Công nghệ chuyển mạch quang cho các trung tâm dữ liệu (DC) TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - LƯU VĂN DƯƠNG CÔNG NGHỆ CHUYỂN MẠCH QUANG CHO CÁC TRUNG TÂM DỮ LIỆU TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2022 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Cao Hồng Sơn Phản biện 1: ……………TS Nguyễn Chiến Chinh……………… Phản biện 2: ……………PGS.TS Lê Trung Thành……………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 30 ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Chúng ta sống thời đại 4.0, lĩnh vực sống dần chuyển để theo kịp với thời đại số như: Công nghệ thông tin, Y học, Xây dựng, vv… lĩnh vực Điện tử- Viễn thông điều thiếu Xu phát triển mạng giới Việt Nam xây dựng mạng truyền tải quang (OTN) cho mạng hệ (NGN) dựa công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Những nỗ lực phi thường cơng nghệ truyền dẫn quang tập trung vào việc nghiên cứu vấn đề công nghệ mạng WDM giới dần đáp ứng nhu cầu phát triển tất yếu mạng Có nhiều vấn đề cần phải giải mạng OTN nhằm ngày hồn thiện đặc tính mạng Trong vấn đề đó, chuyển mạch quang mạng OTN coi hướng hấp dẫn có ý nghĩa Một mặt, kỹ thuật cho phép xây dựng mạng truyền dẫn quang linh hoạt bảo đảm thông suốt lưu lượng thông tin lớn Mặt khác cho phép nâng cao tính thơng minh cho lớp quang đơn giản hoá nhiều cấu trúc mạng Điều có tác động lớn tới việc xây dựng, khai thác bảo dưỡng mạng có hiệu sau Việt Nam trở thành điểm đến đầu tư hấp dẫn doanh nghiệp nước ngồi, có hãng công nghệ lớn giới Cùng với nhu cầu đẩy mạnh ứng dụng cơng nghệ thông tin sâu rộng vào tất lĩnh vực, nên nhu cầu sử dụng dịch vụ trung tâm liệu (DC) lớn Và ngày 11/4/2017, Hà Nội Trung tâm liệu VNPT thức nhận chứng Uptime Tier III Uptime Institute - đơn vị chuyên đánh giá DC uy tín giới Mỹ chứng nhận Việc sử dụng cơng nghệ quang cho q trình chuyển mạch môi trường DC để giải vấn đề tồn chuyển mạch điện tử hấp dẫn Giúp cho việc điều khiển linh hoạt, nhanh chóng dễ dàng hơn, khả mở rộng kiến trúc chuyển mạch gói quang (OPS) quy mơ lớn cho phép làm phẳng topo trung tâm liệu bên Nó cải thiện hiệu suất DC độ trễ đầu cuối- đầu cuối tiêu thụ điện năng, cho phép băng thông lớn hơn, chia sẻ tài nguyên hiệu máy chủ tránh chuyển đổi quang-điện-quang tốn phức tạp Do đề tài: “Công nghệ chuyển mạch quang cho trung tâm liệu (DC)” giúp tìm giải pháp phù hợp nhằm nâng cao hiệu công nghệ chuyển mạch cho trung tâm liệu Luận văn gồm chương trình bày vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan trung tâm liệu (DC) Chương 2: Các kiến trúc chuyển mạch quang cho trung tâm liệu Chương 3: Nút chuyển mạch quang đề xuất cho mạng trung tâm liệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM DỮ LIỆU 1.1 Giới thiệu chung Trong vài năm qua, ứng dụng tập trung vào liệu phát trực tuyến video độ nét cao, mạng xã hội, điện toán đám mây kết hợp với phổ biến rộng rãi thiết bị di động điện thoại thơng minh hay máy tính bảng góp phần vào phát triển nhanh chóng lưu lượng truy cập vào Internet Trung tâm liệu tạo thành thiết lập quan trọng Internet ngày cung cấp vô số dịch vụ từ mạng xã hội đến phép tính khoa học quy mơ lớn Mặt khác, cơng nghệ quang học có khả cung cấp băng thông truyền thông lớn sử dụng sâu rộng truyền thơng tồn cầu phải đối mặt với việc trao đổi liệu ngày gia tăng theo thời gian Toàn giới kết nối cáp quang xuyên lục địa liên kết quang học với dung lượng tổng hợp lên đến tỷ bit/s Hơn nữa, việc triển khai công nghệ cáp quang đến tận nhà (FTTH) mạng truy cập ngày tăng lên mở