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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
1. Năng lượng tiêu thụ của thiết bị mạng trong trung tâm dữ liệu ----------------------- 1
2. Những vấn đề còn tồn tại ------------------------------------------------------------------------- 3
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ------------------------------------------------ 4
 Mục tiêu nghiên cứu: --------------------------------------------------------------------------------------4
 Đối tượng nghiên cứu: ------------------------------------------------------------------------------------5
 Phạm vi nghiên cứu: ----------------------------------------------------------------------------------------5
4. Cấu trúc nội dung của luận án ------------------------------------------------------------------ 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG TRUNG TÂM
DỮ LIỆU--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
1.1. Giới thiệu chương ----------------------------------------------------------------------------- 7
1.2. Trung tâm dữ liệu và tầm quan trọng ---------------------------------------------------- 7
1.2.1. Trung tâm dữ liệu ---------------------------------------------------------------------------------------------7
1.2.2. Trung tâm dữ liệu xanh -------------------------------------------------------------------------------------8
1.3. Các kiến trúc mạng của trung tâm dữ liệu ----------------------------------------------- 9
1.3.1. Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu truyền thống -----------------------------------------------9
1.3.2. Kiến trúc Fat-Tree cho trung tâm dữ liệu ------------------------------------------------------- 10
1.4. Kiến trúc mạng ECODANE ------------------------------------------------------------------ 11
1.5. Thuật toán tối ưu đồ hình mạng ECODANE ------------------------------------------ 12
1.6. Các công nghệ phát triển kiến trúc mạng ECODANE -------------------------------- 13
1.6.1. Công nghệ OpenFlow -------------------------------------------------------------------------------------- 13
1.6.2. Bộ điều khiển OpenFlow NOX / POX -------------------------------------------------------------- 17
1.6.3. Công nghệ NetFPGA ---------------------------------------------------------------------------------------- 18
1.6.4. Chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA ------------------------------------------ 20
1.7. Tổng kết chương ----------------------------------------------------------------------------- 23
CHƯƠNG 2 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CHUYỂN MẠCH OPENFLOW --------------- 24
2.1. Giới thiệu chương --------------------------------------------------------------------------- 24
2.2. Phân bổ năng lượng của chu ển mạch Op nFlo ---------------------------------- 24
2.2.1 Hệ thống đo đạc năng lượng tiêu thụ của Kit NetFPGA-1G --------------------------- 24
2.2.2 Đặc tính năng lượng chi tiết của Kit NetFPGA-1G ------------------------------------------ 26
2.2.2.1. Đặc tính năng lượng cơ bản (năng lượng tiêu thụ tĩnh) -------------------------- 26
2.2.2.2. Đặc tính năng lượng của giao diện mạng------------------------------------------------- 27
2.2.2.3. Đặc tính năng lượng động ------------------------------------------------------------------------ 27
2.2.2.4. Đặc tính năng lượng của các khối chức năng OpenFlow trên nền FPG -- 27
2.2.2.5. Kết quả đo lường -------------------------------------------------------------------------------------- 28
2.3. Giải pháp giảm tần -------------------------------------------------------------------------- 28
2.3.1. Nguyên lý giảm tần ----------------------------------------------------------------------------------------- 29
