Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng trong mạng đường trục

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

BÙI PHÓ DUẨN

SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI
THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG ĐƢỜNG TRỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2018


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

BÙI PHÓ DUẨN

SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI
THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG ĐƢỜNG TRỤC

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là chung
thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc
thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ đã đƣợc cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong
luận văn bảo vệ thạc sĩ đã đƣợc nghi rõ nguồn gốc rõ ràng và đƣợc phép công bố.
Hà Nội, Ngày 30 tháng 03 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Bùi Phó Duẩn

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
MỤC LỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG.. 4
1.1 Giới thiệu .............................................................................................. 4
1.2 Khí thải trong mạng .............................................................................. 8
1.3 Các biện pháp tối ƣu mạng năng lƣợng thấp ...................................... 14
1.3.1
1.3.2

Lý do ......................................................................................... 14
Năng lƣợng khí thải bên trong các nguồn thiết bị .................... 15

1.3.3

Phân loại các phƣơng pháp trong mạng năng lƣợng thấp ......... 17

1.4 Công nghệ xanh trong mạng nâng cao ............................................... 26
1.4.1

Mạng truy cập có dây ................................................................ 27

1.4.2
1.4.3

Kết nối mạng khơng dây/Hạ tầng mạng di động ...................... 29
Định tuyến mạng và chuyển đổi mạng ..................................... 30

1.4.4

Kiểm sốt mạng và cấu hình topology ...................................... 33

1.5 Các chủ đề nghiên cứu trong tƣơng lai............................................... 35
1.6 Các dự án nghiên cứu đang phát triển ................................................ 38
1.6.1

Các dự án tại các quốc gia và quốc tế ....................................... 38

1.6.2
Các dự án công nghiệp .............................................................. 40

1.7 Các tiêu chuẩn hoạt động cho hiệu quả năng lƣợng trong mạng ....... 42
1.7.1

Hoạt động ETSI ........................................................................ 42

1.7.2

Các hoạt động sáng kiến Home Gateway ................................. 43

1.7.3

Các hoạt động nhiệm vụ năng lƣợng ENTO............................. 43

1.7.4

Các hoạt dộng Energy Star – Năng lƣợng sao .......................... 44

1.7.5
1.7.6

Các quy tắc EU và hoạt động EuP ............................................ 44
Các hoạt động IEEE .................................................................. 44

1.7.7

Các hoạt động ITU – T ............................................................. 44

1.7.8

Các chuẩn khác ......................................................................... 45

1.8 Kết luận............................................................................................... 45
CHƢƠNG 2: HIỆU SUẤT THUẬT TOÁN GRIDA ..................................... 47

ii


TRONG MẠNG XANH ................................................................................. 47
2.1 Giới thiệu ............................................................................................ 47
2.2 Mô tả thuật tốn .................................................................................. 49
2.2.1

Chọn nodes ................................................................................ 50

2.2.2

Q trình phát triển các hình phạt ............................................. 52

2.2.3

Khởi tạo thuật tốn .................................................................... 54

2.2.4

Giải pháp phức tạp .................................................................... 54

2.3 Mô tả kịch bản .................................................................................... 55
2.3.1
Cơng suất và mơ hình lƣu lƣợng ............................................... 55
2.3.2

Các kịch bản mạng .................................................................... 56

2.3.3

Thiết lập các tham số ................................................................ 57

2.4 Đánh giá hiệu suất .............................................................................. 59
2.4.1

Thống kê tạm thời ..................................................................... 59

2.4.2
2.4.3

Hiệu suất trung bình .................................................................. 63
Các vấn đề thực hiện ................................................................. 70

2.5 Kết luận............................................................................................... 71
CHƢƠNG 3: HIỆU QUẢ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN XANH .............. 72
3.1 Giới thiệu: ........................................................................................... 72
3.2 Cơng trình liên quan: .......................................................................... 74
3.3 Các mơ hình mạng, và vấn đề báo cáo ............................................... 78
3.3.1

Các mơ hình mạng .................................................................... 78

3.3.2

Vấn đề báo cáo .......................................................................... 79

3.4 Hiệu quả thuật toán đƣờng đi ngắn nhất ............................................ 80
3.4.1

SSPF .......................................................................................... 80

3.4.2
3.4.3

Thời gian phức .......................................................................... 86
SSPF – R ................................................................................... 87

3.5 Đánh giá .............................................................................................. 89
3.5.1

Phƣơng pháp luận...................................................................... 90

3.5.2
3.5.3

Đánh giá hiệu suất cho
............................................. 92
Tiết kiệm năng lƣợng cho các UT khác nhau ........................... 99

3.6 Kết luận............................................................................................. 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 105

iii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 So sánh thuật toán: Tiết kiệm năng lƣợng trung bình theo tỷ lệ phần trăm
...................................................................................................................................49
Bảng 2. 2 : Các tham số trong 3 kịch bản mơ phỏng ................................................58
Bảng 2. 3: Thuật tốn so sánh giữa
và
..................................67
Bảng 2. 4: Biến đổi
.........................................................................................70
Bảng 3. 1 Các cấu hình topology mạng sử dụng .....................................................91
Bảng 3. 2 Năng lƣơng tiết kiệm cho mỗi biến mạng với
.........92
Bảng 3. 4 MLU(%) và sử dụng liên kết trung bình (%) cho mỗi biến thuật tốn,
và
..............................................................................................96
Bảng 3. 5 Chiều dài đƣờng dẫn trung bình (hop) cho một số biến thuật toán
và
..............................................................................................98
Bảng 3. 6 : Tiết kiệm năng lƣợng trên mạng Abilene sử dụng SSPF-R .................101
Bảng 3. 7: Tiết kiệm năng lƣợng trên mạng Hier100 sử dụng SSPF-R..................101

iv


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1Sự phát triển từ năm 1993 đến năm 2010 về công suất bộ định tuyến IP
cao cấp (trên mỗi rack – mỗi khung) với khối lƣợng truyền thông tin (Luật Moore)
và hiệu suất năng lƣợng trong cơng nghệ silicon[29] .................................................5
Hình 1. 2 Ƣớc lƣợng carbon tồn cầu của cơng nghệ thơng tin và truyền thơng .......6

