Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trong thiết kế chuyển mạch sử dụng ở trung tâm dữ liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI






TRẦN HOÀNG VŨ







NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG THIẾT KẾ
CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG Ở TRUNG TÂM DỮ LIỆU








LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2015




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI




TRẦN HOÀNG VŨ




NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG THIẾT KẾ
CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG Ở TRUNG TÂM DỮ LIỆU


Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 62520203



LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM NGỌC NAM









Hà Nội – 2015

i



LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tác giả trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và
chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác
và trung thực.

Tác giả luận án
Người hướng dẫn khoa học





ii



LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Ngọc Nam đã trực
tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian và tâm huyết giúp đỡ tác giả về
mọi mặt để hoàn thành luận án.
Cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh chủ trì dự án nghị định thư với nước ngoài cấp
nhà nước với đề tài: “Nghiên cứu cải thiện mức tiêu hao năng lượng trong các mạng trung
tâm dữ liệu dựa trên bài toán lưu lượng (ECODANE)” MÃ SỐ 06/2011/HĐ - NĐT, thời
gian thực hiện: 2011-2013, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả cùng tham gia. Với cơ sở
lý thuyết và hệ thống thực nghiệm của dự án, đã góp phần làm nền tảng cho tác giả phát
triển đạt được kết quả tốt trong luận án của mình.
Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử - Khoa Điện, Trường Cao đẳng Công
nghệ - Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên
cứu trong thời gian qua. Chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử & Kỹ thuật máy tính, Viện
Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và
thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng
nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông.
Qua đây, tác giả cũng chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ

Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế „ICED‟ 19-
21.8.2014, Malaysia .
Đồng thời tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Lab ESRC (Embedded System and
Reconfigurable Computing Laboration) tại P.618 Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐHBKHN đã
cộng tác cùng với tác giả xây dựng hệ thống thử nghiệm cho luận án này.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình tác giả : Ba mẹ, anh trai và chị
dâu, đã giúp đỡ và hy sinh rất nhiều cho tác giả trong thời gian vừa qua. Đây chính là động
lực to lớn để tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án




iii


MỤC LỤC

 I
 II
 III
 VII
 IX
  XII
 1
1 1
 3
 4
 Mc tiêu nghiên cu: 4
 ng nghiên cu: 5

 Phm vi nghiên cu: 5
 5
 RUNG TÂM
 7
1.1.  7
1.2.  7
1.2.1.  7
1.2.2.  8
1.3.  9
1.3.1.  9
1.3.2. - 10
1.4.  11
1.5.  12
1.6.  13
1.6.1.  13
1.6.2.  17
1.6.3.  18
1.6.4.  20

iv


1.7.  23
 24
 24
2.1.  24
2.2.  24
2.2.1 -1G 24
2.2.2 -1G 26
2.2.2.1.  26

2.2.2.2.  27
2.2.2.3.  27
2.2.2.4.  27
2.2.2.5.  28
2.3.  28
2.3.1.  29
2.3.2.  29
2.3.3.  30
2.4.  32
2.4.1.  32
2.4.2.  35
2.5. 
 36
2.5.1.  36
2.5.2.  38
2.5.2.1.  38
2.5.2.2.  39
2.5.2.3.  41
2.5.2.4.  42
2.6. 
 44
2.6.1.  44
2.6.2.  45
2.6.2.1.  45
2.6.2.2.  47

v


2.6.3.  52

2.6.4.  54
2.7.  55
2.7.1.  56
2.7.2.  56
2.7.3. 
 57
2.7.4. 
vào 58
2.7.4.1.  58
2.7.4.2.  61
2.8.  63
2.9.  64
3 65
 65
3.1.  65
3.2.  66
3.3.  67
3.4.  68
3.5.  70
3.6.  71
3.7.  72
3.8.  73
3.8.1.  73
3.8.2. -
 74
3.9.  78
 79
 79
4.1.  79
4.2.  79

4.3.  80
4.3.1.  80

vi


4.3.2.  82
4.4.  83
4.4.1.  83
4.4.2.  85
4.5.  87
 88
 88
 89
 89
CÁC CÔNG  90
 90
 91
 92
 92
   91

vii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

T vit tt
Thut ng ting anh
Thut ng ting vit

API
Average Power Index
Ch s công sut trung bình
CC
Clock Controller
B u khin tín hiu Clock
CLB
Configurable Logic Block
Khi logic có th lc
CLKIN
Clock input
Tín hiu vào
CLKFB
Clock feedback
Tín hiu clock phn hi
CPU
Central Processing Unit
B x lý trung tâm
DMA
Direct memory access
Truy cp b nh trc tip
DCM
Digital Clock Manager
Khi qun lý ng h
DRAM
Dynamic Random Access
Memory
B nh truy cp ngng
DD
Data Detector

Khi phát hin d liu
D-ITG
Distributed Internet Traffic
Generator
B ng Intrernet
ECODANE
Reducing Energy
Consumption in Data Centre
Networks based
Ci thin mng
trong các mng trung tâm d liu
dng
EPI
Energy Proportionality Index

