TWI499242B - 用以減少封包處理線卡中之能量耗損的方法 - Google Patents

Description

用以減少封包處理線卡中之能量耗損的方法

本發明有關於封包為基的網路之領域，且更詳言之，關於封包處理線卡。

使用封包處理線卡來處理，從網際網路協定(IP)層下至網路節點中之實體層，在不同網路層所傳送之聚集資料。

這種處理佔封包傳輸網路中之大部分的能量耗損且隨訊務上升傾向於升高操作及冷卻成本並亦可能減少路由器的可靠度。

除此之外，相應於不同時間尺度上的大波動之資料傳輸的叢發方面使得難以判斷封包處理線卡之尺寸且導致在離峰訊務期間的能量浪費。

因此，變得必需發展出一種解決方法，允許減少封包處理線卡的能量耗損。

本發明之一目的在於克服前述之目前技術的缺點並提供目前技術之現有解決方法的一種替代方法以提供在網路節點之封包處理線卡中之能量耗損的減少。

這是藉由一種用以減少封包傳送網路之封包處理線卡中之能量耗損的方法，該封包處理線卡包含用於處理封包訊務的複數微處理器，其中依據包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數的遞迴估計來動態調整現用微處理器之數量作為訊務估計器之計算的函數。

根據本發明之另一態樣，代表該封包訊務的該統計分佈之參數包含該封包訊務的統計矩。

根據本發明之又一態樣，該封包訊務的該統計矩包含該封包訊務的標準差。

根據本發明之再一態樣，代表該封包訊務的該統計分佈之參數包含該封包訊務的位數。

根據本發明之另一態樣，使用該訊務估計器的該計算之多個時間範圍來實現該遞迴估計。

根據本發明之又一態樣，不現用微處理器設定在低耗電模式中。

根據本發明之再一態樣，在該訊務估計器的該計算之函數中動態調整該些現用微處理器的驅動電壓。

根據本發明之另一態樣，在該訊務估計器的該計算之函數中動態調整該些現用微處理器的時脈速率。

根據本發明之又一態樣，現用微處理器之該數量的該判斷將該些微處理器的最大負載納入考量以遵守預定的服務品質。

根據本發明之再一態樣，在停用微處理器之前引進遲延，以減少微處理器之非常短的不現用時期。

根據本發明之另一態樣，該封包訊務包含封包流以及其中在其服務品質值的函數中排序該些封包流並且，在擁塞的情況中，由該些微處理器優先處理最有價值的流。

根據本發明之又一態樣，將微處理器組態成處理特定等級之封包，使得啟用或停用微處理器之決定將該微處理器的該特定封包等級組態納入考量。

根據本發明之再一態樣，組態該封包處理線卡使得按接收的時間順序處理屬於常見之端點到端點的流之封包。

根據本發明之另一態樣，組態該封包處理線卡使得藉由共同資源之存取的規範來保證資料同步。

本發明亦指一種封包處理線卡，其中其包含：- 複數微處理器，組態成處理封包訊務，- 監視封包訊務的機構，- 訊務估計器，組態成在包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數的遞迴估計之函數中計算訊務負載，- 決定機構，組態成在由該訊務估計器所計算的訊務負載估計的函數中判斷現用微處理器之所需的數量，- 啟動機構，組態成在該決定機構判斷的函數中啟動或停用微處理器。

根據本發明之另一態樣，該封包處理線卡的微處理器之該數量相應於使用依據包括該平均及代表該封包訊務的該統計分佈之該參數的至少兩統計參數並考量將由該封包處理線卡處理之最大訊務之先驗訊務估計的計算結果，並使整體能量效率保持最大。