Hình 1. 3 Ƣớc lƣợng tiêu thụ năng lƣợng cho các cơ sở hạ tầng mạng viễn thông
của Châu Âu trong các mơ hình. .................................................................................6
Hình 1. 4 Dự tính OPEX tới giá thành năng lƣợng cho các công ty viễn thông Châu
Âu và cơ sở hạ tầng mạng trong các mơ hình kinh doanh ..........................................7
Hình 1. 5 Ƣớc lƣợng phát thải khí nhà kính theo GeSI [14].....................................11
Hình 1. 6 Cơng suất tiêu thụ trung bình mỗi ngƣời dùng trên sự gia tăng trong tỷ lệ
truy cập mạng theo kết quả trong [21] ......................................................................12
Hình 1. 7 Sự phát triển về năng lực và yêu cầu năng lƣợng của bộ định tuyến cao
cấp từ năm 1985 đến 2010. .......................................................................................13
Hình 1. 8 Các yêu cầu về mật độ truy cập,mạng metro và các thiết bị lõi và các yêu
cầu về năng lƣợng trong các mạng............................................................................14
Hình 1. 9 Ƣớc lƣợng của các nguồn tiêu thụ điện năng trong một nền tảng chung
của bộ định tuyến IP cao cấp. Nguồn Tucker et al. [126] .........................................16
Hình 1. 10 Phân loại các phƣơng pháp tiếp cận đƣợc thực hiện cho hiệu suất năng
lƣợng trong mạng tƣơng lai. ......................................................................................18
Hình 1. 11 Thời gian dịch vụ gói tin và mức tiêu hao năng lƣợng trong các trƣờng
hợp .............................................................................................................................23
Hình 1. 12 Ví dụ Proxy kết nối mạng .......................................................................25
Hình 2. 1Mơ hình mạng topology từ một mạng hoạt động ISP 1. [147] ..................55
Hình 2. 2 Sự thay đổi tổng tải lƣu lƣợng so với thời gian ........................................57
Hình 2. 3 Một cấu trúc topology mạng đang hoạt động IPS2 ...................................58
Hình 2. 4 Năng lƣợng tiết kiệm và giá trị lũy tích trong mạng IPS [147] ................60
Hình 2. 5 Phần trăm tiết kiệm khi hội tụ đạt trong mạng IPS 1.[147] ......................61
Hình 2. 6 Năng lƣơng tiết kiệm và giá trị tích lũy của mạng Geant [147] ...............62
Hình 2. 7 Tiết kiệm năng lƣợng, tải liên kết và các chế độ ngắt/mở trong mạng IPS2
[147]. .........................................................................................................................63
Hình 2. 8 ISP 2: Tác động của d: (a) liên kết, (b) tiết kiệm năng lƣợng và (c) thăm
dị.[147] .....................................................................................................................66
Hình 2. 9 ISP 2: tác động của
: (a) tiết kiệm, (b) quá tải mạng, và (c) các

lựa chọn khơng đƣợc chấp nhận.[147] ......................................................................68
Hình 2. 10 ISP 2: tác động của
: (a) liên kết tắt và (b) tải liên kết tối đa.[147]
...................................................................................................................................69
Hình 3. 1 Thuật tốn SSPF ........................................................................................79
Hình 3. 2Hàm chức năng dịng GH() ........................................................................82
Hình 3. 3 Thuật tốn SSPF – R .................................................................................82
Hình 3. 4 Một ví dụ về mạng ....................................................................................83
Hình 3. 5 Giải pháp SSPF-1 cho mạng trong Hình 3.4 .............................................84

v


Hình 3. 6 Giải pháp SSPF – R cơ bản trên Hình 3.5.................................................89
Hình 3. 7 Tiết kiệm năng lƣợng và chạy thời gian Abilene cho các biến kích cỡ gói
...................................................................................................................................94
Hình 3. 8 Tiết kiệm năng lƣợng và chạy thời gian trên mạng Hier 50 cho các biến
kích thƣớc gói ............................................................................................................94
Hình 3. 9 Tiết kiệm năng lƣợng và chạy thời gian trên mạng Wax50 cho kích cỡ các
biến gói ......................................................................................................................94
Hình 3. 10 Sử dụng kết nối CDF và độ trễ gói trên mạng Abilene...........................97
Hình 3. 11 Sử dụng kết nối CDF và độ trễ gói trên mạng Wax50 ............................97
Hình 3. 12 Sử dụng liên kết CDF và độ trễ gói trên mạng Hier100 .........................98
Hình 3. 13 Tác động của các mức lƣu lƣợng khác nhau và UT về tiết kiệm năng
lƣợng trong Hier100 ................................................................................................102

vi


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ALR

Adaptive Link Layer

Tầng liên kết dữ liệu

AS

Autonomous System

Hệ thống tự trị

ASN.1

Abstract Syntax Notation 1

Kí pháp trừu tƣợng một

API

Application Programming Interface

Giao diện lập trình ứng
dựng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ khơng đồng bộ

