Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

====o0o====




 !"#$#%
&' 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Sinh viên thực hiện : LÊ THÁI HƯNG
NGUYỄN DUY LINH
LÊ ANH VĂN
Lớp KSTN- ĐTVT- K52
Giảng viên hướng dẫn : TS TRẦN NGỌC LAN
TS. TRẦN MINH TRUNG
TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG
()*+, /,0/

====o0o====




 !"#$#%
&' 
BỘ
GI
ÁO
DỤ
C

VÀ
ĐÀ
CỘ
NG
HÒ
A
XÃ
HÔI
CH
Sinh viên thực hiện : LÊ THÁI HƯNG
NGUYỄN DUY LINH
LÊ ANH VĂN
Lớp KSTN- ĐTVT- K52
Giảng viên hướng dẫn : TS TRẦN NGỌC LAN
TS. TRẦN MINH TRUNG
TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG
C<n b> phản biện :
()*+, /,0/
O TẠO Ủ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

1
Họ và tên sinh viên: 234*567 Số hiệu sinh viên: /,,8/9:0
7;<=6&;< *63 Số hiệu sinh viên: /,,808/0
2>63?6 Số hiệu sinh viên: /,,8@9/:
Kho<: :/ Viện: *A6BC.*=6B3D67 Ngành: *A6BC.*=6B3D67
1 Đầu đề đồ án:
……………………………………………… ………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………… ………
2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….
… ……………………… …………………………………………………………………………………….
3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………………………………………
…… ….
………………………………………………………………………………………………………………………………
……… ….……………………………………………………………………………………………
4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….
…………………………………………………………………………………………………………………………
……….………………………………………………………………………………………………………….
5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: EFGH67IJ K6
EFGH6*63G;67
EF7;<=6L;M6&N67
6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7 Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm B> môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và n>p đồ <n tốt nghiệp ngày th<ng năm
46O)P3Q6O*A6
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

RSLT
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Kho<:

Giảng viên hướng dẫn:
C<n b> phản biện:
1. )*U;67B3*VBWVBXB673*AP









2. 3Y6Z[BJ\KJ46O)P3Q6O*A6







Ngày th<ng năm
46O)P3Q6O*A6
( Ký, ghi rõ họ và tên )
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
]^
Ngày nay, c<c trung tâm dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong c<c hoạt đ>ng
thường ngày của c<c tổ chức như trường học, doanh nghiệp, viện nghiên cứu.
Những trung tâm dữ liệu này cùng với sự ph<t triển không ngừng của xã h>i đang
tăng lên nhanh chóng về cả quy mô và số lượng. Số lượng m<y chủ trong mỗi trung
tâm dữ liệu đang tăng lên rất nhanh chóng để đ<p ứng nhu cầu trao đổi thông tin

mọi người trong xã h>i. Do đó m>t điều tất yếu là số lượng c<c thiết bị chuyển
mạch để kết nối c<c m<y chủ lại với nhau cũng phải tăng lên. Điều này làm cho nhu
cầu về điện năng tiêu thụ bởi c<c trung tâm dữ liệu ngày càng tăng lên tỉ lệ với kích
thước của c<c trung tâm này. Và bài to<n được đặt ra cho c<c nhà nghiên cứu và c<c
nhà ph<t triển là làm sao có thể giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ của c<c trung
tâm dữ liệu này mà khả năng xử lý thông tin vẫn được đảm bảo. Từ yêu cầu thực tế
trên, nhóm t<c giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị điểu khiển giúp tiết
kiệm năng lượng cho c<c b> chuyển mạch trong trung tâm dữ liệu và cũng đã chế
tạo thành công c<c b> chuyển mạch có khả năng tự tiết kiệm năng lượng. Những kết
quả đạt được đã và đang mở ra m>t hướng đi mới rất khả thi cho việc ph<t triển, sản
xuất đại trà c<c thiết bị mạng tiết kiệm năng lượng cũng như giúp c<c nhà quản lý
trung tâm dữ liệu theo dõi công suất tiêu thụ của toàn trung tâm dữ liệu, mức tiết
kiệm năng lượng.
Sau m>t thời gian lao đ>ng miệt mài, nhóm t<c giả đã hoàn thành đồ <n với
đề tài:“73*26J_;7*Q*P34PP3H6J_67B*VBW*A`6?67a5b67J3cJ4JBG;67
BM`Uda*A;”
Nhờ những cố gắng không ngừng, t<c giả đã gặt h<i được m>t số kết quả
nhất định. Mặc dù vậy, do thời gian có hạn nên m>t số ý tưởng vẫn chưa được thực
hiện và kết quả nghiên cứu không tr<nh khỏi m>t vài sai sót nhỏ. Vì vậy, t<c giả rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của c<c thầy cô gi<o và bạn bè.
T<c giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới:
 Cô gi<o TS. Trần Ngọc Lan
 Thầy gi<o TS. Trần Minh Trung
 Thầy gi<o TS. Nguyễn Xuân Dũng
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Thầy gi<o TS. Phạm Ngọc Nam
 Thầy gi<o PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh
 Cô gi<o TS. Trương Thu Hương

