基于混合嵌入式马尔可夫链的节能以太网性能分析

Ethernet devices are widely used in telecommunication networks. With the data rate kept ever growing; the ever rising energy consumption of enormous Ethernet devices will eventually become a serious burden of the network development. The industrial standard IEEE802.3az protocol was proposed to enhance the energy efficiency of Ethernet devices. The key idea of the protocol standard is to put the Ethernet interfaces into sleep mode when the channel is idle. Therefore, the parameters designed to wake-up interfaces in sleep mode play the dominating role in respect to the energy efficiency and latency performance of the IEEE802.3az protocol. Meantime only some partial analytic results are available in existing literatures; they are far from a comprehensive understanding of the impact of these parameters on system performances. On the other hand, simulations are incapable to provide any insightful information for selecting optimal parameters of the protocol. In this project, we propose a hybrid embedded Markov chain model of the Energy Efficient Ethernet to tackle this optimal parameter design problem. In the proposed model, we consider the Markov chain of Energy Efficient Ethernet embedded in both vacation termination points and service completion points. The aim of this project is to reveal the impact of these key parameters on the system performance under different input traffic patterns based on the proposed hybrid embedded Markov chain. In the end, we expect to establish an optimal parameter design policy of the IEEE802.3az protocol. Our preliminary research results already demonstrated many unexplored energy efficiency and latency properties of this protocol. We therefore expect that a fully comprehensive study of the proposed hybrid embedded Markov chain model will provide a solid theoretical foundation for the next-generation Energy Efficient Ethernet Protocol Standard.

以太网设备在通信网络中应用广泛。随着网络速率的增长，数量巨大的以太网设备能耗迅速攀升，给通信网络的发展带来了沉重负担。业界针对节能制定的IEEE802.3az协议为以太网节能带来了契机，其主要思想是在以太网口空闲时让其休眠。而以太网口唤醒参数的选取，对系统的节能效率和延迟性能起着决定性作用。目前，虽然已开展了一些仿真和理论研究工作，但它们无法厘清关键参数对系统产生的影响，因此尚未能得到选取最优参数的方法。为此，本项目拟提出混合嵌入式马尔可夫链模型，对以太网节能问题进行建模求解。我们将以帧服务结束点和闲期结束点作为嵌入点，构造混合嵌入式马尔可夫链，刻画节能以太网的工作过程。弄清不同输入业务下，关键参数之间的相互关系和它们对系统产生作用的机理，从而获取参数的优化选取方法。项目前期工作表明，该模型可以获得前人无法观察到的结果。因此，本项目取得的成果有望为下一代以太网节能协议标准的制定提供依据。

我们首先提出了一套休假过程受顾客到达调制的休假排队模型，对10G节能以太网休眠策略的性能进行了建模求解。我们从休假期内到达的数据帧个数分布入手，求解了系统的节能效率以及平均延时特性。基于理论分析，我们弄清了系统参数之间的相互关系和它们对系统产生作用的机理，从而获取了参数的优化选取方案。在此基础上，我们进一步刻画了40G/100G高速节能以太网的休眠策略，解决了两阶段休眠过程的分析问题。我们从策略的条件选择特性出发，提出了一套基于条件期望加权和的分析模型，并得到了系统的节能效率、平均延时和队长特性。我们根据理论结果分析了各参数对于系统性能的影响，并总结出了一套能够适应系统性能要求的参数选取方案。我们的仿真结果表明，在突发输入业务下，基于上述参数选取方法的休眠策略的性能表现均要优于现有的策略。此外，我们针对光电混合数据中心网络提出了一种基于本地缓存的流量卸载策略，并通过建模分析得到了满足一定延时性能要求的缓存阈值设置方案；针对蜂窝网容量过载问题提出了一种通过Wi-Fi技术进行移动数据流量卸载的方案，并通过合理的参数设置使得系统整体性能最优；研究了多址接入系统的延迟性能，包括非竞争的调度式接入系统和基于竞争的随机接入系统；针对大规模高速交换网络中的业务调度需求，提出了一种基于复着色方法的快速、平行、分布式的业务调度算法。本项目已经支持发表了国际权威期刊杂志论文7篇，国际会议4篇，国内核心期刊1篇，国家发明专利2项。其中包括 IEEE/ACM Transactions on Networking 发表论文3篇，IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems论文2篇，IEEE Photonics Technology Letters论文1篇，IEEE Access论文1篇。