Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho IP xanh

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

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

Style Definition: TOC 1: Font: 10 pt, Check
spelling and grammar, All caps, Right: 0 cm,
Space Before: 6 pt, After: 6 pt, Line spacing
single, Tab stops: Not at 15 cm
Formatted

-----------------

NGUYỄN NGỌC LOAN

Formatted: Font: 9 pt

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MẠNG CHO
MẠNG IP XANH
Formatted: Font: 20 pt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƢƠNG THU HƢƠNG

Formatted: Font: 16 pt
Formatted: Font: 16 pt, Bold
Formatted: Font: 16 pt, Bold

Formatted: Font: 41 pt
Formatted: Centered

Hà Nội – Năm 2013

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3

Formatted: Font: Times New Roman, Font
color: Auto


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, nội dung luận văn là kết quả của sự tìm tòi, nghiên cứu, sƣu
tầm từ nhiều nguồn tài liệu và liên hệ với thực tiễn. Các số liệu trong luận văn là trung
thực không sao chép từ bất cứ luận văn hoặc đề tài nghiên cứu nào trƣớc đó.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung đã trình bày.

Tác giả

NGUYỄN NGỌC LOAN

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay công nghệ thông tin đang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu
sử dụng các dịch vụ, tiện ích trong mạng ngày càng tăng. Để truyền tải thông
tin, các thiết bị mạng sẽ cần phải tiêu thụ một lƣợng lớn năng lƣợng. Do đó,
việc giảm thiểu tiêu thụ những năng lƣợng không cần thiết đã trở thành một mối
quan tâm lớn trong mạng.
Đã có rất nhiều giải pháp tiết kiệm năng lƣợng đƣợc đƣa ra để cải thiện hiệu
năng hoạt động của mạng, giảm đƣợc những chi phí về năng lƣợng không cần
thiết, thƣờng đƣợc gọi là “greening” của các kỹ thuật và giao thức mạng.
Vì vậy, đề tài “Mạng IP xanh” đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu về các
phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng trong mạng IP core với mục đích tiết kiệm
năng lƣợng, cải thiện hiệu năng, qua đó đạt đƣợc những lợi ích tiềm năng về
kinh tế và tác động đáng mong đợi đến môi trƣờng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do hạn chế về nền tảng kiến thức, kinh
nghiệm nghiên cứu, cùng với hạn chế về mặt thời gian nên đồ án không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong thầy cô tham gia đóng góp, phê bình để đồ án
của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS.Trƣơng Thu Hƣơng đã hƣớng dẫn em
thực hiện luận văn này. Cô đã giúp đỡ, tận tình chỉ bảo em trong nghiên cứu và
học tập. Đồng thời cũng xin cảm ơn chân thành tới các bạn trong nhóm của cô
hƣớng dẫn đã giúp đỡ chia sẽ rất nhiều kiến thức để thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, anh em, đã là nền tảng,
là ngƣời luôn theo sát, chăm sóc động viên cho con trong suốt cuộc đời này. Dù
bất cứ khi nào, thành quả của con đạt đƣợc không thể thiếu công ơn sinh thành và
dạy dỗ của gia đình.
Hà Nội, tháng 9 năm
2013
Học viên
Nguyễn Ngọc Loan
Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 19
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG XANH ............................ 1
1.1.Tổng quát về mạng xanh ................................................................................ 1
1.2.Động cơ thúc đẩy và mục tiêu để nghiên cứu mạng xanh .......................... 2
1.2.1.Lý do để nghiên cứu mạng xanh? ........................................................... 2
1.2.2.Tiết kiệm năng lƣợng ở đâu? .................................................................. 4
1.2.3.Phân loại các phƣơng pháp mạng xanh .................................................. 5
1.3.Chiến lƣợc mạng xanh ................................................................................... 5
CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG NGN ......................................... 9
2.1.Tổng quan về kiến trúc mạng NGN .............................................................. 9
2.1.1.Lớp dịch vụ ............................................................................................. 10
2.1.2.Lớp vận chuyển ....................................................................................... 10
2.2.Một số mô hình kiến trúc mạng NGN ......................................................... 10
2.2.1.Kiến trúc mạng NGN của Siemens ......................................................... 10
2.2.2.Kiến trúc mạng NGN của Alcatel ........................................................... 12
2.3.Triển khai mạng NGN ở Việt Nam .............................................................. 13
2.3.1.Lớp truy nhập .......................................................................................... 14
2.3.2.Lớp chuyển tải......................................................................................... 15
2.3.3.Lớp điều khiển ........................................................................................ 15
2.3.4.Lớp dịch vụ/ứng dụng: ............................................................................ 16
CHƢƠNG 3: LƢU LƢỢNG VÀ MÔ HÌNH LƢU LƢỢNG TRONG MẠNG

IP CORE .................................................................................................................. 1918
3.1.Giới thiệu chung về lƣu lƣợng mạng ......................................................... 1918
3.2.Mô hình lƣu lƣợng ....................................................................................... 2322
3.2.1.Giới thiệu Self – Similarity ................................................................... 2423
3.2.2.Hàm phân bố Heavy-tailed ................................................................... 2524
3.2.3.Kết luận ................................................................................................. 2827
CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG IP CORE..................................................................................................... 3029

