CN103997421A - 功耗管理方法及分级功耗网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功耗管理方法及分级功耗网络，所述分级功耗网络，包括：控制层、中间层、物理层；所述中间层与所述物理层的硬件组件相连，所述硬件组件的功耗可监测且可调控；所述控制层通过标准接口连接所述中间层中的各个实体，每个实体连接所述物理层上对应的硬件，所述标准接口为一系列的命令集，所述控制层通过这些命令集对各个实体的能耗状态进行管理和监控，从而控制物理层上硬件的工作模式。本发明实施例的功耗管理方法及分级功耗网络，通过控制层和中间层的实体对物理层上的硬件组件进行功耗控制，从而减少设备的功耗。

Description

功耗管理方法及分级功耗网络

技术领域

本发明涉及通信设备节能领域，尤其涉及一种功耗管理方法及分级功耗网络。

背景技术

要降低各个信息通信设备的功耗达到节能的目的，最终是通过降低设备内部的一个或者几个硬件上的功耗来实现，控制层对各个设备的工作模式做出新的决策时，这些决策必须翻译成底层硬件可执行的指定命令集，才能够被相应的耗能组件所执行。例如，控制层如果决定调整某个设备内部的某个元件的工作速度，它必须首先将相关命令传递给底架，底架接受命令后传递给线卡，线卡再传递给芯片、链路接口等相关硬件组件，最终由具体元件完成能耗的优化。

而通常情况下全局控制进程将每一个设备视为设备网中的一个节点，对于那些直接消耗能量的硬件组件，全局控制进程无法完成对具体耗能的组件进行工作模式的配置，也不能实时的调整具体耗能组件的功耗模式，从而造成能量的浪费。

发明内容

本发明实施例提供一种功耗管理方法及分级功耗网络，能够对设备功耗进行调整，从而减少设备的功耗。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种分级功耗网络，包括：控制层、中间层、物理层；

所述中间层与所述物理层的硬件组件相连，所述硬件组件的功耗可监测且可调控；

所述控制层通过标准接口连接所述中间层中的各级实体，每个实体连接所述物理层上对应的硬件，所述标准接口为一系列的命令集，所述控制层通过这些命令集对各个实体的能耗状态进行管理和监控，从而控制物理层上硬件的工作模式。

可选的，所述中间层通过工作频率调整、工作电压调整、智能休眠中至少一种方式，调节所述控制物理层上硬件的工作模式。

可选的，所述控制层包括本地控制进程模块、全局控制进程模块；

所述本地控制进程模块用于根据所述物理层上硬件内部结构的详细信息以及硬件中各个子组件的能耗适配情况，降低所述物理层上硬件的能耗；

所述全局控制进程模块用于对所述物理层上硬件的能耗进行优化。

可选的，所述本地控制进程模块用于根据各级实体的当前功耗模式和可配置功耗模式，通过绿色接口可以对各个实体的功耗模式进行配置，每一个实体通过特定驱动来完成相关硬件功耗模式的设定。

可选的，所述全局控制进程模块用于估计实体从当前的功耗模式能够到达的功耗模式，并确定关于传输延迟和设备中断服务时间等转移特性信息。

可选的，所述的全局控制进程模块还用于将设备网中的设备规划为特定的功耗模式；本地控制进程模块还用于在特定参数的约束下对各个实体的功耗模式进行动态调整。

可选的，所述与中间层的实体带有智能休眠的链路接口，链路接口依据流量负载在休眠模式和激活模式之间连续跳变，当链路接口处无数据包需要接收和传递时，链路接口处于休眠模式；当链路接口处有数据包到达或者有数据包需要传送时，链路接口处于激活状态。

可选的，中间层中实体的功耗模式用下式表示：

$S_{\mathrm{PCS}}^{\left(n\right)}=\{P_c^{\left(n\right)},P_f^{\left(n\right)},T_s^{\left(n\right)}\}n\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}$