BGP

Border Gateway Protocol

Giao thức định tuyến đa
miền

DPID

Datapath ID

Giải mã đƣờng dẫn dữ
liệu

EU

European Union

Hội đồng liền minh
Châu Âu

GHG

Green House Gasses

Hiệu ứng nhà kính

ICT

Information and Communication
Technology

Công nghệ thông tin và
truyền thông

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện các kĩ sƣ điện, điện
tử

IETF

Internet Engineering Task Force

Nhóm đặc trách kỹ thuật
mạng

IP

Internet Protocol

Giao thức mạng

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ
Internet

LSA

Link State Advertisement

Quảng bá thông tin
trạng thái liên kết

vii


MIB

Management Information Base

Cơ sở quản lý thông tin

MLU

Maximum Link Utilization

Sử dụng tối đa liên kết

MPLS

Multiprotocol Label Switching

Chuyển mạch nhãn đa
giao thức

OS

Operating System

Hệ điều hành

PDU

Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức

QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ

TM

Traffic Matrix

Ma trận lƣu lƣợng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

NIC

Network Interface Card

Card mạng ( card giao
thức mang)
Tổ chức quản lý và nghiên

CANARIE

cứu phát triển các nghiên
cứu và phát minh

viii

MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi tốc độ phát triển ngày càng cải tiến và xu hƣớng mạng Internet
tƣơng lai đang dần đƣợc hình thành, một số khái niệm cơ bản về các khía cạnh quan
trọng bao trùm tồn bộ cơ sở hạ tầng mạng, trở thành những tiêu chí thiết kế mạng
và các tiêu chuẩn mạng trong thực tế. Một khía cạnh rất quan trọng chính là tiết
kiệm năng lƣợng trong mạng
Tiết kiệm năng lƣợng mạng phải đảm bảo năng lƣợng tiêu thụ đáp ứng đƣợc
quá trình vận hành trong mọi thời điểm, mọi điều kiện, ngay cả những thời điểm
cao điểm về mật độ lƣu lƣợng cần lƣu thông trong mạng, và cũng đảm bảo khơng
để lãng phí dung lƣợng tại những thời điểm dung lƣợng nhàn rỗi. Và những trƣờng
hợp kiến trúc hạ tầng bị phá hỏng do thời tiết hoặc một vấn đề nào đó, thì chúng ta
phải có đƣợc một hệ thống dự phịng hợp lý tránh tốn kém. Thật vậy, ngày nay tốc
độ mạng ngày càng cải thiện, nhƣng ngƣợc lại chi phí để làm đƣợc các cơng nghệ
mới thì rất đắt đỏ, và việc sản xuất và sử dụng các thiết bị điện tử nói chung và thiết
bị mạng nói riêng gây ra những nguy cơ về khí thải
Những vấn đề trên, yêu cầu chúng ta phải biết làm giảm chi phí năng lƣợng
khơng cần thiết và tiết kiệm nguồn năng lƣợng mạng; bao gồm: chi phí và lƣợng khí
thải phát sinh khi sử dụng các thiết bị mạng. Việc tiết kiệm năng lƣợng mạng này
hay còn gọi là mạng xanh – Green networking. Một trong những đề tài, dự án đƣợc
rất nhiều các công ty, các tập đoàn lớn nhƣ: tập đoàn Samsung, tập đoàn Google,…
và rất nhiều các nhà nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và các trƣờng đại học nổi
tiếng trên thế giới nhƣ MIT – Masachusetts Institute of Technology, NASA – the
National Aeronautics and Space Administration, Politecnico di Torino, Télécom
ParisTech, University of Genoa, University of Wollongong…Các đề tài, dự án,
công trình cho ta xác định lựa chọn giữa hiệu suất mạng và tiết kiệm năng lƣợng
trong mạng là một thách thức vơ cùng to lớn. Một số cơng trình đã đƣợc thực hiện,
đƣợc khái quát trong các nghiên cứu trên các tạp chí lớn mặc dù mạng xanh vẫn cịn
đang đƣợc phát triển trong tƣơng lai đầy hứa hẹn

1


Chính vì vậy, em xin lựa chọn luận văn: ―Sử dụng định tuyến xanh để cải
thiện sử dụng năng lƣợng trong mạng đƣờng trục – Using green routing for
improving energy usage in backbone networks‖.
Để nghiên cứu và thực hiện luận văn này, em cảm ơn cô giáo Ts. Trần Thị
Ngọc Lan và đồng cảm ơn các thầy (cô) giáo trong Viện Điện tử viễn thông thuộc
trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em thực hiện đề tài: ―Sử dụng định
tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lƣợng trong mạng đƣờng trục – Using green
routing for improving energy usage in backbone networks‖.

2


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn có một cơ sở khoa học và thực tiễn rất quan trọng. Cụ thể, năng
lƣợng trở thành một vấn đề quan trọng trong các ngành công nghiệp, cũng nhƣ các
ngành hiện nay. Trong lĩnh vực: công nghệ thông tin và truyền thông đang trở thành
mối quan tâm hàng đầu cụ thể trên các trang thiết bị cơng nghệ thơng tin và truyền
thơng; ví dụ: trong các trung tâm dữ liệu, các cơ sở hạ tầng mạng địi hỏi hiệu suất
sử dụng và các tiện ích mạng ngày càng nâng cao, làm cho nhu cầu về tiết kiệm
năng lƣợng đặt ra một dấu hỏi. Để thực hiện biện pháp cân bằng giữa các giải pháp
cho hiệu suất sử dụng mạng nhƣ ―tốc độ đƣờng truyền, chất lƣợng gói tin‖ và tiết
kiệm năng lƣợng mạng nhƣ ―chi phí và khí thải gây ra trong mạng‖. Các nhà nghiên
cứu đã nỗ lực nghiên cứu và đƣa ra các thiết kế nhằm giảm chi phí khơng cần thiết
trong mạng mà vẫn duy trì đƣợc hiệu suất sử dụng mạng ―dung lƣợng cũng nhƣ tốc
độ truyền trong mang‖. Các thiết kế này đƣợc gọi là định tuyến xanh
Nội dung của đề tài cần giải quyết các vấn đề nhƣ sau:
 Tổng quan sử dụng năng lƣợng trong mạng đƣờng trục

 Giới thiệu về mạng xanh
 Xác định các nguyên nhân, các biện pháp, các cơng trình nghiên cứu và thực
hiện về sử dụng định tuyến xanh để năng lƣợng trong mạng đƣờng trục
Cụ thể chi tiết nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan sử dụng năng lƣợng trong mạng
Chƣơng 2: Hiệu suất thuật toán GRiDA trong mạng xanh.
Chƣơng 3: Hiệu quả thuật toán định tuyến xanh