rộng tốc độ truy cập liệu lên đến hàng Gb/s – trả lời cho nhu cầu kết nối tốc độ cao người dùng Hay nói cách khác, cơng nghệ quang học đóng vai trị quan trọng hệ thống dịch vụ có sẵn cho người dùng: trung tâm liệu Một trung tâm liệu (DC) thực tế bao gồm thiết bị như: máy chủ (máy chủ web, máy chủ ứng dụng máy chủ sở liệu), thiết bị chuyển mạch thiết bị lưu trữ dự liệu – tất kết nối với mạng kết nối phức tạp Các tài nguyên phần cứng phần mềm khổng lồ có sẵn sở liệu cho phép cung cấp nhiều dịch vụ lúc Nhìn chung, nói trung tâm liệu quản lý, xử lý trao đổi liệu thông tin số “Trung tâm liệu định nghĩa siêu trung tâm tài nguyên máy tính lưu trữ giao tiếp rộng rãi với để phục vụ nhu cầu ngày cao khách hàng” – theo Habib cộng sự, 2012 1.2 Cấu trúc trung tâm liệu Một trung tâm liệu quy mô lớn chứa hàng trăm nghìn máy chủ Vì hình dung cấu trúc nội trung tâm mô tả kiểu kiến trúc sơ đồ hình 1.1 Hình 1: Sơ đồ cấu trúc “hình cây” trung tâm liệu Trong mơ hình cấu trúc hình 1.1 máy chủ phân thành nhánh (các giá) nhánh nhóm lại với nhàu tạo thành cụm Các máy chủ nhánh kết nối với thiết bị chuyển mạch đầu giá (TOR), kết nối nhánh cụm phân cấp bậc thứ trung tâm liệu Tuỳ thuộc kích thước trung tâm liệu nhánh xuất nhiều cụm Mơ hình kiến trúc có hai ưu điểm, dễ dàng mở rộng chịu lỗi (một thiết bị TOR thường kết nối với hai nhiều cụm máy chủ) Tuy nhiên, cấu trúc liên kết có số nhược điểm cần phải có số lượng liên kết kết nối với nhiều Hơn nữa, việc chuyển đổi trình chuyển mạch gói điện tử máy chủ liên kết chuyển mạch sang công nghệ chuyển mạch quang Nguyên nhân chủ yếu thu phát quang – điện (O – E) điện – quang (E – O), lượng tiêu thụ loại chuyển mạch điện tử chuyển mạch, đệm hay nối tiếp/khử tốc độ cao Điều làm cho máy chủ đặt nhánh khác bị ảnh hưởng độ trễ liên kết Các gói chuyển mạch trung tâm liệu trải qua nhiều chuyển đổi O – E E – O, độ trễ bị ảnh hưởng thời gian chuyển tiếp xử lý nút chuyển mạch Hơn nữa, có nút giao tiếp cấp độ khác mơ hình kiến trúc trung tâm liệu Thông thường giá chứa tới 40 máy chủ, chuyển đổi TOR thường sử dụng cho 48 cổng, phần băng thơng chuyển mạch TOR có sẵn cho việc truyền thơng rack, hạn chế khả việc liên lạc băng thông nhánh cụm khác 1.3 Viễn cảnh trung tâm liệu tương lai Trong bối cảnh số lượng trung tâm liệu để trì dịch vụ ngày gia tăng, kéo theo yêu cầu tương tác mạnh mẽ máy chủ khả tính tốn ngày tăng lên với yêu cầu kết nối nguồn phải hiệu Về mặt lý thuyết, việc tối giản bớt mạng nội trung tâm liệu, cung cấp băng thông hai chiều đầy đủ máy chủ giải vấn đề vừa nêu Các vấn đề mơ hình cấu trúc liên kết dạng sơ đồ trung tâm liệu sử dụng tối đa hoá việc chia sẻ tài nguyên hiệu suất làm việc trung tâm liệu Việc kết nối máy chủ với đối tượng khác làm giảm thiểu độ trễ giảm số lượng kết nối mạng có dây cần thiết thiết bị Hình 1.2: Sơ đồ mơ mạng nội trung tâm liệu sử dụng OPS lớp cụm Với kiến trúc mô tả hình 1.2 dẫn đến cải tiến đáng kể hiệu suất, băng thông liên lạc độ trễ góp phần làm giảm chi phí liên quan đến lượng mạng trung tâm liệu 1.4 Chi phí trung tâm liệu Bên cạnh chi phí xây dựng chi phí ban đầu cho việc mua lắp đặt phần cứng, phần mềm việc chạy hoạt động cho trung tâm liệu quy mơ lớn vấn đề tiêu tốn chủ yếu Trong báo cáo gần rằng, trung tâm liệu Hoa Kỳ ước tính đóng góp khoảng 1.5% tổng lượng tiêu thụ nước năm 2006 với 61 tỷ kWh tiêu thụ tương đương với chi phí 4.5 tỷ la Và số dự đoán tăng lên 1000 tỷ kWh vào năm 2020 Mặc dù ước tính khơng xác tốc độ tăng trưởng tiêu thụ điện trung tâm liệu chậm lại