 C<c bạn K51, K52, K53 trong nhóm OpenFlow
 Tập thể lớp KSTN-ĐTVT-K52
 Viện Điện Tử - Viễn Thông, trường ĐH B<ch Khoa Hà N>i
 Cùng toàn thể gia đình và bạn bè
đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho t<c giả trong qu< trình nghiên cứu.
e46f5bJB3gJ3*A6BGc67W3;D6W3hJ\KUg46i*Q`f*A66?67B*2;
B3jJ\K`k67JlmnUda*A;UgKBG26WoB3;YBa5;a5b67pECODANEqiUc
EFEF7;<=6d;3K63J3\BGrF
Sinh viên thực hiện: !
s&s 
>
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
^t
“73*26J_;7*Q*P34PP3H6J_67B*VBW*A`6?67a5b67J3cJ4JBG;67BM`Ud
a*A;”
Trung tâm dữ liệu đóng m>t vai trò quan trọng trong c<c hoạt đ>ng thường
ngày của mọi người. Sự mở r>ng không ngừng cả về phạm vi và quy mô của c<c
trung tâm dữ liệu dẫn đến thực trạng mức tiêu thụ năng lượng qu< lớn. C<c ảnh
hưởng của điều này không chỉ về gi< cả mà còn về môi trường khi lượng khí đ>c
hại thải ra từ c<c trung tâm dữ liệu là m>t vấn đề rất đ<ng quan tâm. M>t trong
những giải ph<p được đưa ra đó là điều khiển m>t c<ch thông minh việc tiêu thụ
năng lượng của c<c b> chuyển mạch được sử dụng trong c<c trung tâm dữ liệu.
Nhóm t<c giả thực hiện đồ <n đã đưa ra c<c cải tiến cho c<c b> chuyển mạch
OpenFlow nhằm mục đích hỗ trợ c<c chế đ> tiết kiệm năng lượng kh<c nhau. Sự cải
tiến này bao gồm định nghĩa c<c bản tin mới theo chuẩn giao thức OpenFlow, thiết
kế b> điều khiển c<c chuyển mạch OpenFlow (OSC) có khả năng bật tắt c<c b>
chuyển mạch và c<c port. Hơn nữa, nhóm t<c giả đã tích hợp c<c cải tiến này lên
chính c<c b> chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng khả trình NetFPGA

trong khuôn khổ dự <n ECODANE[1]. C<c kết quả được trình bày trong đồ <n này
có thể được sử dụng bởi c<c nhà sản xuất chuyển mạch OpenFlow hoặc những nhà
nghiên cứu về năng lượng tiêu thụ của c<c thiết bị mạng.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
>RE#>
“#umuKJ3*673KGUvKGumca;B*c6wcGu6uG7<mKx*67*6&KBKJu6BuGm”
Data centers play an important role in our daily activities. The increasing
demand for data centers in both scale and size has led to huge energy consumption.
The cost and environmental impact of data centers increases due to large amounts
of carbon emissions. One solution to this problem is to intelligently control the
power consumption of switches used in data centers. This thesis proposes an
extension to OpenFlow switches to support different power saving modes. The
extension includes defining new messages in OpenFlow standard and designing an
OpenFlow Switch Controller (OSC) that is able to turn on/off switches and
disable/enable ports. Furthermore, the extension is integrated into the NetFPGA
based OpenFlow switches in the ECODANE[1] framework. That brings an
opportunity of producing self-power aware OpenFlow switches. The results
presented in this thesis can aslo be used by the OpenFlow compliant switches
manufacturer or by power aware research community.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1 1
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
&>1yz
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
&>1RR{
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
S't
Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt
CC Clock Controller Bộ điều khiển tín hiệu Clock
CLB Configurable Logic Block Khối logic có thể lập trình
được
DCM Digital Clock Manager Khối quản lý xung đồng hồ
DRAM Dynamic Random Access
Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
động
FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng khả trình
IOB Input Output Block Khối vào ra
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập thiết bị
NCD Native Circuit Description Phần mở rộng của file thiết kế
OF SW OpenFlow Switch Bộ chuyển mạch OpenFlow
OSC OpenFlow Switch Controller Mạch điều khiển các bộ
chuyển mạch OpenFlow
PCF Physical Constraint File Phần mở rộng của file ràng
buộc vật lý
PCI Peripheral Component Inter-
connect
Kết nối thành phần ngoại vi
PLD Programmable Logic Device Thiết bị logic có thể lập trình
SDN Software-Defined Network Mạng điều khiển bằng phần

mềm
SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh
VCD Value Change Dump Phần mở rộng của file mô
phỏng
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
12
|
Trong đồ <n này, t<c giả sẽ tập trung giải quyết c<c vấn đề chính sau: Mô tả
cấu trúc của chuyển mạch OpenFlow; xây dựng mạng OpenFlow trên nền tảng
NetFPGA; c<c giải ph<p tiết kiệm năng lượng cho c<c b> chuyển mạch OpenFlow;
đo đạc trên thực tế và đ<nh gi< từng phương ph<p.
Nội dung của đồ án được chia thành sáu chương, gồm ba phần chính:
Phần “Tìm hiểu thực trạng và giải pháp mạng OpenFlow” gồm hai chương:
 35l670: Nêu thực trạng về vấn đề năng lượng trong c<c trung tâm dữ liệu
và giải ph<p sử dụng mạng OpenFlow do Lê Anh Văn thực hiện.
 35l67/: Tìm hiểu m>t c<ch tổng qu<t công nghệ mạch tổ hợp FPGA, về
b> chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng NetFPGA. Chương này
do Nguyễn Duy Linh và Lê Th<i Hưng thực hiện.
Phần “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trên thực tế” gồm ba
chương:
 35l67@: Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền tảng NetFPGA
trong thực tế phòng thí nghiệm do Lê Th<i Hưng và Nguyễn Duy Linh thực
hiện.
 35l679: Thiết kế b> điều khiển chuyển mạch OpenFlow dựa trên thực tế
hệ thống đã triển khai. Chương này do Lê Th<i Hưng và Lê Anh Văn thực
hiện.
 35l67:: Thiết kế chuyển mạch OpenFlow tiết kiệm năng lượng và thực
hiện trên c<c b> chuyển mạch thực tế đã triển khai.
Phần “Đo đạc, kiểm thử và đánh giá kết quả đạt đươc” gồm một chương:

