用空間，因為流規則多重復用策略中，被多條路徑共用的普通節點中的流規則可以被多重復用。

2.2.4雙標簽

為了優化流表空間，本算法旨在降低流表項的大小。引入了兩層標簽機制減少描述交換機中流的比特位數。該機制利用SDN的特征，用更簡單、更短的標簽代替流表項。雙標簽機制中，一個標簽和一個給定的路徑聯系起來，其被稱為路徑標簽，它用來轉發數據包。另外一個標簽，被稱為流標簽，用來把數據包和流聯系起來。路徑標簽封裝了流標簽。路徑標簽利用了不同數據包的路徑相似性，把多條流映射到一條路徑上，每個路徑標簽和一個具體的操作相關聯。流標簽唯一地識別了一條流，它是一個簡單的數字識別器，其把流的數據包和流的組成單元關聯起來。雙標簽機制在不影響現有數據包轉發路由的情況下，最大限度地壓縮了流表中流表項大小，從而降低了動態能量消耗，因為能量是回路復雜度的函數，并且和使用的TCAM比特數成比例。利用SDN靈活的編程能力，可以很好地簡化流標簽和路徑標簽的操作過程。

2.2.5自適應硬超時算法

文中提出了自適應硬超時方法來改善流表的利用率。AHTM不需要為了擦除過時的流表，而預判流的結束時間，它是根據當前的網絡條件自適應地優化超時時間，以降低過時流表項的存活時間。超時時間是流表項的生命周期，它用來在交換機中擦除流表項，從而為后繼的流騰出了空間。有空閑超時和硬超時。硬超時表示在流表項安裝后的固定時間內擦除流表項，無論是否有數據到達該流表項。不合理的超時設定會降低流表的利用率，因為在流的工作完成后，相應的流表項仍然占據著流表空間。本方法旨在優化硬時間以降低時間間隔(流的最后一個數據包到達時間和流表項擦除時間的間隔)，以此提高流表資源利用率。AHTM把流表作為一個排隊系統模型，并且提出了封閉式公式來定量分析不同超時設定對流表利用率和性能的影響。

2.2.6流表識別技術

流表識別技術是種壓縮TCAM的方法，其本質就是降低流表項的大小。此方法用來識別流的標簽，要比原來識別流的標簽位數短。文中引入了流識別器(FLOW-ID)代替流表項。利用SDN的動態編程能力，可以把流表識別器放到報頭，并能通過標簽路由轉發數據包。交換機只將流識別器存儲在流表中，而不是每條流的整個15個單元。TCAM中的所有操作基于更短的流識別器執行，降低的能耗與減少的比特位成比例。該方法不需要修改網絡框架，在SDN框架內很好地得到了實現。

2.2.7能量感知的流規則優化布局

商用交換機只支持幾百到幾千條流表項。當在真實網路拓撲中部署能量感知路由時，需要更多的OpenFlow交換機，它們要處理大量的流。這種情況下，流規則空間的限制就是一個嚴重的問題，因為不能按所預期的那樣路由轉發流。文中提出了能耗優化方法，同時考慮了鏈路的負荷限制和流規則空間的限制。使用整數線性規劃來構筑公式，對于大型網絡引入了貪婪啟發式算法。相對調色板流表分配沒有依賴于流規則的確切意義，并且流規則不應該決定數據包的路由，而該優化算法中，流規則很明確地決定了流量的路由選擇。相比較調色板算法，該算法在優化能量消耗時，分析了流規則的具體意義，同時結合貪婪算法，考慮到了鏈路負荷限制和路由器的流規則存儲空間限制。由以上幾種方法的描述可以得出，雙標簽和流表識別技術單純對流表項本身的大小進行壓縮，也就是算法僅僅涉及對流表的操作，是種靜態的實現方法。而調色板算法、混合路由、能量感知的流規則優化布局則觸及了流工程管理，即流的轉發路徑管理問題，它們將流表和流的轉發路徑作為整體考慮，是一種動態實現方法。這種結合無疑會提高解決方法的細粒度和可擴展性。

