一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案制造技术

本发明专利技术涉及一种以太网的节能方案，特别是一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案。本发明专利技术主要包括下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。主要应用在大型网络规模、大型网络拓扑结构的以太网网络节能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案
本专利技术涉及一种以太网的节能方案，特别是一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，可用于大型网络规模、大型网络拓扑结构的以太网网络节能，为以太网网络应用及其研究提供节能方案。
技术介绍
以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，其传输速率有10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s、10Gbit/s四种，介质为双绞线或光纤，能满足以太网快速、实时、可靠的控制要求。从而在近几年得到了广泛应用。目前，国内外都对以太网网络进行了大量的研究与应用。统计数据显示，2018年全球以太网的接入节点数已超过40亿，而与之相连接的交换机、路由器等设备的数量也同样庞大。然而传统以太网网络系统设计的两个原则：超额资源供给和冗余设计，都有悖于低碳节能的目标，从而造成当前以太网网络的能耗效率极其低下。目前以太网网络繁忙时的最大平均链路利用率不足30％，很多以太网网络的空闲时链路利用率甚至不足5％。大多数所有以太网网络设备的能耗都是由峰值带宽决定的，且绝大部分设备为7×24小时全速工作。但网络用户真正需要最高带宽的工作时间不足设备运行时间的5％。这就意味着即使在以太网网络空闲的情况下以太网网络设备依旧按照峰值带宽的标准消耗能量。因此，以太网网络设备和计算机设备对能源的消耗严重阻碍着节能型社会的创建，如何减少以太网网络的能量消耗已成为一个急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有以太网网络存在的能量消耗的问题，提供一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，由两个部分组成：下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。为了保证以太网网络的稳定，网络中的数据必须进行快速可靠的传输。所有的数据类型可分为实时周期数据、实时非周期数据及非实时数据三种类型，在先入先出FIFO(First-In-First-Out)队列中，这三种数据类型都会被视为相同优先级依次等待转发。然而若长数据帧一直在发送，实时数据长时间的得不到转发，就会对系统时延产生极大的影响。本专利技术将高优先级算法和低优先级算法两者相结合，采用下游分组调度，提出低负载网络单元帧间级调度和帧内级调度相结合的综合分组调度方法。低负载网络单元帧间级调度解决了非实时性数据抢占新到从而导致实时数据不能得到实时传输的问题。低负载网络单元帧内级调度对实时数据和非实时数据包采取了不同的策略，解决了优先级队列中数据转发顺序的问题。同时，在网络的运行中，传统以太网能耗较大，即使不发生数据碰撞，收发端也工作在最高能耗模式，实际上系统多数时间段处于闲置时期，并且以太网的链路利用率一般很低，链路传输速率越大能耗也越大。本专利技术提出的一种以太网混合睡眠模式，将以太网网络单元深度睡眠模式和发射机、接收机的独立睡眠模式结合起来。这种方法允许发送者和接收者同时进入睡眠模式，即当发送端和接收端都完成了传输，并且可以启动睡眠状态，则整个网络单元将切换到深度睡眠模式。在本专利技术中以太网在系统无数据传输时让网络进入低能耗的混合睡眠模式，以此来节省系统中的能耗。当系统有数据准备传输的时候快速将其从混合睡眠状态唤醒。在从睡眠到唤醒的转换期间，要求数据传输要在物理层被唤醒条件下进行，因此不会出现数据丢失现象。在本专利技术中，我们考虑了以太网的节能组件，包括发射机，接收器和整体的网络单元。我们首先提出了一种算法和规则，在帧间和帧内条件下对下游分组进行调度，以确保最早到达的实时分组也可以先发送，所有实时分组都可以在非实时分组之前发送。然后，我们开发了一种混合睡眠模式，该模式考虑了网络单元的深度睡眠和发射机、接收机的独立睡眠的组合。为了实现这一组合，本专利技术设计了一个带有10个时间点的修改过的门控制消息，用于控制发射机、接收机和整个网络单元的睡眠过程。相比于现有技术，本专利技术基于分组调度算法和规则，在混合睡眠模式的基础上，提出了一种网络单元的睡眠方案，即基于下游分组调度的节能方案，最大限度地降低了任务的能耗，尽可能地降低了分组延迟。其采用以太网网络单元的深度睡眠模式、发射机和接收机的独立睡眠模式以及下游分组调度算法，从而使整个以太网总能量消耗最小化。并且采用优先级算法进行分组调度，这解决了信道竞争时的分配问题；而混合睡眠模式将网络单元深度睡眠模式与发射端、接收端的独立睡眠模式结合起来，实现了连接间的错误控制与流量控制，从而了保证实时性要求，解决了信道使用权问题以及网络节能问题。