高性能路由器节能技术研究

【摘要】： 因特网在过去20多年间的飞速发展,对整个社会产生了深刻的影响。但是伴随着网络规模和带宽需求的急剧扩大,网络能耗问题也日益严重。高性能路由器既是网络通信的核心节点,也是电能消耗的主要来源之一。 本文基于高级配置于电源接口规范(Advanced Configuration Power Interface,简称ACPI),结合互联网流量特点,将软硬件协同思想引入到路由器节能体系结构的设计中,提出了一种新型的路由器动态功率管理体系结构HERPM,并深入研究了HERPM中的若干关键技术。本文的主要工作和创新点包括: (1)针对以操作系统为中心的功率管理体系结构调节功耗的滞后性和不能充分利用细粒度节能潜力的缺陷,提出了一种全新的路由器动态功率管理体系结构HERPM。HERPM在ACPI的基础上,采用软硬件协同节能的机制,在软件方面利用操作系统通晓设备运行状况的优势,提高了功率管理决策的科学性;在硬件方面利用了硬件反应迅速的特点,能够有效开发短间隔时段报文的节能潜力,从而获得较高的节能效率。 (2)为了充分利用HERPM的优势,针对路由器系统的工作特点,提出了路由器系统及部件动态功率管理模型,对系统性能需求和功耗进行了细粒度的划分,从而使得系统的功耗能更精确地与负载相匹配。在该模型的基础上,提出了四种便于硬件实现的转换算法,并以广泛应用于Intel IXP系列网络处理器的Xscale核为例,对四种算法进行了模拟比较,分析验证了算法的节能效率和对报文的延迟影响。 (3)针对目前节能研究大多关注于单台计算机和路由器设备的现状,提出了网络层次的动态功率管理模型。在该模型中,同一个管理域中的路由器在相互交换路由信息的同时,也相互传递负载状态和功耗控制信息,在形成对路由一致性认识的过程中,为采用协同睡眠的方式节能创造了条件。 论文还对路由器间协同节能的若干关键问题进行了探讨,深入分析了节能对网络协议的影响,并提出了可能的解决方法和实现方案。本文的工作对高性能路由器在节能方面的设计和实现具有重要的指导意义。 【关键词】：路由器 节能 动态功率管理 模型 体系结构
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP393.05
【目录】：

• 摘要9-10
• ABSTRACT10-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12-17
• 1.1.1 Internet 能耗现状12-13
• 1.1.2 服务器节能技术13-15
• 1.1.3 路由器系统节能的可行性研究15-17
• 1.2 研究设想17
• 1.3 研究成果和创新点17-18
• 1.4 论文的组织18-19
• 第二章 路由器组成与负载特性19-28
• 2.1 IP 路由器体系结构19-22
• 2.1.1 单处理器共享总线体系结构19-20
• 2.1.2 多处理器共享总线体系结构20-21
• 2.1.3 多处理器交换结构体系结构21
• 2.1.4 基于网络处理器的体系结构21-22
• 2.2 路由器关键部件22-24
• 2.3 互联网流量特性24-26
• 2.4 路由器接口流量实例研究26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 动态功率管理原理和关键技术28-39
• 3.1 动态功率管理（DPM）原理28-31
• 3.1.1 部件级DPM28-29
• 3.1.2 系统级DPM29-30
• 3.1.3 网络级DPM30-31
• 3.2 元器件对功率管理的支持31-35
• 3.2.1 微处理器31-32
• 3.2.2 内存32-34
• 3.2.3 总线34-35
• 3.3 动态功率管理的关键技术35-38
• 3.3.1 静态预测技术36
• 3.3.2 预测性关闭36-37
• 3.3.3 预测性唤醒37
• 3.3.4 自适应预测技术37
• 3.3.5 混合预测技术37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 路由器动态功率管理技术39-46
• 4.1 功耗状态划分39-40
• 4.2 路由器线卡动态功率管理模型40-41
• 4.3 路由器系统功率管理模型41-42
• 4.4 路由器功率管理体系结构HERPM42-45
• 4.5 本章小结45-46
• 第五章 状态转换算法及性能分析46-59
• 5.1 状态转换算法46-49
• 5.1.1 固定阈值超时算法48
• 5.1.2 阈值调整超时算法48-49
• 5.1.3 固定阈值预测算法49
• 5.1.4 阈值调整预测算法49
• 5.2 测试方法49-52
• 5.2.1 测试对象49-51
• 5.2.2 测试方法51
• 5.2.3 测试程序结构51-52
• 5.3 测试数据及分析52-58
• 5.3.1 测试过程52-53
• 5.3.2 测试数据及分析53-57
• 5.3.3 结论57-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第六章 展望：趋势与前景59-62
• 6.1 发展方向59
• 6.2 节能对网络协议的影响59-61
• 6.3 可能的协议解决方案61
• 6.4 本章小结61-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-67
• 作者在学期间取得的学术成果目录67

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