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

4.1.Phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng sử dụng giao thức định tuyến
GDRP-PS ............................................................................................................ 3029
4.1.1.Giới thiệu chung .................................................................................... 3029
4.1.2.Giao thức GDRP-PS ............................................................................. 3231
4.1.3.Kết luận ................................................................................................. 4039
4.2.Phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng dựa vào kiểm tra độ tin cậy của
gói tin................................................................................................................... 4140
4.2.1.Giới thiệu chung .................................................................................... 4140
4.2.2.Mô hình năng lƣợng .............................................................................. 4241
4.2.3.Tính toán vấn đề .................................................................................... 4443
4.2.4.Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 4544
4.2.5.Kết luận ................................................................................................. 4746
4.3.Phƣơng pháp Green TE: kỹ thuật lƣu lƣợng tiết kiệm năng lƣợng ....... 4746
4.3.1.Giới thiệu chung .................................................................................... 4847
4.3.2.Ý tƣởng cơ bản và các giả định............................................................. 5049
4.3.3.Mô hình GreenTE ................................................................................. 5251

4.3.4.Các vấn đề về triển khai ........................................................................ 5756
4.3.5.Đánh giá ................................................................................................ 5958
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ................................................................ 7069
5.1. Giới thiệu chung về phần mềm OMNET++ ............................................. 7069
5.1.1. Các thành phần chính của OMNeT++ ................................................ 7069
5.1.2.Thƣ viện hỗ trợ INET ........................................................................... 7170
5.2. Kịch bản mô phỏng..................................................................................... 7170
5.3. Kết quả mô phỏng....................................................................................... 7271
5.3.1. Mô phỏng bộ phát lƣu lƣợng ............................................................... 7271
5.3.2. Mô phỏng mạng sử dụng giao thức định tuyến OSPF ......................... 7372
5.3. Kết luận ....................................................................................................... 7372
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 7573
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 7674

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng I: Nhu cầu lƣu lƣợng trong giờ cao điểm và không cao điểm ............................. 3938Field Code Changed
Bảng II: Các thông số tiêu thụ năng lƣợng bằng Watts, với các thành phần mạng

Field Code Changed

khác nhau....................................................................................................................... 4342
Bảng III: Cấu hình của router Cisco 12000 .................................................................. 5150Field Code Changed
Bảng IV: Lƣợng tiêu thụ năng lƣợng của Router Cisco 12000 .................................... 5251Field Code Changed
Bảng V: Danh sách ký hiệu đƣợc sử dụng .................................................................... 5453Field Code Changed
Bảng VI: Các mô hình mạng đƣợc sử dụng để đánh giá .............................................. 5958Field Code Changed

Bảng VII: Tiêu thụ năng lƣợng trên các line-card ........................................................ 6160Field Code Changed
Bảng VIII: Xu hƣớng tiết kiệm năng lƣợng của mạng AT&T với chế độ basic

Field Code Changed

+e2e với 21%MLU của OSPF ...................................................................................... 6968

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.0.1: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng của các loại thiết bị mạng khác nhau
vào năm 2002 ................................................................................................................ 4
Hình 1.0.2: Tiêu thụ năng lƣợng là hàm của mức độ sử dụng ...................................... 7
Hình 1.0.3: Lƣu vết tối ƣu hóa tại các điểm hoạt động cụ thể ...................................... 8
Hình 2.0.1: Tổng quan kiến trúc mạng NGN ................................................................ 9
Hình 2.0.2: Giải pháp NGN của Siemens ..................................................................... 11
Hình 2.0.3: Mô hình mạng thế hệ sau của Alcatel ........................................................ 12
Hình 2.0.4: Các lớp trong giải pháp SURPASS của SIEMENS ................................... 13
Hình 2.0.5: Vị trí các Media Gateway trong mô hình SURPASS của SIEMENS ....... 14
Hình 2.0.6: Mô hình ứng dụng MSAN trong giải pháp của SIEMENS ....................... 15
Hình 2.0.7: Softswitch trong mô hình SURPASS của SIEMENS ................................ 16
Hình 3.0.1: Thông lƣợng của mạng trong mối quan hệ với lƣu lƣợng đầu vào ........... 2019
Hình 3.0.2: Phân bố Pareto thƣờng đƣợc sử dụng cho VoIP, FTP, HTTP ................... 2625
Hình 3.0.3: Phân bố Weilbul đƣợc sử dụng cho lƣu lƣợng FTP .................................. 2726
Hình 3.0.4: Phân bố Log-Normal đƣợc sử dụng phổ biến trong Call – Center,
LAN… ........................................................................................................................... 2726
Hình 3.0.5: Phân bố theo kích cỡ của TCP suốt 1h ở một PoP và các phân bố

