【摘要】为了论证IP路由器设备节能技术应用的经济性和可行性，分析了IP路由器的能耗结构特点，研究其基于业务流量的动态节能技术方案，包括智能风扇调速、端口关断休眠、CPU智能调频/关核、电源智能管理、子卡通道化休眠、交换网板温备份，并对各项节能技术进行了实验室测试。通过对比节能技术实施前后的设备能耗差异，验证其节能效果及对运行质量和运营维护的影响。
移动互联网浪潮正改变着人们的生活方式和社交方式，新闻阅读、视频节目、电商购物、公交出行等热门应用都出现在移动终端上。苹果和安卓商店的下载已达到数百亿次，移动用户规模超过了PC用户，移动互联网已经彻底改变了人们的生活和工作方式。据统计，2014年中国移动互联网市场规模达到2134.8亿元人民币，同比增长115.5%，同时未来依旧会高速增长，预计到2018年整体移动互联网市场规模将突破1万亿大关。
互联网的业务流量爆炸式增长，对承载这些业务的IP路由器的处理能力、容量提出了更高的要求，这样必然就衍生出了更高集成度、高功率密度、大容量的IP路由器产品，这些路由器产品带来了巨大的能源消耗问题。
根据主流设备厂商对IP路由器的产品发展规划，IP路由器设备的槽位带宽将以每年至少200%的速度迅猛增长，设备功耗在相当长一段时间内也将保持快速增长的态势。目前部分厂商的大容量路由器产品功耗已经达到20kW，如果不加以控制，预计在2020年设备功耗将超过40kW。这给运营商的节能减排、机房部署（电源、空调等配套）带来了巨大的挑战，如何实现大容量IP路由器的节能降耗已成为运营商面临的严峻问题。
IP路由器设备主要配置包括主控板、交换网板、业务板、风扇电源这四大部分。以现网主流型号IP路由器为例，业务板卡部分能耗占设备总能耗的81%，其它部分（交换网板、主控板、电源风扇）能耗仅占19%。因此，实施对业务板卡的降耗是IP路由器节能减排的关键。
将IP路由器的业务流量与设备功耗进行对比，如图1所示。在一天的不同时间段，设备业务负载率曲线出现明显起伏，业务流量有波峰和波谷，而设备功耗基本恒定不变。设备的运行功耗与业务流量不匹配，这说明现有的IP路由器没有启用动态节能技术，无论业务流量高还是低，设备均以最大功耗在运转，存在能耗浪费的问题。
基于以上的分析，结合IP路由器的能耗结构特点，本文提出了基于业务流量的动态节能技术方案。具体包括智能风扇调速、端口关断休眠、CPU调频关核、电源智能管理、子卡通道化休眠、交换网板温备份等六项技术，下面将介绍各项节能技术的实现原理及应用场景。
3.1风扇智能调速
由于IP设备在现网实际运行过程中并不是所有板卡同时都工作在高负荷状态，部分板卡甚至没有运行业务，处于休眠状态。因此，各区域的风扇没有必要一成不变按原来固定转速运行，通过调整各个风扇的速度，就可以达到节能兼顾降噪的效果。
风扇智能调速技术就是要根据温度传感器及流量探测器检测各路风扇对应区域的温度及区域板卡流量，根据温度的高低及设备板卡的工作状态，智能调整风扇的转速。对于区域温度不高，区域板卡工作负荷低的情况，可暂停该路风扇；对于区域温度暂未升高，区域板卡工作负荷正常的情况，可调低该路风扇转速；对于区域温度高，区域板卡工作负荷正常的情况，保持风扇按高转速工作。保证风扇转速分区分级，与设备温度和板卡工作状态进行匹配。风扇智能调速技术示意图如图2所示：
图2风扇智能调速技术
3.2端口关断休眠
根据统计，现网IP设备存在一定数量空闲的端口资源，这些未开通业务、无业务流量端口的光模块也处于激活状态，消耗了能耗。
端口关断休眠是指通过数据配置命令，使得未开通业务、无业务流量的端口及其光模块处于休眠状态，达到节能的效果。在有业务配置需求时，再通过数据配置命令激活相应的端口及其光模块，保证业务正常运行。图3是端口关断休眠示意图：
