研究分析高效能互联网传输技术及其应用——互联网的能耗问题

随着无线移动通信系统迅速发展，互联网技术应用以及高带宽需求得到了提升，这也为互联网的联网设备的市场需求增长提供了强劲的动力，由此出现了过去几年里联网设备数据量指数爆炸一般的急速攀升现象，由此也带来了能源消耗等一系列问题。根据一份数据统计，仅在美国，由于互联网而产生的能耗已经占了整体能耗总和的2%~10%。在互联网技术飞速发展的背景下，能源的过度消耗问题已经越来越引起人们的重视。首先，在互联网运营商所承担的所有成本费用中，能源开支占据的比重逐渐增加，如果能够有效的控制这方面的能耗，将会使整体互联网运营的成本大幅度降低;其次，由于国际上的冷却和散热技术发展处在低潮时期，很难在短时间内再取得很大的突破，因此能源消耗很可能成为未来影响互联网发展的主要因素;最后，在全球环境恶化以及全球气候变暖的影响下，绿色通讯的倡议不断的被提出，而互联网的能耗却高居不下，因此全社会都对此就提出了降低能耗、改善环境恶化局面的号召。但是，随着世界互联网技术的不断发展，未来这一领域的能耗控制挑战依旧严峻。要想实现对互联网能耗的有效控制，就必须从优化互联网传输、运用高效的互联网技术等方面着手，将绿色通讯的理念落实在这一领域当中。我国政府曾在哥本哈根气候大会上提出，要在2020年实现较2005年相比单位GDP排放量减少40%~45%的目标，但是要想真正实现环保，还需要依靠各方力量共同参与。本文正是基于此背景，来探讨互联网的高能效传输技术及其应用。

1 目前我国互联网传输能耗问题

1.1 网络节能现状

根据美国劳伦斯国家实验室的一份权威数据：2010年，全球互联网设备共消耗当年能耗的4%，而其中主要的能耗产生自交换机、路由器等网络设备，其约占总体能耗的0.5%。以中国为例，2013年国内电信运营三累计消耗的电量达到28.9TWh，比2012年高出26%，累计消耗电量约为全国的0.8%，这一数字目前还在增长之中。有关机构预测，2020年，ICT产业将会消耗全年世界电力消耗量的1/7，而其中网络设备以及PC就占了其中的1/3。这些消耗并未完全是因为设备工作而产生的，很大一部分消耗是因为设备处于休眠或者待机状态而引起的。而随着不少智能设备的反电源管理功能正在加强，诸如远程访问、P2P应用、远程管理等功能也使得一些设备在负载很低的情况下，依然保持着这场工作状态。这一状态也意味着这些设备的能源消耗是非常之大的。

1.2 网络能耗大

根据全球能源消耗的有关数据，信息、通讯产业的温室气体日排放量达到了世界总排放量的3%左右，这些不断排出的CO2等气体能够对气候以及环境产生恶劣的影响。以移动通信为例，该系统年耗电量达到600亿度，就是我国的移动通信业务，也达到了年耗电200亿度的水平。而随着信息技术的发展，在移动通信中不断有新的如交换机、路由器等设备连接进系统当中，因此相应的能源消耗量将会进一步增大。而随着节能减排的形式变得越来越严峻，我国也在2009年的哥本哈根气候峰会上郑重承诺，要在2020年实现单位GDP同2005年相比较低至少40%的目标。

1.3 系统设计不足

由于我国政府不断重视节能型社会的构建，因此降低网络设备以及互联网系统的能耗将会成为未来重点应对的课题。但是，就当前国内所拥有的这一套互联网系统而言，其在结构上存在明显的冗余度高、系统效率低下等问题，具体的能耗表现为，在网络空闲的情况下，能源利用率不足5%，即便在网络繁忙的情况下，也仅有30%左右的能源利用率，因此要对其加以改进和优化，从而达到高效率、低能耗的目标。要将绿色通讯的理念转化为实际行动，以实际措施出发，将宽带通讯系统的能耗以及互联网设备的能耗尽可能降低，从而减少网络运营成本。