 35l67-Triển khai hệ thống mới với c<c thiết bị đã được tạo ra, đo đạc và
đ<nh gi< c<c kết quả trên thực tế phòng thí nghiệm.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
35l670F}6f~B*VBW*A`6?67a5b67BGc67
BG;67BM`Uda*A;x(7*Q*P34PmCUj67`k67
$Pu6•acv
Sinh viên: Lê Anh Văn
Chương này sẽ giải thích nhu cầu tiết kiệm năng lượng cho c<c trung tâm dữ
liệu. Đồng thời, m>t giải ph<p hoàn toàn mới cho khó khăn đó sẽ được đưa ra dựa
vào công nghệ mạng mới đang được ph<t triển rất nhanh chóng trong thời gian gần
đây: Đó là mạng điều khiển bằng phần mềm dựa trên giao thức OpenFlow.
C<c kh<i niệm, định nghĩa và mô hình chung nhất về mạng này cùng giao
thức OpenFlow sẽ giúp người đọc có m>t c<i nhìn tổng quan về mục tiêu mà đồ <n
hướng tới; cùng với đó là m>t xu hướng ph<t triển của mạng trong tương lai.
0F0 }6f~B*VBW*A`6?67a5b67J3cBG;67BM`Uda*A;
Có thể nói rằng hiện nay c<c trung tâm dữ liệu đang tiêu tốn m>t năng lượng
khổng lồ để duy trì hoạt đ>ng của nó.Theo m>t nghiên cứu cho thấy rằng chi phí
năng lượng chiếm tới 44% chi phí hoạt đ>ng của trung tâm dữ liệu. Năng lượng tiêu
thụ ở đây bao gồm có năng lượng cho c<c server, c<c thiệt bị mạng, cho hệ thống
làm lạnh, line-cards, switching fabric, c<c hệ thống theo dõi và c<c hệ thống phụ trợ
kh<c. Những tìm hiểu về năng lượng trong mạng trung tâm dưới đây được tham
khảo trong bài b<o “Energy Aware Network Operations” [2], chỉ đề cập đến mô
hình năng lượng tiêu thụ của switch và m>t chủ đề đang được nhiều nhà ph<t triển
quan tâm đó là c<c giải ph<p tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng trung tâm dữ
liệu.
C<c switch và router hiện tại không cho ta biết đầy đủ c<c thông số năng
lượng tiêu thụ của chúng. Datasheet của c<c thiết bị này chỉ cho biết gi< trị công
suất hoạt đ>ng tối đa. Gi< trị này không đủ để hiểu chính x<c năng lượng tiêu thụ
thật của c<c thiết bị mạng. Năng lượng tiêu thụ thật sự của c<c switch/router phụ
thu>c vào rất nhiều yếu tố như cấu hình của thiết bị và lượng tải mà thiết bị cần xử

lý, do đó chỉ dựa vào công suất tiêu thụ tối đa sẽ không thể tính to<n chính x<c được
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
năng lượng tiêu thụ thật. Cấu hình thiết bị và lưu lượng thông tin đi qua sẽ ảnh
hưởng đến công suất tiêu thụ của c<c thiết bị mạng.
Mỗi m>t switch/router đều chứa nhiều thành phần cấu tạo kh<c nhau như:
chassis, linecard, TCAM (Ternary Content Addressable Memory), RAM, processor,
quạt… M>t switch/router đặc trưng gồm m>t chassis (có thể hiểu là b> khung của
switch) chứa c<c slot cắm c<c linecard, mỗi linecard chứa nhiều port (cổng mạng)
chính là c<c cổng giao tiếp của switch/router với c<c switch/router kh<c hoặc với
c<c m<y tính kh<c. Việc đo thông số năng lượng tiêu thụ của tất cả c<c thành phần
trong switch m>t c<ch toàn diện rất khó để thực hiện. Dưới đây là c<c yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của switch/router:
• Công suất tiêu thụ của chassis: C<c switch hiệu năng cao chứa m>t chassis
và m>t số lượng cố định c<c khe cắm (slot) dùng để cắm c<c linecard. Đối
với c<c switch hiệu năng thấp hơn (c<c switch phổ thông với 24 cổng trở
xuống), c<c slot và linecard được gắn cố định, không thể thay đổi. Trong cả
hai trường hợp, công suất tiêu thụ cơ bản của chassis là tổng công suất tiêu
thụ của m>t số thành phần kh<c nhau của switch như processor, quạt,
memory…
• Số lượng linecard: số lượng cổng của m>t linecard và tổng lưu lượng thông
tin mà nó có thể xử lý là có hạn. Cơ chế cắm và rút c<c linecard trên c<c khe
slot của switch cho phép c<c nhà quản lý mạng linh đ>ng cắm số lượng
linecard cần thiết linh đ>ng đ<p ứng nhu cầu về tải. Hơn nữa, cơ chế đó cũng
đưa ra nhiều lựa chọn cho việc cắm loại linecard phù hợp, ví dụ như cắm m>t
linecard 24 cổng 1Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 24Gbps, hay cắm
m>t linecard 4 cổng 10Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 40 Gbps.
• Số lượng active cổng: thuật ngữ này đề cập tới tổng số cổng trên switch (của
tất cả c<c linecard) ở trạng th<i hoạt đ>ng (active). C<c cổng còn lại trên
switch được tắt đi thông qua giao diện câu lệnh hỗ trợ tắt bật đưa ra từ nhà
sản xuất.