其中，代表实体的第N个功耗模式，其中N为大于或等于1的整数；

表示休眠模式，在休眠模式下，关闭实体所有功能；

表示实体处于低性能低能耗的状态，实体此时处于激活状态；

表示实体网络性能和能耗处于最高模式；

表示能耗相关值，用于估计在选定的功耗模式下的设备总的能耗量；

表示网络性能相关值；

表示状态转移特性。

可选的，所述控制层通过所述中间层获取物理层上硬件的能量适配信息，并通过标准接口对所述中间层中的各个实体进行功耗模式的设定。

一种基于上述分级功耗网络的功耗管理方法，包括：

S1、控制层通过中间层的设备级中各节点获取每个实体的当前功耗模式和可用功耗模式，以及每一个功耗模式的相关属性信息；

S2、全局控制进程模块根据获取结果，对各个节点的能耗状态进行优化，根据集中式或者分布式算法计算出各个节点新的功耗模式的配置；

S3、中间层上设备级根据计算出的结果，对各个实体的配置进行更新；

S4、中间层上设备级计算出各级需参与本次更新的实体，以及这些实体的参数约束条件，并根据配置参数完成对物理层硬件组件的功耗模式的更新，从而根据实际负载情况完成优化能耗的目标。

基于上述技术方案，本发明实施例的功耗管理方法及分级功耗网络，通过控制层和中间层的实体来完成物理层上的硬件进行功耗控制，从而减少设备的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分级功耗网络架构图；

图2为本发明实施例提供的基于图1的分级功耗网络架构的功耗模式配置执行流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种分级功耗网络，包括：控制层、中间层、物理层；

所述中间层与所述物理层的硬件组件相连，所述硬件组件的功耗可监测且可调控；

所述控制层通过标准接口连接所述中间层中的各个实体，每个实体连接所述物理层上对应的硬件，所述标准接口为一系列的命令集，所述控制层通过这些命令集对各个实体的能耗状态进行管理和监控，从而控制物理层上硬件的工耗模式。

可选的，所述中间层通过工作频率的动态调整、工作电压动态调整、智能休眠中至少一种方式，调节所述控制物理层上硬件的工耗模式。

可选的，所述控制层包括本地控制进程模块、全局控制进程模块；

所述本地控制进程模块用于根据所述物理层上硬件内部结构的详细信息以及硬件中各个子组件的能耗适配情况，降低所述物理层上硬件的能耗；

所述全局控制进程模块用于对所述物理层上硬件的能耗进行优化。

可选的，所述本地控制进程模块用于根据各级实体的当前功耗模式和可配置的功耗模式，通过标准接口对各个实体的功耗模式进行配置，每一个实体通过特定的驱动来完成相应硬件功耗模式的设定。

可选的，所述全局控制进程模块用于查询各个实体的当前功耗模式并给出各个实体能够到达的功耗模式，并给出关于传输延迟和设备中断服务时间等状态转移信息。

可选的，全局控制进程模块还用于将设备网中的设备规划为特定的功耗模式；本地控制进程模块还用于在特定参数的约束下对各个实体的功耗模式进行动态调整。

可选的，所述中间层的实体带有智能休眠的链路接口，链路接口依据流量负载在休眠模式和激活模式之间连续跳变，当链路接口处没有数据包需要接收和传递时，该链路接口就处于休眠模式；当有数据包到达或者有数据包需要传送时，该链路接口就处于激活状态。

可选的，所述中间层中实体的功耗根据下式确定：

$S_{\mathrm{PCS}}^{\left(n\right)}=\{P_c^{\left(n\right)},P_f^{\left(n\right)},T_s^{\left(n\right)}\}n\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}$