2 高效能互联传输技术

2.1 边缘网络节能技术

所谓边缘网络节能技术，就是指网络存在性代理以及以太网节能技术这两个方面，其中，传统的以太网中局域网在表现上具有效率低、能耗大的特点。为了改变这一现状，需要在以太网中进行变频和休眠技术的研发和投入。2010年9月，IEEE802.3azEEE相关标准被制定，在无数据传输时，休眠模式开启，链路进入低能耗状态，而当数据传输时，链路开启，迅速传输新数据。其中，Ts表示进入休眠所需时间，Tq为低能耗模式时间，Tr为刷新时间，而换新醒链路时间为Tw。在具体工作中，空闲时，以太网处于低能耗模式，能源消耗仅为正常模式的10%。在物理成的IPI协议下，EEE得以实现，且链路两端设备在IPI模式下利用率低，低能耗模式切换灵活，保持链路状态不变。

在网络存在性代理方面，网络边缘节点禁用电源管理的核心是保持网络的时刻存在性，共享应用远程管理、远程登录、P2P等资源。在具体工作中，网络开始工作时，节点处活跃状态，传输数据，而当节点空闲时，节点、代理之间进行状态传输，之后节点进入休眠状态，且在休眠期间，发往被代理节点的网络报文被网络存在代理截获处理，清理被代理节点状态，实现直接通信。同时，在不同网络层，网络存在性代理处理路基不同。如在网络层，支持IPv6、IPv4、ARP协议，并在一定情况下支持DHCP、IGMP。

2.2 核心网节能路由技术

在核心网中，链路以及节点均只有较低的平均利用率，这主要是因为不少网络是为应对极端负载环境而设计的，而现实中很难出现这样的负载峰值，因此核心网的链路以及节点的利用率很低。但是就实际的使用来说，网路设备的流量通常会呈现出周期性变化的规律，根据这一规律，可以对其进行能耗状态的设计，即在低强度的使用状态下使其进行低能耗状态，也就是让节点/链路处于休眠模式或者低频工作模式，而在正常使用时将其恢复到正常工作模式。

如果将网络视为是一个整体，那么节能路由问题就与三大高效能计算模型相对应：第一种是电源模型，该模型是将电源的消耗与链路和路由器以及不同电源状态转变等产生的能耗联系起来;第二种是约束和评价模型，该模型主要从网络吞吐能力、分组丢失率、平均延迟和链路利用率等联系起来;第三种模式是能源优化模型，该模型将会把所有能够产生的能耗的流程组建成一个工程，利用调整链路频率或者选择相对较小的能耗的路由来确定相应的链路以及节点，并适时的对其开关状态进行调整。

在网络节能这一方向上，约瑟博士富有创造性的提出三大方法，其中有两种方法可在全网范围内使用。

(1)网络层面，一旦负载维持在较低水平，则通过调整路由来让线路上的流量进行聚合，从而将线路的利用率提升，让其他线路处在休眠状态。此做法需要对第2、第3层协议进行一定的修改。

(2)将互联网拓扑结构进行改进，使其能够根据不同负载状态调整自身的状态，从而出现休眠或者聚合。也就是说，要将具备能源敏感的网络拓扑加入到互联网体系当中，使其能够灵敏而迅速的对网络负载进行判断和反应，从而让设备能够在低负载时进入休眠状态。

要想实现全网的节能，不仅可以从休眠技术入手，也可从链路变频技术入手。在节点变化下，可以通过协同或者自主的方式进行调节，从而使设备的工作状态与网络的负载相匹配，从而提升整体的能源利用率。而要想敏锐的对互联网的负载状态进行判断并作出休眠或者变频的决定，需要系统建立良好的能耗函数，从而将网络的吞吐能力进行优化，满足全网的能源消耗控制需求。

不论是节点还是链路，其都未能在核心网中具备较高的利用频率。这主要是在网络设计时，出于对高峰时期的网络运行状态的考虑，但是在实际使用中，网络很少会出现极端的高负载的情况，而是随着时间变化呈现出一定的周期性。这一周期性通常以天的形式表现，因而，在对核心网节能技术进行设计时，要根据具体的链路利用率、网络吞吐量等因素进行约束、评价模型的建立，从而灵活的对链路频率进行调整，将不必要的节点进行关闭处理。