tổng công suất tiêu thụ hệ thống đại diện cho phần nhu cầu lượng giới (chiếm từ 1,1% đến 1,5%) Ngay hệ thống mạng khơng có đóng góp nhiều vấn đề lượng tiêu thụ với hệ thống mạng hiệu tiến “chìa khố” việc giảm thiểu chi phí liên quan đến lượng trung tâm liệu Việc sử dụng cơng nghệ quang q trình chuyển mạch cung cấp băng thơng truyền tải cao với độ trễ thấp đồng thời làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện Theo kết nghiên cứu việc sử dụng chuyển mạch quang trung tâm liệu giúp tiết kiêm 150 triệu đô la Đây yêu cầu đáng nhà cung cấp việc sử dụng chuyển mạch quang trung tâm liệu để hạn chế tiêu tốn điện từ làm giảm bớt chi phí mạng khác 1.5 Các đặc điểm trung tâm liệu 1.5.1 Các thành phần cốt lõi Dù phân loại nào, hoạt động trung tâm liệu hiệu đạt thông qua việc đầu tư cân vào sở vật chất trang thiết bị mà có Ngồi ra, trung tâm liệu thường chứa liệu ứng dụng quan trọng kinh doanh tổ chức, nên điều cần thiết sở thiết bị bảo mật trước kẻ xâm nhập công mạng Do vậy, yếu tố trung tâm liệu chia nhỏ sau: - Cơ sở vật chất – không gian sử dụng dành cho thiết bị CNTT - Các thiết bị phần mềm phục vụ cho hoạt động CNTT lưu trữ liệu lưu trữ ứng dụng - Thành phần hỗ trợ sở hạ tầng – thiết bị góp phần trì cách an tồn tính khả dụng cao 1.5.2 Phân loại trung tâm liệu Dựa theo tiêu chuẩn TIA-942 sở hạ tầng trung tâm liệu, phân loại thành cấp bậc với cấp bậc mức độ thấp cấp bậc mức độ tốt - Cấp 1: Cơ sở hạ tầng với đường để cấp nguồn làm mát, khơng có thành phần dự phòng Thời gian hoạt động đạt 99,671% với 28,8 downtime năm - Cấp 2: Có tất tính trung tâm liệu cấp bổ sung thêm số thành phần dự phòng khác Thời gian hoạt động đạt 99,741% với 22 downtime năm - Cấp 3: Là sở hạ tầng bảo trì đồng thời nhiều đường dẫn phân phối điện làm mát Thời gian hoạt động đạt 99,98% với 1,6 downtime năm - Cấp 4: Đáp ứng tất yêu cầu trung tâm cấp 3, bên cạnh trung tâm liệu cấp cịn có nhiều hệ thống độc lập mặt hoạt động vật lý thành phần dự phòng đường dẫn phân phối Thời gian hoạt động đạt 99,995% với 0,4 downtime năm Ngoài dựa vào quy mô hoạt động trung tâm liệu, vào lưu lượng sử dụng phân loại trung tâm liệu thành số dạng sau: - Trung tâm liệu quy mô nhỏ - Trung tâm liệu đám mây - Trung tâm liệu doanh nghiệp 1.5.3 Năng lượng tiêu thụ trung tâm liệu Theo báo cáo khảo sát gần đây, nhu cầu lượng điện tiêu thụ toàn cầu hệ thống trung tâm liệu dự kiến tăng gấp ba lần từ 340 tỷ kWh đến 1000 tỷ kWh Các nghiên cứu cho thấy hệ thống trung tâm liệu, khoảng 40%, 37% 23% lượng tiêu thụ máy chủ, lưu trữ thiết bị mạng tương ứng Đó lí tiết kiệm điện tiêu thụ phần tử mạng có tác động tích cực đến mức tiêu thụ điện tổng thể trang web trung tâm liệu 1.5.4 Tính lưu lượng trung tâm liệu Các trung tâm liệu cung cấp nhiều loại dịch vụ nhìn chung có ba loại xác định là: trung tâm liệu tư nhân, trung tâm liệu trường đại học trung tâm liệu điện toán đám mây Một vài đặc điểm chung tất lưu lượng truy cập hệ thống ví dụ là: kích thước gói trung bình, có vài đặc điểm khác theo chức môi trường như: ứng dụng luồng lưu lượng Ở đây, hiểu luồng lưu lượng kết nối thiết lập hai máy chủ với Có thể thấy khơng cần thiết phải kết nối tất máy chủ trung tâm liệu với mạng “phẳng” Tuy nhiên, kết nối cụm WSC gói quang cần số lượng lớn bắt buộc phải có cơng tắc cổng đầu vào cổng đầu Nhưng với đặc điểm kết nối việc sử dụng cấu hình chuyển đổi có tốc độ cao gói quang lại điều cần thiết Và khơng phải thách thức việc triển khai mạng quang cho trung tâm liệu 1.5.5 Độ trễ trung tâm liệu Một