• Công suất xử lý tối đa của m>t cổng (port capacity) hay tốc đ> hoạt đ>ng tối
đa của m>t cổng: ta có thể thay đổi thông số công suất xử lý tối đa của mỗi
cổng để giới hạn tốc đ> xử lý thông tin của cổng đó. Ví dụ, công suất xử lý
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
tối đa của m>t cổng full-duplex 1Gbps có thể được cấu hình xuống 100Mbps
hay 10Mbps. Việc thay đổi công suất xử lý tối đa này sẽ ảnh hưởng đến năng
lượng tiêu thụ nói chung của switch. Khi giảm công suất xử lý tối đa, năng
lượng tiêu thụ của cổng sẽ giảm, dẫn đến năng lượng tiêu thụ của cả switch
nói chung giảm theo.
• Hiệu suất sử dụng của cổng (port utilization): thuật ngữ này mô tả thông
lượng thật chảy qua m>t cổng so với công suất xử lý tối đa của cổng đó. Ví
dụ trong trường hợp công suất xử lý tối đa của m>t cổng là 100Mbps, thông
lượng dữ liệu đi qua cổng đó là 10Mbps, khi đó hiệu suất sử dụng của cổng
đó (hay port utilization) là 10%. Phụ thu>c vào hiệu suất sử dụng của cổng
mà ta có thể thiết lập c<c gi< trị công suất xử lý tối đa của cổng đó m>t c<ch
phù hợp. Ví dụ, nếu m>t cổng phải xử lý 60 Mbps lưu lượng, khi đó ta sẽ
thiết lập công suất xử lý tối đa của switch là 100 Mbps để có hiệu quả sử
dụng năng lượng m>t c<ch tốt nhất.
• TCAM: hầu hết c<c switch thực hiện việc phân loại packet trên phần cứng và
hầu hết c<c nhà sản xuất sử dụng TCAM để thực hiện chức năng này do thời
gian xử lý tìm kiếm của TCAM là rất nhanh. Tuy nhiên, TCAM tiêu thụ m>t
lượng công suất lớn. Ngoài ra, kích thước TCAM trong c<c switch cũng kh<c
nhau.
• Firmware: c<c nhà sản xuất cập nhật firmware cho switch/router theo định
kỳ. C<c phiên bản firmware kh<c nhau cũng có thể ảnh hưởng tới công suất
tiêu thụ của switch/router.
Ngoài ra, đặc tính lưu lượng thông tin đi qua mỗi cổng cũng có thể ảnh
hưởng tới công suất tiêu thụ của cổng đó. Hai đặc tính quan trọng nhất của lưu
lượng của m>t flow là kích thước mỗi gói tin và khoảng thời gian giữa hai gói tin
liên tiếp.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
RQ670F0D67m;}BB*2;B3jJ\Kmv*BJ3nJ4JJ};3r63W34J63K;
cw*7;GKB*c6 #KJWmv*BJ3p*6€KBBmq *uG./mv*BJ3p*6€KBBmq
146 54
0
(include in chassis power)
39
0.12 0.42
0.18 0.48
0.87 0.9
là công suất tiêu thụ của switch ở trạng th<i không có lưu lượng đi qua, tuy nhiên
switch vẫn đang ở trạng th<i bật (idle).
là công suất tiêu thụ của m>t linecard khi không có lưu lượng qua nó. Nói c<ch
kh<c, c<c cổng của line card không phải xử lý bất cứ lượng lưu lượng nào.
là số linecard của switch

là công suất tiêu thụ của m>t cổng chạy ở tốc đ> i.
là số cổng chạy ở tốc đ> i.
i: có thể có c<c gi< trị 10Mbps, 100 Mbps hay 1Gbps.
Qua Bảng 1.1 [2] ta thấy đối với Rack switch (c<c switch thường công suất
xử lý thấp, ít hơn 24 cổng), do c<c linecard được gắn cố định, không thay đổi được
nên công suất tiêu thụ của chassis chính là công suất tiêu thụ cơ bản và cố định của
switch khi switch được bật mà không xử lý bất cứ m>t lượng lưu lượng nào, công
suất tiêu thụ của linecard khi đó được bao gồm trong công suất tiêu thụ của chassis.
Mặt kh<c đối với c<c chuyển mạch tầng hai có công suất xử lý cao hơn, số lượng
c<c linecard có thể thay đổi bằng c<ch cắm/rút c<c linecard vào/ra c<c slot, nên
không thể tính g>p vào công suất tiêu thụ của chassis. Trong trường hợp này, mỗi
linecard được cắm thêm vào, công suất tiêu thụ của switch sẽ tăng thêm 39W. Tuy
nhiên, trong cả hai trường hợp ta có thể thấy công suất tiêu thụ của c<c cổng trên
switch phụ thu>c vào cấu hình tốc đ> hoạt đ>ng của c<c cổng đó. Tốc đ> hoạt đ>ng