2.2.1 自主休眠

2010年，凯瑟博士提出了不同的自主休眠的策略;其一为定时休眠，这一策略将表现为在一定的时间段内，所有的报文都会丢失而系统处于休眠状态;其二为WoA，该策略将会保持网卡处于正常工作状态，而主机则适时进入休眠，由网卡负责线路侦听，一旦出现报文，则立即将主机唤醒。但是对于核心网络而言，报文抵达的时间间隔微乎其微，WoA难以在这样的情况下发挥作用。为了解决这一问题，可以人为的在网络边缘进行流量缓存，并可以营造出突然的网络流量爆发的情形，以此延长报文传输的时间间隔。

2.2.2 协同休眠

协同休眠是一个典型的高能效计算问题。其在约束性能上，一般采取的是将网络吞吐能力或者链路利用率进行控制的做法。为了达到这一性能约束的效果，一般需要进行能耗模型的打造。能源优化器是协同休眠的重点，也就是能够有效实现最大节能效果的核心。此类决策一般需要在特定的网络拓扑结构下，在协议层面汇聚相应的流量，从而让空闲的链路或者节点处于休眠状态，以此来做到整体能耗的降低。

3 高效能互联传输技术的具体应用

3.1 依据能效比例优化网络能耗

能效比例计算是满足绿色无线通信互联网的灵魂和基础。互联网在日常的使用中可以被视为是一个系统，而其中的产生的能耗同理可视为是网络负载。相关的能耗计算将会基于系统的整体而展开。此外，能源优化器、电源模型都是进行计算的前提，在计算的基础上，才能够对网络进行优化。具体的优化措施可以是：首先，将硬件、设备等进行流量聚合以及变频处理，从而能够将链路的利用率提升，在传输协议层面进行优化和改进;其次，结合重尾分布规律，将隐式、显式访问进行具体的区分，从而将数据传输过程的流量尽可能降低。此外，还应该抓住数据通讯量以及控制流量的特点，在网络系统中将应用位置的感知能力进行大幅度提升，从而在系统层面实现网络优化;最后，将一些高能耗的设备、器材进行优化，如通信天线、基站等。

3.2 优化链路级能量

无线接入网实质上就是不同的无线接入节点所形成的，而在接入过程中，基站系统几乎承担了其中的所有能耗，因此要想构造高效环保的互联网结构，首先应该对基站进行功耗建模、分析以及研究，从而确定其最佳的传输效果，将传输功率尽可能降低。此外，还应该从天线效率、链路优化、功放效率、线路损耗等角度着手，将整个系统的能耗有效的较低，并且根据相关的运营信息，如最大网络负载等对链路的参数进行设置，从而让链路尽可能处在良好的高利用率的运行状态，以此实现网络能量消耗的最小化。

3.3 融合多媒体广播

在进行无线资源分配时，主要工作进行对无线接入进行协同处理，根据用户CSI来将无线信道以及传输功率等进行有效的分配，从而让其能够灵活适应链路，以增大传输容量。此外LTE系统将会对信道业务进行多方面的考虑，不仅对其需求还要对其双选特性进行分析，从而能够尽可能的优化无线资源。除此以外，随着移动多媒体业务的兴起，在进行互联网结构调整以及优化时，也同样需要考虑到多媒体热点业务的特点。对于其中的一些热点业务，可以结合广播网高容量、低功耗以及宽带传输的特性进行网络传播。此外，针对当前使用比较频繁的蜂窝网络、WLAN、蜂窝网络等网络通信功能，需要根据其用户的使用需求以及特点，根据用户分布等信息进行有效的接入点设置，从而将传输距离尽可能减少，以达到最佳的传输效果和最低的能耗要求。

结论

当前，有效减少互联网能耗业已成为工业以及研究领域的重点课题。互联网所涉及的不仅是软件、应用以及系统，还包含支持和配合其工作的设备以及硬件等，这些方面都具有巨大的能源控制空间。因此可以从传输协议、硬件设备等多个方面进行互联网能耗的控制或减少。当前，学界也正在对相关的节能技术进行热议，尽管这些技术从研究到实际投入使用还需要经历不少的挑战，但是网络节能课题成为学界热点问题却是不争的事实。本文以互联网耗能为研究背景，对高效传输技术和应用进行了深入的分析，具有一定的参考价值和意义。