mạng trung tâm liệu thực tế bị ảnh hưởng nhiều đỗ trễ lần xử lý chuyển tiếp bắt buộc nút định tuyến mạng Sự chậm trễ phụ thuộc vào mục tiêu khoảng cách vật lý gói Độ trễ liên lạc nhánh lên đến 100µ, phải thêm vài trăm µs để giao tiếp cụm Bên cạnh lợi sẵn có tốc độ liên lạc bở việc sử dụng tín hiệu quang so với thiết bị điện tử kiến trúc cơng nghệ chuyển mạch quang học đóng vai trị quan trọng việc lựa chọn sử dụng cho trung tâm liệu bối cảnh Ví dụ cụ thể tính chuyển đổi cấu hình cao cơng nghệ chuyển mạch điện tử vi quang học dựa hệ thống MEMS không phù hợp với chuyển mạch trung tâm liệu 1.6: Kết luận chương Trong chương giới thiệu cách tổng quan mạng trung tâm liệu Ngồi ra, cịn trình bày cấu trúc trung tâm liễu viễn cảnh trung tâm liệu tương lai Bên cạnh cịn phân tích cụ thể chi phí trung tâm liệu Phần cuối chương đề cập đến đặc điểm trung tâm liệu, bao gồm: Các thành phần cốt lõi; Phân loại trung tâm liệu; Năng lượng tiêu thụ trung tâm liệu; Tính lưu lượng trung tâm liệu; Độ trễ trung tâm liệu CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH QUANG CHO TRUNG TÂM DỮ LIỆU 2.1 Tổng quan quang học trung tâm liệu 2.1.1 Giới thiệu chung quang học trung tâm liệu Trong trung tâm liệu tại, công nghệ quang học sử dụng cho kết nối điểm nối điểm máy chủ thiết bị chuyển mạch đầu giá (TOR) thiết bị chuyển mạch TOR chuyển mạch 10 cụm Đặc biệt, liên kết quang cự li ngắn dựa sợi đa mode (MMF) hiệu chi phí Máy chủ chuyển mạch TOR kết nối với thu phát dạng rút cắm (SFP) có tốc độ 1Gb/s Do yêu cầu khoảng cách ngắn, công suất thấp không tốn nên lựa chọn công nghệ quang học sử dụng, chủ yếu chi phí thấp tiết kiệm điện tiêu thụ thiết bị Trong trung tâm liệu, với khoảng cách xa 300m tốc độ 10Gb/s phải sử dụng thu phát đắt công suất cao dựa laser phản hồi phân tán (DFB) Các thu phát dựa DFB sử dụng để tăng băng thông kết nối tiếp cận với chi phí lượng cao Về bản, thu phát WDM hoạt động với nhiều cặp thu – phát kênh WDM khác chứa sợi quang Điều dẫn đến lợi to lớn việc mở rộng quy mô băng thông hệ thống mạng Khi SMF triển khai, số lượng kênh bước sóng tốc độ liệu kênh tăng lên băng thông tăng cường đáng kể Để tăng băng thông mạng hệ thống dựa MMF cần phải tăng số lượng kết nối chi phí lắp đặt Chúng ta hồn tồn mong đợi mạng nội trung tâm liệu phát triển theo với mạng viễn thông Các mạng đường dài mạng nội thị phát triển từ mạng truyền thống thành mạng tồn quang Ngun nhân có phát triển phát triển nhanh chóng theo yêu cầu mạng Và mạng khơng rõ ràng tín hiệu quang phải trải qua trình chuyển đổi quang - điện - quang (O – E – O) nút định tuyến Điều có nghĩa để liên tục tăng băng thơng khoảng cách truyền chi phí vận hành, bảo trì phải cao kèm theo tiêu thụ điện lớn từ dịch vụ tản nhiệt Nhưng ngược lại với điều mạng quang, có sử dụng kết nối chéo quang học ghép kênh xen/rẽ quang cấu hình lại (ROADM) cung cấp băng thơng lớn mà công suất tiêu thụ chi phí vận hành lại 2.1.2 Những yêu cầu thách thức a) Những yêu cầu với quang học trung tâm liệu Lợi việc sử dụng mạng quang ảnh hưởng tới mơ hình kiến trúc trung tâm liệu thảo luận nhiều Trong đó, lợi “làm phẳng’ kiến trúc trung tâm liệu cách sử dụng chuyển mạch gói quang OPS có khả kết nối quang học với số lượng lớn máy chủ giải vấn đề việc mang lại lợi ích rõ ràng cho mạng quang b) Thách thức quang học trung tâm liệu 12 cổng vào-ra điều khiển theo thang thời gian nano giây Trong DCN thường sử dụng sơ đồ hệ thống hình 2.1a Hình 1: Sơ đồ hệ thống DCN sử dụng OPS Trong đó, thơng tin trao đổi nội nội cụm