tăng, công suất tiêu thụ của cổng cũng tăng lên.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
Ngoài ra, ta có thể quan s<t thấy công suất tiêu thụ của chassis chiếm phần
lớn công suất tiêu thụ của switch, nên việc tắt c<c switch không sử dụng (không có
lưu lượng đi qua) sẽ mang lại lợi ích lớn nhất. Lấy ví dụ m>t switch thường 24
cổng, khi không có lưu lượng đi qua sẽ tiêu thụ 146W, trong khi công suất tiêu thụ
tối đa khi lượng lưu lượng tối đa qua (mỗi cổng đặt ở tốc đ> hoạt đ>ng 1Gbps),
công suất tiêu thụ của switch sẽ là: 146+0.87*24=167W. Nếu ta không tắt switch
khi không có lưu lượng đi qua, switch sẽ luôn tiêu thụ m>t lượng công suất nền rất
lớn: 146W.
Dựa vào đặc tính tiêu thụ năng lượng của c<c switch, phần tiếp theo sẽ trình
bày m>t số kỹ thuật được dùng trong tiết kiệm năng lượng tiêu thụ của c<c thiết bị
mạng trong trung tâm dữ liệu.
0F/ *Q*P34PmCUj67`k67$Pu6•acv
0F/F0 EgJH6B3*VBJ3c`)BW*V6BG•J`k67`‚*
Sự bùng nổ của c<c thiết bị và n>i dung di đ>ng, ảo hóa m<y chủ, và sự ra
đời của dịch vụ điện to<n đ<m mây là m>t trong những xu hướng thúc đẩy c<c
ngành công nghiệp mạng xem xét lại kiến trúc mạng truyền thống. Hầu hết c<c
mạng thông thường đều theo kiến trúc phân cấp, được xây dựng với c<c tầng của
thiết bị chuyển mạch Ethernet được sắp xếp theo cấu trúc cây. Thiết kế này thực sự
hiệu quả khi mô hình tính to<n client-server chiếm ưu thế, nhưng kiến trúc cố định
như vậy không thích hợp với yêu cầu tính to<n đa dạng, năng đ>ng và nhu cầu lưu
trữ dữ liệu ngày nay tại c<c trung tâm dữ liệu của doanh nghiệp, trường học, và
trong môi trường của c<c nhà cung cấp dịch vụ. M>t trong số những xu hướng tính
to<n quan trọng dẫn tới yêu cầu ngày càng tăng cho m>t mô hình mạng mới bao
gồm:
• Sự thay đổi mô hình lưu lượng.
• Hướng người dùng CNTT (Công nghệ thông tin).
• Sự ph<t triển của c<c dịch vụ điện to<n đ<m mây.
• “Dữ liệu lớn” yêu cầu nhiều băng thông hơn.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
0F/F/ jJB*2;J\K`k67$Pu6•acv
Đ<p ứng yêu cầu thị trường hiện nay là hầu như không thể với kiến trúc
mạng truyền thống. Đối mặt với ngân s<ch không đổi hoặc giảm, c<c doanh nghiệp
ngành CNTT đang cố gắng để tận dụng tối đa khả năng mà mạng của họ co thể đ<p
ứng bằng c<ch sử dụng c<c công cụ quản lý ờ mức thiết bị và c<c quy trình thủ
công. C<c hãng cung cấp dịch vụ cũng phải đối mặt với những th<ch thức tương tự
như yêu cầu về tính di đ>ng cũng như sự bùng nổ băng thông, lợi nhuận đang bị xói
mòn bởi chi phí vốn cho thiết bị leo thang và doanh thu không tang hoặc suy giảm.
Kiến trúc mạng hiện tại không được thiết kế để đ<p ứng c<c yêu cầu ngày nay của
người sử dụng, doanh nghiệp, và nhà cung cấp dịch vụ, những hạn chế của mạng
hiện tại bao gồm:
• Đ> phức tạp cao gây tắc nghẽn
• Chính s<ch không đồng nhất
• Khả năng quy mô kém
• Phụ thu>c vào nhà cung cấp thiết bị
Chính vì lý do trên, c<c nhà nghiên cứu đã đưa ra giải ph<p: Mạng điều khiển
bằng phần mềm (Software-Defined Networking)
Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) là m>t kiến trúc mạng mới ph<t
triển trong thời gian gần đây, trong đó việc điều khiển mạng được t<ch rời khỏi việc
chuyển tiếp và có thể được lập trình. Kh<c với trước đây khi còn bị ràng bu>c chặt
chẽ trong từng thiết bị mạng đơn lẻ, điều khiển mạng sử dụng c<c thiết bị tính to<n
có thể truy cập (accessible computing device) cho phép cơ sở hạ tầng cơ bản được
trừu tượng hóa cho c<c ứng dụng và dịch vụ mạng, hay là c<c ứng dụng và dịch vụ
sẽ coi mạng như m>t thực thể hợp thống nhất.
Hình 1.1 mô tả kiến trúc luận lý của SDN[3]. Thông tin về mạng được tập
trung trong phần mềm điều khiển SDN có chức năng kiểm so<t toàn b> mạng. Kết
quả là, hình ảnh của mạng đối với c<c ứng dụng và c<c công cụ quản lý giống như
là m>t chuyển mạch luận lý đơn nhất. Với SDN, doanh nghiệp và ngưởi sử dụng có
thể điều hành toàn b> mạng từ m>t điểm luận lý duy nhất, không phụ thu>c vào nhà

