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リンクパワーオフによる光ネットワークの省電力化 管理工学研究グループ A0771149 宿里 和正 1 2011年2月2日 目次 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 2 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 3 2011年2月2日 背景 近年、日本のインターネットのブロードバンド化が急速に進展 高速かつ安定 した通信 光ファイバ 光ケーブルを一般家庭に引き込みイ ンターネットに接続するサービス FTTH （Fiber To The Home） 遠隔教育 今では 光ファイバーカバー率は94.1％ 遠隔医療 ※NTT東日本のデータから 4 2011年2月2日 背景 生活インフラ 電気 水道 ガス 加えて 光ネットワーク 今後もさらに多くの国民と新たなサービスが加わることにより 増え続ける需要に対応していく必要がある インターネットにかかる電力も増加していく. 5 2011年2月2日 背景 100,000 1,000,000 100,000 国内年間総発電量 （2005年） 10,000 1,000 100 1,000 10 100 1 10 1 2000 6 10,000 2010 2020 西暦（年） ※独立行政法人 産業技術総合研究所から 0.1 2030 通信トラヒック（Tbps） 電子ルータ年間消費電力（億kWh） 国内のルータの消費電力は数年,年率40%で増加している 単純に情報量に比例して消費電力が増え続けるとすれば，2020年ごろには ルーターの消費電力が国内の総発電量に近づくことになる ルータの省電力化 が必要 2011年2月2日 背景 大Net ネットワークを小区分にわける 小Net 小Net OS 各区分に1 台の監視ステーション を配置する OS 小Net 監視ステーションは小区分のネット ワークを把握し,必要とされるネット ワーク機器（ここではルータ）を削減 する OS OS：監査ステーション 7 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 8 2011年2月2日 研究目的 ルータの省電力化 ネットワークの省電力化 ルータの省電力化 使用リンクが最小になる組み合わせを計算， 使用しないルータの電源を落とすことで， 省電力化を図る手法を開発することが目的 ：ノード ：リンク ：ルータ 9 ルータを休止状態にする. 休止状態 2011年2月2日 研究目的 ：ルータ リンクを減らして省電力化を図る 5 ノードに対し8 本のリンク リンク数を4 本減らし4 本のリンク リンク1 本に対し対向の2 ルータ分を休止することが可能， 計8ルータ分の電力を削減可能 この場合では8ルータ分省電力化が行える 10 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 11 2011年2月2日 問題設定 ネットワークにおいて各ノードに需要があり，各リンク には通信量の制限がある 使用リンクが最小になる組み合わせを計算する 12 2011年2月2日 問題設定・条件 流入量 ＝0.5 :送信点 流出量 ＝0.5 :受信点 流出量 ＝0.8 流入量 ＝0.8 ①流量制約,入っていく量と出ていく量は同じ 13 2011年2月2日 問題設定・条件 リンクの許容値を１と考えた場合 ：0.4 ：0.4 ：0.4 １．２＞許容値＝１ ダメ ②合計トラヒック量が許容値をこえないようにする 14 2011年2月2日 問題設定・条件 制約を満たしながら、送信点→受信点を全対間で考える. 15 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 16 2011年2月2日 提案手法 従来手法ではヒューリスティックアルゴリズムを提案していた 本研究では整数計画による最適化を行う 問題の定式化を行い数理計画ソルバーで解く 使用リンク数を最小限にしながらネットワーク性能を維持す るための制約条件を満たすネットワーク構成をする 17 2011年2月2日 提案手法・定式化 min. x , ij i, j 使うリンクの数の合計 subject to f ji f ij kl j kl j i l, qkl , qkl , i k , , k , l , i, (k l ) 0, i k , l k: 送信点 ｌ: 受信点 qkl :kからｌへの通信 トラヒック量 Q: リンクの許容値 ①流量制約 f k kl ij l Qxij, i, j , (i j ) ②リンクの許容値を超えないための制約 f ij 0, ｘij: ij間の枝を用いるかの 決定変数 ｆijkｌ: 点iから点jへ移動するｋ からｌ宛の通信トラヒック量． i, j , k , l , (i j , k l ) kl ③非負制約 xij 0,1, 18 i, j ④０の場合リンクを使用しない、１だった場合リンクを使用する 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 19 2011年2月2日 実験概要・評価方法 定式化をもとに数理計画ソルバーCPLEX を用いて計算する. 初期状態として14ノード21リンクとした場合のネットワークを考える. リンクの削減率を求め従来実験と比較を行う. 20 2011年2月2日 実験概要・評価方法 数値の設定 ノード数１４とする． リンクの許容トラヒックは全リンク同じとし， その値を１とする 各ノード間に発生する通信トラヒックの値を 0.005，0.010，0.015，0.020，0.025とする 各ノード間に発生する通信トラヒックの値を 0.005～0.025の間の一様乱数とする 21 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 22 2011年2月2日 実験結果 リンク数の変化 25 21 リンクの数 20 15 本実験 10 従来実験 5 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 通信トラヒック量 q 通信トラヒックの値を0.005～0.025の一様乱数で変化させた場合は15.2本 23 2011年2月2日 実験結果 リンク削減率の変化 35 リンクの削減率(％) 30 25 20 本実験 15 従来実験 10 5 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 通信トラヒック量 q 通信トラヒックの値を0.005～0.025の一様乱数で変化させた場合は28.4％ 今回の実験では最大30％以上の電力の削減が可能で あり十分な消費電力効果が得られたことがわかる. 24 2011年2月2日 実験結果 ルータをCisco GSR 1208とした場合 １リンクの切断により１４０Wの削減が可能である. 電力削減量の変化 1200 電力削減量(W) 1000 800 600 本実験 400 従来実験 200 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 通信トラヒック量 q 最大980Wの電力の削減が可能 25 2011年2月2日 実験結果 リンクの許容値が低い場合を検証 負荷に対するリンク削減率の変化 35 リンクの削減率(％) 30 25 リンク許容値＝0.9 20 リンク許容値＝0.8 リンク許容値＝0.7 15 10 5 0 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 通信トラヒック量 q リンクの削減率は低くなるが,最大30％の電力の削減が可能 26 2011年2月2日 実験結果 ノード数を変化させた場合の計算時間 CPLEXの計算時間は3600秒で打ち切ることにする 27 ノード数 時間（秒） gap 5 0.02 10 6.25 (実験したノード数）14 36.8 20 3600 33.33% 30 3600 70.15% 2011年2月2日 背景 研究目的 問題設定 提案手法 実験の概要・評価方法 実験結果 結論 28 2011年2月2日 結論 不要なリンクを削減し,ルータの電源を落とすことでネット ワークの省電力化を行った. 実験では,ネットワークの消費電力は最大30％以上削減 可能であることが確認できた. 29 2011年2月2日 ご清聴ありがとうございました. 30 2011年2月2日