附图说明图1为本专利技术的网络下游分组调度过程示意图。图2为本专利技术的网络混合睡眠模式示意图。图3为本专利技术的网络轮询周期的序列图。图4为本专利技术的系统方案之间能耗对比示意图。图5为本专利技术的不同网络单元情况下下游数据包到达速率与网络单元能耗的对比示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作出进一步的详细说明。如图1所示，线路终端中的每个网络单元都设置了两个First-In-First-Out(FIFO)队列，并将它们分别指定为高优先级和低优先级队列。上游数据包括了调度数据与非调度数据，下游数据包括实时数据和非实时数据。实时数据包(延迟敏感数据包)被缓冲在高优先级队列中，非实时数据包(延迟不敏感数据包)则被缓冲在低优先级队列中。同时基于排队延迟，我们的下游分组调度过程是在帧间和帧内进行的。在帧间调度级别中，线路终端可以确定所轮询的任务顺序。在轮询周期的开始，线路终端将检测下游的队列以确定网络单元。如果实时数据包驻留在网络单元i的队列中，则线路终端获得第一个实时数据包的延迟，用表示。否则，线路终端获得第一个非实时数据包的延迟，用表示。如果两个下游队列中都没有包，那么和都被设置为零。实时和非实时数据包的延迟分别按降序排序。而在帧内调度级别中，在验证了以太网网络单元轮询的顺序之后，线路终端应考虑网络单元级别上每个网络单元的实时和非实时数据包的调度。同时由于实时数据包的延迟敏感性，对于每个网络单元,线路终端需首先发送实时数据包。当高优先级队列中没有实时数据包时，则可以发送非实时数据包。若不能完全发送网络单元的排队下游数据包，则应优先忽略非实时数据包，并允许等待下一个轮询周期。如图2所示，混合睡眠模式包括了网络单元的深度睡眠模式与发射机、接收机独立的睡眠模式。与网络单元的休眠模式不同，我们的方法允许发送者和接收者同时进入睡眠模式。并且每个组的睡眠过程是独立的，只由它们各自分配的槽决定。当一个网络单元被唤醒后，数据包出现在上游/下游时，发射机/接收器将继续工作。而在工作时间之外，发射机/接收机可以进入睡眠模式。如果发送端和接收端都完成了传输，并且可以启动睡眠状态时，那么整个网络单元将切换到深度睡眠模式。如图3所示，它显示了一个轮询周期的序列图，同时也显示了一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案的具体工作步骤。其中发射机的睡眠过程与上游带宽分配有关。在报告控制消息中，以太网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：包括由两个部分组成：下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：包括由两个部分组成：下游分组调度和混合睡眠模式。下游分组调度算法结合了帧间调度算法和帧内调度算法，确保了下游数据包的延迟能够满足要求；以太网节能模式则采用混合睡眠模式，它不仅包含了低负载以太网网络单元的深度睡眠模式，还包含了发射机和接收机的独立睡眠模式，从而确保以太网网络空闲时间段能量消耗最小。使得以太网网络在空闲时段能长时间处于低能耗模式，减少其能源损耗。2.根据权利要求1所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的下游分组调度是在线路终端中的每个网络单元都设置了两个First-In-First-Out(FIFO)队列，并将它们分别指定为高优先级和低优先级队列。上游数据包括调度数据与非调度数据，下游数据包括实时数据和非实时数据。实时数据包被缓冲在高优先级队列中，非实时数据包则被缓冲在低优先级队列中。同时基于排队延迟，将下游分组调度过程分为帧间和帧内两个过程进行。3.根据权利要求2所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的帧间调度级别，线路终端可以确定所轮询的任务顺序。在轮询周期的开始，线路终端将检测下游的队列以确定网络单元。如果实时数据包驻留在网络单元i的队列中，则线路终端获得第一个实时数据包的延迟，用表示。否则，线路终端获得第一个非实时数据包的延迟，用表示。如果两个下游队列中都没有包，那么和都被设置为零，实时和非实时数据包的延迟分别按降序排序。4.根据权利要求2所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的帧内调度级别，在验证了以太网网络单元轮询的顺序之后，线路终端应考虑网络单元级别上每个网络单元的实时和非实时数据包的调度。同时由于实时数据包的延迟敏感性，对于每个网络单元,线路终端需首先发送实时数据包。当高优先级队列中没有实时数据包时，则可以发送非实时数据包。若不能完全发送网络单元的排队下游数据包，则应优先忽略非实时数据包，并允许等待下一个轮询周期。5.根据权利要求1所述的一种基于混合睡眠模式的下游分组调度以太网节能方案，其特征在于：所述的混合睡眠模式包括了网络单元的深度睡眠模式与发射机、接收机独立的睡眠模式。与网络单元的休眠模式不同，我...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏志，戚小莎，赵航，杨兴旺，王晓宇，胡黄水，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22