cung cấp thiết bị, điều này giúp đơn giản hóa thiết kế và hoạt đ>ng của mạng rất
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
nhiều. SDN cũng góp phần tối ưu hóa c<c thiết bị mạng, bởi vì c<c thiết bị mạng
không còn cần phải hiểu và xử lý hàng ngàn c<c chuẩn giao thức kh<c nhau mà chỉ
còn xử lý c<c lệnh từ b> điều khiển SDN.
r630F0*V6BG•J`k67f*~;W3*ƒ6O„67P3H6`~`
Nhưng quan trọng nhất, nhà khai th<c mạng và quản trị viên có thể trình cấu
hình mạng được trừu tượng hóa đơn giản hơn so với việc phải lập trình hàng chục
ngàn dòng cấu hình phân t<n trong số hàng ngàn c<c thiết bị mạng đơn lẻ. Ngoài ra,
tận dụng c<c thông tin được tập trung trong tại b> điều khiển SDN, người quản trị
có thể thay đổi hoạt đ>ng mạng theo thời gian thực, triển khai c<c ứng dụng và dịch
vụ mới mạng trong vài giờ hoặc vài ngày, chứ không còn là vài tuần hoặc vài th<ng
như hiện nay. Bằng c<ch thu thập tình trạng của mạng trong c<c lớp điều khiển
(control layer), SDN cung cấp cho nhà quản lý mạng c<c phương ph<p linh hoạt để
cấu hình, quản lý, bảo mật, và tối ưu hóa tài nguyên mạng thông qua c<c phần mềm
tự đ>ng SDN.
Hơn nữa, c<c nhà quản lý có thể tự viết c<c chương trình này mà không phải
chờ đợi c<c nhà cung cấp sẽ nhúng c<c tính năng này vào c<c sản phẩm của họ kèm
theo c<c công cụ phần mềm đ>c quyền .Ngoài việc trừu tượng hóa mạng, kiến trúc
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
SDN hỗ trợ m>t tập hợp c<c hàm API cho phép thực hiện c<c dịch vụ mạng thông
thường, bao gồm định tuyến, multicast, an ninh, kiểm so<t truy cập, quản lý băng
thông, quản lý traffic, chất lượng, dịch vụ, tối ưu hóa c<c b> vi xử lý và lưu trữ, sử
dụng năng lượng, và c<c hình thức quản lý chính s<ch, tùy chỉnh cho phù hợp để
đ<p ứng c<c mục tiêu kinh doanh. Ví dụ, kiến trúc SDN cho phép định nghĩa và
thực thi chính s<ch nhất qu<n m>t c<ch dễ dàng cho cả kết nối có dây và không dây
trong khuôn viên trường.
Tương tự như vậy, SDN cho phép quản lý toàn b> mạng thông qua hệ thốn
dự phòng và đồng b> thông minh. Open Networking Foundation đang nghiên cứu
c<c API mở để thúc đẩy việc quản lý đa nhà cung cấp, mở ra c<nh cửa cho c<c tính

năng phân bổ tài nguyên theo yêu cầu, self-service provisioning, mạng ảo hóa thực
sự, và c<c dịch vụ đ<m mây an toàn.
Như vậy, với c<c hàm API mở nằm giữa b> điều khiển SDN và c<c lớp ứng
dụng, c<c ứng dụng thực tế có thể hoạt đ>ng trên lớp trừu tượng của mạng,tận dụng
c<c dịch vụ và khả năng của mạng mà không bị ràng bu>c vào c<c chi tiết khi thực
hiện. SDN làm cho mạng không còn phải "application-aware" như là "application-
customized" và c<c ứng dụng cũng không cần thiết "network-aware" đến mức
"network-capability-aware". Kết quả là, từ việc tính to<n, lưu trữ, tài nguyên mạng
có thể được tối ưu hóa.
0F/F@ *KcB3_J$Pu6•acv
Giao thức OpenFlow là giao diện truyền thông đầu tiên được sử dụng giữa
lớp kiểm so<t và c<c lớp chuyển tiếp trong kiến trúc SDN. OpenFlow cho phép trực
tiếp truy cập và thao t<c trên phần chuyển mạch của c<c thiết bị mạng chẳng hạn
như chuyển mạchvà router, trong cả hai trường hợp luận lý và ảo. Chính sự thiếu
hụt của m>t giao diện mở cho phần chuyển mạch đã dẫn tới c<c đặc tính của c<c
thiết bị mạng bây giờ như: chia thành nhiều khối riêng biệt, đóng và giống như c<c
m<y mainframe. Thực tế hiện nay vẫn chưa xuất hiện m>t giao thức tiêu chuẩn nào
có cùng chức năng như giao thức OpenFlow,và sự ra đời m>t giao thức giống như
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
OpenFlow là cần thiết để chuyển công việc điều khiển mạng chuyển mạch lên c<c
phần mềm điều khiển tập trung hợp lý.
OpenFlow có thể được so s<nh với tập lệnh của CPU. Như thể hiện trên Hình
1.2 [3], giao thức này x<c định c<c thành phần cơ bản có thể được sử dụng bởi m>t
ứng dụng phần mềm bên ngoài để lập trình cho phần chuyển mạch của c<c thiết bị
mạng, điều này giống như tập lệnh của CPU với m>t hệ thống m<y tính.
r630F/…Ujx~BYPaA63J\K$Pu6•acv
C<c giao thức OpenFlow được thực hiện trên cả hai mặt của giao diện giữa
c<c thiết bị cơ sở hạ tầng mạng và phần mềm điều khiển SDN. OpenFlow sử dụng
kh<i niệm về c<c luồng (Flow) để x<c định lưu lượng truy cập mạng dựa trên quy
tắc được x<c định trước - có thể được lập trình cố định hay thay đổi trong phần