FPGA
Field Programmable Gate
Array
Mng cng kh trình
FC
Frequency Controller
u khin tn s
ICT
Information and
Communications Technology
Công ngh thông tin và truyn
thông
IOB
Input Output Block
Khi vào ra

MAC
Media Access Control
u khin truy nhp thit b
MDIO
Management Data
Input/Output
Qun lý d liu vào/ra

viii


MII
Media Independent Interface
Giao din tiêu chuc lp
NCD
Native Circuit Description
Phn m rng ca file thit k
NetFPGA
Network Field Programmable
Gate Array
Mng cng kh trình mng
RA-TAH
Rate Adaptive Topology-Aware
Heuristic
Thut toán t hình mng
OF SW
OpenFlow Switch
B chuyn mch OpenFlow
PCF
Physical Constraint File

Phn m rng ca file ràng buc
vt lý
PCI
Peripheral Component Inter-
connect
Kt ni thành phn ngoi vi
PLD
Programmable Logic Device
Thit b logic có th lp trình
QoS
Quality of Service
Chng dch v
UDP
User Data Path
Khi lõi chính ca chuyn mch
SDN
Software-Defined Network
Mu khin bng phn mm
SRAM
Static Random Access Memory
B nh truy cp ng
VCD
Value Change Dump
Phn m rng ca file mô phng
WOL
Wake up on LAN
c qua mng LAN


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô  8
Hình 1.2. 56] 9
Hình 1.3.  10
Hình 1.4. - 10
Hình 1.5. 41] 11
Hình 1.6. 27] 15
Hình 1.7.  16
Hình 1.8.  18
Hình 1.9.  19
Hình 1.10.  19
Hình 1.11.  20
Hình 1.12.  20
Hình 1.13.  21
Hình 1.14. 27] 23
Hình 2.1. -1G 25
Hình 2.2.  25
Hình 2.3.  -1G 26
Hình 2.4.  28
Hình 2.5.  30
Hình 2.6.  31
Hình 2.7.  32
Hình 2.8.  34
Hình 2.9.  34
Hình 2.10.  35
Hình 2.11. -rate 36
Hình 2.12.  37
Hình 2.13.  38

Hình 2.14.  38
Hình 2.15. 38] 39
Hình 2.16.  39
Hình 2.17.  40

x


Hình 2.18.  40
Hình 2.19.  43
Hình 2.20.  43
Hình 2.21.  45
Hình 2.22.  46
Hình 2.23.  47
Hình 2.24.  50
Hình 2.25.  51
Hình 2.26. n Core Clock 52
Hình 2.27.  52
Hình 2.28.  53
Hình 2.29.  54
Hình 2.30.  55
Hình 2.31.  55
Hình 2.32.  56
Hình 2.33.  58
Hình 2.34.  59
Hình 2.35.  59
Hình 2.36.  60
Hình 2.37.  60
Hình 2.38.  60
Hình 3.1.  66

Hình 3.2.  73
Hình 3.3.  73
Hình 3.4.  75
Hình 3.5.  75
Hình 3.6.  76
Hình 3.7.  77
Hình 4.1.  81
Hình 4.2.  81
Hình 4.3. WOL Packet 82
Hình 4.4.  83
Hình 4.5.  84

xi


Hình 4.6.  85
Hình 4.7.  85
Hình 4.8.  86
Hình 4.9.  86
Hình 4.10.  86

xii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
 16
Bng 2.1. Bn tin OFPT_SWITCH_MOD gim tn 31
Bng 2.2. Các mc tn s khác nhau 31
Bng 2.3. Chng bit cu khin MII 33
Bng 2.4. Bn tin OFPT_PORT_MOD 35

Bng 2.5. Các ch  hong mi ca chuyn mch 42
Bng 2.6. Bn tin OFPT_Switch_mode cho 3 ch  hong 43
Bng 2.7. Mô t chu u ca khi System States 48
Bng 2.8. Nhóm tín hiu báo hiu trng thái ca các khi 49
Bng 2.9. Công sut tiêu th ca chuyn mch khi gim tn 56
Bi t link-rate ca cng Ethernet 57
Bng tiêu th trên cng Ethernet 57
Bng 2.12. Công sut tiêu th ca chuyn mch ng vi các ch  hong 58
Bng 2.13. Công sut tiêu th trung bình c 59
Bng tiêu th 61
Bng 2.15. i gian tr và mt gói tin so vi chuyn mng 63
Bc tính chi tit v công sut tiêu th ca Kit NetFPGA-1G 63
Bng 3.1. Công sut tiêu th ca chuyn mch hypothetical 4-Cng 69
Bng 3.2. Tt c các trng thái có th xy ra ca chuyn mch có 4 cng vi 4 ch  làm
vic trên mi cng 71
Bc tính công sut ca chuyn mch Tier-2 HP Enterprise [56] 76
Bc tính công sut ca chuyn mch Pronto 3240 [55] 77
Bng 3.5. Ch s tit kim công sut ca các chuyn mch khác nhau 78
Bng 4.1. Trng thái ca cng 0 81
Bi tn s hong ca chuyn mch 82
Bng 4.3. Công sut tiêu th ca chuyn mch vi các ch  sleep khác nhau 84