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG
TRONG MẠNG
1.1 Giới thiệu
Khi Internet tƣơng lai đang hình thành, có vẻ nhƣ một số khái niệm cơ bản
và các khía cạnh quan trọng có thể bao trùm tồn bộ cơ sở hạ tầng mạng, đến mức
trở thành một mục của các tiêu chí thiết kế mạng và thực hiện trên nhiều tên miền –
domain để đạt đƣợc một mục tiêu chung. Một khía cạnh nhƣ vậy là hiệu suất năng
lƣợng.
Các lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) đã đƣợc xem xét
trong lịch sử và đƣợc coi là một yếu tố quan trọng để phát triển các hệ thống quản
lý các sáng chế và dịch vụ, nó có thể giúp giảm và giám sát chất thải năng lƣợng
của bên thứ 3 và đạt đƣợc mức độ hiệu quả cao[2]. Trong bối cảnh đó, các dự án
khác nhau đã đƣợc xem xét và/hoặc phát triển các công nghệ mạng trong xây dựng
mơi trƣờng thơng mình (ví dụ: nhà, tịa nhà…) cũng nhƣ ý thức về năng lƣợng
mạng. Hiện nay, vai trò ICT đang trở nên có ý nghĩa quan trọng trong việc giải
quyết vấn đề hiệu suất năng lƣợng trong sản xuất năng lƣợng và phân bố các mục,
cũng nhƣ việc thúc đẩy tính năng động trong tất cả các khía cảnh của sản xuất và
dịch vụ. Có thể kỳ lạ là ICT – công nghệ thông tin và truyền thông sẽ khơng áp
dụng các khái niệm tƣơng tự với chính nó.[3]

Chỉ trong thời gian gần đây, do sự gia tăng về giá năng lƣợng, sự gia tăng
liên tục của số lƣợng khách hàng, sự truyền thông tin của truy cập băng thông rộng,
và số lƣợng các dịch vụ đƣợc mở rộng bởi các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông
(ISP), vấn đề hiệu suất năng lƣợng đã trở thành một mục tiêu ƣu tiên cao đối với
mạng có dây và cơ sở hạ tầng dịch vụ. Những xu hƣớng tăng liên tục trong tiêu thụ
năng lƣợng mạng chủ yếu phụ thuộc vào các dịch vụ mới đang đƣợc cung cấp, cũng
nhƣ tăng khối lƣợng lƣu lƣợng dữ liệu theo luật Moore, bằng cách tăng gấp đôi sau
mỗi 18 tháng [4].
Hỗ trợ các cơ sở hạ tầng mạng thế hệ mới và liên quan đến các dịch vụ khách
hàng đang phát triển nhanh chóng, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và ISP cần
một số lƣợng lớn các thiết bị, với kiến trúc tinh vi có thể thực hiện ngày càng nhiều
các hoạt động phức tạp theo một cách có thể mở rộng. Ví dụ: Bộ định tuyến IP cao

4


cấp thậm chí cịn dựa nhiều vào các trúc đa tầng phức tạp, cung cấp nhiều hơn và
nhiều hơn nữa các chức năng mạng và tiếp tục tăng khả năng của nó với một yếu tố
tăng 2,5 lần sau 18 tháng [29]. Cùng một lúc, nhƣ thể hiện trong Hình 1 và theo gợi
ý của định luật tỷ lệ của Dennard [30], các cơng nghệ silicon (ví dụ CMOS) cải
thiện hiệu quả năng lƣợng với tỷ lệ thấp hơn đối với vị trí của các bộ định tuyến và
khối lƣợng truyền thông tin, bằng cách tăng 1.65 lần sau 18 tháng.

Hình 1. 1Sự phát triển từ năm 1993 đến năm 2010 về công suất bộ định tuyến
IP cao cấp (trên mỗi rack – mỗi khung) với khối lƣợng truyền thông tin (Luật
Moore) và hiệu suất năng lƣợng trong công nghệ silicon[29]
Việc giới thiệu duy nhất về công nghệ tiêu thụ năng lƣợng thấp silicon khơng
thể làm rõ đối phó với những xu hƣớng nhƣ vậy, và đủ để kéo các thiết bị mạng
hiện tại lên mạng Internet xanh trong tƣơng lai.
Do đó, nhiều khả năng nhƣ ở các lĩnh vực khác mà hiệu quả năng lƣợng là

một mối quan tâm, có hai động lực chính thúc đẩy việc nghiên cứu mạng xanh:
-

Thứ nhất là mơi trƣờng, có liên quan đến việc giảm chất thải do sự tác động

của sự phát thải
-

(Hình 1.2)

Thứ 2 là kinh tế, bắt nguồn từ việc giảm chi phí duy trì bởi các nhà khai thác

để giữ cho mạng hoạt động ở mức độ dịch vụ mong muốn và nhu cầu của họ để cân
bằng chi phí năng lƣợng ngày càng tăng (Hình 1.3 và 1.4)
Để thực hiện mục tiêu này, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thơng và ISP đã
bắt đầu địi hỏi nhiều giải pháp kiến trúc phân chia, các giao thức và thiết bị tiên
tiến sẽ cho phép đạt đƣợc tỷ lệ hiêu suất tốt hơn so với tiêu thụ năng lƣợng. Điều

5


này đã thúc đẩy các công ty công nghệ thông tin và các cơ quan nghiên cứu công
nghệ thông tin và truyền thông lớn thực hiện các ý tƣởng khác nhau nhằm phát triển
hiệu quả hơn các trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng mạng.