其中，代表实体的第N个功耗模式，其中N为大于或等于1的整数；

表示休眠模式，在休眠模式下，关闭实体所有功能；

表示实体处于低性能低能耗状态，实体此时处于激活状态；

表示实体的网络性能和能耗处于最高模式；

表示能耗相关值，用于估计在选定的功耗模式下设备总的能耗量；

表示网络性能相关值；

表示状态转移特性。

可选的，所述控制层通过所述中间层获取物理层上硬件的能量适配性能信息，并通过标准接口对所述中间层中的各个实体进行功耗模式的设定。

下面详细介绍本发明实施例的分级功耗网络。

为清楚说明本发明的方法,下面对分级功耗管理架构、功耗模式(PCS)、功耗模式配置执行过程分别进行说明。

要降低各个信息通信设备的功耗达到节能的目的，最终是通过降低设备内部的一个或者几个硬件上的功耗来实现，而通常情况下全局控制进程将每一个设备视为设备网中的一个节点，对于那些直接消耗能量的硬件组件，全局控制进程无法完成对具体耗能的组件进行工作模式的配置。控制层对各个设备的工作模式做出新的决策时，这些决策必须翻译成底层硬件可执行的指定命令集，才能够被相应的耗能组件所执行。例如，控制层如果决定调整某个设备内部的某个元件的工作速度，它必须首先将相关命令传递给底架，底架接受命令后传递给线卡，线卡再传递给芯片、链路接口等相关硬件组件，最终由具体元件完成能耗的优化。因此，对一个设备的工作模式进行一个简单的配置，其实际执行过程可能要涉及到设备内部各个组件，一个决策的具体执行过程与设备内部结构有关。

分级功耗管理架构将各个设备或者是设备的子组件定义成不同级别的实体，不同级别上的每一个实体的功耗是可以监测和可以控制的，由此为备内部的物理组件提供了一个分级表示方法，这种分级表示方法的具体分级形式依赖于控制层的访问策略。

如图1中所示，一个高层级别的实体可以与一个或者多个低层级别的实体相关联。在设备级，一个实体对应整个设备(如实体1)；在底架级、线卡级，一个实体可能对应一个线卡、也可能对应一个底架等组件，例如实体1.2就是位于底架级别上的，实体1.2.2就是位于线卡级别上的。在硬件组件级一个实体(如实体1.2.2.2)可能对应于一块芯片、一个处理器、或者是一个链路接口。类似于底架、线卡这一类的组件，由于一些生产厂家可能对它们的具体实现细节进行了封装，这种情况下就不再对其进行更进一步的分级，直接由上层对它们进行访问和控制。而类似于底架上的风扇，它是对底架进一步分级的产物，可以在分级架构的中间层对其进行控制。如图1所示，在分级架构中，在物理层上，位于线卡Ⅱ上的处理器、芯片、光纤端口、以太网口和风扇是处于同一级上的子组件，它们工作模式的改变均是通过硬件组件级上的相应驱动来实现的，位于底架Ⅱ上的线卡Ⅰ和底架Ⅱ上的风扇是也是处于同一级的，二者的功耗模式均是由位于线卡级上的驱动来控制，但是由于设备商对位于设备Ⅰ上的底架Ⅰ的具体实现细节进行了封装，因此在分级架构中就不能对该底架再进行分级，所以对位于设备Ⅰ上的底架Ⅰ而言，其工作模式直接由底架级上的驱动来控制。因此分级功耗管理架构的分级深度和结构依赖于特定的设备内部结构和内部组件的能耗适配性能。