1


MỞ ĐẦU
1. Năng lƣợng tiêu thụ của thiết bị mạng trong trung tâm dữ liệu
Ngày nay, những ứng dụng của hệ thống mạng như điện toán đám mây, mạng xã hội
hay dịch vụ đa phương tiện đã trở nên rất phổ biến. Sự gia tăng về lưu lượng trong mạng

Internet cũng như trong các trung tâm dữ liệu, năng lượng cần thiết để vận hành cơ sở hạ
tầng mạng lõi và hệ thống trung tâm dữ liệu cũng tăng lên đáng kể. Theo nghiên cứu, các
trung tâm dữ liệu điều tra dân số toàn cầu Dynatmics 2012 cho thấy, năng lượng tiêu thụ
của các trung tâm dữ liệu giữa các năm 2011 và 2012 trên toàn cầu tăng 63% [65]. Trong
nghiên cứu của Baliga và các cộng sự [4], năng lượng tiêu thụ của mạng Internet
toàn cầu sẽ tăng rất nhanh trong thời gian tới (2010 - 2020). Trong đó các thiết bị mạng
chiếm từ 20% đến 30% năng lượng tiêu thụ [19][56]. Chi phí năng lượng cho trung tâm dữ
liệu chiếm 44% tổng chi phí hoạt động [58]. Đồng thời, với mức tiêu thụ năng lượng rất
lớn, các trung tâm dữ liệu đang thải ra khoảng từ 2% đến 4% lượng khí thải cacbon, với đà
phát triển công nghiệp hiện nay, con số đó có thể tăng gấp đôi vào khoảng năm 2020
[58][54].
Một trong những nguyên nhân của tình trạng trên là do mạng Internet nói chung cũng
như các trung tâm dữ liệu nói riêng được thiết kế để có thể chịu tải tại giờ cao điểm ban
ngày và ban đêm khi lưu lượng tải đạt giá trị cực đại. Tuy nhiên tại các khoảng thời gian
còn lại (từ 0am – 6am), lúc này lưu lượng trên mạng thường thấp hơn nhiều so với lưu
lượng tối đa [19][40]. Mặt khác các thiết bị mạng hiện nay được thiết kế để có khả năng xử
lý tối đa lượng tải tại mọi thời điểm. Điều này dẫn đến hiệu năng về mặt năng lượng của
các thiết bị mạng hiện nay khá thấp. Theo công trình nghiên cứu của Neilson [37], trong
vòng 18 tháng lưu lượng của một bộ định tuyến tăng khoảng 2,5 lần, lưu lượng trên mạng
Internet tăng 2 lần, trong khi đó độ tiết kiệm năng lượng của bộ định tuyến chỉ tăng 1,65
lần. Vấn đề này, có thể thấy rằng các thiết bị mạng hiện nay nhìn chung khả năng tiết kiệm
năng lượng chưa theo kịp tốc độ tăng lưu lượng sử dụng ở trung tâm dữ liệu.
Ngoài ra, năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng hiện tại khá tĩnh, nghĩa là năng
lượng tiêu thụ của thiết bị trong trạng thái tải thấp, hoặc trạng thái nghỉ cao gần bằng năng
lượng tiêu thụ trong trường hợp tải cao. Hầu hết các thiết bị mạng hiện nay không sử dụng
năng lượng một cách hiệu quả. Công trình nghiên cứu của của Mahadevan [48] và Heller
[19], đã đưa ra khái niệm về tỉ lệ năng lượng (EPI), trong đó nói rằng một thiết bị mạng
được gọi là tiết kiệm năng lượng nếu năng lượng tiêu thụ của nó tỉ lệ thuận với lưu lượng