điều khiển chuyển mạch điện tử, giao tiếp cụm xử lý OPS OPS thực kết nối cụm với cổng vào/ra tốc độ bít cao Chuyển mạch hoạt động hoàn toàn miền quang 2.2.1 Các kiến trúc chuyển mạch quang Tuỳ thuộc vào kỹ thuật chuyển mạch: thông tin trao đổi dạng thời gian thực (chuyển mạch kênh) dạng ghép kênh thông kê (chuyển mạch gói) Chuyển mạch kênh: sử dụng để thiết lập cho thông tin điểm Dữ liệu truyền tuyến thông tin truyền thời gian thực Chuyển mạch gói: thực truyền gói số liệu độc lập Mỗi gói từ cổng tới cổng khác theo đường Các gói khơng thể gửi tới nút chưa thực thành công nút trước Sau giới thiệu hai kiến trúc chuyển mạch gói quang tiêu biểu chuyển mạch điều khiển tập trung (kiến trúc Benes) chuyển mạch điều khiển phân tán (kiến trúc Spanke) 2.2.2 Kiến trúc Benes Kiến trúc Benes mạng chuyển mạch có khả tái định hình liên quan N đầu vào N đầu ra, ký hiệu (NxN) 13 Hình 2: Mơ hình tổng qt chuyển mạch tái định hình với N đầu vào theo base-d Đây mơ hình hiệu (hay sử dụng số lượng thành phần chuyển mạch trạng thái nhất) điều khiển cách đơn giản so với base-n khác Nó gồm mạng (2x2) lớp đầu vào đầu với số lượng tổng cộng (N-1) dù N chẵn hay lẻ Hai mạng (N/2 x N/2) lớp N chẵn hay mạng [(N-1)/2 x (N-1)/2] mạng [(N+1)/2 x (N+1)/2] N lẻ mơ tả hình 2.3 14 Hình 3: Mơ hình base-2 với a) N chẵn, b)N lẻ Ta tiếp tục sử dụng kiến trúc base-2 cho lớp ví dụ cụ thể mơ hình (16x16) hình 2.4 Ở đây, mạng chuyển mạch trung gian phân chia theo mơ hình base-2 15 Hình 4: a) Mơ hình chuyển mạch quang (16x16) theo base-2, b) Mạng (8x8) thuộc lớp trung gian Qua tính tốn tài liệu, thời gian điều khiển hệ thống phụ thuộc vào N.log2N sử dụng giải thuật điều khiển looping Với phức tạp mơ hình trung tâm liệu tại, trễ xử lý lớn chấp nhận 2.2.3 Kiến trúc Spanke Kiến trúc chuyển mạch Spanke kiến trúc hoàn toàn khơng nghẽn hình 2.6 Nó sử dụng thành phần tách chủ động (1 x N) ghép chủ động (N x 1) Theo mơ hình lý tưởng Spanke, thành phần hoạt động độc lập, hệ thống hồn tồn khơng nghẽn kết nối đầu vào/đầu điểm-điểm thành phần tự cấu hình, điêu khiển Khơng cần thiết phải có thiết lập/tái cấu trúc ma trận chuyển mạch Các đầu vào tự chuyển liệu tới đầu cần thiết tách (1 x N), ghép (N x 1) nhận liệu từ nhiều đầu vào lúc lựa chọn tín hiệu chuyển tiếp tới đầu 16 Hình 5: Kiến trúc chuyển mạch Spanke sử dụng tách (1xN) ghép (Nx1) có khả tự điều khiển Có thể giảm phức tạp thiết kế thực tế cách sử dụng kỹ thuật WDM vào mô hình Spanke, đưa hình 2.7 Hình 6: Kiến trúc Spanke kết hợp công nghệ WDM Chuyển mạch quang có F đầu vào (đầu ra) quang F ghép kênh (phân kênh) WDM đầu vào (đầu ra) để phân chia (kết hợp) 17 kênh bước sóng λ1 đến λM Vậy ta có chuyển mạch logic F.M x F.M (F sợi quang, sợi mang M kênh bước sóng Kiến trúc chưa đảm bảo xây dựng kết nối điểm điểm tất F.M đầu vào/đầu logic Tuy nhiên, gói đưa đến sợi quang cần thiết, tức tới cụm máy sever đích Trung tâm liệu Ở đây, chuyển mạch đầu giá đảm nhiệm việc chuyển tiếp gói tin tới sever cần thiết 2.3 Khảo sát hiệu 2.3.1 Mơ hình dây chuyền Thực mơ hình hóa hệ thống hình 2.1 thành mơ hình dây chuyền đơn giản để tính tốn trễ thông lượng hệ thống kiến trúc chuyển mạch khác sử dụng Chuyển mạch Benes Spanke hai đại diện tương phản điều khiển tập trung điều khiển phân tán Hình 2.8 mơ tả mơ hình dây chuyền đơn giản sử dụng để khảo sát hiệu trễ thơng lượng kiến úc chuyển mạch quang Hình 7: Sơ đồ mơ hình dây chuyền sử dụng để nghiên cứu độ trễ thông lượng hệ thống chuyển mạch quang Hình 8: Thể biến đổi loadR theo load với ảnh hưởng