图3端口关断休眠
3.3CPU智能调频和关核
CPU智能调频是设备的操作系统层用来产生CPU工作频率的调度方案，即利用一定的判定条件来智能调整CPU的工作频率。在业务量负荷升高时，提高工作频率，在业务量负荷降低时，调低工作频率，使业务负荷与芯片工作频率相匹配，从而调节CPU的供给电压以达到节能的目的。智能的频率调度方案能保证CPU各个进程的实时性，同时又能降低执行这些进程的总功耗。图4是CPU智能调频的示意图：
图4CPU智能调频
CPU智能关核是指对一组工作在负荷分担状态下的处理器组设定工作频率上下限阈值，通过线程和流量监控，动态调整芯片处理器的工作频率和工作数量。当处理器组工作频率低于设定阈值下限时，关停组内其中一个处理器，并将其工作分担到其他处理器上，达到节能目的。当处理器组工作频率高于设定阈值上限时，开启之前关停的处理器，并实行负载均衡，使整个处理器组的工作频率稳定在一个合适的区间。CPU智能关核示意图如图5所示：
（a）智能关核
（b）智能开核
图5CPU智能关核
3.4电源智能管理
电源模块智能管理是指设备电源配置实现模块化、智能化，在设备板卡配置数量较少，设备电源负载较低且满足供电需求的前提下，休眠富余的电源模块。在设备检测到板卡配置数量上升，电源负载提高的情况下，智能开启富余的电源模块，提高电源模块的转换效率。电源智能管理示意图如图6所示：
图6电源智能管理
3.5子卡通道化休眠
设备的子卡下带有若干端口，如果子卡下带的若干端口都不在位，则除了端口光模块，还有子卡内部所有逻辑通道软硬件功能块都处于空闲状态。
子卡通道化休眠是指当子卡不在位或一个子卡下挂的所有端口不在位时，整个子卡通道各功能块进入休眠状态，节省设备能耗。当有业务需求时，再激活对应的子卡通道各功能块，进入工作状态。子卡通道化休眠示意图如图7所示：
图7子卡通道化休眠
3.6交换网板温备份
出于网络安全考虑，现网冗余交换网板处于热备份的状态，即当主用网板宕机后，备用网板可以无缝接替主用网板的工作，保证业务不中断。
冗余交换网板温备份是指随着设备自身安全性能的提高，冗余网板无需处于热备份的状态，只需对冗余网板进行周期性数据更新，关闭备份网板的部分链路、非核心集成电路、可编程矩阵等次要零部件进行节能。在主用网板宕机后，备用网板能快速启用节能部件，同时接替主用网板的工作，保证业务基本不中断。图8是交换网板温备份的示意图：
图8交换网板温备份
4实验室测试与分析
结合IP网络现状制定实验室测试方案，验证风扇智能调速、端口关断休眠、CPU智能调频和关核、电源智能管理、子卡通道化休眠、交换网板温备份6项技术的节能效果，对比节能措施实施前后设备的运行质量和运营维护的差异性，为现网应用提供参考。
4.1能耗工作模式
为了使节能效果最大化，本文将IP设备工作状态定义为三种能耗工作模式，分别是基本模式、标准节能模式、深度节能模式，其中：
（1）基本模式：不开启动态节能技术，仅支持手动硬性关断节能；
（2）标准节能模式：增加风扇智能调速和端口关断休眠两项基于场景的动态节能技术；
（3）深度节能模式：在标准节能模式基础上增加CPU智能调频和关核、电源智能管理、冗余交换网板温备份和子卡通道化休眠等4项节能技术。
各模式特性汇总如表1所示：
表1节能技术与节能模式对应关系
节能技术基本模式标准节能模式深度节能
模式
风扇智能调速×√√
端口关断休眠×√√
CPU智能调频和关核××√
电源智能管理××√
冗余交换网板温备份××√
子卡通道化休眠××√
说明：“×”表示功能开关没有开启；“√”表示打开功能开关。
4.2测试配置与步骤