khác nhau thích hợp với dữ liệu .................................................................................... 2827
Hình 3.0.6: Phân bố theo Inter – Arrival time của lƣu lƣợng UDP suốt 1h của 1
PoP và phân bố Pareto – Exponential thích hợp với dữ liệu......................................... 2827
Hình 4.0.1: Mạng tốc độ cao với các router lõi và router biên ..................................... 3231
Hình 4.0.2: Hai trạng thái của router tiết kiệm năng lƣợng .......................................... 3332
Hình 4.0.3: Topo mạng 8 node...................................................................................... 3837
Hình 4.0.4: Router C3 sleep tại giờ không cao điểm .................................................... 3938
Hình 4.0.5: Router C3 và C4 sleep trong giờ không cao điểm ..................................... 4039
Hình 4.0.6: Các mô hình khác nhau về tiêu thụ năng lƣợng trong các thiết bị
mạng, đƣợc biểu diễn bằng hàm tham số của độ sử dụng của thiết bị.......................... 4342
Hình 4.0.7: Mô hình mạng mô phỏng ........................................................................... 4645
Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Hình 4.0.8: Độ sử dụng trung bình và độ sử dụng cao nhất trong mạng Abilene ........ 5049
Hình 4.0.9: Mục tiêu của kỹ thuật lƣu lƣợng khác nhau ............................................... 5150
Hình 4.0.10: Xu hƣớng tiết kiệm năng lƣợng của mạng Abilene vào 05.09.2004 ....... 6160
Hình 4.0.11: Xu hƣớng tiết kiệm năng lƣợng của mạng G'EANT vào 05.05.2005 ..... 6261
Hình 4.0.12: Xu hƣớng tiết kiệm năng lƣợng của mạng Sprint và AT&T ................... 6362
Hình 4.0.13: Hàm CDF của MLU trong mạng Abilene vào 05.05.2004 ...................... 6463
Hình 4.0.14: Hàm CDF của MLU trong mạng G'EANT vào 05.05.2005(k=100) ....... 6463
Hình 4.0.15: Hàm CDF của MLU trong mạng G'EANT vào 05.05.2005(k=100)
trƣớc và sau khi cân bằng tải ......................................................................................... 6564
Hình 4.0.16: Hàm CDF của trễ gói tin trong mạng G'EANT (k=100) ......................... 6665
Hình 4.0.17: Hàm CDF của trễ gói tin trong mạng Sprint (k=100) .............................. 6665
Hình 4.0.18: Chiều dài hàng đợi cho mạng Abilene với điều kiện lƣu lƣợng khác
nhau ............................................................................................................................... 6766
Hình 4.0.19: Số lƣợng đƣờng MPLS của mạng Abilene với basic+nd+lb ................... 6766

Hình 4.0.20: Số lƣợng đƣờng MPLS của mạng G'EANT với basic+nd+lb ................. 6867
Hình 4.0.21: Xu hƣớng tiết kiệm năng lƣợng của mạng G'EANT với các giá trị k
khác nhau....................................................................................................................... 6867
Hình 5.0.1: Giao diện IDE của OMNET++ đã đƣợc import INET .............................. 7170

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG




LUẬN V N

TỐT NGHIỆPCAO HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MẠNG CHO
MẠNG IP XANH
Sinh viên thực hiện

:

NGUYỄN NGỌC LOAN
Lớp 11BKTTT3

Giảng viên hƣớng dẫn :

TS. TRƢƠNG THU HƢƠNG

Cán bộ phản biện

:

Hà Nội, 09 – 2013
Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3

Formatted: Indent: Left: 0 cm, First line: 0
cm


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:.…………….……………Số hiệu sinh viên:……………
Khoá:………………Khoa: Điện tử-Viễn thông. Ngành:……………….........
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:
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
7. Ngày hoàn thành đồ án:

Ngày

tháng

Chủ nhiệm Bộ môn

năm 2013

Giảng viên hƣớng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày

tháng

năm 2013

Cán bộ phản biện

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Formatted: Font: 14 pt, Bold
Formatted: Centered, Right: 0.08 cm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Formatted: Indent: Left: 0 cm, Right: 0.08

cm, Line spacing: 1.5 lines
Formatted: Font: 10 pt, Bold

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:.......................................................................Số hiệu sinh viên:...........................
Ngành:.................................................................................................. Khoá:....................................................
Giảng viên hƣớng dẫn:..............................................................................................................................................
Cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày

Nguyễn Ngọc Loan – 11BKTTT3

tháng
năm 2013
Cán bộ phản biện
( Ký,ghi rõ họ và tên)

Formatted: Centered, Right: 0.08 cm, Line
spacing: 1.5 lines
Formatted: Font: 14 pt, Bold

Formatted: Indent: Left: 0 cm, Right: 0.08
cm, Line spacing: 1.5 lines

Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay công nghệ thông tin đang ngày càng phát triển mạnh mẽ. Nhu cầu sử
dụng các dịch vụ, tiện ích trong mạng ngày càng tăng. Để truyền tải thông tin, các
thiết bị mạng sẽ cần phải tiêu thụ một lƣợng lớn năng lƣợng. Do đó, việc giảm
thiểu tiêu thụ những năng lƣợng không cần thiết đã trở thành một mối quan tâm lớn
trong mạng.
Đã có rất nhiều giải pháp tiết kiệm năng lƣợng đƣợc đƣa ra để cải thiện hiệu
năng hoạt động của mạng, giảm đƣợc những chi phí về năng lƣợng không cần thiết,
thƣờng đƣợc gọi là “greening” của các kỹ thuật và giao thức mạng.
Vì vậy, đề tài “Mạng IP xanh” đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu về các
phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng trong mạng IP core với mục đích tiết kiệm
năng lƣợng, cải thiện hiệu năng, qua đó đạt đƣợc những lợi ích tiềm năng về kinh
tế và tác động đáng mong đợi đến môi trƣờng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do hạn chế về nền tảng kiến thức, kinh
nghiệm nghiên cứu, cùng với hạn chế về mặt thời gian nên đồ án không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Em rất mong thầy cô tham gia đóng góp, phê bình để đồ án
của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn cô giáo TS.Trƣơng Thu Hƣơng đã hƣớng dẫn em
thực hiện luận văn này. Cô đã giúp đỡ, tận tình chỉ bảo em trong nghiên cứu và
học tập. Đồng thời cũng xin cảm ơn chân thành tới các bạn trong nhóm của cô
hƣớng dẫn đã giúp đỡ chia sẽ rất nhiều kiến thức để thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, anh em, đã là nền tảng, là
ngƣời luôn theo sát, chăm sóc động viên cho con trong suốt cuộc đời này. Dù bất cứ
khi nào, thành quả của con đạt đƣợc không thể thiếu công ơn sinh thành và dạy dỗ
của gia đình.
Formatted: Centered

