一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法技术

该发明专利技术公开了一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，属于云计算网络绿色通信领域。本发明专利技术应用SRLA来寻找最大的一组可休眠链路，并尽可能地将冗余链路转换为休眠状态，以实现节能网络。在确保正常网络路由的情况REERA能够满足网络鲁棒性要求。MCRA路由算法通过网络关键度来表征整个网络的稳定性，最后，将休眠冗余链路算法与最小关键度路由算法相结合，构建云计算网络的鲁棒高效节能路由，克服了低能效的云计算主干网络运行问题。更重要的是，该方法可以动态地改变和调整链路权重，保证链路可以最大统一使用，避免了云计算网络某些链路过度使用时的流量拥塞，可以提高整个网络的性能。

A robust energy efficient routing method for teaching cloud computing network

【技术实现步骤摘要】
一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法
本专利技术是属于云计算网络绿色通信领域，特别涉及云计算网络的鲁棒能效路由方法。
技术介绍
云计算服务提供了一种新颖的协作和个性化学习风格，由于其比其他技术提供广泛的应用程序，对学习和教学产生重要影响。然而，网络设备和服务类型数量的巨大增长使其很难降低能耗，尤其是在高负载的云计算网络中。另外，互联网服务提供商(InternetServiceProvider，ISP)的成本压力由于能源价格不断上涨，迫切需要解决能量消耗问题。因此，研究人员提出了能源效率的概念，旨在提高网络的能源效率，减少网络的碳足迹和能量消耗。现在如何为学习和教学提供高可靠和高能效的云计算服务是工业界和学术界的一大挑战。通常，典型的ISP网络基于IP-over-WDM架构；为了满足服务质量(QualityofService，QoS)的要求，ISP网络链路通常使用冗余设计来响应意外的拥塞和路由失败的网络情况。这种设计方案解决了QoS问题，但也导致了网络能源效率低的问题，如何设计既能满足QoS要求又能实现鲁棒节能网络的路由算法是本专利技术的主要目的。若使空闲路由器和链路休眠的方法会导致网络资源和网络性能的利用率较低，所以不适合云计算网络。本文的算法利用SRLA(SleepingRedundantLinksAlgorithm)来使云计算骨干网络中的冗余链路休眠，利用MCRA(MinimumCriticalityRoutingAlgorithm)来提高整个云计算网络的鲁棒性。此算法可以动态地改变和调整链路权重，保证链路可以最大统一使用，避免了云计算网络某些链路过度使用时的流量拥塞。
技术实现思路
针对现有方法存在的不足，本专利技术提出一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法(RobustEnergyEfficiencyRoutingAlgorithm，REERA)，以实现用于云计算服务的高能效网络的教学和科研，同时保持整个网络稳定性和鲁棒性。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，包括以下步骤：步骤一：计算链路利用率建立链路模型，计算链路利用率；步骤二：利用SRLA算法休眠冗余链路在SRLA算法中，利用Dijkstra算法计算出每个路由器节点的最短路径树，然后出度机制和入度机制获得修正路径树，通过比较SPT和MPT计算出冗余链路并进行休眠；步骤三：建立REERA模型使用链接权重作为Dijkstra算法的输入路由流量，建立REERA模型；步骤四：确定SRLA算法参数确定SRLA算法合适的参数，迭代阶数、次数，触发SRLA的频率，时间间隔T；步骤五：计算链路关键度基于链路容量矩阵计算链路关键度；步骤六：最小化网络关键度将链路关键度的值映射到链路权重，最小化网络关键度，实现最鲁棒的网络；步骤七：由网络链路权重矩阵得到最优的路由路径；由网络链路权重矩阵使用Dijkstra算法选择适当的路由路径。进一步的，所述步骤一计算链路利用率，具体过程如下：将云计算主干网络建模作为G(V,E,W)，其中V是节点集合，E是链路集合，W表示网络的链路权重矩阵。