2.3.2. Thiết kế khối điều khiển tần số CC (Clock Controller) ------------------------------------ 29
2.3.3. Mở rộng bản tin OpenFlow điều khiển giảm tần -------------------------------------------- 30
2.4. Giải pháp điều khiển trạng thái các cổng Eth rn t ---------------------------------- 32
2.4.1. Nguyên lý thay đổi tốc độ liên kết (link_rate) ------------------------------------------------ 32
2.4.2. Mở rộng bản tin OpenFlow điều khiển cổng Ethernet ----------------------------------- 35
2.5. Giải pháp thiết kế chu ển mạch Op nFlo tiết kiệm năng lượng dưới sự điều
khiển của NOX / POX------------------------------------------------------------------------ 36
2.5.1. Thiết kế phần cứng chuyển mạch ------------------------------------------------------------------- 36
2.5.2. Thiết kế phần mềm chuyển mạch------------------------------------------------------------------- 38
2.5.2.1. Truyền, nhận và xử lý bản tin từ bộ điều khiển --------------------------------------- 38
2.5.2.2. Xây dựng phần mềm điều khiển -------------------------------------------------------------- 39
2.5.2.3. Định nghĩa chế độ làm việc cho chuyển mạch OpenFLow ----------------------- 41
2.5.2.4. Mở rộng bản tin OpenFlow cho các chế độ làm việc ------------------------------ 42
2.6. Giải pháp thiết kế chu ển mạch Op nFlo tự động tiết kiệm năng lượng th o
lưu lượng đầu vào ---------------------------------------------------------------------------- 44
2.6.1. Giải pháp thiết kế -------------------------------------------------------------------------------------------- 44
2.6.2. Thiết kế khối phát hiện dữ liệu trên chuyển mạch OpenFlow ----------------------- 45
2.6.2.1. Vị trí khối phát hiện dữ liệu ---------------------------------------------------------------------- 45
2.6.2.2. Xây dựng khối phát hiện dữ liệu -------------------------------------------------------------- 47
2.6.3. Thiết kế khối điều khiển tần số FC (Frequency Controller) ---------------------------- 52
2.6.4. Định nghĩa các chế độ hoạt động cho chuyển mạch OpenFlow --------------------- 54
2.7. Hệ thống đo đạc và kết quả đạt được -------------------------------------------------- 55
2.7.1. Kết quả đo đạc giải pháp giảm tần ----------------------------------------------------------------- 56
2.7.2. Kết quả đo đạc giải pháp thay đổi trạng thái cổng Ethernet -------------------------- 56
2.7.3. Kết quả đo đạc chuyển mạch OpenFlow tiết kiệm năng lượng dựa trên bộ
điều khiển NOX (POX) ------------------------------------------------------------------------------------- 57
2.7.4. Kết quả đo và đánh giá chuyển mạch tự động tiết kiệm theo lưu lượng đầu
vào -------------------------------------------------------------------------------------------- 58
2.7.4.1. Kết quả đo công suất tiêu thụ của chuyển mạch ------------------------------------- 58
2.7.4.2. Đánh giá khả năng đáp ứng của chuyển mạch mới --------------------------------- 61
2.8. Tổng hợp kết quả đo của các giải pháp đề xuất-------------------------------------- 63
2.9. Tổng kết chương ----------------------------------------------------------------------------- 64
CHƯƠNG 3 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
MÔ HÌNH HÓA NĂNG LƯỢNG CHO CHUYỂN MẠCH ---------------------------------------------- 65
3.1. Giới thiệu chương --------------------------------------------------------------------------- 65
3.2. Chỉ số tỉ lệ năng lượng tương đối (EPI) ------------------------------------------------ 66
3.3. Mô hình tu ến t nh của công suất tiêu thụ -------------------------------------------- 67
3.4. Xâ dựng thuật toán t nh đư ng biên công suất cực tiểu ------------------------ 68
3.5. Xâ dựng thuật toán t nh đư ng biên công suất cực đại ------------------------- 70