lần truyền trước (I) hệ thống với cổng vào/ra Hình 2.9 cho thấy hoạt động load R hàm tải, xem xét số lần lặp khác (I) phương trình 2.4 hệ thống có bốn cổng đầu vào/đầu Có thể thấy số lần ảnh hưởng tăng lớn 3, thay đổi loadR không đáng kể, loadR load tăng giá trị đến 0.8 Dưới điều kiện liệu vậy, đệm hệ thống thực nhanh chóng bị 18 làm đầy việc tràn đệm khơng thể tránh Tuy nhiên mơ hình khơng xét đến khía cạnh coi dung lượng đệm vô 2.3.2 Thông lượng Tính tốn thơng lượng (tức tỉ lệ băng thông hiệu dụng tổng băng thông) đơn giản ta tính tốn tải thực Thơng lượng hệ thống khe thời gian có gói gửi tới đầu hệ thống Tuy nhiên thông lượng bị giới hạn thời gian cấu hình t switch khơng có gói gửi khoảng thời gian Thông lượng hệ thống xác định dựa vào biểu thức sau: Throughput = (2.6) Hình 9: Thơng lượng trung bình hệ thống thay đổi theo số cổng đầu vào kiến trúc chuyển mạch quang Spanke Benes Hình 2.10 so sánh thơng lượng trung bình tính tốn từ cơng thức 2.6 kiến trúc xét với loadR=1 Ta thấy thông lượng trường hợp sử dụng kiến trúc Benes phụ thuộc nhiều vào số lượng cổng giảm nhanh kích thước ma trận chuyển mạch tăng Cịn thơng lượng sử dụng kiến trúc Spanke giữ nguyên không đổi Tuy ta thấy giảm nhẹ ma trận chuyển mạch lớn, tượng giải thích việc xác suất tranh chấp tăng lên số lượng cổng tăng, dẫn đến thông lượng giảm ảnh hưởng từ kiến trúc 2.3.3 Trễ Việc tính tốn trễ phức tạp mơ hình phân tích khơng tính tốn đến dung lượng đệm, yếu tố tác động nhiều đến trễ 19 hệ thống Tuy nhiên, phần đưa mơ hình đơn giản để tính tốn tổng qt so sánh trễ sử dụng kiến trúc chuyển mạch khác cho cho OPS Ta sử dụng xác suất truyền lại tối đa (P Retrmax) đặt load = để tính tốn đường bao trễ hệ thống trung bình (latencyUB) Vậy, latencyUB hiệu dụng tính tốn sau: latency UB = (2.7) Trong phần sau, ta sử dụng phần mềm Optisystem mô hai kiến trúc chuyển mạch quang Benes Spanke để tính tốn thơng số trễ, so sánh với công thức 2.7 vừa đưa 2.3.4 Mất gói hệ thống khơng có đệm Hệ thống phân tích dùng khơng thể tính tốn độ gói hệ thống đặt dung lượng đệm vô hạn Vậy, đển tính tốn tỉ lệ gói CRB, ta loại bỏ hồn tồn q trình truyền lại, tức đặt dung lượng đệm Ta có cơng thức tính tốn tỷ lệ gói hệ thống sử dụng chuyển mạch Spanke kết hợp WDM sau: Packetloss = (2.8) Hình 10: Tỷ lệ gói thay đổi theo tải số cổng mơ hình kiến trúc chuyển mạch Spanke kết hợp WDM Hình 2.36 biểu thị tỷ lệ gói phụ thuộc theo tải mơ hình kiến trúc Spanke kết hợp WDM với F=4, 8, 32 giả thiết M=F, nghĩa tương ứng chuyển mạch có 16, 64 1024 cổng vào/ra logic Từ hình 2.36 thấy rõ tải đầu vào tăng tỷ lệ gói tăng số lượng cổng vào/ra tăng lên tỷ lệ gói tăng Tuy nhiên số lượng cổng vào/ra tăng với số lượng lớn 64 tỷ lệ gói tăng khơng đáng kể 20 2.4 Kết luận chương Trong chương trình bày cụ thể vấn đề liên quan đến ứng dụng quang học mạng trung tâm liệu Ngoài ra, chương cịn phân tích cụ thể kiến trúc chuyển mạch quang cho trung tâm liệu, bao gồm loại kiến trúc chuyển mạch quang kiến trúc chuyển mạch quang Bennes Spanke Phần cuối chương phần khảo sát đánh giá hiệu hệ thống trung tâm liệu sử dụng chuyển mạch quang Bennes Spanke sở mơ hình giải tích phần mềm mơ OptiSystem thông qua tham số hiệu thơng lượng hệ thống, trễ hệ thống trung bình tỷ lệ gói CHƯƠNG 3: NÚT CHUYỂN MẠCH QUANG ĐỀ XUẤT CHO MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU Nội dung chương trình bày đóng góp Học viên việc xây dựng mơ hình kiến trúc nút chuyển mạch quang dựa cách tử ống dẫn sóng dãy (AWG) Trong chương phân tích cụ thể hoạt động nút chuyển mạch gói quang Trên sở mơ hình cấu trúc nút chuyển mạch quang dựa cách tử ống dẫn sóng dãy (AWG) đề xuất, thơng qua mơ hình giải tích tiến hành khảo sát đưa kết liên quan tới tham số hiệu nút chuyển mạch 3.1 Mơ hình kiến trúc nút chuyển mạch quang đề xuất cho DC Mơ hình kiến trúc nút chuyển mạch quang dựa cách tử ống dẫn sóng dãy đưa hình 3.1 Về mơ hình kiến trúc nút nút chuyển mạch quang dựa cách tử ống dẫn sóng dãy giống nút sử dụng Kiến trúc Spanke kết hợp công nghệ WDM Hình 1: Kiến trúc nút chuyển mạch quang dựa AWG 21 Kiến trúc nút chuyển mạch quang có khả mở rộng dễ dàng, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trung tâm liệu quy mơ lớn Trong kiến trúc có F cổng (sợi) vào F cổng kết nối trực tiếp với cụm mạng DC Mỗi cổng vào/ cổng F có F bước sóng Do đó, tổng số cổng vào/ cổng logic (N=F×F) Tương ứng với cổng vào có cách tử ống dẫn sóng dãy với kích cỡ F×F Cấu trúc AWG gồm ba thành phần có hình 3.1: sợi vào ra, vùng truyền tự (FPR) ống dẫn sóng dãy hình 3.2 Khi đầu vào có sóng ánh sáng với nhiều bước sóng khác vào FPR Trong FPR, sóng ánh sáng khơng cịn bị giữ sợi quang phân kỳ đến dãy ống dẫn sóng Sau đó, ánh sáng thu ống dẫn sóng dãy truyền phía đầu Các ống dẫn sóng riêng lẻ có độ dài khác với ống dẫn bên ngắn ống dẫn bên Chênh lệch độ dài ống dẫn sóng liền kề bội số nguyên bước sóng trung tâm Do đó, bước sóng từ ống dẫn sóng dãy riêng rẽ đến đầu pha khác Các tia sáng giao thoa cọng hưởng hội tụ tiêu điểm đầu FPR đầu Mỗi cổng AWG nhận tương ứng bước sóng riêng rẽ λ λ1 , …, λF λ F Hình 2: Kiến trúc nút chuyển mạch quang dựa AWG 3.2 Hoạt động nút chuyển mạch gói quang Tín hiệu quang (các gói) từ cụm có F bước sóng đưa đến cổng vào nút chuyển mạch đưa vào AWG đầu vào để tách thành bước sóng riêng Các gói quang với bước sóng riêng tương ứng đưa vào khối chuyển mạch toàn quang, để thực tách mào đầu quang nhờ khối xử lý mào quang (OHP) để lấy thông tin điều khiển đưa đến khối chuyển mạch 1×F (1×F SW) để đảm bảo gói đưa đến cổng mong muốn Các gói đầu từ khối chuyển mạch 1×F đưa đến khối giải tranh chấp (CRB) đưa cổng yêu cầu 22 Mơ hình cấu trúc khối xử lý mào đầu tồn quang dựa MPPM hình 3.3 Khối MPPM-HP bao gồm khối chức con: khối tách định thời (CEM), khối tách địa mào đầu điều chế vị trí xung sửa đổi (MPPM-HEM), khối tạo bảng định tuyến MPPM (MPP-SRT) khối tương quan quang với cổng AND quang 23 Hình 3: Mơ hình cấu trúc khối OHP Mơ hình cấu trúc khối giải tranh chấp đưa hình 3.4 Hình 4: Cấu trúc khối giải tranh chấp Tại CRB, gói đưa vào chọn bước sóng (WS), điều khiển WS định gói chuyển tiếp đến chuyển đổi bước sóng cố định (FWC) trường hợp có nhiều gói đầu vào Gói chọn sau chuyển đổi sang bước sóng phù hợp chuyển tiếp đến cổng đích 3.3 Đánh giá hiệu Đánh giá hiệu nút chuyển mạch quang sử dụng dựa cách tử ống dẫn sóng dãy (AWG) thực với số tham số trình bày chương là: thơng lượng (Throughput), trễ (latencyUB) gói hệ thống khơng có đệm (Packetloss) 24 Như phân tích mục 2.3.2: Thông lượng chương 2, thông lượng trung bình trường hợp sử dụng kiến trúc Benes phụ thuộc nhiều vào số lượng cổng giảm nhanh kích thước ma trận chuyển mạch tăng Cịn thơng lượng sử dụng kiến trúc Spanke giữ nguyên không đổi giảm nhẹ ma trận chuyển mạch kích cỡ lớn Tuy nhiên khảo sát thơng lượng trung bình cho kiến trúc nút chuyển mạch đề xuất AWGOS thấy cải thiện so với với kiến trúc nút chuyển mạch Spanke Tiếp theo so sánh thông số trễ hệ thống sử dụng nút chuyển mạch khác Hình 3.6 quan hệ trễ hệ thống (latencyUB) sử dụng nút chuyển mạch Spanke nút chuyển mạch đề xuất (AWG-OS) theo số cổng vào nút chuyển mạch quang Trễ hệ thống (latencyUB) tính theo cơng thức 2.7 Khảo sát trường hợp tốc độ bit truyền gói 10Gb/s, tương ứng thời gian sống gói 40 ns Thời gian RTT (Round Trip Time) 400ns Thời gian tái cấu hình trung bình nút chuyển mạch 500 ps Rõ ràng là, sử dụng nút chuyển mạch AWG-OS giúp làm giảm trễ hệ thống Hình 5: Trễ hệ thống sử dụng nút chuyển mạch Spanke nút chuyển mạch đề xuất (AWG-OS) Cuối đánh giá thơng số gói hệ thống khơng có đệm (Packetloss) sử dụng nút chuyển mạch khác Cơng thức tính 25 tốn tỷ lệ gói hệ thống chuyển mạch sử dụng AWG công thức 3.1: Packetloss = (3.1) Số cổng chuyển mạch logic lấy 16, 64 1024 Hình 3.7a, hình 3.7b tương ứng đưa tỷ lệ gói thay đổi theo tải số cổng mơ hình sử dụng kiến trúc nút chuyển mạch Spanke AWGOS Nhìn vào hình 3.7a hình 3.7b thấy rõ tỉ lệ gói kiến trúc chuyển mạch AWG đề xuất nhở so với chuyển mạch Spanke kết hợp WDM tải tăng tỉ lệ gói đầu chuyển mạch tăng (a) (b) Hình 6: (a) Trễ hệ thống sử dụng nút chuyển mạch Spanke (b) Trễ hệ thống sử dụng nút chuyển mạch đề xuất (AWG-OS) Tóm lại, hệ thống mạng trung tâm liệu sử dụng nút chuyển mạch quang sử dụng cách tử ống dẫn sóng dãy góp phần cải thiện hiệu mạng Cụ thể làm giảm trễ truyền gói qua hệ thống mạng, nâng cao thơng lượng trung bình hệ thống mạng, giảm tỉ lệ gói truyền hệ thống mạng 3.4 Kết luận chương Nội dung chương trình bày cụ thể mơ hình hoạt động kiến trúc nút chuyển mạch gói quang sử dụng cách tử ống dẫn sóng dãy đề xuất Phần cuối chương phần khảo sát đánh giá hiệu nút chuyển mạch gói quang đề xuất sử dụng cho mạng trung tâm liệu toàn quang tương lai Các kết tính tốn số cho thấy với hệ thống chuyển mạch gói quang sử dụng AWG đề xuất cải thiện đáng kể hiệu so với hệ thống chuyển mạch quang Benes Spanke 26 KẾT LUẬN Với xu phát triển mạng thết giới Việt Nam chuyển mạch quang giải pháp thiết yếu giúp đáp ứng nhu cầu sử dụng với điều kiện cao Giải pháp cho phép xây dựng mạng truyền dẫn quang linh hoạt đảm bảo thông suốt lưu lượng thông tin lớn Bên cạnh đó, cho phép nâng cao tính thơng minh cho lớp quang mà đơn giản hoá nhiều kiến trúc mạng; điều có hiệu cho việc khai thác bảo dưỡng mạng sau Vì vậy, luận văn này, học viên nghiên cứu đề tài “Công nghệ chuyển mạch quang cho trung tâm liệu” nhằm tìm giải pháp phù hợp để nâng cao hiệu công nghệ chuyển mạch cho trung tâm liệu Qua trình nghiên cứu, học viên thu số kết sau: Nghiên cứu tổng quan vai trò đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm liệu Nghiên cứu kiến trúc hoạt động công nghệ chuyển mạch quang cho trung tâm liệu Khảo sát đánh giá hiệu chuyển mạch quang trung tâm liệu Xây dựng mơ hình kiến trúc chuyển mạch quang dựa cách tử ống dẫn sóng dãy (AWG) Khảo sát đưa kết liên quan tới hiệu nút chuyển mạch quang đề xuất sử dụng cho mạch trung tâm liệu tương lai ... trung tâm liệu; Năng lượng tiêu thụ trung tâm liệu; Tính lưu lượng trung tâm liệu; Độ trễ trung tâm liệu CHƯƠNG II: CHUYỂN MẠCH QUANG CHO TRUNG TÂM DỮ LIỆU 2.1 Tổng quan quang học trung tâm liệu. .. quan trung tâm liệu (DC) Chương 2: Các kiến trúc chuyển mạch quang cho trung tâm liệu Chương 3: Nút chuyển mạch quang đề xuất cho mạng trung tâm liệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM DỮ LIỆU... mạng trung tâm liệu Nghiên cứu kiến trúc hoạt động công nghệ chuyển mạch quang cho trung tâm liệu Khảo sát đánh giá hiệu chuyển mạch quang trung tâm liệu Xây dựng mơ hình kiến trúc chuyển mạch quang