在模型中，链接状态定义如下：其中，xij∈{0,1}，Lij∈E表示从节点i到节点j的链路；链路能量消耗包括基本能量消耗和与流量有关的能量消耗基本能量消耗是指保证运作环节的恒定能量消耗可以表示为：其中，表示链路Lij的基本能量消耗，cij表示链路容量，δ是基础能源相关参数，β代表链路的能量消耗与其能力之比，流量相关的能量消耗为：其中，fij(t)表示通过链路Lij的流量；表示链路能量消耗与由它携带的流量能量消耗之间的关系；链路Lij的能量消耗建模为：T时间段内的链路Lij的平均能量效率可以表示为：在网络中仅考虑网络的冗余链路的休眠，而不涉及到网络节点的关闭。因此，整个网络的能效可以表示为：其中，Ns表示源节点，Nd表示目的节点，flsd(t)表示从源节点Ns∈V到目的节点Nd∈V上的瞬时流量，xij表示链路的状态，Ni表示节点，p0表示网络中节点的功率，设置为恒定值，表示节点Ns到节点Nd的平均流量，Lij表示从节点i到节点j的链路，V表示节点的集合，E表示链路的集合；Lij的链路利用率为：其中，表示链路从Lij上的平均流量；cij表示链路容量；T时间间隔后，uij为链路利用率为：其中，表示用户请求后初始链路的平均利用率，表示链路的平均利用率。进一步的，所述步骤二的具体方法为：将云计算的主干网络建模作为G(V,E,W)，其中V是节点集合，E是链路集合，N和L分别是集合V和E的基数，W表示网络的链路权重矩阵；由Dijkstra算法计算出每个路由器节点的最短路径树SPT(v)，v表示网络中的路由器节点；激活链路的集合EA被定义为最短生成树中涉及的链路集合EA＝Uv∈VSPT(v)，Uv∈V表示图G的完全子图；获得云计算的网络模型中每个路由器节点的最短路径树SPT(v)后，利用出度机制和入度机制进行循环迭代获得修正路径树，其中，出度机制是在网络中找到最大度数的出度路由器节点ER；在ER的相邻节点中入度路由器节点IR，计算ER和IR的最短路径树，将ER和IR的最短路径树进行比较以生成修改的路径树；最后，将MPT与SPT进行比较，获得冗余链路并将其转为休眠状态，重复上述步骤将实现SRLA算法。进一步的，所述步骤三所述的建立REERA模型：s.t.connection(Ns,Nd)＝1(9b)等式(9a)表示最大化网络能量效率的成本函数；等式(9b)示出了任何牵引节点始终连接，并且任何两个节点之间的流量是非负的；等式(9c)表示在构建路由时链路权重用作链路成本；等式(9d)意味着链路Lij的负载等于通过链路Lij的所有OD(OriginDestination)流的流量之和；等式(9e)表明链路利用率不大于链路容量；costlij表示链路lij的流量的开销，wij表示请求结束时的链路权重值，表示(s,d)经过链路lij的流量，cij表示链路lij的容量。进一步的，所述步骤四确定SRLA算法的参数，具体过程如下：为了最大化网络能效，将迭代次数设置为3，然后确定触发SRLA的频率，将时间间隔设置为T，时间间隔T的影响可以在能效计算过程中抵消，且大多数用户的请求可以在一个时间间隔内得到响应。进一步的，所述步骤五计算链路关键度，具体过程如下：网络的关键度越小，网络的鲁棒性越强；所以，网络的关键度τ为：τ＝2nTr(L+)(10)其中，n是网络节点的数量，Tr(·)表示矩阵轨迹，是拉普拉斯矩阵L的Moore-Penrose逆变换；在等式(6)中，网络的关键度τ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，包括以下步骤：/n步骤一：计算链路利用率/n建立链路模型，计算链路利用率；/n步骤二：利用SRLA算法休眠冗余链路/n在SRLA算法中，利用Dijkstra算法计算出每个路由器节点的最短路径树，然后出度机制和入度机制获得修正路径树，通过比较SPT和MPT计算出冗余链路并进行休眠；/n步骤三：建立REERA模型/n使用链接权重作为Dijkstra算法的输入路由流量，建立REERA模型；/n步骤四：确定SRLA算法参数/n确定SRLA算法合适的参数，迭代阶数、次数，触发SRLA的频率，时间间隔T；/n步骤五：计算链路关键度/n基于链路容量矩阵计算链路关键度；/n步骤六：最小化网络关键度/n将链路关键度的值映射到链路权重，最小化网络关键度，实现最鲁棒的网络；/n步骤七：由网络链路权重矩阵得到最优的路由路径；/n由网络链路权重矩阵使用Dijkstra算法选择适当的路由路径。/n所述步骤一计算链路利用率，具体过程如下：/n将云计算主干网络建模作为G(V,E,W)，其中V是节点集合，E是链路集合，W表示网络的链路权重矩阵。在模型中，链接状态定义如下：/n...