节能目标的最终实现落实到在物理层上，而对各个设备能耗的管理是在控制层上进行的，分级功耗管理架构(即上文提及的中间层)位于物理层和控制层之间，分级功耗管理架构将控制层的相关逻辑决策转化为物理层上的具体实现。一方面，分级功耗管理架构和物理层的硬件组件相连，这些硬件组件的功耗是可监测的和可调控的。例如，类似于链路接口和芯片这样的组件，可以通过动态调整工作频率、工作电压和智能休眠等方式来调节它们的工作模式；类似于风扇等这样的冷却装置，这些辅助性***组件可以通过调整其转速来达到节能的目的。另一方面，分级功耗管理为控制层提供一个标准接口，这些接口是独立于各种硬件结构的。例如，本地控制进程负责降低设备能耗，它需要掌握设备内部结构的详细信息以及各个子组件的能耗适配情况；全局控制进程负责对设备网中的各个设备的能耗进行优化，它无需了解设备的内部结构的详细情况；网络管理协议为监测和配置功能提供用户驱动。控制层通过标准接口和各个实体相连，此处的标准接口为一系列的命令集，通过这些命令集对各个实体的能耗状态进行管理和监控。通过各种标准接口，本地控制进程能够顺利检索到各级实体的相关信息，如各级实体的当前功耗模式和可配置的功耗模式，并且通过标准接口可以对各个实体的功耗模式进行配置，每一个实体通过特定的硬件驱动来完成相关硬件功耗模式的设定。对于全局控制进程来说，这样就屏蔽了各种硬件实现细节的差异。

对于不同的硬件组件而言其可选的能耗适配模式是有差异的，例如链路接口可以采取智能休眠，而处理器可以支持动态电压和频率调整。为了统一控制策略便于控制层对每一个实体进行功耗管理，将一个实体的可配置功耗状态定义为功耗模式，实体的功耗模式可以通过控制层设定，每一种功耗模式都表现为与之相对应的运行状态，这些运行状态与特定的运行属性相关，如最大吞吐量、功耗、状态转移时间。因此，设备在不同配置模式下的耗能量和性能可以通过不同功耗模式表示出来。假设一共有N个可用的功耗模式，每一个功耗模式都与一系列的运行属性相关联：

$S_{\mathrm{PCS}}^{\left(n\right)}=\{P_c^{\left(n\right)},P_f^{\left(n\right)},T_s^{\left(n\right)}\}n\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}$

在上式中，代表第N个功耗模式。表示休眠模式，在这种功耗模式下，关闭实体所有功能，节能量到达最大限度。表示实体处于一种低性能低能耗的状态，实体在此状态处于激活状态，在激活状态下该状态消耗的能量最少。表示实体网络性能和能耗处于最高的状态，在所有功耗模式中它的耗能最大。表示能耗相关值，如当前能耗、相对于最高耗能状态的节能量，该参数用来估计在选定的功耗模式下设备总的能耗量。表示网络性能相关值，如吞吞率、网络时延、丢包率。对于判定在当前功耗模式下，网络性能是否能满足服务质量的要求，从完成所期望的负荷，该参数是很有必要的。表示状态转移特性，例如状态转移时间、服务中断时间等状态转移信息。控制层通过该参数来在估计实体从当前的功耗模式可以跳转到哪些功耗模式时，依据该参数给出此过程中关于传输延迟和设备中断服务时间等信息。

依赖于特定的实现方式，不同实体的智能度、分级程度以及功耗适配模式可能有差异，某些运行状态可以通过实体外部的控制层进行管理，另外一些运行状态可以是实体自身根据负载来自动调整。只有那些能通过控制层控制的运行状态才可以表示成为不同的功耗模式。例如，带有智能休眠的链路接口，它可以仅仅依据流量负载在休眠模式和激活模式之间连续跳变。当链路接口处没有数据包接收和传递时，该链路接口处于休眠模式，反之，当有数据包到达或者有数据包传送时，该链路接口处于激活状态。如果总是从控制层来驱动一些链路接口的休眠或者激活，在实际过程中是不可行的。因此，这种智能休眠方案只能表示实体的一种功耗模式。如果一个实体(如链路接口)有两种不同的智能休眠方案，一种休眠方案为浅度休眠方案，一种深度休眠方案为度休眠方案，浅度休眠状态下的节能量比深度休眠状态少，但是它转移到激活状态下的时间比第深度休眠状态要短，并且其激活过程相对于深度休眠要简单。不同的休眠方案的选择是通过控制层来完成的，此时实体运行在两个不同方案下的工作模式可以用两种功耗模式来表示。当一个实体(如处理器)支持四种工作频率时，此处实体的工作频率是通过控制层控制的，每一种频率下的工作模式代表一种功耗模式。如果某个实体既支持休眠配置又支持频率配置，如类似于线卡这样的实体，控制进程可以选择任意一种休眠状态和任意一种频率状态的自由组合构成一个功耗模式，对于有2种休眠状态4种频率状态的实体来说一共8个功耗模式。这8个功耗模式就代表了8种可以选择的工作模式，实体在每一种功耗模式下的性能和能耗都不相同。当然还可以是不同的工作电压和不同的工作频率的组合。