2

đang sử dụng. Một nhược điểm của EPI là chỉ phản ánh được sự khác nhau giữa năng
lượng tiêu thụ của chế độ hoạt động hết công suất so với chế độ nghỉ. EPI không chỉ ra
được rõ ràng mức năng lượng tiêu thụ và năng lượng tiết kiệm tại một mức lưu lượng được
sử dụng nhất định.
Hiện nay, có một số phương pháp nghiên cứu năng lượng tiêu thụ hợp lý cho chuyển
mạch trong trung tâm dữ liệu [8]. Về cơ bản, phần lớn các phương pháp này được phân
loại như sau:
-engineering): Tái thiết kế là phương pháp tiếp cận nhằm mục
đích khai thác hiệu quả năng lượng nhiều hơn nữa nhờ thiết kế lại các công nghệ bên trong
các kiến trúc của thiết bị mạng, bao gồm công nghệ bán dẫn mới, công nghệ lưu trữ mới
cho các công cụ xử lý gói tin hay các công nghệ giao diện mới cho các đường dẫn mạng
[20][21][51][3]][57]. Trong [21][5], các tác giả đưa ra một phương pháp để thay thế điện
tử bằng quang học do thành phần quang học tiêu thụ năng lượng ít hơn điện tử. Một nghiên
cứu khác đưa ra một phương pháp để giảm bớt độ phức tạp của kiến trúc chuyển mạch. Ví
dụ, Congdon và cộng sự [47] đề xuất khái niệm đổi mới dự đoán luồng dữ liệu để giảm bớt
năng lượng tiêu thụ nhằm bỏ qua quá trình tìm kiếm đường đi đầy đủ của gói tin bên trong
chuyển mạch.
(2) : Sự thích ứng động của các thiết bị
nguồn [36][11][7][9] được thiết kế để hiệu chỉnh khả năng của các công cụ xử lý gói tin và
giao diện mạng nhằm đáp ứng đúng tải thực tế. Điều đó có thể thực hiện bằng việc sử dụng
hai hướng được liệt kê sau: (1) Phân mức năng lượng cho phép giảm tốc độ làm việc của
thiết bị xử lý hoặc giao diện kết nối. (2) trạng thái nghỉ vậy lý cho phép giảm năng lượng
tiêu thụ bằng cách tắt bớt các khối con khi không có hoạt động nào được thực hiện, và
đánh thức các khối con đó khi hệ thống có một yêu cầu mới.
g minh (Smart sleeping/standby): Chế độ nghỉ thông minh
tập trung tiếp cận vào việc cho phép mạng và thiết bị sử dụng có thể chuyển qua chế độ
tiêu thụ ít năng lượng, trạng thái gọi là idle và trong cùng quãng thời gian đó vẫn có thể
đáp ứng được các yêu cầu từ mạng [6][10][12].

Xuất phát từ nhiều góc nhìn khác nhau về các phương pháp tiếp cận khác nhau của
các kiến trúc cũng như các thiết bị chuyển mạch có khả năng tiết kiệm năng lượng, ta nhận
ra được rằng việc phân tích và thiết kế các hệ thống tiết kiệm năng lượng lớn và phức tạp
thường thiếu sự phát triển phần cứng và kiểm tra trên môi trường thực tế. Trong nhiều cách
tiếp cận, chuyển mạch NetFPGA [38][29] là nền tảng phần cứng cung cấp cho các nhà

3


nghiên cứu mạng một phương thức nghiên cứu nhanh chóng các thử nghiệm hay các thay
đổi mới. Hơn nữa, các bộ chuyển mạch NetFPGA hoàn toàn hỗ trợ công nghệ OpenFlow
[34], một công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm SDN (Software Defined
Networking) [53] cho phép phân cách luồng tin điều khiển và luồng dữ liệu. OpenFlow
cung cấp một sự linh hoạt để điều khiển và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ không chỉ trong
một chuyển mạch mà còn đối với toàn bộ mạng lưới. Đặc tính năng lượng của các bộ
chuyển mạch NetFPGA lần đầu tiên được phân tích bởi Sivaraman và cộng sự trong [52],
giới thiệu mô hình năng lượng cho chuyển mạch NetFPGA và tiến hành thí nghiệm cho
phép phân tích năng lượng tiêu thụ trong Kit NetFPGA theo mức gói tin (packet) và byte.
Trong [32], điện năng tiêu thụ của NetFPGA dưới hai tần số, cụ thể là 125MHz là tần số
hoạt động thường xuyên và tần số 62.5MHz được nghiên cứu. Một phát hiện quan trọng là
điện năng tiêu thụ của các chuyển mạch được giảm đáng kể ở tần số 62.5MHz. Ngoài ra,
sự phụ thuộc năng lượng vào tốc độ dữ liệu và kích thước gói đã được chỉ ra ở [62].
Một số nghiên cứu để giảm năng lượng tiêu thụ bằng cách điều chỉnh các tốc độ liên
kết (link rate) của NetFPGA tương ứng với lưu lượng bằng cách thay đổi tần số hoạt động.
Trong [63], một khối giám sát tần số được sử dụng trong chip FPGA để tạo ra sáu tần số
đồng hồ khác nhau, từ 3.096MHz đến 125MHz. Mặt khác, [18] đề xuất một phương pháp
tiết kiệm năng lượng bằng cách thay đổi tần số của giao diện mạng (nhưng không phải là
lõi FPGA) dựa trên chiều dài hàng đợi các gói tin đến.
Trong các nghiên cứu [40][42][41], đề xuất một hệ thống thử nghiệm ECODANE
(Reducing Energy COnsumption in DAta Centre NEtworks based on Traffic Engineering)

nhằm tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu. Hệ thống này là sự kết hợp của các nút
ảo và các bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA-1G. Một thuật toán tối ưu
hóa năng lượng RA-TAH (Rate - Adaptive Topology - Aware Heuristic) [42] tối ưu hóa
năng lượng tiêu thụ tổng thể của mạng bằng cách kết hợp chế độ ngủ thông minh thích ứng
với tốc độ trên chuyển mạch bằng cách thay đổi tần số đồng hồ của NetFPGA liên quan
đến việc sử dụng lưu lượng truy cập của chuyển mạch.
2. Những vấn đề còn tồn tại
Trong số các công trình nghiên cứu được công bố nói trên, ta nhận ra rằng:
 Khó có thể tìm thấy những công trình mang lại cho ta thấy chi tiết về năng
lượng tiêu thụ của các thành phần bên trong NetFPGA. Để thiết kế lại các bộ
chuyển mạch có khả năng tiết kiệm năng lượng thì hiệu suất năng lượng của

