绿色节能互联网基础理论模型及关键技术研究

The concept of energy efficient Internet has begun to spread in the past few years, gaining increasing popularity. This project proposal researchs on theoretical model and key technologies for energy efficient Internet on the context of IP protocol architecture. The work of project is illustrated in the following. First, according to inherent energy law of network equipments,we propose two energy model design methods: i) the least median of squares based on genetic algorithm; ii) fuzzy neural network, guaranteeing the accuracy and sensitivity for energy model. Second, after re-defining network energy parameters, we use the algorithm of multiple attribute decision making to construct the evaluation model, which reflects the general performance of energy efficient Internet. Third, considering the slow convergence speed of IP protocol, the operations of energy saving in networks is always been prolonged. Therefore, based on "proactive" ieda,we propose the pre-planned multiple energy efficient topologies offline, and switching of topologies && traffic congestion control online.In our opinion, the "proactive multiple topologies"method can provide effective energy mangement for IP networks. Fourth, we analyse the essence of engery saving technology, combine it with survivable technology. We propose two green survivable methods for IP networks: i) energy efficient && loop free alternative on the context of pure IP routing; ii) green spare resource sharing algorithm of TE-Tunnel on the context of IP+MPLS hybrid routing.The green survivable methods improve the current survivablity technology to synchronously achieve energy efficiency. Finally, we synthesize the research innovations, and construct unified energy efficient Internet architecture. Becase the above proposed methods are unseen in prior literatures, we thinks the novelty and originality of the project proposal is enough.

如何实现网络的高效节能，是目前互联网研究中受到极大关注的前沿问题。本项目围绕IP协议体系架构，对绿色节能互联网的基础理论模型及关键技术展开研究。主要工作包括：根据器件设备内在能耗规律，提出基于遗传算法的最小中值二乘法和模糊神经网络的能耗建模方法，保证能耗模型的精度与灵敏度；为全面反映绿色节能互联网综合性能，在定义网络能耗评价指标参数的基础上，提出基于多属性决策的评价模型设计方法；为应对IP协议收敛速度慢、节能操作滞后效应明显的问题，提出基于"先应"思想以线下方式预置多张节能拓扑，以线上方式作拓扑切换和拥塞处理；挖掘节能技术内涵，将其与网络生存性技术结合，提出纯IP方式下的节能无环替代路算法和MPLS方式下的TE-Tunnel保护资源绿色共享算法，使生存性技术兼顾节能要求；对上述研究成果进行集成，构建统一高效的绿色节能互联网体系架构。鉴于现有文献中尚无相关研究思路，因此本项研究属创新研究。

本项目主要针对互联网设备的能耗模型与节能设计技术展开研究。主要包括IP网络、IP over WDM光网络以及云计算三类研究场景。本项目的研究内容如下。首先，收集了网络设备的能耗数据，包括路由器电端口、光端口、光电转换模块、光纤链路放大器等器件的能耗数据，提出了基于虚链路的能耗模型。该能耗模型能为后续的节能设计提供依据。第二，研究了绿色节能互联网多目标优化问题。在节能网络中存在多种相互矛盾的优化目标，例如业务量工程的负载平衡问题要求将业务流量均匀分散到网络链路上，而节能设计则要求将业务流量集中于网络中的部分节点和链路。本项目提出了基于博弈论框架的解决方案，采用纳什议价的方法由博弈双方宣布各自的威胁值，使全部优化目标性能达到同等比例的提升，保证了网络能耗、负载均衡等多个优化目标的公平性。第三，研究了网络节能与网络生存性的关系。节能技术和生存性技术具有一定的相似性，都讨论了部分网络设备“失效”情况下的路由与资源分配问题。提出了双链路失效场景下工作路径和保护路径共享关系判定的辅助图，对于未承担的业务的保护路径采用休眠方式以节约网络能耗。该方法能实现抗多链路失效网络中的资源、能耗优化。第四，研究了IP网络的节能设计问题。针对IP网络场景中业务流量动态变化的问题，提出了一种全新的基于多拓扑的节能算法。该算法首先根据历史的业务量将每天划分为多个时间片，然后在划分好的各个时间片内利用邻域搜索作节能子拓扑设计。通过优化链路权重向量使得流量集中在部分链路上，休眠没有流量经过的链路以实现节能。第五，研究了云计算环境中节能虚拟网络映射问题，重点考虑数据中心的能耗情况，在满足业务服务质量要求下实现虚拟网络映射的能耗优化。本项目资助共发表期刊论文12篇，会议论文7篇，申请专利5项，其中SCI检索期刊论文8篇，包括IEEE JSAC, Optics Express, Computer Networks, IEEE System Journal等高水平期刊，期刊等级为中科院JCR分区1区1篇，2区1篇，三区2篇，四区4篇。会议论文中，包括INFOCOM，GLOBECOM，ICCCN等高水平学术会议，会议等级为中国计算机学会CCF推荐A类会议1篇，C类会议2篇。共培养博士研究生1名，硕士研究生5名。