控制层通过分级功耗管理架构获取物理层上各个硬件的能量适配性能信息，并通过标准接口和方法对各个实体和组件进行功耗模式的设定，此过程的执行主要是通过标准接口来完成。标准接口为一系列的命令集，如查询、预配置、监测。通过查询可以检索到分级功耗管理架构中各个实体的当前功耗模式以及它们的可用功耗模式；通过预配置可以将相应实体的工作模式设定为期望的功耗模式，通过监测可以监测到分级架构中每一个实体的运行属性。

全局控制进程和本地控制进程除了对硬件组件的功耗配置进行管理外，同时也承担着各个设备的能耗优化任务。全局控制进程尽可能多的将设备网中的设备规划为特定的功耗模式，而本地控制进程负责在特定参数的约束下对各个实体的功耗模式进行动态调整。因此，通过分级功耗管理架构进行的功耗模式配置的步骤可分为如图2所示的五个阶段：

第一阶段：全局控制进程根据控制层协议(例如考虑能量配置参数的路由协议、流量工程协议、网络管理协议)查询并获取设备网络中所有节点中每个实体的当前的功耗模式和可用功耗模式，以及每一功耗模式的相关属性。

第二阶段：根据第一个阶段的查询结果，在满足当前网络性能和服务质量的要求下，对各个节点的能耗模式进行优化，根据集中式或者分布式算法计算出各个节点新的运行模式配置，此阶段完成设备级路由表的更新和各个节点参数配置的更新

第三阶段：根据第二个阶段计算出的结果对各个实体的配置进行更新，通过设备级的本地控制进程来完成各级控制进程的参数的更新，如对各级的备选功耗模式、决策间隙、工作在休眠模式下的激活时间等参数进行更新。

第四阶段：设备级的本地控制进程计算出各级的哪些子实体需参与本次更新以及这些实体的参数约束条件，并将配置参数转发给低层实体，中间层的控制进程重复这一过程直到最底层的控制进程完成对物理层硬件组件的功耗模式的更新。

第五阶段：在满足配置参数的条件下底层控制进程通过相应的硬件驱动态地对每一个元件的功耗模式进行相应配置，从而根据实际负载情况完成优化能耗的目标。

本发明实施例提供一种基于上述分级功耗网络的功耗管理方法，包括：

S1、控制层通过中间层的设备级中各节点获取每个实体的当前功耗模式和可用功耗模式，以及每一个功耗模式的相关属性信息；

S2、全局控制进程模块根据获取结果，对各个节点的能耗状态进行优化，根据集中式或者分布式算法计算出各个节点新的功耗模式的配置；

S3、中间层上设备级根据计算出的结果，对各个实体的配置进行更新；

S4、中间层上设备级计算出各级需参与本次更新的实体，以及这些实体的参数约束条件，并根据配置参数完成对物理层硬件组件的功耗模式的更新，从而根据实际负载情况完成优化能耗的目标。

本发明实施例的功耗管理方法及分级功耗网络，通过控制层通过中间层的实体对物理层上的硬件进行功耗控制，实现对设备功耗进行调整，从而减少设备的功耗。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种分级功耗网络，其特征在于，包括：控制层、中间层、物理层；

