Đồ Án Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các trung tâm dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động thường ngày của các tổ chức như trường học, doanh nghiệp, viện nghiên cứu. Những trung tâm dữ liệu này cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội đang tăng lên nhanh chóng về cả quy mô và số lượng. Số lượng máy chủ trong mỗi trung tâm dữ liệu đang tăng lên rất nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin mọi người trong xã hội. Do đó một điều tất yếu là số lượng các thiết bị chuyển mạch để kết nối các máy chủ lại với nhau cũng phải tăng lên. Điều này làm cho nhu cầu về điện năng tiêu thụ bởi các trung tâm dữ liệu ngày càng tăng lên tỉ lệ với kích thước của các trung tâm này. Và bài toán được đặt ra cho các nhà nghiên cứu và các nhà phát triển là làm sao có thể giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu này mà khả năng xử lý thông tin vẫn được đảm bảo. Từ yêu cầu thực tế trên, nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị điểu khiển giúp tiết kiệm năng lượng cho các bộ chuyển mạch trong trung tâm dữ liệu và cũng đã chế tạo thành công các bộ chuyển mạch có khả năng tự tiết kiệm năng lượng. Những kết quả đạt được đã và đang mở ra một hướng đi mới rất khả thi cho việc phát triển, sản xuất đại trà các thiết bị mạng tiết kiệm năng lượng cũng như giúp các nhà quản lý trung tâm dữ liệu theo dõi công suất tiêu thụ của toàn trung tâm dữ liệu, mức tiết kiệm năng lượng.
Sau một thời gian lao động miệt mài, nhóm tác giả đã hoàn thành đồ án với đề tài:“Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm dữ liệu”
Nhờ những cố gắng không ngừng, tác giả đã gặt hái được một số kết quả nhất định. Mặc dù vậy, do thời gian có hạn nên một số ý tưởng vẫn chưa được thực hiện và kết quả nghiên cứu không tránh khỏi một vài sai sót nhỏ. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè.
Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới:

• Cô giáo TS. Trần Ngọc Lan
• Thầy giáo TS. Trần Minh Trung
• Thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Dũng
• Thầy giáo TS. Phạm Ngọc Nam
• Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh
• Cô giáo TS. Trương Thu Hương
• Các bạn K51, K52, K53 trong nhóm OpenFlow
• Tập thể lớp KSTN-ĐTVT-K52
• Viện Điện Tử - Viễn Thông, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
• Cùng toàn thể gia đình và bạn bè

đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu.
Đồ án được thực hiện trong khuôn khổ của dự án “Giảm điện năng tiêu thụ của mạng cơ sở dữ liệu dựa trên kĩ thuật lưu lượng (ECODANE)“ do PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh chủ trì.
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm dữ liệu”
Trung tâm dữ liệu đóng một vai trò quan trọng trong các hoạt động thường ngày của mọi người. Sự mở rộng không ngừng cả về phạm vi và quy mô của các trung tâm dữ liệu dẫn đến thực trạng mức tiêu thụ năng lượng quá lớn. Các ảnh hưởng của điều này không chỉ về giá cả mà còn về môi trường khi lượng khí độc hại thải ra từ các trung tâm dữ liệu là một vấn đề rất đáng quan tâm. Một trong những giải pháp được đưa ra đó là điều khiển một cách thông minh việc tiêu thụ năng lượng của các bộ chuyển mạch được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu. Nhóm tác giả thực hiện đồ án đã đưa ra các cải tiến cho các bộ chuyển mạch OpenFlow nhằm mục đích hỗ trợ các chế độ tiết kiệm năng lượng khác nhau. Sự cải tiến này bao gồm định nghĩa các bản tin mới theo chuẩn giao thức OpenFlow, thiết kế bộ điều khiển các chuyển mạch OpenFlow (OSC) có khả năng bật tắt các bộ chuyển mạch và các port. Hơn nữa, nhóm tác giả đã tích hợp các cải tiến này lên chính các bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng khả trình NetFPGA trong khuôn khổ dự án ECODANE[1]. Các kết quả được trình bày trong đồ án này có thể được sử dụng bởi các nhà sản xuất chuyển mạch OpenFlow hoặc những nhà nghiên cứu về năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng.