Hình 1. 2 Ƣớc lƣợng carbon tồn cầu của cơng nghệ thơng tin và truyền thơng
(Bao gồm máy tính, mạng truyền thơng và các thiết bị, máy in và các trung tâm dữ
liệu). Nguồn Báo cáo thơng minh 2020 bởi GeSI [15]

Hình 1. 3 Ƣớc lƣợng tiêu thụ năng lƣợng cho các cơ sở hạ tầng mạng viễn

thông của Châu Âu trong các mô hình.

6


Trong mơ Hình kinh doanh nhƣ thƣờng lệ (BAU – Business As Usuall) và trong mơ
Hình bền vững hệ sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lƣợng tích lũy giữa 2 mơ Hình.
Nguồn: Ủy ban Châu Âu DG INFSO báo cáo trong [3]
Mục tiêu chính đầu tiên của chƣơng 1 là cung cấp một cuộc khảo sát đầy đủ
và chi tiết về những lý do chính và nguyên nhân mà gần đây đã đặt ra rất nhiều sự
quan tâm về mạng xanh từ nghiên cứu và cộng đồng công nghiệp.
Bắt đầu từ phân tích này, chúng ta sẽ tập trung vào các công nghệ hiệu quả
năng lƣợng mạng, các giao thức, và các tiêu chuẩn đã nổi lên trong vài năm gần
đây. Về mặt này, ngoài một cuộc khảo sát chi tiết về các bài báo trên toàn thế giới
từ các tạp chí quốc tế và các cuộc họp hội nghị, chúng ta đã quyết định đƣa ra một
đánh giá thêm về các dự án tiêu biểu nhất và các hoạt động tiêu chuẩn hóa đang
thực hiện trong lĩnh vực này.

Hình 1. 4 Dự tính OPEX tới giá thành năng lƣợng cho các công ty viễn thông
Châu Âu và cơ sở hạ tầng mạng trong các mơ hình kinh doanh
Trong mơ hình kinh doanh thƣờng lệ BAU và trong mơ Hình bền vững hệ
sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lƣợng giữa 2 mơ Hình. Nguồn: Báo cáo của Ủy
ban Châu Âu DG INFSO trong [13] và ƣớc lƣợng U.S.EIA về chi phí năng lƣợng
[14].
Hơn nữa, do tính khơng đồng nhất và sự phức tạp của công nghệ nhận thức
năng lƣợng, tôi quyết định giới hạn cuộc khảo sát của tôi với giới hạn về cơ sở hạ
tầng mạng cố định. Theo nghĩa này, chƣơng này không đề cập đến phƣơng pháp

7

tiếp cận và công nghệ tiếp kiệm năng lƣợng trong các lĩnh vực liên quan đến mạng,
chẳng hạn nhƣ các trung tâm dữ liệu xanh. Vì cùng một lý do, hiệu suất năng lƣợng
trong các mơ hình mạng khơng dây (bao gồm mạng tùy biến không dây và mạng
cảm biến) sẽ khơng đƣợc tính đến. Thực tế, trong bối cảnh các thiết bị di động và
các mạng không dây, hiệu suất năng lƣợng có các mục đích khác nhau (ví dụ để
tăng tuổi thọ giới hạn của pin của các thiết bị), và các nghiên cứu cụ thể đáng kể đã
đƣợc thực hiện [32][31]. Chúng ta sẽ tiếp xúc với các khía cạnh liên quan đến năng
lƣợng của mục truy cập cố định của mạng di động và cơ sở hạ tầng mạng WLAN .
Chƣơng 1 đƣợc viết nhƣ sau:
-

Mục 1.2 bao gồm phân tích mức tiêu thụ năng lƣợng trong các cơ sở hạ tầng

mạng hiện nay của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các nhà cung cấp dịch
vụ Internet, và khảo sát các nghiên cứu quan điểm về nhu cầu năng lƣợng sẽ phát
triển nhƣ thế nào trong những năm tới.
-

Mục 1.3 là dành để giới thiệu các phƣơng pháp tiếp cận đại diện nhất, đã

đƣợc thực hiện bởi các nhà nghiên cứu mạng trong những năm qua, để tăng hiệu
suất năng lƣợng trong mạng, các thiết bị cụ thể và các thiết bị đầu cuối.
-

Mục 1.4 Đƣa ra một cái nhìn tổng quan về những đóng góp của khoa học. Để

thực hiện mục đích này, mục 1.4 sẽ giới thiệu và tổ chức các đóng góp khoa học
liên quan đến hiệu quả năng lƣợng trên cơ ở từng kịch bản. Bắt đầu từ các khái
niệm chính và những đóng góp trong mục 1.3 và 1.4, mục 1.5 sẽ thảo luận các vấn

đề mở và các vấn đề tƣơng lai cho một mạng hiệu quả trong tƣơng lai. Các sáng
kiến riêng, đã thúc đẩy khám phá công nghệ mạng xanh, trong khi mục 1.7 thảo
luận các tiêu chuẩn hoạt động hiệu suất năng lƣợng mạng. Cuối cùng kết luận trong
chƣơng 1.8.
-

Mục 1.6 cung cấp một cuộc khảo sát về các dự án nghiên cứu đang triển khai

và các sáng kiến doanh nghiệp.