所述中间层与所述物理层的硬件组件相连，所述硬件组件的功耗可监测且可调控；

所述控制层通过标准接口和中间层各级实体相连接，每个实体连接所述物理层上对应的硬件，所述标准接口为一系列的命令集，所述控制层通过这些命令集对各个实体的能耗状态进行管理和监控，从而控制物理层上硬件的工作模式。

2.根据权利要求1所述的分级功耗网络，其特征在于，所述中间层通过工作频率调整、工作电压调整、智能休眠中至少一种方式，调节所述控制物理层上硬件的工作模式。

3.根据权利要求1所述的分级功耗网络，其特征在于，所述控制层包括本地控制进程模块、全局控制进程模块；

所述本地控制进程模块用于根据所述物理层上硬件内部结构的详细信息以及硬件中各个子组件的能耗适配情况，降低所述物理层上硬件的能耗；

所述全局控制进程模块用于对所述物理层上硬件的能耗进行优化。

4.根据权利要求3所述的分级功耗网络，其特征在于，所述本地控制进程模块用于根据各级实体的当前功耗模式和可配置的功耗模式，通过标准接口对各个实体的功耗模式进行配置，每一个实体通过特定的驱动来完成相关硬件功耗模式的设定。

5.根据权利要求3所述的分级功耗网络，其特征在于，所述的全局控制进程模块根据各个实体的当前能耗状态来计算出各个实体的可选能耗状态，并确定实体从当前能耗状态跳转到可选能耗状态的传输延迟和设备中断服务时间等状态转移信息。

6.根据权利要求3所述的分级功耗网络，其特征在于，

全局控制进程模块还用于将信息通信设备规划为特定的功耗模式；

本地控制进程模块还用于在特定参数的约束下对各个实体的功耗模式进行动态调整。

7.根据权利要求1所述的分级功耗网络，其特征在于，所述中间层的实体带有智能休眠的链路接口，链路接口依据流量负载在休眠模式和激活模式之间连续跳变，当链路接口处无数据包需要接收和传递时，链路接口处于休眠模式；当链路接口处有数据包到达或者有数据包传送时，链路接口处于激活状态。

8.根据权利要求1所述的分级功耗网络，其特征在于，所述中间层中实体的功耗信息用下式来表示：

$S_{\mathrm{PCS}}^{\left(n\right)}=\{P_c^{\left(n\right)},P_f^{\left(n\right)},T_s^{\left(n\right)}\}n\∈\{\mathrm{0,1},...,N-1\}$

其中，代表实体的第N个功耗模式，其中N为大于或等于1的整数；

表示休眠模式，在休眠模式下，关闭实体所有功能；

表示实体处于低性能低能耗的状态，实体此时处于激活状态；

表示实体的网络性能和能耗处于最高状态；

表示能耗相关值，用于估计在选定的功耗模式下设备总的能耗量；

表示网络性能相关值；

表示状态转移特性。

9.根据权利要求1所述的分级功耗网络，其特征在于，所述控制层通过所述中间层获取物理层上硬件的能量适配性能信息，并通过标准接口对所述中间层中的各个实体进行状态设定。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的分级功耗网络的功耗管理方法，其特征在于，包括：

S1、控制层通过中间层的设备级中各节点获取每个实体的当前功耗模式和可用功耗模式，以及每一个功耗模式的相关属性信息；

S2、全局控制进程模块根据获取结果，对各个节点的能耗状态进行优化，根据集中式或者分布式算法计算出各个节点新的功耗模式的配置；

S3、中间层上设备级根据计算出的结果，对各个实体的配置进行更新；

S4、中间层上设备级计算出各级需参与本次更新的实体，以及这些实体的参数约束条件，并根据配置参数完成对物理层硬件组件的功耗模式的更新，从而根据实际负载情况完成优化能耗的目标。