3.6. T nh toán đư ng cong công suất trung bình ------------------------------------------ 71
3.7. Đề xuất chỉ số công suất trung bình (API) --------------------------------------------- 72
3.8. Đánh giá hiệu năng -------------------------------------------------------------------------- 73
3.8.1. Biểu đồ sử dụng năng lượng của chuyển mạch NetFPGA ------------------------------ 73
3.8.2. So sánh hiệu quả sử dụng năng lượng giữa chuyển mạch NetFPGA-1G với
chuyển mạch thương mại ------------------------------------------------------------------------------- 74
3.9. Tổng kết chương ----------------------------------------------------------------------------- 78
CHƯƠNG 4 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 79
GIẢI PHÁP WOL CHO CHUYỂN MẠCH OPENFLOW ------------------------------------------------ 79
4.1. Giới thiệu chương --------------------------------------------------------------------------- 79
4.2. Định ngh a chế độ Sl p cho chu ển mạch Op nFlo ----------------------------- 79
4.3. Thiết kế chức năng WOL cho chu ển mạch Op nFlo ----------------------------- 80
4.3.1. Mở rộng bản tin OL ------------------------------------------------------------------------------------- 80
4.3.2. Thiết kế chức năng OL cho chuyển mạch ---------------------------------------------------- 82
4.4. Kết quả thực nghiệm ------------------------------------------------------------------------ 83
4.4.1. Công suất của chuyển mạch ở hai chế độ sleep --------------------------------------------- 83
4.4.2. Kiểm tra phương pháp OL cho chuyển mạch OpenFlow --------------------------- 85
4.5. Tổng kết chương ----------------------------------------------------------------------------- 87
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ------------------------------------------------------------------- 88
Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án ------------------------------------------ 88
Đóng góp khoa học của luận án ------------------------------------------------------------------ 89
Hướng phát triển trong th i gian tới ----------------------------------------------------------- 89
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ------------------------------------- 90
Bài báo tạp ch và hội thảo trong và ngoài nước --------------------------------------------- 90
Đề tài nghiên cứu tham gia ------------------------------------------------------------------------ 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------------------------------- 92
PHỤ LỤC ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 92
Phương pháp đo công suất các khối chức năng trong chu ển mạch Op nFlo ----- 91
MỞ ĐẦU
1. Năng lượng tiêu thụ của thiết bị mạng trong trung tâm dữ liệu
Ngày nay, những ứng dụng của hệ thống mạng như điện toán đám mây, mạng xã hội
hay dịch vụ đa phương tiện đã trở nên rất phổ biến. Sự gia tăng về lưu lượng trong mạng
Internet cũng như trong các trung tâm dữ liệu, năng lượng cần thiết để vận hành cơ sở hạ
tầng mạng lõi và hệ thống trung tâm dữ liệu cũng tăng lên đáng kể. Theo nghiên cứu, các
trung tâm dữ liệu điều tra dân số toàn cầu Dynatmics 2012 cho thấy, năng lượng tiêu thụ
của các trung tâm dữ liệu giữa các năm 2011 và 2012 trên toàn cầu tăng 63% [65]. Trong
nghiên cứu của Baliga và các cộng sự [4], năng lượng tiêu thụ của mạng Internet
toàn cầu sẽ tăng rất nhanh trong thời gian tới (2010 - 2020). Trong đó các thiết bị mạng
chiếm từ 20% đến 30% năng lượng tiêu thụ [19][56]. Chi phí năng lượng cho trung tâm dữ
liệu chiếm 44% tổng chi phí hoạt động [58]. Đồng thời, với mức tiêu thụ năng lượng rất
lớn, các trung tâm dữ liệu đang thải ra khoảng từ 2% đến 4% lượng khí thải cacbon, với đà
phát triển công nghiệp hiện nay, con số đó có thể tăng gấp đôi vào khoảng năm 2020
[58][54].