mềm điều khiển SDN. Giao thức này cũng cho phép người sử dụng x<c định c<ch
lưu lượng mạng được phân theo luồng thông qua c<c thiết bị mạng dựa trên c<c
thông số như mô hình sử dụng, ứng dụng, và tài nguyên điện to<n đ<m mây. Vì
OpenFlow hướng tới mạng được lập trình trên cơ sở hướng tới từng luồng, do đó
m>t kiến trúc mạng SDN dựa trên OpenFlow hỗ trợ kiểm so<t rất chi tiết tới tất cả
c<c khía cạnh, cho phép mạng có thể đ<p ứng theo thời gian thực với sự thay đổi ở
c<c cấp đ> ứng dụng, người sử dụng, và phiên. Định tuyến dựa trên IP hiện tại
không cung cấp mức đ> kiểm so<t chặt chẽ đến như vậy, bởi vì tất cả c<c luồng giữa
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
hai thiết bị đầu cuối luôn phải theo cùng m>t con đường thông qua mạng, bất kể
chúng có yêu cầu kh<c nhau hay không.
Giao thức OpenFlow là m>t nhân tố quan trọng trong Mạng điều khiển bằng
phần mềm và là giao thức SDN tiêu chuẩn hóa duy nhất hiện nay, cho phép trực
tiếp thao t<c trên phần chuyển mạch của c<c thiết bị mạng. Ban đầu khi <p dụng cho
c<c mạng Ethernet-based, việc chuyển đổi sang OpenFlow có thể mở r>ng đến tập
hợp r>ng lớn hơn nhiều c<c trường hợp. Mạng SDN dựa trên OpenFlow có thể được
triển khai trên c<c mạng hiện có, cả vật lý và ảo. Thiết bị mạng có thể hỗ trợ việc
chuyển tiếp c<c gói tin OpenFlow cũng như chuyển tiếp gói tin truyền thống, điều
này khiến cho c<c doanh nghiệp và người sử dụng dễ dàng tiếp cận đến mạng SDN
dựa trên OpenFlow, ngay cả trong môi trường mạng thiết lập bởi nhiều nhà cung
cấp.
Tổ chức Open Networking Foundation chịu tr<ch nhiệm tiêu chuẩn hóa
OpenFlow thông qua c<c nhóm kỹ thuật làm việc trên nhiều mảng như giao thức,
cấu hình, khả năng tương t<c, và c<c hoạt đ>ng kh<c, giúp đảm bảo khả năng tương
t<c giữa c<c thiết bị mạng và phần mềm kiểm so<t từ c<c nhà cung cấp kh<c nhau.
OpenFlow được chấp nhận r>ng rãi bởi c<c nhà cung cấp cơ sở hạ tầng mạng, thông
qua c<c bản nâng cấp phần mềm hoặc firmware đơn giản. Kiến trúc mạng SDN dựa
trên OpenFlow có thể được tích hợp liền mạch với cơ sở hạ tầng hiện có của m>t
doanh nghiệp hoặc người sủ dụng, tạo ra m>t hướng chuyển đổi đơn giản trên
những thành phần mạng mà tại đó cần c<c chức năng của mạng SDN nhất.

0F/F9 b*…J3J\K`k67E&UgKBG267*KcB3_J$Pu6•acv
Đối với doanh nghiệp và nhà cung cấp, công nghệ của mạng SDN dựa trên
OpenFlow cho phép c<c kĩ sư công nghệ thông tin giải quyết c<c vấn đề liên quan
tới băng thông cao, tính chất thay đổi của c<c ứng dụng ngày nay, chuyển đổi mạng
cho phù hợp với c<c yêu cầu làm việc luôn thay đổi, và làm giảm đ<ng kể đ> phức
tạp của hoạt đ>ng điều hành và quản lý mạng. C<c lợi ích mà doanh nghiệp và c<c
hãng có thể đạt được thông qua kiến trúc mạng SDN dựa trên OpenFlow bao gồm:
• YPBG;673†Kx*AJf*~;W3*ƒ6BGc67`D*BG5‡67`k67J\K63*~;63(
J;67J}P Phần mềm điều khiển có SDN thể kiểm so<t bất kỳ thiết bị mạng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
hỗ trợ OpenFlow từ bất kỳ nhà cung cấp nào, bao gồm thiết bị chuyển mạch,
định tuyến và chuyển mạch ảo. Thay vì phải quản lý từng nhóm thiết bị từ
c<c nhà cung cấp riêng lẻ, nhà quản lý có thể sử dụng đồng b> c<c thiết bị và
c<c công cụ quản lý dựa trên SDN để nhanh chóng triển khai, cấu hình và
cập nhật c<c thiết bị trong toàn b> mạng.
• *Q`f)P3_JBkPB3D67ˆ;KBgf)673†K Mạng SDN dựa trên giao thức
OpenFlow cung cấp c<c công cụ (framework) giúp tự đ>ng hóa và quản lý
mạng m>t c<ch linh hoạt, điều này hỗ trợ nhà quản lý có thể ph<t triển c<c
công cụ giúp thực hiện c<c t<c vụ quản lý m>t c<ch tự đ>ng hóa thay vì tự
mình thực hiện như hiện tại. Những công cụ tự đ>ng hóa này sẽ làm giảm chi
phí hoạt đ>ng, tối thiểu sự bất ổn định trong mạng gây ra bởi lỗi trong việc
điều hành, và hỗ trợ c<c mô hình triển khai tự phục vụ (self-service
provisioning models). Ngoài ra, với mạng SDN, c<c ứng dụng dựa trên điện
to<n đ<m mây có thể được quản lý thông qua hệ thống triển khai và đồng b>
thông minh, giúp giảm thiểu hơn nữa chi phí vận hành đồng thời tăng tính
linh hoạt trong công việc.
• XJf)fh*`‚*JKc3l6 Sử dụng mạng SDN làm tăng khả năng đổi mới
trong công việc bằng c<ch cho phép nhà vận hành mạng có thể thực sự lập
trình và lập trình lại mạng theo thời gian thực để đ<p ứng nhu những yêu cầu
công việc đặc biệt và nhu cầu ph<t sinh của người sử dụng. Bằng c<ch ảo hóa

