Xây dựng thuật toán cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng và chất lượng dich vụ cho trung tâm dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CÂN BẰNG
GIỮA TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
CHO TRUNG TÂM DỮ LIỆU
Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Minh Trung
Hà Nội, 5/2015


NỘI DUNG
• ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP
• KIẾN TRÚC MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU
• PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN
• KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
• KẾT LUẬN
• ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
2


ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ
ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP
•

Các thiết bị mạng được bật 24/7
tiêu tốn một nguồn năng lượng

khổng lồ.

•

Đã có rất nhiều nghiên cứu, thuật
toán đưa ra nhằm giải quyết vấn
đề nhưng mới chú trọng phần
trăm năng lượng tiết kiệm.

•

Mô phỏng đánh giá giữa tiết
kiệm năng lượng và chất lượng
dịch vụ trên phần mềm
GreenCloud
3


KIẾN TRÚC MẠNG FAT TREE
Core Layer
0

1

2

3

0

1

1

0

Aggregation Layer
0

1

2

POD 0
0

3

4

POD 1
1

5

6

7

POD 2

2

3

4

Edge Layer

POD 3
5

6

7

Server Layer
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Hình 1: Kiến trúc mạng Fat tree với k = 4

14

15

4


KIẾN TRÚC MẠNG
THREE TIER HIGH SPEED (1)

Hình 2: Kiến trúc mạng Three tier high speed [3]

5

KIẾN TRÚC MẠNG
THREE TIER HIGH SPEED (2)
Core
Layer
0

1

0

2

1

POD 0

3

Aggregation
Layer

3

Access
Layer

POD 1

0

1

2

Server
Layer
0

1

2

3

1 GE

4

5

6

7

8

10 GE

9

10

11

12

13

14

15

100 GE

Hình 3: Kiến trúc mạng Three tier high speed với k = 4

6


PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN (1)

Hình 4: Lưu lượng đi qua trung tâm 295 máy chủ trong 5 ngày [3]
7


PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN (2)
Utilization

Energy
Consumption

Time
Hình 5: Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ với mức lưu lượng trong mạng
8


LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

agg id > capacity of link

True
idcore ++
Turn on Switch Coreidcore

False

Lưu đồ thuật toán bật tắt switch
9


KỊCH BẢN TRUYỀN DỮ LIỆU
GIỮA NGUỒN VÀ ĐÍCH (1)
Core Layer
0

1

2

3

Aggregation Layer
0

1

2

POD 0
0

3

4

POD 1
1

5

6

POD 2

2

3

4

7

Edge Layer

POD 3
5

6

7

Server Layer
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Hình 6 :Far Traffic

12

13

14

15

10


KỊCH BẢN TRUYỀN DỮ LIỆU
GIỮA NGUỒN VÀ ĐÍCH (2)
Core Layer
0

1

2

3

Aggregation Layer
0
0.6

1
0.6

2
0.6

POD 0

0

3

4

POD 1
1

5

6

POD 2

2

3

4

7

Edge Layer

POD 3
5

6

7

Server Layer
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Hình 7: Mất gói có thể xảy ra khi nhiều hơn hai máy chủ cùng gửi đến một đích
11


KỊCH BẢN TRUYỀN DỮ LIỆU
GIỮA NGUỒN VÀ ĐÍCH (3)
Begin

Topology Fat Tree
Get k
Set i =0

Set NSFP = 0

False

i < NServer

End

True
. i < NSever 2xNServerOfEachPOD + NSFP ||
i >= NServer NServerOfEachPOD

False

Random destination attach final POD
for source (i)

True
False

True
Destination has chosen

NSFP ++

i++

Random destination of source(i)

True

False
Destination has chosen

Destination which has chose,
attach final POD

True
NSFP ++

False

Lưu đồ thuật toán: Một máy chủ chỉ truyền và nhận lưu lượng đến một máy chủ khác

12


KỊCH BẢN TRUYỀN DỮ LIỆU
GIỮA NGUỒN VÀ ĐÍCH (4)
• Các trường hợp phát lưu lượng:
- Trường hợp 1: Các nguồn có lưu lượng phát
bằng nhau (bằng lưu lượng phát trung bình).
- Trường hợp 2: Các nguồn có lưu lượng phát
ngẫu nhiên.
- Trường hợp 3: Các nguồn có lưu lượng phát
ngẫu nhiên và xoay quanh vị trí phát lưu lượng trung
bình.
13

Utilization = 20%
Lưu lượng (Mpbs)

Nguồn

Đích

TH1

TH2

Lưu lượng trường hợp 2
Utilization=20%

TH3

0

10

200

400

200

1

7

200

0

200

2
3

13
4

200
200

0
700

100
100

4

1

200

0

100

5

8

200

0

200

6

3

200

900

200

7

11

200

0

200

8

2

200

0

200

9

14

200

500

200

10

15

200

0

200

11

12

200

0

200

12

9

200

700

300

13

0

200

0

300

14

5

200

0

200

15

6

200

0

300

3200
3200
Tổng lưu lượng
Lưu lượng trường hợp 1
Utilization=20%

3200

Mbps

U = 20 % Fat tree

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Server

Lưu lượng trường hợp 3
Utilization = 20%

1000
900
800

250

700

Mbps

200

Mbps

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

150

600
500

400
300

100

200
50

100

0

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

Server

9 10 11 12 13 14 15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

Server

14

KẾT QUẢ
• NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
+ Tầng Core, Aggregation, Edge/Access, Server

• CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
+ TỶ LỆ MẤT GÓI
+ THỜI GIAN TRỄ
 TRADE OFF (mối quan hệ giữa tiết kiệm năng lượng
và chất lượng dịch vụ)
15


KẾT QUẢ - NĂNG LƯỢNG
Năng lượng tiêu thụ của switch
Năng lượng tiêu thụ (W.h)

70
60
50
40
30
20
10
0
16

54
Số Server

128

Chưa tiết kiệm năng lượng

Đã tiết kiệm năng lượng với Utilization là 10%

Đã tiết kiệm năng lượng với Utilization là 50%

Đã tiết kiệm năng lượng với Utilization là 100%

16


KẾT QUẢ - TỶ LỆ MẤT GÓI
• Tỷ lệ mất gói nguồn – đích
• Tỷ lệ mất gói theo chặng
• Chặng 1: Server  Access/Edge
• Chặng 2: Access/Edge 
Aggregation
• Chặng 3: Aggregation  Core
• Chặng 4: Core  Aggregation
• Chặng 5: Aggregation 
Access/Edge.
• Chặng 6: Access/Edge  Server

0

1

2

3

3

0

2

1

4

2

3

4

5

6

7

6

7

5

POD 0
0

POD 1
1

POD 2

2

3

4

5

6

1
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

17


KẾT QUẢ - THỜI GIAN TRỄ
• Thời gian trễ end-to-end
4

• Thời gian trễ theo tầng

0

1

2

3

- Thời gian phục vụ
3
0

- Thời gian trễ hàng đợi

2

5

1

2

1

2

POD 0
0

3

4

3

4

POD 1

5

POD 2
5

6

6

7

6

7

1
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

18

THỜI GIAN TRỄ END-TO-END
 Tỷ lệ: Utilization và k.
 Phụ thuộc:

Fat tree - chưa tiết kiệm năng lượng
Fat tree - đã tiết kiệm năng lượng
Three tier high speed - chưa tiết kiệm năng lượng
Three tier high speed - đã tiết kiệm năng lượng
120.0
100.0
THỜI GIAN (MILI GIÂY)

 Trường hợp phát lưu
lượng.
 Cơ chế tiết kiệm năng
lượng.
 Thời gian mô phỏng.
 Kiến trúc mạng.
 Định tuyến nguồn đích

THỜI GIAN TRỄ END-TOEND VỚI K =4

80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0

20

40
60
UTILIZATION (%)

80

100

19


KẾT QUẢ - THỜI GIAN TRỄ
THEO TẦNG
Thời gian trễ xử lý

Thời gian trễ hàng đợi

Three tier high speed

TRỄ HÀNG ĐỢI

Tầng

1

2

3

4

5

6
3000.00

8000 800 80 80 800 8000

TH1

TH2

TH3

2500.00

DELAY (US)

2000.00

1000.00

Fat tree
Tầng

1

2

1500.00

3

4

5

6

500.00

0.00

8000

0

1

2

3

4

5

6

7

TẦNG

20


KẾT QUẢ TRADE OFF
Delay Penalty vs Energy Saving
Fat Tree - k = 4 - TH3
30.00

Delay Penalty(%)

25.00

20.00

15.00
10.00
5.00
0.00
34.96

34.94

30.16

14.82

4.83

4.94

0.00

0.00

0.00

0.00

Energy Saving(%)

Hình 8: Kết quả trade off (mối liên hệ giữa Delay penalty và Energy saving)
21


KẾT LUẬN
• Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ với Utilizationg và thông
số k.
• Tỷ lệ mất gói nhỏ (tỷ lệ mất lớn nhất 1.57%).
• Khi phần trăm năng lượng tiết kiệm khoảng 4% 5% thì trả giá về chất lượng dịch vụ (thời gian trễ)
là lớn.
• Hạn chế:
• Chưa áp dụng nhiều thuật toán.
• Chưa áp dụng kịch bản Mix Traffic.
22

ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN (1)
100

Normal operations

Network Utilization
Power consumption

0
100

Idle logic

50
0
100

Power scaling

50
0
100
50
0

Idle logic and Power scaling

Hình 9: Xu hướng tiết

kiệm năng lượng
23


ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN (2)
Mix
Traffic

Far
Traffic

Near
Traffic
Middle
Traffic

Far Traffic

Near Traffic

Middle Traffic

24


HÌNH ẢNH THAM KHẢO
• [1]. Bolla, R.; Bruschi, R.; Davoli, F.; Cucchietti, F.; "Energy Efficiency
in the Future Internet: A Survey of Existing Approaches and Trends in
Energy-Aware Fixed Network Infrastructures," Communications Surveys
& Tutorials, IEEE , vol.13, no.2, Second Quarter 2011.

• [2]. Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, Truong Thu Huong, Tran
Ngoc Thuan, Nguyen Minh Duong, Nguyen Van Giang, Nguyen Tai
Hung, Ngo Quynh Thu, David Hock, Christian Schwartz, “Modeling and
experimenting combined smart sleep and power scaling algorithms in
energy-aware data center networks”, 2013
• [3]. Dzmitry Kliazovich, Pascal Bouvry, Samee Ullah Khan,
“GreenCloud: a packet-level simulator of energy-aware cloud computing
data centers”, 2010.
• [4]. Tran Manh Nam – Truong Thu Huong – Nguyen Huu Thanh – Pham
Van Cong – Ngo Quynh Thu – Pham Ngoc Nam: A Realiabe Analyzer
for Energy-Saving Approaches in Large Data Center Networks, 2014
25