采用现网主流的一款IP路由器产品，进行了不同能耗工作模式的实验室测试，设备配置信息如表2所示：
表2实验室测试配置
配置名称/型号测试配置数量整机满配数量
主控SRU2块2块
网板SFU2块2块
LPULPUF4804块8块
子卡LFXFE8块16块
光模块100GE16×100GE32×100GE
电源PDC-2200WA6块14块
风扇CR57FCBJ2个2个
测试预置条件如下：
（1）功耗记录仪（或使用电压表和电流表）直接接入EUT电源接入端口；
（2）记录测试仪器关键信息（型号、规格、精度、测试用量程等）；
（3）整机配置4PCS业务板、满配光模块、光线外环；
（4）记录EUT型号、版本号及槽位配置信息；
（5）设备上电稳定运行，风扇转速稳定，环境温度相对恒定，对于空槽位要插上假拉手条。
测试步骤如下：
（1）设置设备进入基本模式；
（2）通过测试仪对测试设备进行业务配置，配置测试仪打流（IMIX混合流量为0%，IMIX混合流量配置，由64byte、600byte、1524byte3类包按7：4：1流量比例构成，包含4byteCRC），稳定运行至少15min后，开始功耗数据测试；
（3）在EUT输入端通过功耗记录仪或使用电压表和电流表测试EUT输入总功耗；
（4）记录风扇转速，通过命令行读取设备功耗数据并记录；
（5）修改节能模式为标准节能模式，稳定15min后，重复（2）、（3）、（4）的操作；
（6）修改节能模式为深度模式，稳定15min后，重复（2）、（3）、（4）的操作；
（7）测试流量测试仪IMIX混合流量分别为10%、
30%、50%、80%、100%时，在基本模式、标准节能模式、深度节能模式下设备的功耗。
4.3测试结果与分析
图9是整机功耗随业务量变化曲线示意图。
功耗测试结果显示：
（1）基本模式下，由于该设备没有启用动态节能技术，虽然IP路由器的业务量负载不断提升，但设备的整机功耗基本不变。
（2）标准模式下，由于该设备启用了风扇智能调速和端口关断休眠两项技术，在业务负载较低时，整机功耗下降，节能效果明显。但随着业务负载增加，针对这两项技术的节能空间会不断减少，因此设备的整机功耗上升，在业务满负荷时已经趋近基本模式下的整机功耗。
（3）深度模式下，该设备又增加了CPU智能调频和关核、电源智能管理、冗余交换网板温备份和子卡通道化休眠等4项节能技术，节能空间进一步得到提升，设备整机功耗较标准节能模式有较大幅度下降。
图10是随业务量变化整机节能量与节能比例的关系示意图，表3是随业务变化整机节能量对比。
表3随业务变化整机节能量对比
业务负载/%标准节能模式
节能量/W深度节能模式
节能量/W
0309620
10299609
30192517
50147491
8065466
10016459
从节能比例及节能量数据看，空载情况下，节能模式比基本模式节能10%，深度节能模式比基本模式节能20%。随着业务量增加，节能空间越来越小，节能比率逐步下降，但由于测试设备不是处于满配状态，所以即使在满载时深度节能模式仍有15%的节能率。根据已有数据进行估算，设备满配且空载时，深度节能模式节能率在40%以上。
在运行质量及运营维护方面，测试表明标准节能模式对业务没有影响，深度节能模式少量增加响应时长，设备安全性略微下降，少量改变现有的维护习惯，具体说明如表4所示。
5结束语
本文研究了IP路由器基于业务流量的动态节能技术方案，并对各项节能技术进行了实验室测试，验证了技术的节能效果及其对运行质量和运营维护的影响，有效帮助运营商制定了合理、有效的IP路由器设备节能减排措施，减少网络运营的耗电量，降低成本支出，提高经济效益。
本刊论文