2.3虛擬機合并策略

研究表明，典型情況下，許多網絡組織結構中的服務器在30%的滿負荷狀態下運行。虛擬化技術將一臺計算機虛擬為多臺邏輯計算機，每臺邏輯計算機可以運行不同操作系統，應用程序相互獨立運行而互不影響。因此，通過把更多虛擬機分配到更少的服務器上，可以降低硬件的能量消耗。虛擬機合并是解決此問題的關鍵技術之一。其基本原理是把盡可能多的虛擬機分配在一臺物理服務器上，同時要滿足各種約束，尤其是系統需求。通過虛擬機合并技術，關閉了一些低利用率的物理服務器，提高了服務器的利用率，實現了能耗的降低。首先管理員通過云控制器提供的接口配置好虛擬機和網絡描述。SDN控制器利用OpenFlow協議實現網絡設備的管理，其通過存儲在設備中的流規則來操作流的轉發、丟棄等行為。同時SDN控制器在與云控制器的交互中，可實現網絡檢測、QoS支持、流感知路由、安全設備管理的功能。云控制器根據描述為虛擬機分配資源(CPU、內外存、網絡帶寬)，同時負責開啟更多的虛擬機滿足應用需求或關閉某些虛擬機來降低能量消耗。

2.3.1虛擬機的能效布局

虛擬機的能效布局涉及兩個算法，即TRP和VCS。TPR用于最小化能量消耗，并且在虛擬機持續時間和資源利用率間找到平衡，以使數據中心把虛擬機布局到最少數量的物理服務器上。VCS進一步提高了物理服務器的容量利用率，同時降低了能量消耗，VCS可以運用在TRP中，也能同其他的布局算法共用。TRP可以避免用于參數調整的重復的經驗測試，雖然其在同構場合下測試，但也很容易擴展到其他異構場合。VCR則有效地平衡了同一臺服務器上工作的運行時間。另外，文中還提出了一種估算法來預計一個MapReduce工作的完成時間。

2.3.2應用感知的資源分配策略

應用感知的資源分配策略可以預判資源需求情況，在面向SDN數據中心給每個應用分配恰當數量的虛擬機。能量感知的資源分配策略適應于所有類型的應用，且應用感知資源分配可以滿足服務等級協議，有效地分配資源，降低數據中心不同類型應用的能耗。它采取了基于預測變量的神經網絡預測資源需求。為了分配虛擬機及動態地調整虛擬機分配閾值以避免違反不同類型應用的SLA，文中對能量感知策略設計了兩種算法。算法一決定了何時為一個應用打開或關閉虛擬機;算法二說明了怎樣動態地調整虛擬機分配閾值。另外，使用基于SDN的OpenFlow網絡，可以更好地從網絡層不同類型的應用中調度數據包。較其他方法，該策略采用了基于神經網絡的預測器預測應用的資源需求(CPU、存儲器、GPU、磁盤I/O及帶寬)。預測結果對于虛擬機合并策略的執行起到了關鍵性的作用。

2.3.3能量與拓撲感知的虛擬機遷移

能量與拓撲感知的虛擬機遷移在解決能耗問題的同時也考慮到了網絡性能，該策略可以分為兩步執行。首先，能量感知的虛擬機選擇策略探測過度使用或者低利用率的物理主機;第二，利用網絡拓撲使虛擬機布局更加容易。本策略降低能耗的基本思想就是把低利用率主機上的虛擬機遷移到另外一個主機上，并且把空的主機轉入睡眠狀態。為了解決主機過度使用的可靠性問題，引入了利用率閾值，保證主機的利用率在可靠的范圍內。SDN控制器周期性地檢查每臺主機沒有超過閾值要求。被選擇遷移的虛擬機布局位置采取以下策略。將一個胖樹分為內部主機、內部交換機、內部框架及相間框架四個區域，每個區域的花費不同，由1(內部主機)～4(相間框架)表示。一旦一個虛擬機被選中，則計算該虛擬機的總花銷作為與其他虛擬機通信的花費。虛擬布局的位置就取決于花銷的大小。與上述兩個方法相比，該策略結合了流遷移技術，因此在減少能量消耗的同時改善了網絡輸出。虛擬機的能效布局策略是種服務器感知的資源分配策略，但是它不能為每個應用設置不同的SLA，因為數據中心中有各種不同的應用，所以該方法不能滿足應用不同的SLA需求，其僅僅適用軟件即服務的云環境。應用感知的資源分配策略很好地解決了此問題，它在滿足SLA和節能之間找到了平衡，目前這種策略應用已經成為云數據中心的主流。相對于其他兩種虛擬布局策略，第三個虛擬機遷移策略是種花銷較大的資源合并策略，因此在虛擬機遷移過程中應該考慮能量感知問題，以盡量減少遷移帶來的消耗。