【技术特征摘要】
1.一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，包括以下步骤：
步骤一：计算链路利用率
建立链路模型，计算链路利用率；
步骤二：利用SRLA算法休眠冗余链路
在SRLA算法中，利用Dijkstra算法计算出每个路由器节点的最短路径树，然后出度机制和入度机制获得修正路径树，通过比较SPT和MPT计算出冗余链路并进行休眠；
步骤三：建立REERA模型
使用链接权重作为Dijkstra算法的输入路由流量，建立REERA模型；
步骤四：确定SRLA算法参数
确定SRLA算法合适的参数，迭代阶数、次数，触发SRLA的频率，时间间隔T；
步骤五：计算链路关键度
基于链路容量矩阵计算链路关键度；
步骤六：最小化网络关键度
将链路关键度的值映射到链路权重，最小化网络关键度，实现最鲁棒的网络；
步骤七：由网络链路权重矩阵得到最优的路由路径；
由网络链路权重矩阵使用Dijkstra算法选择适当的路由路径。
所述步骤一计算链路利用率，具体过程如下：
将云计算主干网络建模作为G(V,E,W)，其中V是节点集合，E是链路集合，W表示网络的链路权重矩阵。在模型中，链接状态定义如下：



其中，xij∈{0,1}，Lij∈E表示从节点i到节点j的链路；
链路能量消耗包括基本能量消耗和与流量有关的能量消耗基本能量消耗是指保证运作环节的恒定能量消耗可以表示为：



其中，表示链路Lij的基本能量消耗，cij表示链路容量，δ是基础能源相关参数，β代表链路的能量消耗与其能力之比，流量相关的能量消耗为：



其中，fij(t)表示通过链路Lij的流量；表示链路能量消耗与由它携带的流量能量消耗之间的关系；
链路Lij的能量消耗建模为：



T时间段内的链路Lij的平均能量效率可以表示为：



在网络中仅考虑网络的冗余链路的休眠，而不涉及到网络节点的关闭。因此，整个网络的能效可以表示为：



其中，Ns表示源节点，Nd表示目的节点，flsd(t)表示从源节点Ns∈V到目的节点Nd∈V上的瞬时流量，xij表示链路的状态，Ni表示节点，p0表示网络中节点的功率，设置为恒定值，表示节点Ns到节点Nd的平均流量，Lij表示从节点i到节点j的链路，V表示节点的集合，E表示链路的集合；
Lij的链路利用率为：



其中，表示链路从Lij上的平均流量；cij表示链路容量；
T时间间隔后，uij为链路利用率为：



其中，表示用户请求后初始链路的平均利用率，表示链路的平均利用率。


2.如权利要求1所述的一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，其特征在于所述步骤二的具体方法为：
将云计算的主干网络建模作为G(V,E,W)，其中V是节点集合，E是链路集合，N和L分别是集合V和E的基数，W表示网络的链路权重矩阵；由Dijkstra算法计算出每个路由器节点的最短路径树SPT(v)，v表示网络中的路由器节点；激活链路的集合EA被定义为最短生成树中涉及的链路集合EA＝Uv∈VSPT(v)，Uv∈V表示图G的完全子图；获得云计算的网络模型中每个路由器节点的最短路径树SPT(v)后，利用出度机制和入度机制进行循环迭代获得修正路径树，其中，出度机制是在网络中找到最大度数的出度路由器节点ER；在ER的相邻节点中入度路由器节点IR，计算ER和IR的最短路径树，将ER和IR的最短路径树进行比较以生成修改的路径树；最后，将MPT与SPT进行比较，获得冗余链路并将其转为休眠状态，重复上述步骤将实现SRLA算法。


3.如权利要求1所述的一种面向教学云计算网络的鲁棒能效路由方法，其特征在于所述步骤三所述的建立REERA模型：



s.t.



connection(Ns,Nd)＝1(9b)

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋定德，刘恒，齐盛，王雨晴，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51