本發明之實施例意指，在封包處理線卡中，具有減少的處理時脈速率之複數或陣列的微處理器的使用，使得將封包處理負載分散於該複數微處理器。

這種解決方法允許藉由在訊務函數中調適現用微處理的數量並藉由限制微處理器之耗電量(因其受限的處理時脈速率所致)來減少能量耗損，因此減少冷卻費用。

然而，為了獲得能量耗損之顯著減少，微處理器之所需數量的判斷加上在任何時候在訊務函數中之微處理器陣列的組態之判斷很重要。

因此，本發明之實施例意指訊務估計器的使用，允許動態判斷需為啟動之陣列的微處理器數量。

第1圖表示封包處理線卡1之組態的一範例，其中在封包先進先出(FIFO)設備5中接收到輸入封包3並傳送至資料交換單元(管線、匯流排、或交換器)7，其中封包經歷由複數微處理器9所實現之複數處理。該些處理器讀取並隨意更新專用查詢表11，其包含關於經過線卡轉送的封包流之資訊。

此外，將資料交換單元7中處理的封包訊務相關之統計資料發送作為輸入至訊務估計器13。依據由該估計器13所預測的訊務之計算，微處理器排程器15透過任務邏輯工具17及交換器19來控制微處理器9。

此外，根據本發明之一實施例，訊務估計器13直接控制交換器19的時脈速率及微處理器9的驅動電壓(由虛線箭頭21及23表示)。當所有處理都完成，將封包作為輸出封包25轉送到資料交換單元7之外經由封包FIFO設備5至其目的地。

須注意到在第1圖中所表示之微處理器9的陣列包含四個微處理器9，但根據封包處理線卡1的尺寸設定，可在陣列中收集任何數量的微處理器9。此外，調適單元(估計器13、排程器15、交換器19...)之能量耗損相關於微處理器9能量耗損為可忽略，使得線卡1之尺寸判斷(微處理器之最佳數量的判斷，以在先驗最壞情況的訊務條件中產生最小化之耗電量)可僅依據微處理器9耗損。

使用微處理器9之陣列的第一步驟為判斷封包處理線卡1的尺寸，亦即，判斷微處理器9之數量以及微處理器9的能力以達到最佳能量耗損。

在本發明之一實施例中，這種尺寸判斷對應於線卡設計的步驟且為使用訊務估計並依據在文獻中所述之耗電量模型先驗性且統計性地加以實現：

可由下列界定微處理器9之耗電量

功率=k‧v‧V²

其中k為微處理器9之常數；v為時脈速率或時脈頻率；且V為微處理器9的驅動電壓。

此外，由下列模型關係鏈結v及V：

V =h _v (v )=α‧v ^γ +b ，其中v _min v v _max 以及V _min V V _max

其中γ為微處理器相依之參數，V_min 及V_max 分別為微處理器9之驅動電壓工作值的最小及最大，以及v_min 及v_max 分別為相應於微處理器9之V_min 及V_max 的最小及最大時脈速率工作值。

在第2圖中針對參數γ的不同值表示上述等式之h_v (v)函數。該h函數可在當判斷現用處理器的數量時用來判斷微處理器9最佳時脈速率及的驅動電壓。

藉由以在正規化時脈速率v_n 工作之N相同微處理器取代在正規化時脈速率v_max 工作之單一微處理器，其界定為相應於相同處理能力之v_n =v_max /N，則可如下般界定耗電量增益G(正規化位元速度除以耗電量)：

在第3圖中針對參數γ的不同值表示這種增益。

因此，依據第3圖，可見到使用多個相同微處理器來取代單一微處理器(其之處理能力為該複數微處理器之能力的總和)允許減少總能量耗損。亦顯示出，以在此範例中使用之選定模型參數集，增益無法超過大約6的臨限值。

除此之外，考量複數獨立封包流之聚集並考量封包流的每一部分聚集之速率隨機過程(stochastic process)遵守高斯(Gaussian)分佈，由卡介苗定律(Guerin’s Law)給出可達到之處理管線速率(Pr)：