Hà Nội, Tháng 6 năm 2013
Học viên
Nguyễn Ngọc Loan

Formatted: Centered, Indent: First line: 0 c
Formatted: Centered
Formatted: Font: Bold
Formatted: Font: 13 pt

9


Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Formatted: Indent: Left: 0 cm
Formatted: Font: 14 pt

Việc giảm thiểu tiêu thụ những năng lƣợng không cần thiết đã trở thành một

Formatted: Normal, Left, Line spacing: sing

mối quan tâm lớn trong mạng bởi những lợi ích tiềm năng về kinh tế và những tác
động đáng mong đơi đến môi trƣờng. Vấn đề này, đƣợc gọi chung là mạng xanh,
liên quan đến nhận thức về năng lƣợng trong các thiết kế, các thiết bị và các giao
thức mạng.
Trong đề tài này, ta thực hiện nghiên cứu một cách rõ ràng hơn về thuộc tính

“xanh”. Sau đó, tổng quan hóa về tình hình hiện tại và các công việc liên quan, với
trọng tâm là trên mạng core. Chƣơng đầu tiên sẽ trình bày tổng quan về mạng IP
xanh tiết kiệm năng lƣợng cũng nhƣ lý do vì sao cần phải tiết kiệm năng lƣợng.
Chƣơng 2 trình bày tổng quan về kiến trúc mạng NGN. Chƣơng 3 mô tả lƣu lƣợng
cũng nhƣ các nghiên cứu về mô hình lƣu lƣợng. Chƣơng 4 giới thiệu về các phƣơng
pháp tiết kiệm năng lƣợng đã đƣợc nghiên cứu hiện nay. Nghiên cứu mô phỏng giải
pháp sẽ đƣợc giới thiệu trong chƣơng 5. Chƣơng 6 là kết luận các nghiên cứu đã
đƣợc thực hiện trong luận văn.

Formatted: Font: 13 pt

9


Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

ABSTRACT

Formatted: Centered

Reduction of unnecessary energy consumption is becoming a major concern
in network, because of the potential economical benefits and of its expected
environmental impact. These issues, usually referred to as “green networking”,
relate to embedding energy-awareness in the design, in the devices and in the
protocols of networks.
In this work, we first formulate a more precise definition of the “green”
attribute. We then overview the current state of the art and provide at axonomy of
the relevant work, with a special focus on core networking.

The first section presents an overview of green IP network as well as why to
save energy. Section 2 presents the NGN architecture. Section 3 describes the traffic
and the research on traffic models. Section 4 introduces the energy-saving methods
have been studied at present. Simulation will be introduced in section 5. Section 6 is
the conclusion of research has been done in the thesis.
Formatted: Centered

Formatted: Font: 13 pt

9


Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

MỤC LỤC

Formatted: Font: Bold

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 4
TÓM TẮT LUẬN V N .............................................................................................. 5
MỤC LỤC .................................................................................................................... 7

Formatted: Normal, Left, Line spacing:
Multiple 1.4 li, Tab stops: 15.5 cm,
Centered,Leader: … + Not at 8.04 cm
Formatted: Font: 13 pt, Font color: Custom
Color(RGB(54,95,145)), (Asian) Japanese
Formatted: Normal, Left, Line spacing:

Multiple 1.4 li, Tab stops: 15.5 cm,
Centered,Leader: …

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .................................................................................................. 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG IP XANH .................................................. 10
1.1. .......................................................................................................... Giới thiệu chung về IP xanh

10

1.2. ............................................................................Động cơ thúc đẩy và mục tiêu để nghiên cứu tiết kiệm năng lƣợng10
1.2.1 .................................................................................................. Tại sao phải tiết kiệm năng lƣợng? 10
1.2.2 ....................................................................................................... Tiết kiệm năng lƣợng ở đâu?