Một trong những nguyên nhân của tình trạng trên là do mạng Internet nói chung cũng
như các trung tâm dữ liệu nói riêng được thiết kế để có thể chịu tải tại giờ cao điểm ban
ngày và ban đêm khi lưu lượng tải đạt giá trị cực đại. Tuy nhiên tại các khoảng thời gian
còn lại (từ 0am – 6am), lúc này lưu lượng trên mạng thường thấp hơn nhiều so với lưu
lượng tối đa [19][40]. Mặt khác các thiết bị mạng hiện nay được thiết kế để có khả năng xử
lý tối đa lượng tải tại mọi thời điểm. Điều này dẫn đến hiệu năng về mặt năng lượng của
các thiết bị mạng hiện nay khá thấp. Theo công trình nghiên cứu của Neilson [37], trong
vòng 18 tháng lưu lượng của một bộ định tuyến tăng khoảng 2,5 lần, lưu lượng trên mạng
Internet tăng 2 lần, trong khi đó độ tiết kiệm năng lượng của bộ định tuyến chỉ tăng 1,65
lần. Vấn đề này, có thể thấy rằng các thiết bị mạng hiện nay nhìn chung khả năng tiết kiệm
năng lượng chưa theo kịp tốc độ tăng lưu lượng sử dụng ở trung tâm dữ liệu.
Ngoài ra, năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng hiện tại khá tĩnh, nghĩa là năng
lượng tiêu thụ của thiết bị trong trạng thái tải thấp, hoặc trạng thái nghỉ cao gần bằng năng
lượng tiêu thụ trong trường hợp tải cao. Hầu hết các thiết bị mạng hiện nay không sử dụng
năng lượng một cách hiệu quả. Công trình nghiên cứu của của Mahadevan [48] và Heller
[19], đã đưa ra khái niệm về tỉ lệ năng lượng (EPI), trong đó nói rằng một thiết bị mạng
được gọi là tiết kiệm năng lượng nếu năng lượng tiêu thụ của nó tỉ lệ thuận với lưu lượng
đang sử dụng. Một nhược điểm của EPI là chỉ phản ánh được sự khác nhau giữa năng
lượng tiêu thụ của chế độ hoạt động hết công suất so với chế độ nghỉ. EPI không chỉ ra
được rõ ràng mức năng lượng tiêu thụ và năng lượng tiết kiệm tại một mức lưu lượng được



sử dụng nhất định.
Hiện nay, có một số phương pháp nghiên cứu năng lượng tiêu thụ hợp lý cho chuyển
mạch trong trung tâm dữ liệu [8]. Về cơ bản, phần lớn các phương pháp này được phân
loại như sau:
(1) Tái thiết kế (Re-engineering): Tái thiết kế là phương pháp tiếp cận nhằm mục
đích khai thác hiệu quả năng lượng nhiều hơn nữa nhờ thiết kế lại các công nghệ bên trong
các kiến trúc của thiết bị mạng, bao gồm công nghệ bán dẫn mới, công nghệ lưu trữ mới
cho các công cụ xử lý gói tin hay các công nghệ giao diện mới cho các đường dẫn mạng
[20][21][51][3]][57]. Trong [21][5], các tác giả đưa ra một phương pháp để thay thế điện
tử bằng quang học do thành phần quang học tiêu thụ năng lượng ít hơn điện tử. Một nghiên
cứu khác đưa ra một phương pháp để giảm bớt độ phức tạp của kiến trúc chuyển mạch. Ví
dụ, Congdon và cộng sự [47] đề xuất khái niệm đổi mới dự đoán luồng dữ liệu để giảm bớt
năng lượng tiêu thụ nhằm bỏ qua quá trình tìm kiếm đường đi đầy đủ của gói tin bên trong
chuyển mạch.
(2) Tương thích động (Dynamic adaptation): Sự thích ứng động của các thiết bị
nguồn [36][11][7][9] được thiết kế để hiệu chỉnh khả năng của các công cụ xử lý gói tin và
giao diện mạng nhằm đáp ứng đúng tải thực tế. Điều đó có thể thực hiện bằng việc sử dụng
hai hướng được liệt kê sau: (1) Phân mức năng lượng cho phép giảm tốc độ làm việc của
thiết bị xử lý hoặc giao diện kết nối. (2) trạng thái nghỉ vậy lý cho phép giảm năng lượng
tiêu thụ bằng cách tắt bớt các khối con khi không có hoạt động nào được thực hiện, và
đánh thức các khối con đó khi hệ thống có một yêu cầu mới.