1.2 Khí thải trong mạng
Trong những năm gần đây, một tập hợp lớn các nhà cung cấp dịch vụ viễn
thông, các nhà cung cấp dịch vụ Internet và các tổ chức công cộng trên thế giới đã
báo cáo số liệu thống kê về các yêu cầu năng lƣợng mạng và lƣợng khí

do

chúng gây ra, cho thấy một xu hƣớng đáng báo động và đang phát triển. Ví dụ: Tiêu

8


thụ năng lƣợng của viễn thông Ý năm 2016 đã đạt tới hơn
tổng nhu cầu năng lƣợng của Ý), tăng

(khoảng

so với năm 2005 và

của

đến năm

2014 ([7][5],[6]). Tiêu thụ năng lƣợng này đặc biệt tăng từ cơ sở hạ tầng mạng,
đóng góp
trong khi

trong tổng nhu cầu năng lƣợng. Các trung tâm dữ liệu đƣợc trong số
còn lại là do các nguồn giả mạo khác (ví dụ: văn phịng, cửa

hang….). Chú ý rằng sự suy hao tƣơng tự của năng lƣợng có thể đƣợc khái quát hóa
đối với mục lớn các nhà khai thác viễn thơng.
Một ví dụ điển hình khác đến từ viễn thông Anh, báo cáo yêu cầu về năng
lƣợng tƣơng tự nhƣ viễn thông Ý; tổng tiêu thụ năng lƣơng cho mạng và bất động
sản trong tài chính năm 2008 là

[6]. Hơn nữa, nó chiếm khoảng

tổng

tiêu thụ của Anh vào mùa động năm 2007, làm cho nó trở thành khách tiêu dùng
điện năng lớn nhất trong cả quốc gia [8]. Trong

tổng tiêu thụ điện năng của

Anh năm 2007 liên quan đến việc vận hành các thiết bị công nghệ thông tin [9].
Tại Đức, Deutsche Telekom báo cáo một lƣợng tiêu thụ năng lƣợng tổng thể
khoảng 3 TWh trong năm 2007 [10], tăng khoảng

so với dữ liệu năm 2006,

Deutsche Telekom đã chứng minh sự gia tăng tiêu thụ năng lƣợng này là kết quả
của sự phát triển công nghệ (DSL), tăng khối lƣợng truyền tải và mở rộng mạng
lƣới, mặc dù con số này cũng bao gồm một lƣợng nhỏ các dữ liệu giả mạo, họ đã
vạch ra rằng gần 20% chất thải năng lƣợng nhƣ vậy là do hệ thống làm mát. Hơn
nữa, điện năng tiêu thụ của Verizon trong năm 2006 là 8,9 TWh ( khoảng 0,26
nhu cầu năng lƣợng của Hoa Kì), trong khi yêu cầu của Telecom France – viễn
thông Pháp là khoảng 2 TWh [11]. Nhóm NTT báo cáo số lƣợng điện năng trong tài
chính năm 2004 cần cho viễn thông của Nhật là 4,2TWh [11].
Những con số trên đề cập đến toàn bộ sự tiêu dùng của các tập đồn. Do đó,
chúng chiếm nhiều tài nguyên, ngoại trừ khả năng hấp thụ hoạt động của thiết bị
mạng (ví dụ: sƣởi ấm văn phịng và đèn chiếu sáng). Tuy nhiên, chúng ta đã bao
gồm họ để đƣa ra một ý tƣởng về xu hƣớng chung.
Các xu hƣớng tƣơng tự có thể đƣợc tổng quan hóa cho mục lớn các nhà cung
cấp dịch vụ viễn thông và dịch vụ khác. Báo cáo của Ủy Ban Châu Âu DG INFSO
báo cáo trong 12 nhà khai thác viễn thơng và nhà khai thác Châu Âu ƣớc tính có
nhu cầu về năng lƣợng mạng lƣới tổng thể là 14,2 TWh trong năm 2005, sẽ tăng lên

9


21,4 TWh vào năm 2010 và 35,8 TWh vào năm 2020 nếu khơng có cơng nghệ
mạng xanh đƣợc thơng qua ( Hình 1.3)
Sáng kiến bền vững tồn cầu GeSI - Global e-Sustainability Initiative đã báo
cáo ƣớc tính tƣơng tự [15] và đánh giá các
hạ tầng ở khoảng

thải ra liên quan tới mạng và cơ sở
trong năm 2020. Nhƣ trong Hình 1.5,

phát thải

GeSI báo cáo tằng, trong năm 2002, cơ sở hạ tầng mạng cho truyền thông di động
và truy cập hẹp có dây đã gây ra những đóng góp đáng kể của hiệu ứng nhà kính, vì
mỗi ngƣời trong số họ năng hơn

so với tổng lƣợng carbon toàn cầu. Ƣớc tính

năm 2020 cho thấy cơ sở hạ tầng truyền thơng di động sẽ chiếm hơn

khí thải

trong mạng lƣới, trong khi các mạng có dây có liên quan, cả thiết bị viễn thơng
(ví dụ nhƣ bộ định tuyến, thiết bị chuyển mạch,…vv) và thiết bị truy cập băng
thông rộng sẽ làm cho đóng góp ngày càng tăng và khơng đáng kể lần lƣợt là
và

.
Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Carnegie –Mellon điều tra trong năm

2003 mức tiêu thụ điện của mạng viễn thông ở Hoa Kỳ [15]. Phạm vi nghiên cứu
bao gồm mạng thoại, bao gồm các thiết bị sử dụng bởi các mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng PSTN – Public Switched Telephone Network – đƣợc sử dụng bởi
các công ty điện thoại truyền thống – và mạng di động – đƣợc sử dụng bởi các công
ty mạng không dây. Trên cơ sở các kết quả từ một nghiên cứu trƣớc, ƣớc tính tổng
lƣợng điện tiêu thụ của mạng viễn thơng Hoa Kì đã đƣợc tìm thấy là 29-34
TWh/năm hoặc khoảng 0,8

hoặc 0,9

tổng tiêu thụ điện của Hoa Kỳ. Bài báo đã

phân tích sự có về điện năng tiêu thụ giữa mạng PSTN và mạng di động, và cho
thấy mạng di động có hiệu suất năng lƣợng gấp 2 lần về năng lƣợng đƣợc sử dụng
cho mỗi kết nối thuê bao, PSTN có hiệu suất năng lƣơng cao hơn về điện năng tiêu
thụ trên mỗi phút gọi.