11

1.2.3 ....................................................................................... Phân loại các phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng 13
1.2.4 .......................................................................................................... Định nghĩa về mạng xanh

13

1.3. ...............................................................................................................Chiến lƣợc mạng xanh 14
1.3.1 .............................................................................................................. Hợp nhất tài nguyên 15
1.3.2 ................................................................................................................. Chọn lọc kết nối

15

1.3.3 ......................................................................................................................... Ảo hóa 16
1.3.4 ................................................................................................................... Tính toán tỷ lệ

16

CHƢƠNG 2: KI N TR C MẠNG TH HỆ MỚI .................................................... 19
2.1 ..................................................................................................... Tổng quan về kiến trúc mạng NGN 19
2.2 .................................................................................................... Một số mô hình kiến trúc mạng NGN 20
2.3 ...................................................................................................... Triển khai mạng NGN ở Việt Nam 26
CHƢƠNG 3: LƢU LƢỢNG VÀ MÔ HÌNH LƢU LƢỢNG TRONG MẠNG IP
CORE .......................................................................................................................... 32
3.1 ......................................................................................................Lƣu lƣợng và điều khiển lƣu lƣợng 32
3.1.1 .......................................................................................................Giới thiệu chung về lƣu lƣợng

32

3.1.2 ........................................................................................... Khái niệm về điều khiển luồng(flow control)

33

3.1.3 ...................................................................................... Khái niệm về chống tắc nghẽn(congestion control) 34
3.2 ...................................................................................................................Mô hình lƣu lƣợng

35

3.2.1 ............................................................................................... Giới thiệu chung về mô hình
lƣu lƣợng
Formatted:
Font: 13 pt
9

36

Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013
3.2.2 .................................................................................................. Sự cần thiết của mô hình lƣu lƣợng 36
3.2.3 ................................................................................................................Mô hình lƣu lƣợng

38

3.2.4 ........................................................................................................................ Kết luận 42
CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP TI T KIỆM N NG LƢỢNG TRONG
MẠNG IP CORE ........................................................................................................ 43

4.1. .....................................................................Phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng sử dụng giao thức định tuyến GFRP-PS
4.1.1 ................................................................................................................. Giới thiệu chung

43

4.1.2 .............................................................................................................. Giao thức GDRP-PS 45
4.1.3 ........................................................................................................................ Kết luận 54
4.2. ...............................................................................Phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng dựa vào kiểm tra độ tin cậy 54
4.2.1 ................................................................................................................. Giới thiệu chung

54

4.2.2 .............................................................................................................. Mô hình năng lƣợng 56
4.2.3 ................................................................................................................. Tính toán vấn đề

57

4.2.4 ............................................................................................................... Kết quả thí nghiệm

59

4.2.5 ........................................................................................................................ Kết luận 60
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG......................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 64

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đặt vấn đề:
Đề tài nghiên cứu về việc tiêu thụ năng lƣợng tại các thiết bị trong mạng

Formatted: Line spacing: Multiple 1.4 li, Tab
stops: 15.5 cm, Centered,Leader: …
Formatted: Font: 14 pt
Formatted: Normal, None, Line spacing:
Multiple 1.4 li, Tab stops: 15.5 cm,
Centered,Leader: …

internet qua đó tìm ra giải pháp để tiết kiệm năng lƣợng một cách tối ƣu nhất. Ta
thảo luận về các tác động của các giao thức mạng khi tiết kiệm năng lƣợng bằng
cách đặt sleep một số thành phần nhƣ các giao tiếp trong mạng, bộ định tuyến và
các bộ chuyển mạch. Có thể chỉ ra rằng nó thực sự hợp lý và do đó thảo luận về
những thay đổi cần thực hiện để hỗ trợ việc tắt các thành phần hiệu quả hơn. Ảnh
hƣởng của việc tiết kiệm năng lƣợng là rất lớn, đặc biệt trong khi thế giới đang
không ngừng phát triển thì năng lƣợng là một nguồn tài nguyên quý giá đang ngày
càng khan hiếm, gây khó khăn khi mạng Internet ngày càng phát triển. Dƣới đây
ta sẽ đi sâu vào phân tích và nghiên cứu đề tài này.
Formatted: Font: 13 pt

9

Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Formatted: Font: 13 pt

9


Formatted: Border: Bottom: (No border)

Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Formatted: Font: Bold
Formatted: Centered
Formatted

Formatted: Font: 13 pt

9


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG XANH

Formatted: Font: 14 pt, Bold
Formatted: Font: 14 pt, Bold

Chƣơng này sẽ trình bày các khái niệm chung về mạng xanh, mục tiêu, động
cơ thúc đẩy cũng nhƣ những chiến lƣợc đƣợc thực hiện để có thể đạt đƣợc mạng
xanh.
1.1

Tổng quát về mạng xanh
Giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng đã trở thành một vấn đề chính đối với nền

công nghiệp vì các lí do về kinh tế, môi trƣờng và truyền thông quảng bá [1][1].

Formatted: Font: 13 pt, Expanded by 0.1 pt

Nếu việc này có ảnh hƣởng lớn đối với lĩnh vực thiết kế điện tử thì ngành công
nghệ thông tin và truyền thông trong đó cụ thể hơn là mạng kết nối Internet cũng
có liên quan. Trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực đƣa ra quả thực đã giảm
đƣợc những chi phí về năng lƣợng không cần thiết, thƣờng đƣợc gọi là “greening”
của các kỹ thuật và giao thức mạng.
Bên cạnh các nghiên cứu liên quan đến năng lƣợng trong mạng không dây
thì đề tài tập trung vào mạng có dây. Thông thƣờng, tiết kiệm năng lƣợng thƣờng
đi đôi với giảm hiệu năng của mạng. Xem xét sự dung hòa giữa hiệu năng mạng
và tiết kiệm năng lƣợng, xác định đƣợc giới hạn tiêu thụ năng lƣợng mạng là một
thách thức thực sự. Tuy nhiên, mặc dù lĩnh vực mạng xanh vẫn còn khá mới mẻ,
cũng đã có một số nghiên cứu đƣợc thực hiện, mô tả trong phần 4 của đề tài.
Từ cái nhìn tổng thể sâu sắc, mục tiêu của mạng xanh là nhằm mục đích
giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong mạng.Vì vậy, thực hiện sử dụng năng lƣợng
tái tạo trong lĩnh vực công nghệ thông tin là càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, có
cách khác là thiết kế các thành phần điện năng thấp, có thể cung cấp cùng một
mức hiệu năng.
Bên cạnh đó, việc thiết kế lại kiến trúc mạng, ví dụ thay đổi vị trí của các

