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低功耗核心路由器设计的关键技术的研究

作　者: 开毅
导　师: 刘斌
学　校: 清华大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 核心路由器低功耗体系结构重设计服务质量绿色互联网
分类号: TP393.05
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

信息和通信技术领域所消耗的电能非常巨大，目前已占全球总体能耗的5%以上。并且随着全球网络规模的迅速增长，该比例还在持续上升。路由器是最核心的网络设备之一，其功耗也随着性能的提升而不断增加。针对绿色互联网的研究已经广泛展开。与其它研究方法不同的是，本文通过在体系结构层面上的重设计对核心路由器展开了省电研究。路由器中的线卡被分为网络接口和分组处理两个模块，网络接口用来收发数据，分组处理模块则用来实现路由查找、分组转发等功能。其中分组处理模块所消耗的功耗在路由器中占据统治地位。在负载较低时，整个路由器范围内的分组处理模块的处理能力被各网络接口所共享。通过将整个路由器的负载集中到部分分组处理模块上，并关闭其它空闲的分组处理模块的方法，达到节省功耗的目的。本文对这种低功耗路由器体系结构进行了研究，并命名为GreenRouter，取得的主要成果如下：1.在体系结构层面上重新设计了核心路由器，以实现路由器范围内的分组处理能力的共享。将线卡拆分得到的网络接口和分组处理模块分别称为子板和母板。通过使用一个额外的交换网络，实现了各子板负载对母板处理能力的共享。同时设计了分布式的分发器系统以实现负载从子板到母板的调度。同时本文也对新结构所带来的影响做出了分析。2.提出了基于流片的负载调度策略，在满足性能和服务质量要求的前提下，充分发挥了GreenRouter的省电能力。本文创造性地以流片，而非传统的流为粒度进行调度，在流的乱序率不受影响的前提下，更灵活的实现了负载的分配，从而取得了更好的省电效果和网络服务质量。利用真实网络负载进行测试，GreenRouter在对服务质量影响极其轻微的情况下，能够自适应网络负载波动，并取得显著的省电效果。对于骨干网中典型的平均链路利用率为30%的情况，GreenRouter能够取得约18%的省电效率。3.提出了基于分组的负载调度策略，以更小的代价保证路由器的性能和服务质量的同时，进一步提升了GreenRouter的省电效果。同时，在网络接口的出口处实现重排序，保证了网络服务质量中对乱序率的要求。和以流片为粒度的调度相比，该方法能进一步提升约10%的省电比例。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-12
主要符号对照表  12-13
第1章引言  13-18
  1.1 选题背景和意义  13
  1.2 主要研究内容和难点  13-15
    1.2.1 核心路由器体系结构的重设计  13-14
    1.2.2 基于流的路由器运行机制  14-15
    1.2.3 基于分组的路由器运行机制  15
  1.3 主要研究成果和创新点  15-17
  1.4 论文组织结构  17-18
第2章相关工作综述  18-27
  2.1 互联网省电研究概述  18-19
    2.1.1 互联网省电研究历程  18
    2.1.2 互联网省电的研究方向  18-19
  2.2 基于动态自适应的省电研究  19-22
  2.3 基于休眠的省电研究  22-23
  2.4 基于工程的省电研究  23-24
  2.5 路由器的省电研究  24-27
    2.5.1 基于动态自适应的路由器省电研究  24-26
    2.5.2 基于工程的路由器省电研究  26-27
第3章 GreenRouter体系结构设计  27-41
  3.1 GreenRouter 省电的基本思想  27-33
    3.1.1 互联网中网络负载的特性  27-28
    3.1.2 路由器的结构与功耗分布  28-31
    3.1.3 GreenRouter 的省电思想  31-33
  3.2 体系结构重设计的基本问题  33-35
    3.2.1 交换结构的选择  33-34
    3.2.2 调度模式的选择  34-35
  3.3 GreenRouter 体系结构重设计  35-38
    3.3.1 GreenRouter 体系结构概况  35
    3.3.2 数据通路设计  35-37
    3.3.3 控制通路设计  37-38
  3.4 GreenRouter 新结构的影响  38-39
  3.5 GreenRouter 的两种运行模式  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第4章基于流片的运行机制  41-75
  4.1 运行机制的目标  41-42
    4.1.1 负载调度的目标  41-42
    4.1.2 活动母板数控制目标  42
  4.2 负载调度策略  42-58
    4.2.1 常见的负载调度粒度  43-45
    4.2.2 以流片为粒度的调度  45-48
    4.2.3 母板状态定义  48-50
    4.2.4 哈希表替代流表  50-51
    4.2.5 分发器的设计  51-53
    4.2.6 负载调度算法  53-58
  4.3 母板自适应开关控制  58-59
  4.4 运行模式切换  59-60
  4.5 GreenRouter 性能评价  60-65
    4.5.1 省电效果的评价  61-63
    4.5.2 服务质量参数的数学建模  63-65
  4.6 实验和仿真  65-74
    4.6.1 实验目标  65
    4.6.2 实验环境设置  65-68
    4.6.3 实验结果  68-74
  4.7 本章小结  74-75
第5章基于分组的运行机制  75-86
  5.1 基于分组的运行机制的挑战与机会  75-77
    5.1.1 基于分组的运行机制的挑战  75-76
    5.1.2 基于分组的运行机制的机会  76-77
  5.2 基于分组的运行机制设计  77-82
    5.2.1 负载调度算法设计  77-79
    5.2.2 母板开关控制  79-80
    5.2.3 重排序设计  80-82
  5.3 性能评价和实验结果  82-85
    5.3.1 省电效率  82-84
    5.3.2 网络服务质量的影响  84-85
  5.4 本章小结  85-86
第6章总结和进一步的研究展望  86-88
  6.1 研究工作总结  86-87
  6.2 进一步研究计划  87-88
参考文献  88-92
致谢  92-94
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  94

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