其中P為獨立封包流聚集之數量，μ及σ分別為封包流聚集速率的高斯分佈之平均及標準差且α為可信因子，其之值取決於不過度負載資料交換單元7(管線)之所希望的機率。

須注意到卡介苗定律允許將多工效應納入考量，亦即，大量流之聚集的事實允許衰減整體訊務之變異(流量尖峰補償流量離峰)。

因此，使用相應於封包流程序的平行化之複數微處理器導致統計多工之效率的減少。確實，在複數微處理器之平行化的情況中，一給定微處理器之聚集流的數量減少，統計多工之效率亦減少。藉由速率損失因子(RLF)給出相關於單一微處理器之效率的這種減少：

其中N為微處理器的數量。

在第4圖中顯示針對α參數的不同值(其相應於不過度負載資料交換單元7或管線之不同希望的機率)在微處理器數量的函數中之此速率損失因子(或正規化總封包處理速度)的繪圖。此繪圖比較在時脈頻率f之單一處理器對在頻率f/N之N處理器。

上述說明部分顯示以具有相當處理能力之複數微處理器的陣列取代單一微處理器一方面導致耗電量之減少(相應於耗電量增益G)而另一方面導致統計多工之效率的損失(相應於速率損失因子RLF)。因此，為了優化整體能量耗損，目標為判斷相應於這兩參數之間的最佳取捨並導致每封包之能量耗損的最小化之微處理器的數量，將當填充資料交換單元或管線時因統計多工造成之損失納入考量。

可藉由如下界定之能量效率增益EEG的最大化來界定這種取捨：

Max _N (EEG _N )=Max _N (G _N ×RLF _N )

在第5圖中顯示針對相應於10^-8 的機率之α參數及針對γ參數之不同值在微處理器數量的函數中之此能量效率增益(正規化封包速度除以耗電量)之表示。

從不同的上述表示中，可看出有導致能量效率最大化之在處理訊務函數中的最佳平行化程度(或處理器數量)，此程度取決於微處理器的技術性質以及封包訊務的變異數。

因此，藉由考量線卡1應處理之最大訊務量(實際上考量最大平均及最大標準差)，可界定最佳尺寸(以微處理器9數量來說)以最小化線卡1之能量耗損。

這種優化的應用需要，除了微處理器特徵外，待處理之流的統計參數之知識，其為前述實施例中之平均及標準差。

不僅使用平均但亦使用待處理的封包流之標準差之這種方法的使用允許將因較小資料路徑之平行化所導致之統計多工的損失納入考量，造成微處理器9之最佳數量的判斷之改善。

除此之外，在訊務量之函數中之微處理器9的最佳數量之判斷不僅可用來在線卡1之建構過程中設定其之尺寸，但亦可在使用的同時動態地判斷需啟動的微處理器9之最佳數量，不啟動之微處理器設定在低耗電模式或休眠模式中。確實，為了進一步減少能量耗損，本發明之實施例的一概念為當相關於尖峰時期訊務為減少時停用陣列之閒置微處理器以節省能量。因此，依據先前的等式，第1圖中所示之訊務估計器13可判斷在預測訊務的函數中需啟動之微處理器9的最佳數量。實際上，在各種時間點上估計封包位元速率的統計參數(平均及標準差)，這得以決定微處理器9之啟動或停用。

遞迴可為週期性(例如，這些統計可衍生自200個最新的10 ms之封包輸入位元組的瞬時量且可被更新於每100次測量，因此每秒饋送微處理器排程器15新的度量)，但取樣間隔亦可隨時間而變，例如，在訊務的大變異之情況中可減少兩估計之間的遲延。

此外，取樣間隔的選擇可取決於所涉及的訊務之本質，例如，是否為少數或許多流之聚集。節點中可得之封包緩衝器的尺寸亦可影響間隔的尺寸。

在一典型的實行例中，監視在m接續間隔t₁ -t₀ 、t₂ -t₁ 、...、t_m -t_m-1 中之封包訊務b₁ 、b₂ 、...、b_m 。接著計算瞬時速率r_i =b_i /(t_i -t_i-1 )，其中i=1...m，以產生統計參數：