thiết bị mạng về những nơi thích hợp, có thể giúp tiết kiệm năng lƣợng đáng kể
với 2 lý do. Lý do thứ nhất liên quan đến mất mát khi năng lƣợng đƣợc truyền tải:
nếu các điểm tiêu thụ gần các điểm sản xuất hơn, mất mát sẽ ít hơn. Lý do thứ 2
liên quan đến việc làm mát các thiết bị điện tử: điều hòa không khí sẽ tiêu thụ một
năng lƣợng lớn trong trung tâm dữ liệu và do đó, khí hậu lạnh sẽ làm giảm đi sự
1

Formatted: Font: 13 pt


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

phụ thuộc này. Canada đã tiến hành nghiên cứu và cải tiến mạng CANARIE theo
hƣớng này, đặc biệt là sử dụng ảo hóa để phân bổ lại địa bàn dịch vụ dễ dàng hơn
với các nguồn năng lƣợng có sẵn.
Hơn nữa, các công ty công nghệ thông tin lớn nhƣ Google đã di chuyển hệ
thống máy chủ của họ về gần sông Columbia để tận dụng lợi thế về năng lƣợng
đƣợc cung cấp bởi nhà máy thủy điện gần đó. Nƣớc đƣợc sử dụng trong các hệ
thống làm mát, mặc dù nó có thể dẫn đến các vấn đề về môi trƣờng ví dụ nhƣ ảnh
hƣởng đến sự sống của rong biển nếu nhiệt độ nƣớc tăng quá nhiều. Microsoft
cũng đã nghiên cứu một hệ thống làm mát dự phòng trong dự án Intent và
Marlow, bao gồm việc di dời các máy chủ ở không gian mở, vì vậy phân tán nhiệt
dễ dàng hơn.
Phân bố lại khu vực địa lý cũng là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để tiết
kiệm kinh tế. Thị trƣờng năng lƣợng toàn cầu cung cấp một mức giá thay đổi theo
thời gian. Mức giá này thậm chí có thể gây ra các tiêu cực khi thặng dƣ sản xuất
xuất hiện nhƣng khách hàng không có nhu cầu. Năng lƣợng không đƣợc lƣu trữ
hiệu quả, và mặc dù việc phỏng đoán mức tiêu thụ dựa vào dữ liệu lƣu trữ khá
chính xác, việc sản xuất thừa là luôn luôn có thể xảy ra. Sự thay đổi này có thể
dùng để tính toán với nơi có chi phí năng lƣợng thấp hơn. Các công ty nhƣ

Amazon nhận thấy rằng việc định vị lại khu vực địa lý của các dịch vụ sẽ giảm
đƣợc chi phí hoạt động liên quan đến các nguồn năng lƣợng.
Xa hơn nữa, các thiết bị vật lý có thể đƣợc định vị lại nhằm giảm tiêu thụ
năng lƣợng toàn cầu. Ta có thể tƣởng tƣợng rằng các dịch vụ cũng có thể đƣợc đặt
lại các địa điểm tối ƣu, và có thể di chuyển khi điều kiện thay đổi theo thời gian.
Một thách thức lớn về công nghệ là thực hiện chuyển đổi dịch vụ mà không có bất
kỳ sự gián đoạn nào, bảo lƣu lỗi chấp nhận đƣợc và bảo mật dữ liệu.
Cuối cùng, từ quan điểm kỹ thuật, mạng xanh đƣợc xem nhƣ là cách để giảm
năng lƣợng cần thiết trong khi vẫn duy trì đƣợc mức hiệu năng tƣơng đƣơng
1.2

Động cơ thúc đẩy và mục tiêu để nghiên cứu mạng xanh

1.2.1 Lý do để nghiên cứu mạng xanh?
Formatted: Font: 13 pt

2


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Các vấn đề về môi trƣờng gắn liền với khí nhà kính ngày càng gia tăng trong
những năm gần đây. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu khác nhau về
ảnh hƣởng tàn phá của việc phát thải khí nhà kính và những hậu quả gây ra việc
thay đổi khí hậu. Theo báo cáo của Liên minh Châu Âu, việc giảm phát thải khí
nhà kính từ 15-30% là cần thiết trƣớc năm 2020 để giữ cho nhiệt độ toàn cầu tăng
dƣới 2oC.
Ảnh hƣởng của hiệu ứng nhà kính không chỉ tác động đến môi trƣờng mà
còn ảnh hƣởng đến nền kinh tế, gây ra các thiệt hại về tài chính. Đặc biệt, dự kiến
giảm 1/3 lƣợng khí thải có thể tạo ra những lợi ích kinh tế cao hơn so với việc đầu