4


các thành phần bên trong các bộ chuyển mạch NetFPGA hiện nay cần được
nghiên cứu chi tiết hơn.
 Các phương pháp để cải thiện hiệu quả năng lượng được đề xuất trong các
công trình công bố trên vẫn còn dưới mức tối ưu bởi vì trong hầu hết kết quả
nghiên cứu thích ứng tần số được áp dụng cho một số khối chức năng nhưng
không phải cho toàn bộ hệ thống.
 Chưa có chỉ số đánh giá rõ ràng mức năng lượng tiêu thụ và năng lượng tiết
kiệm tại một mức lưu lượng được sử dụng nhất định.
Qua khảo sát về các công trình nghiên cứu trên về tiết kiệm năng lượng trong trung
tâm dữ liệu. Ta thấy rằng công trình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng cho thiết bị mạng
hiện nay chưa được quan tâm đúng mức và không có nhiều công trình được công bố trên
các tạp chí, hội thảo khoa học trong nước và quốc tế. Mặc dù năng lượng tiêu thụ của các
thiết bị mạng chiếm không nhỏ khoảng từ  n 30% năng lượng tiêu thụ [19][56]
trong trung tâm dữ liệu. Vì vậy, việc “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trong
thiết kế chuyển mạch sử dụng ở trung tâm dữ liệu” đã trở thành đề tài mang tính thời sự.

Việc giảm năng lượng tiêu thụ của chuyển mạch sẽ dẫn đến giảm chi phí hoạt động
trong trung tâm dữ liệu, mang lại lợi ích cho cả các nhà đầu tư lẫn người dùng với chi phí
dịch vụ giảm, không những thế giảm năng lượng tiêu thụ còn mang lợi ích to lớn cho
môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính.
3. Mục tiêu, phạm vi, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
 Mục tiêu nghiên cứu:
 Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thiết kế chuyển mạch mới có chức
năng tiết kiệm năng lượng theo bộ điều khiển NOX hoặc POX. Đề xuất giải pháp
thiết kế một chuyển mạch tự động tiết kiệm năng lượng theo lưu lượng đầu vào.
 Đề xuất các thuật toán về giới hạn nhỏ nhất, lớn nhất và trung bình của năng lượng
tiêu thụ trên các thiết bị mạng dưới lưu lượng tải khác nhau. Đề xuất chỉ số công
suất trung bình API (Average Power Index) để đánh giá tỉ lệ năng lượng tiết kiệm.
 Đề xuất giải pháp WOL (Wake on Lan) cho chuyển mạch OpenFlow giúp cho việc
dễ dàng quản lý và tăng khả năng điều khiển linh hoạt cho chuyển mạch OpenFlow
trong trường hợp hệ thống trung tâm dữ liệu có quy mô lớn hoặc khi sự cố xảy ra.

5


 Phạm vi nghiên cứu:
 Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng và chức năng WOL cho chuyển
mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA, triển khai trên hệ thống thực nghiệm bao
gồm bộ điều khiển NOX /POX, bộ phát và thu lưu lượng và sử dụng board
PCIEXT-64UB để đo đạc, đánh giá năng tiết kiệm được cho chuyển mạch.
 Mô hình hóa năng lượng tiêu thụ của chuyển mạch và đưa ra thuật toán tối ưu cho
NetFPGA-1G (4 cổng) trong thực nghiệm, đồng thời đánh giá thuật toán bằng
Matlab trên các mô hình năng lượng của chuyển mạch NetFPGA mở rộng có số
cổng lớn hơn 16.
 Nội dung của luận án chỉ tập trung nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng
tiêu thụ cho chuyển mạch OpenFlow. Các kết quả đạt được của luận án được các

đồng nghiệp sử dụng đánh giá mức năng lượng tiêu thụ trên toàn mạng trong kiến
trúc thử nghiệm ECODANE.
 Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu:
 Tập trung vào kiến trúc chuyển mạch OpenFlow [27] trên nền tảng Kit NetFPGA-
1G [38], và bản tin điều khiển OpenFlow được phát triển đầu tiên bởi Đại học
Standford [22]
 Tập trung nghiên cứu các thuật toán thuật mô hình hóa năng lượng cho chuyển
mạch OpenFlow.
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
4. Cấu trúc nội dung của luận án
Nội dung của luận án bao gồm 4 chương. Giới thiệu lý thuyết tổng quan, và vấn đề
tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu được trình bày ở Chương 1. Toàn bộ đóng
góp khoa học của luận án thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong Chương 2,
Chương 3, Chương 4.