以及

亦須注意到可由訊務估計器13使用代表封包訊務之統計分佈的其他參數及度量。這些度量可指如下界定的二或更高階的統計矩：

其中p為矩之階數，還有在上述速率取樣集之不同時間尺度的自動相關。

亦可使用諸如分位數的度量且，若有需要的話，使用高於二(平均及標準差)之度量的數量。此外，可額外使用封包訊務測量的時間相關，例如，藉由使用包含赫斯特(Hurst)參數的模型，以產生處理負載之甚至更佳的預測。

此外，與用於計算之度量無關地，可預先計算在訊務量之函數中的待啟動微處理器之最佳數量的值並儲存在附接至訊務估計單元13的額外資源計畫查詢表14中，其與封包轉送查詢表11不同，如第1圖中所示，以減少計算負載並使程序更快速。

在第6圖中敘述額外查詢表的一範例，其中在平均及標準差的函數中給出微處理器的最佳數量。應注意到主要為了減少記憶體的尺寸，該額外的查詢表可能不包含度量之所有潛在值，此為第6圖之範例中之標準差的情況。在此情況中，若計算值相應於中間值(在本範例中σ=6)，實現內插以導出想要的值。查詢表14的尺寸因此為可得之記憶體與計算內插的處理能力之間的取捨。

與微處理器9之數量相同方式地，可依據封包訊務的統計參數來判斷現用微處理器的最佳(以有能量效率的方式)時脈速率及驅動電壓並可儲存在額外查詢表中，使得訊務估計器13或排程器15控制時脈速率及驅動電壓，如第1圖中所述。

因此，訊務之動態估計允許啟動適當數量的微處理器以遵守預定之服務品質(QoS)，使得每一處理器之工作負載不會過高也不會過低。

如第7圖中以16個微處理器之陣列所述，若訊務相應於線卡之整體能力的80%，則將微處理器9之20%及相應的記憶體(如唯讀記憶體)10設定在休眠模式中(圖之部分a))。可藉由將微處理器之時脈速率設定成零來實現這種停用。若訊務降低至整體能力的30%，則將微處理器之70%設定在休眠模式中(圖之部分b))。

結果，線卡之整體耗損在訊務之函數中以階梯之步階方式變化，如第8圖中所述，一步階相應於一微處理器的啟動。

此外，必須組態微處理器之陣列以遵守下列的約束：

-　必須按順序處置屬於共同端點到端點的流之封包。可藉由在相同微處理器中處理由使用散列值所檢測到的共同流之封包，並且，在微處理器之啟動或停用的情況中，藉由重新路由封包至附近的微處理器或自附近的微處理器重新路由封包來遵守這種約束。

-　必須避免同時讀取並更新共享的共同資源(像是路由表)。在由一給定微處理器讀取或更新的期間必須鎖住其他微處理器之資源存取。可如在多核心多任務系統中之目前技術中已皆知般處置這種約束，但因為在對資源存取前的等待時間的緣故，可在處理中引進遲延。整體封包處理能力的相關損失被視為小於訊務變異數所導致之損失並可納入考量作為統計訊務模型之一部分。

-　針對叢發需求，喚醒遲延必須很短，所以引發的網路遲延遵守預定的服務品質(QoS)。因此，在微處理器提用之前引進遲延以防止非常短的停用時期(引發遲延而不節省能量)。