tƣ cần thiết để đạt đƣợc mục tiêu này. Hiện tại, các nhà nghiên cứu cũng đang tìm
kiếm một cơ hội xung quanh ngành công nghiệp xanh, kể cả trong việc phát triển
bền vững lâu dài.
Mục tiêu giảm khí nhà kính có liên quan đến nhiều ngành công nghiệp, bao
gồm cả mảng công nghệ thông tin và truyền thông, đặc biệc là ảnh hƣởng của
công nghệ trong cuộc sống hàng ngày. Thật vậy, khối lƣợng khí thải CO2 phát ra
trong ngành công nghệ thông tin ƣớc tính chiếm khoảng 2% tổng lƣợng phát thải
do con ngƣời tạo ra. Với các nƣớc phát triển nhƣ Anh, có thể lên đến 10%.
Để đánh giá chính xác con số này thì rất khó, không hoàn toàn chính xác và
không đƣợc cập nhật kịp thời. Tuy nhiên, những nghiên cứu này đều đồng ý trên
thực tế là ngành công nghệ thông tin là một nguồn tiêu thụ năng lƣợng và phát thải
khí nhà kính quan trọng. Do đó, có thể nghiên cứu tạo ra các thiết bị và giao thức
mạng nhằm nhận thức ra các năng lƣợng mà chúng tiêu thụ, giúp tạo ra các quyết
định hiệu quả.
Nhƣ vậy tóm lại, nền công nghiệp hiện tại tiêu thụ quá nhiều năng
lƣợng.Việc này có ảnh hƣởng đến nhiều mặt trong cuộc sống của con ngƣời. Một
số lý do đƣợc tổng kết lại nhằm lý giải tại sao phải tiết kiệm năng lƣợng nhƣ sau:
 Ảnh hƣởng tới môi trƣờng sống nhƣ : hiện tƣợng nóng lên của trái đất,
ôi nhiễm môi trƣờng, hiệu ứng nhà kính...
 Ảnh hƣởng về mặt kinh tế: tiêu hao tiền của, nguồn lực…
Formatted: Font: 13 pt

3


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

 Tiết kiệm năng lƣợng cần thiết trong hầu hết các ngành công nghiệp
trong đó có công nghệ thông tin và truyền thông.
Vậy có thể tiết kiệm năng lƣợng ở đâu? Nhƣ thế nào? Câu hỏi này sẽ đƣợc lý

giải trong phần tiếp theo.
1.2.2 Tiết kiệm năng lƣợng ở đâu?
Trƣớc khi cố gắng để giảm thiểu việc tiêu thụ năng lƣợng, hoặc hiểu nhƣ thế
nào là thực hiện đƣợc việc giảm tiêu thụ năng lƣợng, thì rất cần thiết để tìm hiểu
xem chúng ta có thể thực hiện tiết kiệm năng lƣợng ở những đâu. Ví dụ nhƣ mạng
Internet, có thể đƣợc chia phân đoạn thành mạng lõi và vài một vài dạng mạng
truy cập khác. Trong những phân đoạn khác nhau, các thiết bị liên quan có hiệu
năng cũng nhƣ mức độ tiêu thụ năng lƣợng là khác nhau.Trong năm 2002, đã có
những nghiên cứu phân tích việc tiêu thụ năng lƣợng của các loại thiết bị khác
nhau trong mạng Internet toàn cầu. Những con số này đƣợc miêu tả trong Hình
1.0.1Hình 1.0.1, chỉ ra các mạng cục bộ, thông qua các hub và switch, đáp ứng cho
khoảng 80% tiêu thụ internet tổng cộng trong thời gian đó.

Hình 1.0.1: Mức độ tiêu thụ năng lượng của các loại thiết bị mạng khác nhau vào
năm 2002
Năm 2005, một nghiên cứu khác tính toán rằng các thẻ giao tiếp mạng NIC
và một số thành phần mạng khác trong đó các thẻ NIC sử dụng gần một nửa tổng
điện năng tiêu thụ. Gần đây, các nghiên cứu bắt đầu cho thấy sự gia tăng tiêu thụ
trong mạng lõi, ví dụ nhƣ trong năm 2009, Deutsche Telekom dự báo rằng năm
Formatted: Font: 13 pt

4


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

2017, mạng lõi sẽ tiêu thụ năng lƣợng bằng với mạng truy cập(nghiên cứu cũng đề
nghị tăng 300% công suất tiêu thụ của mạng lõi trong thập kỷ tới).
Không có gì đáng ngạc nhiên khi gần đây ngành công nghệ thông tin phát
triển một các nhanh chóng, làm cho các con số kể trên và việc ƣớc lƣợng không

còn đúng nữa. Các kết quả nhằm đánh giá việc tiêu thụ năng lƣợng và cần phải
đƣợc cập nhật thƣờng xuyên. Thêm nữa, việc đánh giá nhƣ vậy đòi hỏi sự hợp tác
của các nhà sản xuất thiết bị, các nhà cung cấp dịch vụ Internet và cả chính phủ.
1.2.3 Phân loại các phƣơng pháp mạng xanh
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu để tiết kiệm năng
lƣợng. Trong đó, có 4 phƣơng pháp chính nhƣ sau [1]:

Comment [HT1]: Trích dẫn nguồn tài liệu tham
khảo!