3存在問題的分析

SDN作為一門新興技術，還在起步發展階段，面向SDN的節能技術仍然存在許多有待解決的問題，下面逐一分析三種分類標準下SDN節能技術的不足。

1)睡眠策略睡眠策略中，無論是進入睡眠狀態或是調整鏈路速率的方法，在開關網路組件和降低鏈路速率過程中，都在一定程度上降低了網絡性能，影響了QoS。比如，流匯聚策略會導致流對網絡帶寬的競爭加劇;睡眠模式和激活模式之間的狀態轉換需要耗費時間，并且消耗能量;關閉太多鏈路會造成一些鏈路的高負荷，降低鏈路速率也影響了數據包傳輸性能。因此最佳的解決方法需要考慮到能量效率和網絡性能的平衡。在文獻［23］中提到，流量狀態經常改變也會影響節能的效果，因為流量的不穩定及多重IEPs的同時增多引起控制器頻繁地執行算法。所以網絡節能系統的靈活性，即系統適應網絡環境動態變化(不同的網絡拓撲、節點數量的變化等)的能力也十分很重要。如果SDN控制器能預測流量網絡未來的變化情況，就可以避免執行不必要的步驟，比如開啟新的路徑，這樣就能獲得更好的節能效果。

2)流規則布局優化技術第一，無論是壓縮TCAM流表項的大小還是減少流表項的數量，都會存在閾值，即到一定程度后，信息不能進一步壓縮。第二，流規則布局直接影響了網絡路由，對于每個流量矩陣，有不同批的流規則安裝在交換機中。然而，路由配置頻繁的改變會引起網絡擾動。因此，應在流規則布局過程中考慮到網絡的穩定性。第三，與其從零開始為每個流矩陣計算新的流規則，不如逐漸更新規則的設置從而最小化計算時間，這樣可以避免用戶服務質量的下降。

3)虛擬機合并策略盡管虛擬機遷移可以合并工作量，也能很好地降低需要開啟的服務器數量，然而遷移的花費是相當大的。有時，遷移花費可能會超過關閉服務器帶來的好處。另外，在虛擬機分配算法中，僅僅考慮CPU利用率是不夠的，因為用戶的虛擬機需求是多種多樣的。有時請求偏向于高性能的CPU，但有時候偏向于高性能的存儲。對于后面一種情況，無疑會導致物理節點的增加，因為當虛擬機集群部署在服務器上時，需要分配更多的存儲空間，即需要更多的服務器。更多的服務器意味著更多的遷移，會引起更多的遷移花銷。

4未來研究方向

無論從SDN良好的發展前景還是能耗問題的重要性角度考慮，未來面向SDN的節能技術研究必定在業內持續升溫。因此，摸清今后的工作重點可以起到事半功倍的作用。基于上一章提出的SDN網絡節能技術中存在的問題，對未來工作方向作出了展望。

a)平衡網絡性能和節能效果。網絡的最終目的是給用戶提供服務，服務質量和用戶體驗是永恒不變的話題。所以盡管能耗正在成為人們關注的重點，但節能不應以較大的網絡性能損失為代價。網絡系統一般依據超額配置和冗余等原則設計，以保證網絡系統在高峰通信時期的性能。然而，SDN的節能技術卻朝著相反的方向設計，比如睡眠策略中的流匯聚、路由選擇等，或是虛擬機合并策略，它們的基本思路都是最小化資源需求，避免資源浪費，這就很容易造成帶寬競爭加劇、鏈路高負荷、網絡時延等情況。因此，SDN網絡節能技術的關鍵在于資源合并不應該造成網絡擁塞，同時路由選擇不能影響可到達性等，即保證良好網絡性能的前提下，最小化能量消耗。另外，雖然現有文獻中已經考慮到QoS需求，但是網絡恢復能力還沒有得到很好的研究，比如當一個已經合并的網絡遭遇新的故障時會發生什么情況，也是需要重視的問題。