-　因為減少的統計多工效率，在平行串流中之訊務的分離需要較高的頻寬保留：此頻寬分配為本發明之訊務估計單元13的目的。

另外，根據本發明之一實施例，封包訊務分成封包等級且微處理器專門處理特定封包等級(使用特定轉送/佇列/拋棄演算法)。

藉由這種組態，將微處理器之類別規格納入考量以決定微處理器之啟動及停用。

根據另一的實施例，在封包線卡擁塞的情況中，根據封包的服務品質(QoS)值排序封包，使得優先處理最有價值的流。

因此，本發明，藉由以微處理器9之陣列取代封包處理線卡1的單一微處理器，其中藉由使用準確的訊務估計器13來優化尺寸判斷還有動態組態(陣列之微處理器的啟動及停用)。該估計器13判斷在代表封包訊務之不同統計參數的函數中之處理負載，同時將因使用複數微處理器所導致之統計多工的減少納入考量。這種訊務分析允許根據訊務量動態調整處理能力並因此造成封包處理線卡1之整體能量耗損的顯著減少。

1．．．封包處理線卡

3．．．輸入封包

5．．．封包先進先出設備

7．．．資料交換單元

9．．．微處理器

10．．．記憶體

11．．．查詢表

13．．．訊務估計器

14．．．查詢表

15．．．微處理器排程器

17．．．任務邏輯工具

19．．．交換器

25．．．輸出封包

第1圖為根據本發明之封包處理線卡的圖；

第2圖為不同模型之繪圖，顯示在微處理器之時脈頻率的函數中之微處理器的驅動電壓；

第3圖為針對不同模型在微處理器之數量的函數中之耗損減少因子(正規化位元處理速度除以耗電量)的繪圖；

第4圖為針對不同模型在微處理器之數量的函數中之能力損失因子(正規化叢發訊務之總封包處理速度)的繪圖；

第5圖為針對不同模型在微處理器之數量的函數中之增益因子(正規化封包處理速度除以耗電量)的繪圖；

第6圖為用於在統計參數的函數中之判斷現用處理器的最佳數量之查詢表的一範例之圖；

第7圖為相應於兩種不同訊務情況的兩線卡組態之圖；以及

第8圖為在待處理訊務之函數中之線卡耗電量的圖。

1．．．封包處理線卡

3．．．輸入封包

5．．．封包先進先出設備

7．．．資料交換單元

9．．．微處理器

11．．．查詢表

13．．．訊務估計器

14．．．查詢表

15．．．微處理器排程器

17．．．任務邏輯工具

19．．．交換器

25．．．輸出封包

Claims (4)

1. 一種用以減少封包傳送網路之封包處理線卡中之能量耗損的方法，該封包處理線卡包含用於處理封包訊務的複數微處理器，該方法包含下列步驟：藉由訊務估計器以遞迴估計包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數；及動態調整現用微處理器之數量作為訊務估計器之計算的函數，其中代表該封包訊務的該統計分佈之該參數包含該封包訊務的統計矩，及其中該封包訊務的該統計矩包含該封包訊務的標準差。
2. 一種用以減少封包傳送網路之封包處理線卡中之能量耗損的方法，該封包處理線卡包含用於處理封包訊務的複數微處理器，該方法包含下列步驟：藉由訊務估計器以遞迴估計包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數；及動態調整現用微處理器之數量作為訊務估計器之計算的函數，其中代表該封包訊務的該統計分佈之參數包含該封包訊務的分位數。
3. 一種用以減少封包傳送網路之封包處理線卡中之能量耗損的方法，該封包處理線卡包含用於處理封包訊務的複數微處理器，該方法包含下列步驟：藉由訊務估計器以遞迴估計包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數；及動態調整現用微處理器之數量作為訊務估計器之計算 的函數，其中在停用微處理器之前引進遲延，以減少微處理器之非常短的非現用時期。
4. 一種用以減少封包傳送網路之封包處理線卡中之能量耗損的方法，該封包處理線卡包含用於處理封包訊務的複數微處理器，該方法包含下列步驟：藉由訊務估計器以遞迴估計包括平均及代表該封包訊務的統計分佈之參數的至少兩統計參數；及動態調整現用微處理器之數量作為訊務估計器之計算的函數，其中將微處理器組態成處理特定等級之封包，使得啟用或停用微處理器之決定將該微處理器的該特定封包等級組態納入考量。