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC HÌNH VẼ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU xi
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xii
PHẦN MỞ ĐẦU 1
Chương 1. Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu và giải pháp sử dụng mạng OpenFlow 2
1.1 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu. 2
1.2 Giải pháp sử dụng mạng OpenFlow 6
1.2.1 Sự cần thiết cho một kiến trúc mạng mới 6
1.2.2 Mục tiêu của mạng OpenFlow 7
1.2.3 Giao thức OpenFlow 9
1.2.4 Lợi ích của mạng SDN dựa trên giao thức OpenFlow 11
1.3 Kết luận chương. 13
Chương 2. Ứng dụng mạng OpenFlow trong trung tâm dữ liệu trên nền tảng NetFPGA 15
2.1 Giới thiệu công nghệ mạch tổ hợp FPGA 15
2.1.1 Các công nghệ mạch tổ hợp. 15
2.1.2 Ứng dụng của FPGA 16
2.1.3 Kiến trúc của FPGA 17
2.1.4 Các bước thiết kế với FPGA của Xilinx. 21
2.1.5 Phần mềm ISE. 23
2.2 Chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng kit NetFPGA 24
2.2.1 Kiến trúc bộ chuyển mạch OpenFlow 24
2.2.2 Giới thiệu về NetFPGA 26
2.2.3 Làm việc với một dự án NetFPGA 30
2.2.4 Xây dựng bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA 34
2.3 Kết luận chương. 38
Chương 3. Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền tảng kit NetFPGA trong thực tế 39
3.1 Giới thiệu mô hình thử nghiệm 39
3.2 NOX controller 40
3.3 Xây dựng chuyển mạch OpenFlow 44
3.3.1 Cài đặt các gói phần mềm cơ bản. 44
3.3.2 Biên dịch và tải Driver xuống NetFPGA 49
3.3.3 Cài đặt NetFPGA OpenFlow switch. 50
3.3.4 Xây dựng mạng chuyển mạch OpenFlow 52
3.4 Kết luận chương. 55
Chương 4. Thiết kế bộ điều khiển chuyển mạch. 56
4.1 Giải pháp tiết kiệm năng lượng. 56
4.2 Yêu cầu chức năng và phi chức năng. 57
4.3 Thiết kế phần cứng. 58
4.3.1 Sơ đồ khối thiết kế. 58
4.3.2 Khối điều khiển (Main controller): 59
4.3.3 Khối đóng ngắt port (ON/OFF Port Circuit) 61
4.3.4 Khối đóng ngắt chuyển mạch (ON/OFF Switch Circuit): 62
4.3.5 Kết quả đạt được. 62
4.4 Thiết kế phần mềm 64
4.4.1 Giao thức OpenFlow 64
4.4.2 Trao đổi gói tin với bộ điều khiển. 67
4.4.3 Mã nguồn mở LwIP. 68
4.4.4 Thiết kế bản tin OpenFlow và kết quả đạt được. 70
4.5 Kết luận chương. 78
Chương 5. Thiết kế khối tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow 79
5.1 Giải pháp tiết kiệm năng lượng. 79
5.2 Thiết kế phần cứng. 81
5.2.1 Làm việc với phần cứng của chuyển mạch OpenFlow 81
5.2.2 Vị trí của khối Clock controller 83
5.2.3 Ghép nối với các khối khác trong User data path. 86
5.2.4 Thiết kế khối clock controller 88
5.3 Thiết kế phần mềm 91
5.3.1 Truyền, nhận và xử lý bản tin từ bộ điều khiển. 91
5.3.2 Làm việc với phần mềm của chuyển mạch OpenFlow 92
5.3.3 Xây dựng và triển khai các chức năng mới 94
5.4 Kết luận chương. 96
Chương 6. Thực hiện đo đạc và kết quả. 97
6.1 Cơ sở hạ tầng thiết lập testbed. 97
6.2 Bộ điều khiển chuyển mạch. 99
6.2.1 Thiết lập hệ thống. 99
6.2.2 Test hệ thống. 100
6.2.3 Kết quả. 101
6.3 Chuyển mạch OpenFlow có chức năng tiết kiệm năng lượng. 104
6.3.1 Thiết lập hệ thống. 104
6.3.2 Test hệ thống. 106
6.3.3 Kết quả. 106
6.4 Kết luận chương. 106
Kết luận và hướng phát triển của đề tài 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108
PHỤ LỤC 110
Phụ lục 1: Code OpenFlow.c. 110
Phụ lục 2: Code clock_controller.v. 114