10


Hình 1. 5 Ƣớc lƣợng phát thải khí nhà kính theo GeSI [14]
Về các mạng di động không dây, trong năm 2008, các nhà nghiên cứu tại
NTT DoCoMo khảo sát các vấn đề tiêu thụ năng lƣợng mạng di động hiện tại, lấy
mạng các nhà điều hành di động của Nhật làm ví dụ [17]. Các tác giả báo cáo rằng
mục chiếm ƣu thế là do các mạng truy cập vô tuyến, và trong năm 2016, mỗi ngƣời
dùng duy nhất trong mạng NTT DocoMo tiêu thụ, trung bình 120Wh mỗi ngày cho
phía mạng và 0,83 Wh cho phía đầu cuối. Kết quả của cuộc điều tra khẳng định
răng tiêu thụ hiện tại có thể giảm bằng cách giới thiệu thêm các trạm thu phát sóng
cơ sở IP – BTS – Base Station và kĩ thuật Radio – over – Fiber (RoF).
Tập chung sâu hơn vào tiệu thụ năng lƣợng trong mạng có dây ngày nay và
sau này có thể tìm thấy trong [18] và [19], ở đây Tucker et al. đƣa ra một quan
điểm về thiết kế mạng bằng cách tập trung vào các khía cạnh chi phí và năng lƣợng.
Quan điểm này dựa trên một mơ hình đơn giản cho sự phát triển của các công nghệ
mạng trong những năm tới và nó sử dụng các bảng dữ liệu của các thiết bị thƣơng
mại hiện đại, cũng nhƣ các dự báo về các công nghệ băng thông rộng trong tƣơng
lai. Bằng cách tuyên bố rằng mạng ngày nay phụ thuộc rất nhiều vào điện tử, mặc
dù những tiến bộ to lớn trong truyền dẫn và chuyển mạch, các tác giả nêu ra cách
thức tiêu thụ năng lƣợng của thiết bị mạng là một yếu tố quan trọng dóng vai trò
quan trọng. Theo nghĩa này, họ cho rằng Internet cuối cùng có thể bị hạn chế bởi
các mật độ năng lƣợng và những quan ngại về tản nhiệt, chứ không phải bởi băng

thông [20].Các tác giả chỉ ra rằng các dữ liệu trình bày trong báo cáo của họ dựa

11


trên các số liệu đƣợc đơn giản hóa và làm xấp xỉ. Tuy nhiên, chúng ta tin tƣởng kết
quả cho thấy một xu hƣớng quan trọng.
Mơ hình này nhằm mục đích thể hiện cho các thiết bị làm việc trong IP core,
mạng metro và các mức độ truy cập để đánh giá tác động của các kĩ thuật truyền
thông tin khác nhau ( different traffic grooming techniques) về cả khả năng mở
rộng, và chi phí, và về mức tiêu thụ năng lƣợng của mạng. Để xác định mức tiệu thụ
năng lƣợng của mạng, họ đã sử dụng thông tin về số lƣợng các loại thiết bị mạng và
mức tiêu thụ năng lƣợng của các thiết bị này, nhƣ đƣợc mô tả chi tiết ở [20]. Nhƣ
đƣợc mơ tả trong Hình 1.6 , việc khai thác mơ hình đã nhấn mạnh, tổng tiêu thụ
năng lƣợng sẽ tăng lên khi mở rộng mạng. Về mặt này, cần lƣu ý rằng, tốc độ truy
cập trung bình ngày nay là khoảng 2Mbps. Nhƣ vậy, bắt đầu từ dữ liệu trong Hình
1.6, nhu cầu năng lƣợng ngày nay của mạng truy cập chiếm 2 lần đối với lõi.

Hình 1. 6 Cơng suất tiêu thụ trung bình mỗi ngƣời dùng trên sự gia tăng trong
tỷ lệ truy cập mạng theo kết quả trong [21]
Ƣớc tính trong Hình 1.6 cũng đƣợc xác nhận bởi một báo cáo nối bộ từ
Alcatel –Lucent , ƣớc tính rằng, trong một cấu hình mạng điển hình ISP/telco, năng
lƣợng tiêu thụ của mạng lƣới vận chuyển và mạng lõi chiếu 30% yêu cầu mạng, và
các thiết bị truy cập có trọng lƣợng là 70% (Hình 1.8).
Trong mạng truy cập băng thơng rộng ngày nay, tiêu thụ năng lƣợng bị chi
phối bởi năng lƣợng trong modem ngƣời dùng. Mạng quang thụ động (PON –
Passive Optical Network) cung cấp giải pháp năng lƣợng thấp nhất cho mạng truy

12

cập băng thông rộng đối với công nghệ Ethernet điểm – điểm, cáp quang – node
(FTTN – Fiber – To – The – Node) và kĩ thuật Wi – Max. Tính năng này của PON
có thể trở thành động lực thúc đẩy triển khai PON trong tƣơng lai để đáp ứng những
lo ngại về tác động của hiệu ứng khí thải nhà kính của Internet. Hơn nữa các tác giả
đã cho thấy ở nơi khác [22] các tốc độ tiêu thụ truy cập thấp trong mạng DSL cũng
tƣơng tự nhƣ của PON.
Tucker et al. cuối cùng chứng minh rằng mức tiêu thụ năng lƣợng trong các
bộ định tuyến – đặc biệt là trong lõi – sẽ trở nên quan trọng hơn khi tỷ lệ truy cập
của ngƣời dùng tăng lên. Năng lƣợng tiêu hao trong các liên kết WDM tƣơng đối
nhỏ. Có rất ít bằng chứng cho thấy chuyển mạch quang – the optical burst switching
hoặc chuyển mạch gói quang – optical packet switching sẽ làm giảm đáng kể chi
phí hoặc tiêu thụ năng lƣợng trong các mạng công suất cao trong tƣơng lai.
Về mặt này, kết luận của Tucker đƣợc xác nhận bởi xu hƣớng thể hiện trong Hình
1.7, báo cáo rằng năng lực và tiệu thụ công suất của router cao cấp phát triển theo
một hàm số mũ, bằng một yếu tố là 2,5 và 1,65 sau mỗi tháng trên mỗi rank cơ sở.
Cụ thể hơn dữ liệu trong Hình 1.7 đã đƣợc thu thập bởi [28] và hồn thành các
thơng số kĩ thuật của bộ định tuyến hàng đầu hiện nay ( ví dụ: Cisco CRS -1[22],
Juniper T1600[24], Huawei Quidway 500E[25], Brocade Netlron XMR160000 và
320000[26]….)