Chương này sẽ trình bày khái quát về tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung
tâm dữ liệu cũng như khái niệm về trung tâm dữ liệu xanh. Ngoài ra, chương này cũng giới
thiệu về kiến trúc mạng ECODANE là một kiến trúc mới dựa trên công nghệ mạng điều
khiển bằng phần mềm SDN cho phép tuỳ biến và bổ sung các chức năng mới vào mạng
một cách nhanh chóng và mềm dẻo. Kiến trúc mạng ECODANE kết hợp với thuật toán tối
ưu RA-TAH để tiết kiệm năng lượng cho trung tâm mạng. Qua chương này sẽ giúp người

6


đọc có một cái nhìn tổng quan về mục tiêu mà luận án hướng tới, cùng với đó là một xu
hướng phát triển của mạng trong tương lai.
 OpenFlow
Chương này xây dựng hệ thống đo đạc năng lượng tiêu thụ của từng khối chức năng
trong kit NetFPGA-1G. Từ đó giúp cho ta có quyết định tốt hơn khối nào nên được cắt

giảm điện năng nhằm tối ưu năng lượng tiêu thụ cho chuyển mạch. Với kết quả tối ưu về
năng lượng cho các khối trong chuyển mạch, các giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng cho
chuyển mạch OpenFlow được đề xuất. Dựa trên các giải pháp tiết kiệm năng lượng được
đưa ra, chương này đề xuất các giải pháp thiết kế một chuyển mạch mới có chức năng tiết
kiệm năng lượng dựa theo bộ điều khiển NOX / POX. Ngoài ra, thiết kế chuyển mạch tự
động tiết kiệm năng lượng dựa theo lưu lượng đầu vào cũng được đề xuất trong chương 2.

Chương này trình bày mô hình hóa điện năng tiêu thụ của một chuyển mạch. Ngoài
ra chương này đã chứng minh rằng chỉ số năng lượng tương đối EPI là chưa đủ để mô tả
đặc tính tiêu thụ năng lượng của thiết bị mạng. Đặc biệt, EPI không thể sử dụng để nghiên
cứu đặc tính tiêu thụ năng lượng của thiết bị theo lưu lượng đầu vào. Vì vậy trong chương
này đã đề xuất xây dựng: thuật toán giới hạn năng lượng tối đa và thuật toán giới hạn năng
lượng tối thiểu cũng như năng lượng sử dụng trung bình, chỉ số công suất trung bình API
để đánh giá tỉ lệ năng lượng tiết kiệm khi lưu lượng đầu vào tốt hơn chỉ số EPI.
WOL OpenFlow
Chương này đề xuất thêm chức năng mới WOL cho chuyển mạch OpenFlow. Việc
điều khiển đánh thức (Wake up) chuyển mạch sẽ được thực hiện từ xa thông qua cách gửi
bản tin điều khiển “Magic packet” hoặc gói tin "WOL packet" qua đường mạng LAN.
Giải pháp này rất cần thiết giúp cho việc dễ dàng quản lý và tăng khả năng điều khiển linh
hoạt cho chuyển mạch OpenFlow trong trường hợp hệ thống trung tâm dữ liệu có quy mô
lớn hoặc khi có sự cố xảy ra.

7



CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ
DỤNG TRONG TRUNG TÂM DỮ LIỆU
1.1. Giới thiệu chƣơng

Chương này sẽ trình bày khái quát về tầm quan trọng, đặc điểm của kiến trúc mạng
trung tâm dữ liệu, cũng như khái niệm về trung tâm dữ liệu xanh, cùng với việc giải thích
nhu cầu tiết kiệm năng lượng của các trung tâm dữ liệu. Đồng thời, một giải pháp hoàn
toàn mới cho vấn đề năng lượng sẽ được đưa ra dựa vào công nghệ mạng đang được phát
triển rất nhanh chóng trong thời gian gần đây, đó là mạng điều khiển bằng phần mềm SDN
(Software Defined Networking) dựa trên giao thức điều khiển OpenFlow được triển khai
trên nền tảng công nghệ NetFPGA. Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu về kiến trúc
mạng ECODANE [41] là một kiến trúc mới dựa trên công nghệ SDN cho phép tùy chọn
và bổ sung các chức năng mới vào mạng một cách nhanh chóng và mềm dẻo. ECODANE
được thiết kế chuyên biệt để kết hợp các chức năng tiết kiệm năng lượng cho cấu trúc Fat-
Tree của trung tâm dữ liệu. Kiến trúc mạng ECODANE cho phép tạo ra một môi trường
thử nghiệm tích hợp thuật toán tối ưu hoá RA-TAH [42] cùng với chuyển mạch có khả
năng tiết kiệm năng lượng để tiết kiệm năng lượng.
Các khái niệm, định nghĩa và mô hình chung nhất về mạng cùng giao thức OpenFlow,
kiến trúc mạng ECODANE và thuật toán tối ưu RA-TAH kết hợp với chuyển mạch
OpenFlow trên nền tảng NetFPGA sẽ giúp người đọc có một cái nhìn tổng quan về mục
tiêu mà luận án hướng tới và đó cũng là xu hướng phát triển của mạng trong tương lai.
1.2. Trung tâm dữ liệu và tầm quan trọng
1.2.1. Trung tâm dữ liệu
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng sự lớn mạnh của
các tập đoàn kinh tế, các tổ chức tài chính ngân hàng, các cơ quan chính phủ thì những ứng
dụng công nghệ thông tin để đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn về lưu trữ, xử lý, bảo
mật, cũng như khai thác khối lượng thông tin khổng lồ với độ ổn định cao để phục vụ cho
công tác điều hành, quản lý, kinh doanh là điều tất yếu. Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu
cầu đó đòi hỏi các tập đoàn, tổ chức phải có một hệ thống hạ tầng công nghệ thông tin lớn

