一种基于最优控制的周期性节能方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最优控制的周期性节能方法，用作IEEE802.3bj标准定义的40

【技术实现步骤摘要】
一种基于最优控制的周期性节能方法


[0001]本专利技术涉及40
‑
100Gbps节能以太网领域，特别涉及一种基于最优控制的周期性节能方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着40
‑
100Gbps以太网出现在商业用途中，IEEE802.3bj工作组在2014年9月颁布了相应的节能以太网(Energy Efficient Ethernet，EEE)标准。在该项标准中，处于深度睡眠状态中的链路功耗仅为峰值的10％，且深度睡眠状态转换到工作状态所需时间为5.5μs，而处于快速唤醒状态下的链路功耗通常为峰值功耗的70％，但从快速唤醒状态转换到正常工作状态所需时间更短，为0.34μs。EEE使用这两种状态来节约能耗。当链路中没有数据帧需要传输时，链路会选择进入其中一种低功耗状态，在此过程中，链路功耗为100％。一方面，随着链路容量的增加，以太网的功耗大大增加，另一方面，由于链路带宽增大，数据帧的期望延迟越来越小，而频繁的状态转换所需时间会使得帧的延迟相对地增大。因此，减少不必要的状态转换对于节能是至关重要的。EEE的节能量取决于链路所选择的节能状态和在这个节能状态下停留的时间，停留时间越长，节省的能量就越多。为了延长EEE在节能状态中的停留时间，类似于1
‑
10Gbps节能以太网中的做法是将状态转换过程中以及节能状态下到达的数据帧存储起来，使得链路不会马上从节能状态中退出。虽然这种做法可以大大降低链路能耗，但会额外增加数据帧的延迟。
[0003]在40
‑
100Gbps以太网中已经出现了Dual
‑
Mode、FC、FC
‑
SSHI和FC
‑
DT这几种节能策略。其中，Dual
‑
Mode、FC和FC
‑
SSHI这三种策略都无法在达到良好节能效果的同时控制延迟。而FC
‑
DT策略虽然能够将平均延迟控制在预定的期望延迟下，但它所选择的节能状态在系统给出期望延迟时就被确定下来。当负载很高时，如果确定的状态为深度睡眠状态，数据帧的延迟会因为较长的状态转换时间而大大增加。
[0004]现今，电子商务、网络搜索和交易系统等交互式应用对数据传输的完成时间提出了更高的要求，与此同时流量负载也不再仅仅保持为一种固定的流量模式。因此，基于40
‑
100Gbps以太网设计的策略应该在可变流量负载下实现一致的高性能的节能效果。然而现有策略在一定的流量类型下可能有效，但其固定的参数配置都难以在可变流量负载下保持良好性能。