Hình 1. 7 Sự phát triển về năng lực và yêu cầu năng lƣợng của bộ định tuyến
cao cấp từ năm 1985 đến 2010.

13


―Ƣớc tính trên mỗi rack cơ sở [26][23][24][25][29].‖

Hình 1. 8 Các yêu cầu về mật độ truy cập,mạng metro và các thiết bị lõi và các

yêu cầu về năng lƣợng trong các mạng.
―Hình hiện nay do cơng ty viễn thơng triển khai, và các yêu cầu về năng lƣợng nói
chung của mạng truy nhập và mạng lõi/mạng metro.‖

1.3 Các biện pháp tối ƣu mạng năng lƣợng thấp
Mục này nhằm giới thiệu các khái niệm và phƣơng pháp tiếp cận quan trọng
nhất hiện đang đƣợc tiến hành bởi các cộng đồng nghiên cứu và cộng đồng công
nghiệp nhằm giảm nhu cầu năng lƣợng mạng. Để thực hiện mục đích này, các mục
đƣợc tổ chức nhƣ sau. Lý do sử dụng hiệu quả năng lƣơng trong thông tin truyền
thông ICT và cách tiếp cận hiện tại có thể áp dụng cho các mạng có dây đƣợc thảo
luận trong mục 1.3.1. Mục 1.3.2 cố gắng mô tả các nguồn tiêu thụ năng lƣợng quan
trọng nhất trong các thiết bị mạng ngày nay. Cuối cùng, mục 1.3.3 giới thiệu phân
loại các phƣơng pháp tiếp cận mạng xanh, gần đây đã đƣợc thực hiện nhằm giảm
chất thải năng lƣợng trong các thiết bị viễn thông.
1.3.1 Lý do
Khái niệm hiệu quả năng lƣợng còn xa mới đƣợc sử dụng trong silicon cho
mục đích chung cho các hệ thống máy tính. Sự hỗ trợ đầu tiên của quản lý công suất
đã đƣợc giới thiệu với bộ xử lý intel 486 – DX, và phiên bản chính thức đầu tiên
của tiêu chuẩn ACPI (Advanced Configuration & Power Interface) [27] đƣợc xuất
bản năm 1996. Tuy nhiên, với thời gian, nhiều cơ chế tiết kiệm năng lƣợng đã đƣợc
giới thiệu và cải tiến HW đã đƣợc thực hiện, vì vậy CPU có thể tiêu thụ năng lƣợng
ít hơn và hiệu quả hơn.

14


Về các giải pháp cụ thể của mạng, một mục lớn các thiết bị mạng hiện đại
(gói) có nguồn gốc từ cơng nghệ máy tính; ở đây, sự tiến triển đã đƣợc tiến hành
bằng cách bao gồm mỗi lần phƣơng pháp mới HW và các yếu tố silicon tùy biến để
giảm phức tạp nhất và các hoạt động xử lý thời gian truyền thơng tin quan trọng.

Do đó, việc giới thiệu các cơng nghệ và tiêu chí tiết kiệm năng lƣợng cụ thể
đòi hỏi phải mở đƣờng dẫn mới trong nghiên cứu và phát triển công nghiệp để vƣợt
qua những hạn chế do các bộ phận bên trong của thiết bị mạng có những đặc điểm
và yêu cầu khác nhau đối với mục đích chung HW.
Cơng việc đột phá về tiêu thụ năng lƣợng trên Internet đƣợc thực hiện bởi
Gupta et al.[60] đã có trong năm 2003, và bởi Christensen et al. trong năm
2014[92], cho thấy đây là một vấn đề bắt buộc để nâng cao hiệu suất năng lƣợng
của toàn bộ mạng Internet. Tuy nhiên, gần đây (2008 – 2009) các nhà nghiên cứu,
các nhà điều hành, và các nhà sản xuất thiết bị đã bắt đầu nỗ lực của mình theo
hƣớng này một cách ồ ạt.
Cho đến nay, tất cả những nỗ lực đầu tiên này chủ yếu dẫn đến các công
nghệ và giải pháp khôn ngoan, đề cập đến các môi trƣờng cụ thể và/hoặc các giao
thức, và không cho phép phát triển nhanh và hiệu quả và truyền thông tin rộng rãi
nhận thức về năng lƣợng trong các thiết bị viễn thông và cơ sở hạ tầng. Hơn nữa,
việc thiếu một phƣơng pháp tiếp cận chuẩn hóa và hỗ trợ các cơng nghệ kế thừa cho
hiệu suất năng lƣợng trong mạng làm cho các sáng kiến cơng nghiệp liên quan trở
nên cựu kì tốn kém và khơng hiệu quả về mặt kinh tế (cần phải có các hoạt động
phát triển đa dạng để giảm nhu cầu năng lƣợng của các thiết bị khác nhau và các bộ
phận của chúng)
1.3.2 Năng lƣợng khí thải bên trong các nguồn thiết bị
Để đối mặt với vấn đề hiệu suất năng lƣợng trong các mạng đƣờng dây ngày
nay và ngày mai, trƣớc hết chúng ta phải hiểu và mô tả chính xác các nguồn chất
thải thực sự. Nhƣ đã trình bày trong mục 1.2 (xem Hình 1.5, Hình 1.6, Hình 1.8) các
thiết bị mạng làm việc trong các mục mạng khác nhau đóng một vai trị trung tâm,
vì mức tiêu thụ năng lƣợng tổng thể trong các mạng phát sinh từ yêu cầu công suất
hoạt động và mật độ của chúng

15