8


mạnh và vững chắc. Hệ thống trung tâm dữ liệu chính là giải pháp đáp ứng đầy đủ nhất

những yêu cầu đó.
Trung tâm dữ liệu là nơi đặt các hệ thống máy tính lớn và các thành phần liên quan
như hệ thống truyền dẫn và hệ thống lưu trữ. Các trung tâm này được thiết kế để đảm bảo
độ sẵn sàng và an toàn cao nhất cho dữ liệu với các nguồn dự phòng, kết nối dữ liệu dự
phòng, các thiết bị kiểm soát môi trường (điều hòa không khí, chống cháy) và các thiết bị
an ninh bảo mật.
Internet
LAN

Hình 1.1. Mô hình tổng quát của trung tâm dữ liệu
1.2.2. Trung tâm dữ liệu xanh
Để đánh giá năng suất trung tâm dữ liệu, cần tập trung vào hai yếu tố đó là hiệu quả sử
dụng của các tài nguyên trong mạng và hiệu năng hoạt động mong muốn tính trên từng
watt của các thiết bị mạng. Do vậy, những vấn đề nổi bật đang được nghiên cứu gần đây là
tìm ra giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng khổng lồ mà các trung tâm dữ liệu đang tiêu
thụ. Đặc biệt là thông qua việc nghiên cứu các kiến trúc đồ hình mới, các thuật toán tối ưu
đồ hình mạng, các thuật toán định tuyến có kèm theo tham số năng lượng. Thông thường
các trung tâm dữ liệu được thiết kế có khả năng chịu tải trong cả những trường hợp
xấu nhất (tải tăng lên đột ngột), và trong các giờ cao điểm có nhiều người dùng. Trong
phần lớn thời gian còn lại thì mức tải sử dụng thấp hơn mức đỉnh rất nhiều, ví dụ như sự
khác biệt rất lớn về lưu lượng tải sử dụng giữa ngày và đêm. Lưu lượng thường lên mức
đỉnh vào ban ngày và hạ xuống rất thấp vào ban đêm. Khi lưu lượng thấp các thiết
bị mạng vẫn đang ở trạng thái hoạt động, điều này gây ra sự tiêu tốn rất nhiều năng lượng
không cần thiết để chạy các thiết bị trong khi không có lưu lượng đi qua. Trong Hình 1.2
[56], ta có thể thấy được năng lượng tiêu thụ của các thành phần trong một trung tâm dữ
liệu hiện nay. Ví dụ như thiết bị làm mát chiếm 33% năng lượng tiêu thụ toàn trung tâm dữ
liệu, 18% là của USP, 9% là của máy tính và điều hòa, 5% là của PDU, 1% của máy phát
điện và 1% của thành phần chiếu sáng. Đặc biệt thành phần chiếm khá lớn trong trung tâm

9

mạng đó là các thiệt bị IT chiếm tới 30% tiêu thụ năng lượng toàn trung tâm. Do vậy việc
cải thiện hiệu năng thành phần IT này cũng chính là hướng mà luận án hướng đến.

