所属専門分野理津子$#"!
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はじめに  Rt(Number of link rate switching / msec)

提案手法

まず，[2] で提案された 2RS-UE (2 rate switching with utilizationestimation) 手法を拡張した 2RS-UE DT (2RS-UE Dual-threshold)手法について説明する．2RS-UE DT 手法では，LAN スイッチの各出力ポート単位で到着トラヒック量に応じたリンク速度の制御を行う．到着トラヒック量の推定値 ρ̂t に関する切替閾値 Tlow ，Thigh により，設定リンク速度µ を次式で定義する．
(µlow , if 0 < ρ̂t 5 Tlow ,µ=(1)µhigh , if Thigh < ρ̂t 5 1[Gbps].

 Tr(Mean response time)[msec]

LAN スイッチ省電力化におけるリンク転送速度切替方式に関する研究

情報爆発時代におけるネットワーク機器の電力消費量の増加を抑制するために LAN スイッチの省電力化が検討されている．
オートネゴシエーション機能を有する LAN スイッチでは，図 1に示すように，一般にリンク転送速度が高速 (例：1[Gbps]) 時に比べて低速 (例：100[Mbps]) 時の電力消費量が小さいことから[1]，転送トラヒック量に応じた速度切替方式の有効性が示されている [2]．これまでに 2 リンク速度間の切替に 70[msec] の切替時間を要することが明らかにされているが [3]，[2] で提案した速度切替方式ではそのことを考慮しておらず，頻繁な切替は転送性能に大きく影響を及ぼすことが懸念される．本研究では，切替時間を考慮したリンク速度切替手法を検討し，転送性能と省電力性能への影響を明らかにする．

2富原

図 1: LAN スイッチの電力消費量
0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.040.030.020.010

ρ=200 Tlow=140
ρ=200 Tlow=130
ρ=200 Tlow= 90100000
10000
1000
1001010.1

図 2: 平均転送遅延時間 Tr10.90.80.7
0.6
0.50.4
0.3
0.2
0.1
01000
100101

ρ=200 Tlow=140
ρ=200 Tlow=130
ρ=200 Tlow= 90

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Thigh

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Thigh

1e+06
ρ= 50 Thigh= 50100000 ρ=200 Thigh=200
ρ=350 Thigh=350
10000 ρ=500 T
high=500

ρ=200 Tlow=140
ρ=200 Tlow=130
ρ=200 Tlow= 90
0 100 200 300 400 500 600 700 800 9001000
Thigh

図 4: 正規化電力消費率 Rp

図 3: リンク速度切替率 Rt
Tr(Mean response time)[msec]

1

氏名

Rp(Rate of Power consumption)

論文題目08674039（川原研究室）1000
thresholod(Tlow-opt,Thigh-opt)

学生番号

電子情報工学分野

900
800
700

Thigh-opt:Tr≤100[msec]
Thigh-opt:Tr≤ 10[msec]
Tlow-opt :Tr≤100[msec]
Tlow-opt :Tr≤ 10[msec]