và trừu tượng hóa cơ sở hạ tầng mạng từ c<c dịch vụ mạng đơn lẻ, ví dụ,
SDN và OpenFlow cung cấp cho nhà quản lý và có thể ngay cả người dùng
khả năng để điều chỉnh hoạt đ>ng của mạng và ứng dụng c<c dịch vụ mới
cũng như c<c tính năng mới của mạng trong vòng vài giờ.
• ?67J5‡67f)B*6JY<x(K66*63`k67 SDN cho phép c<c nhà quản lý tự
định nghĩa c<c cấu hình cấp cao (high-level configuration) và chính s<ch
trong mạng, điều này được chuyển xuống cơ sở hạ tầng thông qua
OpenFlow. Kiến trúc mạng SDN dựa trên OpenFlow loại bỏ nhu cầu phải
cấu hình cho từng thiết bị mạng đơn mỗi thời gian mỗi khi m>t đầu cuối (end
point), dịch vụ, hoặc ứng dụng được thêm vào loại bỏ, hay khi thay đổi chính
s<ch, điều này làm giảm thiểu khả năng ph<t sinh lỗi trong mạng do xung đ>t
cấu hình hoặc chính s<ch.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
Bởi vì b> điều khiển mạng SDN cung cấp khả năng hiển thị đầy đủ và kiểm
so<t qua mạng, đo đó đảm bảo rằng việc kiểm so<t truy cập, lưu lượng, chất
lượng dịch vụ, an ninh, và c<c chính s<ch kh<c được thực thi nhất qu<n trên
cơ sở hạ tầng mạng có dây và không dây, bao gồm cả c<c chi nh<nh văn
phòng, trường học, và trung tâm dữ liệu. Doanh nghiệp và c<c nhà khai th<c
có thể được hưởng lợi ích từ giảm chi phí hoạt đ>ng, khả năng cấu hình linh
hoạt hơn, ít lỗi, thực thi chính s<ch và cấu hình thống nhất.
• GQ*673*A`675‡*U‰67BXB3l6: Bằng c<ch tập trung hóa điều khiển mạng
và đảm bảo thông tin trạng th<i sẵn sàng cho c<c ứng dụng cấp cao hơn, cơ
sở hạ tầng mạng SDN có thể thích ứng với nhu cầu đa dạng của người sử
dụng m>t c<ch tốt hơn. Ví dụ, m>t nhà cung cấp dịch vụ có thể giới thiệu
m>t dịch vụ video mà nó cung cấp cho c<c thuê bao cao cấp xem hình với đ>
phân giải lớn nhất có thể m>t c<ch tự đ>ng và thông suốt. Thực tế, người sử
dụng hoàn toàn có thế chọn m>t cấu hình đ> phân giải mà điều kiện mạng có
thể hoặc không thể đ<p ứng, dẫn đến trễ và gi<n đoạn làm giảm trải nghiệm
người dùng. Với mạng SDN dựa trên OpenFlow, c<c ứng dụng video có thể
tự nhận diện băng thông cho phép trong mạng theo thời gian thực và tự đ>ng

điều chỉnh đ> phân giải video cho phù hợp.
0F0 VBa;Y6J35l67
Tóm lại, c<c xu hướng mới như người sử dụng ngày càng ưa chu>ng tính di
đ>ng, ảo hóa m<y chủ, và yêu cầu đ<p ứng m>t c<ch nhanh chóng với điều kiện
kinh doanh luôn thay đổi đặt ra ngày nhiều yêu cầu lên hệ thống mạng, và rất nhiều
trong số đó kiến trúc mạng thông thường hiện nay không thể đảm đương
được. Mạng điều khiển bằng phần mềm cung cấp m>t kiến trúc mạng mới, năng
đ>ng, có khả năng thay đổi mạng xương sống truyền thống sang m>t nền tảng hứa
hẹn cung cấp dịch vụ phong phú hơn rất nhiều.
Tương lai của mạng sẽ dựa nhiều hơn và nhiều hơn nữa trên phần mềm, việc
này sẽ giúp đẩy nhanh tốc đ> đổi mới cho hệ thống mạng như nó đã từng xảy ra
trong lĩnh vực m<y tính và lưu trữ. SDN hứa hẹn sẽ biến đổi mạng cố định ngày
hôm nay thành nền tảng khả trình với khả năng phân bổ nguồn lực m>t c<ch năng