b)構建精確的SDN網絡測量模型。SDN網絡測量模型應包括測量功能和預測功能。大家知道，收集精確的網絡數據十分困難，一方面因為巨大的網絡規模，而且目前還在膨脹。另一方面，由于快速更新的網絡技術。然而知道主要能量消耗在哪里，哪些資源的需求量比較大，對獲得最佳的節能效果顯得至關重要。例如，上面提到的虛擬機對CPU、存儲的需求，或數據中心的能耗分布中服務器占據的比例最大，但網絡能耗部分正在快速增加等，這些信息都對針對性地提出節能策略有重要意義。測量模型的預測功能則用來預測網絡拓撲改變、網絡節點數量變化、網絡資源需求量等，它們對SDN控制器作出恰當的決策十分重要，從而可以很大程度提高決策的適應能力。以虛擬機合并策略為例，對CPU資源、工作負荷需求的估算以及未來系統狀態的預測，可以為虛擬機合并策略提供有效指導，能很好地降低虛擬機遷移量，進一步獲得更佳的節能效果。

c)融合現有的節能策略。本文所提到SDN網絡節能技術的三個分類都是獨立研究的，未來存在將幾類技術結合運用的可能性。比如，在運用睡眠策略的同時引入虛擬機合并策略，這樣可以同時從網絡單元和服務器兩方面節省能耗;或是結合流規則布局優化技術，即從軟件角度切入外，還考慮了TCAM的利用率。總之，各類方法不會永久、絕對地孤立存在。三類方法在單獨運行時不會對用戶的QoS造成嚴重的威脅，但是一旦融合起來，很難保證不會出現預料之外的副作用。今后關于技術結合方面的探索可以嘗試進行。

d)由實驗階段轉向可操作階段。當前大量的節能技術是在仿真環境或簡易的實驗臺下測試的，雖然這些實驗能在一定程度上較好地反映節能策略的執行效果，但與真實環境依然存在不小的出入。換句話說，現在不少文獻提出了節能的優化策略，但沒有工作把重點放在實際解決方法上。這些實驗無法提供足夠的證明，能將提出的網絡節能方案應用到實際產業中。而SDN提供的可編程平臺可以方便、靈活地實現應用、實驗及部署新方法、新應用，具有很好的創新性。SDN技術的高度可配置性讓虛擬網絡清晰地分離開來，從而允許在真實的環境中進行實驗。因此，未來要充分利用SDN的可創新特點，實現從實驗階段向可操作階段的無縫轉換。

5結束語

隨著網絡節能日益受到人們的關注以及SDN技術的迅速發展，面向SDN的節能方法成為當前的研究熱點。本文將目前主要的面向SDN的節能方法分為三類，對每類方法進行了細化，針對每種方法概述了它的實現原理，提出了優缺點。最后兩章就目前SDN節能技術中有待解決的問題以及未來的工作方向進行了集中探討。SDN是一門具有很大研究價值的新興技術，將SDN與網絡節能技術結合起來，在提高網絡節能效果方面擁有巨大的潛力，但同時也充滿了未知與挑戰。下一步筆者會不斷總結歸納面向SDN的節能技術，更新完善SDN網絡節能技術的分類標準，以理論分析和實驗測試相結合的方法，對這些技術作更加深入的比較研究。

作者：王瑞 戴彬 徐冠 楊軍 單位：華中科技大學電子信息與通信學院 中國人民解放軍63889部隊

參考文獻:

［1］鄭毅，華一強，何曉峰．SDN的特征、發展現狀及趨勢［J］．電信科學，2013，29(9):102-107．