 Adaptive Link Rate: dựa vào 2 nguyên lí
 Interface Proxying
 Energy – aware Infrastructure
 Energy – aware Applications
1.3

Chiến lƣợc mạng xanh
Thông thƣờng, các hệ thống mạng đƣợc thiết kế và phân bố theo nguyên tắc

ngƣợc với mạng xanh, đó là cung cấp và dự phòng. Mặt khác, tùy thuộc vào sự
thiếu hụt hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ QoS từ mạng Internet, cung cấp dƣ thừa đƣợc ƣu
tiên sử dụng chung. Mạng đƣợc phân bổ để duy trì lƣu lƣợng tại giờ cao điểm, với
công suất đƣợc thêm vào, cho phép đáp ứng đƣợc các sự kiện không mong muốn.
Kết quả là trong suốt thời gian lƣu lƣợng thấp, mạng đó cũng tiêu thụ năng lƣợng.
Hơn nữa, để cung cấp khả năng phục hồi và bỏ qua những lỗi không quan trọng,

Comment [HT2]: Thêm hình vẽ biểu diễn việc
lƣu lƣợng thay đổi, đƣờng power vẫn là đƣờng nằm
ngang vào.

mạng cũng đƣợc thiết kế thêm phần dự phòng. Thiết bị đƣợc thêm vào hạ tầng
mạng với mục đích duy nhất là thay thế khi các thiết bị khác lỗi, cũng tiêu thụ một
số năng lƣợng. Hoạt động này hoàn toàn đi ngƣợc lại với mạng xanh. Do đó, sự
thay đổi là cần thiết trong nghiên cứu mạng và phát triển nhằm giới thiệu nhận dạng
năng lƣợng trong thiết kế mạng mà không ảnh hƣởng tới chất lƣợng dịch vụ cũng
nhƣ độ tin cậy mạng.
Formatted: Font: 13 pt

5


Nghiên cứu kỹ thuật mạng cho mạng IP xanh _09/2013

Phần này minh họa một vài mô hình chính mà hạ tầng mạng có thể khai thác
để đạt đƣợc mục tiêu xanh. Ta chia làm 4 lớp giải pháp là hợp nhất tài nguyên, ảo
hóa, chọn lọc kết nối và tính toán tỉ lệ. Bốn loại này đại diện cho 4 hƣớng nghiên
cứu, có thể tìm thấy các ứng dụng chi tiết trong thiết bị và thiết kế giao thức.


Hợp nhẩt tài nguyên: nhóm tất cả các chiến lƣợc phân bổ nhằm giảm tiêu

thụ tổng do các thiết bị sử dụng không đúng mức ở một thời gian nhất định lại với
nhau. Với mức lƣu lƣợng trong một mạng đã cho, sau hàng ngày và hàng tuần, có
thể đảm bảo đƣợc mạng trong khi tắt đi một số thiết bị mạng đang hoạt động. Phân
bổ tài nguyên đã trở thành phƣơng pháp phổ biến, đặc biệt trong trung tâm dữ liệu
và CPU.


Chọc lọc kết nối: phƣơng pháp kết nối chọn lọc cho phép tắt đi những tài

nguyên không dùng đến ở bên rìa của mạng. Ví dụ với các nút ở biên có thể idle
(nhàn rỗi) để tránh hỗ trợ công việc kết nối mạng( ví dụ nhƣ nhận các lƣu lƣợng
phát sóng không cần thiết,…) Những nhiệm vụ này có thể phải thực hiện trên nút
khác, ví dụ nhƣ proxy, trong khi chờ các thiết bị idle, do đó không có sự thay đổi cơ
bản trong giao thức mạng.


Ảo hóa: là một tập các cơ chế cho phép có nhiều hơn một dịch vụ có thể hoạt

động trên cùng một phần cứng, vì vậy cải thiện đƣợc độ sử dụng của phần cứng.
Một máy tính duy nhất dƣới tải cao sẽ tiêu thụ năng lƣợng ít hơn nhiều những máy
tải nhẹ. Ảo hóa có thể đƣợc áp dụng cho nhiều loại tài nguyên bao gồm liên kết
mạng, thiết bị lƣu trữ, tài nguyên phần mềm,… Một ví dụ điển hình của việc ảo hóa
là chia sẻ các máy chủ trong trung tâm dữ liệu, giảm chi phí phần cứng, cải thiện
quản lý năng lƣợng, giảm chi phí năng lƣợng và làm mát, cuối cùng là giảm khí thải
CO2 trong trung tâm dữ liệu. Thực tế, ảo hóa đã đƣợc triển khai thành công: ví dụ
nhƣ dịch vụ bƣu điện Mỹ đã ảo hóa máy chủ vật lý 791 và 895. Kỹ hơn, các nhà
nghiên cứu đã khảo sát chi tiết về kỹ thuật ảo hóa từ cái nhìn kỹ thuật máy tính và
cái nhìn về mạng.


Tính toán tỷ lệ: có thể đƣợc áp dụng cho toàn bộ hệ thống, giao thức mạng

cũng nhƣ cho các thành phần và thiết bị thành viên. Để minh họa cho nguyên tắc
Formatted: Font: 13 pt

6