(3) Chế độ nghỉ thông minh (Smart sleeping/standby): Chế độ nghỉ thông minh
tập trung tiếp cận vào việc cho phép mạng và thiết bị sử dụng có thể chuyển qua chế độ
tiêu thụ ít năng lượng, trạng thái gọi là idle và trong cùng quãng thời gian đó vẫn có thể
đáp ứng được các yêu cầu từ mạng [6][10][12].
Xuất phát từ nhiều góc nhìn khác nhau về các phương pháp tiếp cận khác nhau của
các kiến trúc cũng như các thiết bị chuyển mạch có khả năng tiết kiệm năng lượng, ta nhận
ra được rằng việc phân tích và thiết kế các hệ thống tiết kiệm năng lượng lớn và phức tạp
thường thiếu sự phát triển phần cứng và kiểm tra trên môi trường thực tế. Trong nhiều cách
tiếp cận, chuyển mạch NetFPGA [38][29] là nền tảng phần cứng cung cấp cho các nhà
nghiên cứu mạng một phương thức nghiên cứu nhanh chóng các thử nghiệm hay các thay
đổi mới. Hơn nữa, các bộ chuyển mạch NetFPGA hoàn toàn hỗ trợ công nghệ OpenFlow
[34], một công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm SDN (Software Defined
Networking) [53] cho phép phân cách luồng tin điều khiển và luồng dữ liệu. OpenFlow
cung cấp một sự linh hoạt để điều khiển và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ không chỉ trong
một chuyển mạch mà còn đối với toàn bộ mạng lưới. Đặc tính năng lượng của các bộ
chuyển mạch NetFPGA lần đầu tiên được phân tích bởi Sivaraman và cộng sự trong [52],
giới thiệu mô hình năng lượng cho chuyển mạch NetFPGA và tiến hành thí nghiệm cho
phép phân tích năng lượng tiêu thụ trong Kit NetFPGA theo mức gói tin (packet) và byte.
Trong [32], điện năng tiêu thụ của NetFPGA dưới hai tần số, cụ thể là 125MHz là tần số
hoạt động thường xuyên và tần số 62.5MHz được nghiên cứu. Một phát hiện quan trọng là
điện năng tiêu thụ của các chuyển mạch được giảm đáng kể ở tần số 62.5MHz. Ngoài ra,
sự phụ thuộc năng lượng vào tốc độ dữ liệu và kích thước gói đã được chỉ ra ở [62].
Một số nghiên cứu để giảm năng lượng tiêu thụ bằng cách điều chỉnh các tốc độ liên
kết (link rate) của NetFPGA tương ứng với lưu lượng bằng cách thay đổi tần số hoạt động.
Trong [63], một khối giám sát tần số được sử dụng trong chip FPGA để tạo ra sáu tần số
đồng hồ khác nhau, từ 3.096MHz đến 125MHz. Mặt khác, [18] đề xuất một phương pháp
tiết kiệm năng lượng bằng cách thay đổi tần số của giao diện mạng (nhưng không phải là
lõi FPGA) dựa trên chiều dài hàng đợi các gói tin đến.
Trong các nghiên cứu [40][42][41], đề xuất một hệ thống thử nghiệm ECODANE
(Reducing Energy COnsumption in DAta Centre NEtworks based on Traffic Engineering)
nhằm tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu. Hệ thống này là sự kết hợp của các nút
ảo và các bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA-1G. Một thuật toán tối ưu
hóa năng lượng RA-TAH (Rate - Adaptive Topology - Aware Heuristic) [42] tối ưu hóa
năng lượng tiêu thụ tổng thể của mạng bằng cách kết hợp chế độ ngủ thông minh thích ứng
với tốc độ trên chuyển mạch bằng cách thay đổi tần số đồng hồ của NetFPGA liên quan
đến việc sử dụng lưu lượng truy cập của chuyển mạch.