技术实现思路

[0005]为了解决目前40
‑
100Gbps以太网节能策略难以在可变流量负载下保持良好性能的技术问题，本专利技术提供一种能够在不同的流量模式下表现出优于现有节能以太网策略的延时和节能效果的基于最优控制的周期性节能方法
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，
[0007]一种基于最优控制的周期性节能方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一，统计当前的真实周期长度和在一个周期内传输的数据帧总数据量；其中
一个周期是以节能以太网EEE从进入低功耗状态休眠开始，到转入活跃状态并将待传输队列中缓存的数据帧全部传输完毕为止；
[0009]步骤二，在下一周期开始前，预测下一周期内数据帧到达速率，进而根据链路带宽计算出下一周期中传输数据帧所需时间τ
i
以及下一周期内到达的数据帧数；
[0010]步骤三，根据下一周期内到达的数据帧数，计算下一周期到达的数据帧的平均延时；
[0011]步骤四，根据下一周期内到达的数据帧的传输时间τ
i
，计算下一周期内EEE选择低功耗状态中的快速唤醒状态或深度睡眠状态进行休眠时整个周期的能耗；
[0012]步骤五：计算周期长度ETC
FW
和ETC
DS
，以使EEE在下一周期选择快速唤醒和深度睡眠状态时相应的成本函数最小化；
[0013]步骤六：比较计算快速唤醒状态和深度睡眠状态的成本值：如果选择快速唤醒状态的成本值较小，则将下一周期长度设置为ETC
FW
，且下一周期内EEE首先进入快速唤醒状态，并在ETC
FW
‑
τ
i
‑
T
FtoA
时刻，EEE从快速唤醒状态恢复到正常工作状态，最后在待传输队列中的数据帧全部传输完毕之后进入下一周期并返回步骤一；
[0014]否则将下一周期长度设置为ETC
DS
，且下一周期内EEE首先进入深度睡眠状态，并在ETC
DS
‑
τ
i
‑
T
DtoA
时刻，EEE从深度睡眠状态恢复到正常工作状态，最后在待传输队列中的数据帧全部传输完毕之后进入下一周期并返回步骤一；
[0015]其中T
FtoA
表示EEE从快速唤醒状态转换到正常工作状态所需的时间，T
DtoA
表示EEE从深度睡眠状态转换到正常工作状态所需的时间。
[0016]所述的方法，所述的步骤二中，预测下一周期内数据帧到达速率，是基于当前周期预测的数据帧到达速率，以及当前周期实际的数据帧到达速率进行指数加权平滑获得，即：
[0017][0018]其中α为权重值，i为周期的序号，且i≥3；S
i
‑1表示当前周期内到达的数据帧总数据量，TC
i
‑1表示当前周期的真实周期长度；
[0019]当i＝1时，以该周期为初始化周期，不预测该周期内数据帧到达速率；当i＝2时，则以作为该周期的预测数据帧到达速率，其中S1表示初始化周期内到达的数据帧总数据量，TC1表示初始化周期的真实周期长度。
[0020]所述的方法，所述的步骤二中，下一周期中传输数据帧所需时间τ
i
以及下一周期内到达的数据帧数N
i
为：
[0021]τ
i
＝R(i)*ETC/C
[0022]N
i
＝τ
i
/T
t
[0023]其中R
i
为第i个周期数据帧到达速率，ETC为第i个周期的长度，C为链路容量，T
t
为该带宽下每一帧的传输时间。
[0024]所述的方法，所述的步骤三中，平均延时D计算如下：
[0025][0026]其中，D
A
为EEE进入活动状态之前，到达待传输队列的所有数据帧的总排队延时，为EEE在活动状态时，到达待传输队列的所有帧的总排队延时，表达式分别如下：
[0027][0028][0029]其中，m为EEE进入活跃状态之丽到达待传输队列的所确数据帧总数，T
i
为帧的到达时间间隔，T
t<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最优控制的周期性节能方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，统计当前的真实周期长度和在一个周期内传输的数据帧总数据量；其中一个周期是以节能以太网EEE从进入低功耗状态休眠开始，到转入活跃状态并将待传输队列中缓存的数据帧全部传输完毕为止；步骤二，在下一周期开始前，预测下一周期内数据帧到达速率，进而根据链路带宽计算出下一周期中传输数据帧所需时间τ
i
以及下一周期内到达的数据帧数；步骤三，根据下一周期内到达的数据帧数，计算下一周期到达的数据帧的平均延时；步骤四，根据下一周期内到达的数据帧的传输时间τ
i
，计算下一周期内EEE选择低功耗状态中的快速唤醒状态或深度睡眠状态进行休眠时整个周期的能耗；步骤五：计算周期长度ETC
FW
和ETC
DS
，以使EEE在下一周期选择快速唤醒和深度睡眠状态时相应的成本函数最小化；步骤六：比较计算快速唤醒状态和深度睡眠状态的成本值：如果选择快速唤醒状态的成本值较小，则将下一周期长度设置为ETC
FW
，且下一周期内EEE首先进入快速唤醒状态，并在ETC
FW
‑
τ
i
‑
T
FtoA
时刻，EEE从快速唤醒状态恢复到正常工作状态，最后在待传输队列中的数据帧全部传输完毕之后进入下一周期并返回步骤一；否则将下一周期长度设置为ETC
DS
，且下一周期内EEE首先进入深度睡眠状态，并在ETC
DS
‑
τ
i
‑
T
DtoA
时刻，EEE从深度睡眠状态恢复到正常工作状态，最后在待传输队列中的数据帧全部传输完毕之后进入下一周期并返回步骤一；其中T
FtoA
表示EEE从快速唤醒状态转换到正常工作状态所需的时间，T
DtoA
表示EEE从深度睡眠状态转换到正常工作状态所需的时间。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，预测下一周期内数据帧到达速率，是基于当前周期预测的数据帧到达速率，以及当前周期实际的数据帧到达速率进行指数加权平滑获得，即：其中α为权重值，i为周期的序号，且i≥3；S
i
‑1表示当前周期内到达的数据帧总数据量，TC
i
‑1表示当前周期的真实周期长度；当i＝1时，以该周期为初始化周期，不预测该周期内数据帧到达速率；当i＝2时，则以作为该周期的预测数据帧到达速率，其中S1表示初始化周期内到达的数据帧总数据量，TC1表示初始化周期的真实周期长度。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，下一周期中传输数据帧所需时间τ
i
以及下一周期内到达的数据帧数N
i
为：τ
i
＝R(i)*ETC/CN
i
＝τ
i
/T
t
其中R
i
为第i个周期数据帧到达速率，ETC为第i个周期的长度，C为链路容量，T
t
为该带宽下每一帧的传输时间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤三中，平均延时D计算如下：
其中，D
A
为EEE进入活动状态之前，到达待传输队列的所有数据帧的总排队延时，为EEE在活动状态时，到达待传输队列的所有帧的总排队延时，表达式分别如下：E在活动状态时，到达待传输队列的所有帧的总排队延时，表达式分别如下：其中，m为EEE进入活跃状态之前到达待传输队列的所有数据帧总数，T
i
为帧的到达时间间隔，T
t
为每一帧的传输时间，j和k是累积求和的下标，j取[1,m]中的连续整数值，k取[1,N
i
‑
m]中的连续整数值；m和T
i
的计算如下：m＝N
i
(ETC
‑
τ
i
)/ETCT
i
＝ETC/N
i
。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，节能以太网EEE选择快速唤醒状态进行休眠时整个周期的能耗E
FW
计算如下：E
FW
＝0.7(ETC<...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋万春，姚仁福，王建新，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：