600
500
400300

ただし，Thigh > Tlow とする．高速 (µhigh ) から低速 (µlow ) へ
200
0.1
100の切替閾値 Tlow により低速への過度の遷移を抑制し転送性能の0.01050
100
150200250300
00 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
向上を，低速から高速への切替閾値 Thigh により高速への過度Tlowρの遷移を抑制し省電力性能の向上を図る．
図 5: Tr に対する ρ の影響
図 6: 各 ρ の最適切替閾値
また，速度切替に利用する ρ̂t の導出には，指数平滑移動平均(Exponential Moving Average, EMA) によるパケット到着間隔の 4.2 最適切替閾値の調査
切替閾値に対する ρ の影響から最適切替閾値の調査を行う．
推定値を用いる．LAN スイッチの 1 ポートにおいて，t − 1 番目に計測したパケット到着間隔を Xt−1 ，t 番目のパケット到着 ここで，最適切替閾値とは Tr に許容値を設定した場合に最大の間隔推定値を X̂t とすると，X̂t = αXt−1 + (1 − α)X̂t−1 で導 省電力性能が得られる切替閾値 Tlow−opt , Thigh−opt と定義する．
出できる．ここで，α (0 5 α 5 1) は平滑化係数である．ポート α = 0.1，ρ = Thigh = 50, 200, 350, 500[Mbps] において Tlow をの最大リンク速度の平均パケット処理時間を 1/µhigh とすると， 変化させた場合の Tr を図 5 に，Tr 5 10, 100[msec] とした各 ρの最適切替閾値を図 6 に示す．
推定到着トラヒック量 ρ̂t は ρ̂t = 1/(µhigh × X̂t ) となる．
図 5 より，ρ が大きくなるほど Tr を低く保つ Tlow の値が大3 シミュレーションモデルきくなる．ここで，Tr 5 10[msec] と仮定した Tlow−opt は図 6ポートにおける設定可能リンク速度を µlow = 100[Mbps]， に示すように線形に増加する．また，Tlow−opt を基に Thigh−optµhigh = 1[Gbps] とする．パケット到着，処理間隔が指数分布に を求めると，同様に ρ に応じて線形に増加する．さらに最大許容従うものとし，平均パケットサイズを 1500[Byte]，バッファサ 転送遅延時間による切替閾値の変化を見ると，Tr 5 100[msec]イズは無限大とする．評価指標は転送性能として平均転送遅延 とすることで Tlow−opt は変わらないが，Thigh−opt はより大き時間 (Tr ) とリンク速度切替率 (Rt ) を，省電力性能として正規 な値をとる．このことから，最大許容転送遅延時間が異なる場化電力消費率 (Rp ) を定義する．Tr は転送パケットの平均バッ 合は，Thigh−opt のみを変更すればよいことがわかる．以上の結ファ滞在時間，Rt は 1[msec] あたりの平均速度切替回数，Rp 果より，最適切替閾値の決定手順としては，はシミュレーション時間における電力消費率とし，リンク速度0. Tlow = µlow とする．
を µhigh ，µlow に設定した時の電力消費率をそれぞれ 1，0.1 と
1. Tr が最大許容転送遅延時間以下となる Thigh の範囲を特定義する．
定し，4 シミュレーション結果
2. その範囲内において Tr が最大許容転送遅延時間以下とな
4.1 切替閾値 Tlow ，Thigh の影響る Tlow の最大値を決定，最適値 Tlow−opt とする．
Tlow ，Thigh の性能への影響について検証する．ここで，平滑
3. Tlow−opt の設定後，省電力性能 Rp が最大となる Thigh の化係数 α = 0.1 とし，平均到着トラヒック量 ρ = 200[Mbps] の値を決定，最適値 Thigh−opt とする．
場合の Tr ，Rt ，Rp をそれぞれ図 2，3，4 に示す．
Tlow = 130[Mbps] と設定した場合，図 3 より Thigh が増加 5 まとめするほど Rt が減少している．このため µ = µhigh となる期
本研究では，リンク速度切替時間を考慮した 2RS-UE DT 手間が減少し，図 2 より Tr が増加することがわかる．しかし， 法を提案し，許容する転送遅延に応じて最大の省電力性能が得
Thigh < 300[Mbps] では 20[msec] 程度に Tr を抑制でき，図 4 られる切替閾値を設定することで，転送性能の劣化を抑制したより最小でも 30％の省電力性能が得られることから，140 5 省電力化が可能であることを明らかにした．
Thigh < 300[Mbps] で転送性能の劣化を抑制し省電力効果も得
参考文献
られる．
次に Thigh < 300[Mbps] の範囲における Tlow の影響を調査 [1] K. Christensen and B. Nordman, “Improving the Energy Efﬁする．図 2 より，Tlow = 130[Mbps] に比べ，Tlow = 140[Mbps]
ciency of Networks: A Focus on Ethernet and End Devices,”
では Tr が 100 倍以上増加し転送性能の大幅な劣化が見られる．
presentation to Cisco, San Jose, October 20, 2006.
これに対し，Tlow = 90[Mbps] では 1[msec] 以下と Tr は抑制さ
[2] 富原 理津子, 田村 瞳, 福田 豊, 川原 憲治, 尾家 祐二, “LANれるが，図 3，4 より，Rt がほぼ 0，すなわち常に µ = µhigh とスイッチ省電力化のためのリンク速度動的切替方式,” 電子なり省電力効果がみられない．よって 90 < Tlow 5 130[Mbps]
情報通信学会 2009 年総合大会, B-7-104, 2009 年 3 月とすることで，転送性能を大幅に劣化させずに省電力性能が得られることになる．以上より，転送性能の劣化を抑制する切替 [3] Baoke Zhang,et.al,”Real-Time Performance Analysis of Adaptive Link Rate”, LCN 2008, Oct. 2008.
閾値が存在し，Tlow を小さくすると省電力化に寄与しないことがわかる．
B-11