Hình 1.2. Năng lượng tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu [56]
Dựa vào các đánh giá năng suất của trung tâm dữ liệu, trung tâm dữ liệu xanh (Green
Datacenter) được định nghĩa là một trung tâm dữ liệu mà trong đó hệ thống được thiết kế
sao cho hiệu suất hoạt động tối đa với mức tiêu thụ điện năng thấp và hạn chế thấp nhất
tính dư thừa gây lãng phí trong sử dụng, thân thiện môi trường, giảm thiểu chi phí vận
hành và bảo trì hệ thống. Bên cạnh đó, công nghệ xanh còn đem đến cho người lao động an
toàn sức khỏe trong điều kiện môi trường làm việc tốt nhất, giúp doanh nghiệp nâng cao uy
tín và trách nhiệm với cộng đồng trước áp lực về hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường
sống ngày càng cao.
1.3. Các kiến trúc mạng của trung tâm dữ liệu
1.3.1. Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu truyền thống
Các trung tâm dữ liệu cũ có kiến trúc mạng hẹp đang phải đối mặt với các vấn đề như
khả năng mở rộng kém, khó quản lý, khả năng kết nối kém, Các kiểu kiến trúc cũ thường
ở dạng cây (tree) hay còn gọi dạng 2N, có từ 2 đến 3 tầng định tuyến và chuyển mạch.
Một kiến trúc mạng 3 tầng bao gồm: tầng lõi (core) là gốc của cây, tầng trung gian
(aggretion) ở giữa và tầng truy nhập (edge) lá của cây như trong Hình 1.3. Trong kiến trúc
cây 2N, mỗi phần tử tầng dưới đều liên kết với hai phần tử tầng trên để chống lỗi, tăng tính
tin cậy. Tức là mỗi máy chủ (server) sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng truy nhập, mỗi
chuyển mạch ở tầng truy nhập sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng trung gian, mỗi
chuyển mạch ở tầng trung gian sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng lõi. Dễ dàng nhận
thấy với đồ hình này, chuyển mạch tầng dới chỉ hội tụ vào chuyển mạch ở tầng trên và
sẽ gây ra mất mát lớn nếu chuyển mạch tầng trên gặp phải sự cố. Nhìn chung, các kiến

10

trúc hiện nay có nhợc điểm là chỉ hỗ trợ các trung tâm dữ liệu có kích thớc nhỏ và trung
bình, độ tin cậy không cao và tính kinh tế thấp do chi phí xây dựng mạng rất lớn [2].
Tóm lại khả năng mở rộng, khả năng chống lỗi và hỗ trợ các giao tiếp tốc độ
cao giữa các máy chủ đối với kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu truyền thông là rất hạn chế.
Do đó, việc tìm ra các kiến trúc mới cho mạng trung tâm dữ liệu là một yêu cầu cấp thiết.

Hình 1.3. Kiến trúc cây 2N
1.3.2. Kiến trúc Fat-Tree cho trung tâm dữ liệu
Để khắc phục các nhược điểm thay thế các kiến trúc cũ các nhà phát triển đã đưa ra rất
nhiều các loại kiến trúc khác nhau như Bcube [17], Dcell [13], VL2, Fat-Tree… đặc biệt là
kiến trúc Fat-Tree [50] với các ưu điểm định tuyến chống lỗi ở tầng 2.5, dạng đồ hình đối
xứng và cố định ứng với mỗi cấp nên dễ quản lý, có khả năng truyền lưu lượng hai chiều.

Hình 1.4. Kiến trúc Fat-Tree cấp k=4
Trên Hình 1.4 là đồ hình kiến trúc Fat-Tree cho mạng trung tâm dữ liệu với hệ số
k=4, còn gọi là kiến trúc Fat-Tree cấp 4. Toàn bộ các chuyển mạch sử dụng ở tầng lõi, tầng
trung gian, và tầng truy cập là giống nhau. Chúng đều là các chuyển mạch 4 cổng 1Gbps.
Các liên kết (link) máy chủ với chuyển mạch và liên kết các chuyển mạch với nhau đều là
1Gbps.

11


Ưu điểm của kiến trúc Fat-Tree đó là ta có thể sử dụng tất cả các chuyển mạch giống
nhau, đều là các chuyển mạch k cổng 1Gbps thông thường với giá thành tương đối rẻ.
Ngoài ra, kiến trúc Fat-Tree hỗ trợ các cặp máy chủ kết nối nhau ở tốc độ tối đa 1 Gbps
với bất kỳ mô hình lưu lượng nào mà không bị hạn chế bởi khả năng của các chuyển mạch
tầng lõi hiệu năng cao. Một đặc điểm quan trọng nữa của kiến trúc Fat-Tree đó là khả
năng chống lỗi đặc biệt là khi hệ số k tăng lên, đồ hình kết nối trở thành một hình lưới dày

đặc, tăng độ dư thừa, cũng có nghĩa là tính chống lỗi sẽ tăng lên.
1.4. Kiến trúc mạng ECODANE
Kiến mạng trúc ECODANE như Hình 1.5 [41] là một kiến trúc mới dựa trên công
nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) cho phép tuỳ biến và bổ sung các chức
năng mới vào mạng một cách nhanh chóng và mềm dẻo. ECODANE được thiết kế chuyên
biệt để kết hợp các chức năng tiết kiệm năng lượng cho cấu trúc Fat-Tree của trung tâm
dữ liệu.

Hình 1.5. Kiến trúc thử nghiệm ECODANE [41]

 Bộ điều khiển OFC (OpenFlow Controller): Bộ điều khiển OpenFlow chính là thành
phần trung tâm trong kiến trúc mạng OpenFlow. OFC có thể đảm nhiệm nhiều vai
trò cụ thể khác nhau trong hệ thống mạng như việc định tuyến hay định