一种能耗与可靠性兼顾的内容分发业务优化方法

胡跃坤

摘要：本文面向当今互联网上占有显著流量比例的内容分发与共享业务的能耗问题，以兼顾网络部分性能指标和节能为双重优化目标，引入加权绿色因子并建立了性能与功耗可调的优化模型ETE-FD。实验结果表明，ETE-FD对于可靠性（MLU）方面的调节幅度可以达到58.18%，对于能耗的调节幅度可以达到47.09%。

关键词：内容分发与共享业务;网络节能优化;网络可靠性;节能路由协议

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0226-02

0 引言

文件分发共享业务流量占绝对统治地位的互联网中，耗电问题已成为网络和信息系统持续高速发展的重大障碍。由于这类业务所占流量比例显著，近年来已经有越来越多的绿色网络研究文献专注于此类业务[1]-[2]。但是，这些研究普遍具有一些问题：譬如单一优化能耗目标，而将性能等其他指标仅仅作为约束条件[2]，忽视了网络的可靠性等其他方面。其次，在业务能耗优化方面，关注端系统较多，对于网络设备的能耗优化关注相对较少，优化不够彻底。

针对上述问题，本文以最优化理论为基础提出了一种能耗感知的跨层流量工程模型ETE-FD（Energy-Aware Traffic Engineering File Distribution）。最后以BT业务为例，对模型的效果进行了实验验证。

1 可调可控的文件分发业务理论模型

本节提出一种能耗与传统流量工程的可靠性兼顾的文件分发模型ETE-FD，针对路由器与端系统的能耗问题进行多目标全局优化，模型中提供了绿色因子参数作为具体调节手段。

此最优化模型的待求解变量为每个分发需求在路由器节点之间的流量分配和分發业务供给侧的选择，其他为已知量。上式（2）中左侧第一项为单纯的可靠性优化模型，沿用了传统流量工程中最小化最大链路利用率的建模思想，使网络中各条链路上的流量分摊均匀，避免高负荷增大设备的故障率以及降低一旦发生故障所产生的影响。节能最优方面由式2的第二项表示，物理意义即上文所述的让尽量多的链路和板卡休眠，流量相对汇聚。式2中a、b为可调参数，定义绿色因子为两者的比值a/b。

2 仿真实验

在本节中对本文的ETE-FD模型及算法进行仿真实验，着重关注定量分析模型中绿色因子参数的调整，对于文件分发业务耗能和性能方面产生的影响。

图1和图2分别表示在多种条件下绿色因子对系统每bit耗能和MLU方面的影响。

图1展示了文件热点率对本文模型的影响。文件热点率越高，网络能耗越低，其中50%的热点率比10%的情况下能耗低了约30.3%。原因在于文件热点率越高，下载相同文件的端系统就越多。这种情况下，ETE-FD模型的优化目标公式2的右项可促使下载过程中产生了更多的就近互传。既减少了下载时间，又降低了数据传输距离，休眠路由器板卡数量自然会增多。

图2则是表示MLU与绿色因子的关系。由图2所示，绿色因子增大会导致MLU降低，原因是ETE-FD的左侧优化目标权重增加使流量变得均匀。

综上的2张图可以看出ETE-BT模型的绿色因子在调节系统能耗与网络可靠性方面发挥的作用。在绿色因子从4*103到0（最显著的区间）的调节过程中，网络能耗降低了47.09%，网络的可靠性（MLU）降低了58.18%。

3 结语

本文针对当今互联网上占有较大比例的内容分发与共享业务，提出并建立了一套兼顾可靠性和功耗的可调理论模型ETE-FD。结果表明，ETE-FD模型对于可靠性方面的调节幅度可以达到58.18%，对于功耗的调节幅度可以达到47.09%。

参考文献

[1] S. Brienza， S. E. Cebeci， S. S. Masoumzadeh， H. Hlavacs， G. Anastasi et al. A survey on energy efficiency in P2P systems： File distribution， content streaming， and epidemics[J].ACM Computing Surveys （CSUR），2015，48（3）：36.

[2] Kshitiz Verma， Alberto， Samar Agnihotri.Energy Efficient File Distribution Problem and its Applications[J].IEEE， International Symposium on Network Computing and Applications IEEE，2016：246-249.