Generally, all the resources of a data center always-on, regardless of the actual aretime-varying traffic requirements, and this may result in lower resource utilization and additional ne
Trang 11
M C L Ụ Ụ C
L 4
DANH MC CÁC T T TVI T VÀ THUT NG 5
DANH MC BNG BI U 7
DANH MC HÌNH V 7
LU 10
TÓM TT LU 12
ABSTRACT 13
GII THI TÀI 14
LÝ THUY T T NG QUAN 15
1.1 T ng quan v trung tâm d u 15 li 1.1.1 Mô hình trung tâm d li u 15
1.1.2 Mô hình trung tâm d li u xanh 18
ng trong m ng trung tâm d li u 22
1.2.1 m chung cng trong trung tâm d u 22 li 1.3 Chng d ch v (QoS) trong trung tâm d u 24 li 1.3.1 Khái nim chng dch v 24
1.3.2 Các tham s 24
1.4 Kt lu 24
CÔNG NGH OPENFLOW VÀ CÁC CÔNG C TH C HI N 25
2.1 Công ngh Openflow và các lo i OpenFlow Switch 25
2.1.1 Công ngh OpenFlow 25
2.1.2 Các ng d ng c a công ngh Openflow 27
170809405280958c1681a-1c97-4fe8-afbe-2b25751fc432
1708094052809a97182e2-dc22-4a8b-8ef0-03c28a4c2c79
1708094052809f6bc6fbe-50e6-46b4-a44a-ef47e24a7ad9
Trang 22
2.2 NOX- B u khi n OpenFlow [7] 28
2.3 Mininet - Công c gi l p m ng(Network emulator) 30
2.4 Công c ng D-ITG 31
2.5 Kt lu 32
TRING TH NGHI M 33
3.1 Mô hình h ng 33 th 3.2 Môi ng th nghi m 1: Mng trung tâm d u xây d ng t các công c li gi l p m ng t bên th ba 35
ng th nghi m 2 : M ng trung tâm d li u xây d ng t công c tác gi t phát tri n 40
3.4 B ng 43
3.5 B T 45
3.6 Kt lu 47
XÂY D NG KH I T 48
4.1 Ch t n khai 48
c hi n b t 49
4.2.1 Các thu t toán t 49
4.2.2 Qui giá tr ng liên k t 59
4.2.3 Thut toán Link State Adaptive 60
t qu sau khi th c hi n t 63
4.4 Kt lun 67
T QU NG PHÁT TRI 68
t qu c t ng th nghi m th nh t 68
5.1.1 Mô hình Fattree k = 4 69
Trang 33
5.1.2 Mô hình Fattree k = 8 75
t qu c t ng th nghi m th hai 79
nh lý so sánh hai thu t toán TAH và RA- TAH 82
ng phát tri 89
KT LUN 90
TÀI LIU THAM KH O 91
Trang 44
LỜI CAM ĐOAN
c s K thu t này do tôi nghiên c i s
ng d n khoa h c c a PGS.TS Ph m Minh Hà và PGS.TS Nguy n H u Thanh Các
k t qu do tôi nghiên c u và tham kh o t các ngu n tài li khoa hc trích d
N u có v sai ph m v b n quy n tôi xin ch u hoàn toàn trách nhi m v i
ng
Trang 5Formal Model Tên m t thu t toán t
Hierarchical Load Balancing Cân b ng t i phân cp IETF Internet Engineering Task Force T chc chun hóa m v Intenet
LSA Link State Adaptive Thích ng trng liên
k t Lognormal Mt dng phân b trong m ng
trung tâm d li u MAC Media Access Control u khi n truy nh ng
truy n OpenFlow Mt công ngh m ng m m i, cho
phép tri n khai trên các thi t b
m ng
Power control u khi n công su t
Trang 66
QoS Quality of Service Ch ng d ch v
RA-TAH Rate Adaptive - Topology Aware
Heuristic
Nhn th hình và thích ng
ng Là s k t h p 2 thu t toán Topology-Aware Heuristic (TAH)
và thu t toán Link State Adaptive (LSA)
SSL Sercure Sockets Layer L p socket b o m t
TAH Topology aware Heuristic Heuristic nhn th hình
Traffic generator B ng
Trang 7
7
DANH MỤ C B NG BI U Ả Ể
B ng 1.1: Phân b tin trong các lo i trung tâm d u 23 li
Bn ca D-ITG 32
Bm ca các trung tâm d li a và nh u v 43
B ng 4.1: Công su t tiêu th c a switch [20] 64
B ng 4.2: Các gi thi ng tiêu th 65
B ng 5.1: c u hình ch y mô ph 69
B ng 5.2: Cho th y PLR trung bình c a h th ng v i các m c d i vi tng 74
B ng 5.3: S ng thi t b trong mi 81
B ng 5.4: B ng so sánh ph ng tit king thut ng thu t toán LSA 82
DANH MỤ C HÌNH V Ẽ Hình 1.1: Kin trúc 3 tn hình c a m ng trung tâm d li u 16
Hình 1.2: Kia m ng trung tâm d li u 17
ng CO2 t các thành ph n ICT[4] 18
Hình 1.4: Các thành phn tiêu th ng trong trung tâm d li u[4] 19
Hình 1.5: Kin trúc Fat-Tree cho m ng trung tâm d li u v i toàn b link 1G 21
Hình 2.1: OpenFlow switch[6] 26
Hình 2.2: Mng OpenFlow switch v i b u khi n m ng NOX [7] 29
kh i mô hình Elastic Tree 33
Hình 3.2: Mô hình xây dng th nghi m 35
Hình 3.3: Kin trúc v t lý th c t c ng th nghi m [1] 38
Hình 3.4: Kin trúc m ng trung tâm d li ng th nghi m 39
th c hic gi s d ng m ng và m ti t ki m ng 41
Trang 88
thu t toán x lí modul tính toán kh o sát m i liên h gi s d ng
m ng và m tit king 42
Hình 3.7: Near Traffic ng ch ch y qua các switch biên 44
Hình 3.8: Middle Traffic- ng ch chy trong các pod 44
Hình 3.9: Far Traffic- ng ch y qua gi a các pod vi nhau 45
Hình 3.10: Bi th hi n th i gian tính toán t hình c a các thu t toán [1] 47 Hình 4.1: Hình v mô t gi i pháp ti t ki ng trong trung tâm d u 49li ng trong ví d 1 57
hình t i v ng ví d 1 58
ng trong ví d 2 58
hình t i v ng ví d 2 59
m i quan h gi a b t nh tuy n, b u khi n công su t 61
kh i b t 62
th hi n thành ph n Link State Adaptive 63
Hình 5.1: Giao di n h th ng gi l p trung tâm d li u 68
Hình 5.2: Mô hình Fat-tree vi h s ng K = 4 70
Hình 5.3: Mc công sut tiêu th khi phát near traffic (k=4) 70
Hình 5.4: Mc công sut tiêu th khi phát middle traffic (k=4) 71
Hình 5.5: Mc công sut tiêu th khi phát far traffic (k=4) 72
Hình 5.6: Mc công sut tiêu th khi phát mix traffic (k=4) 72
Hình 5.7: Mi quan h gi a công su t tiêu th c ng h p near traffic, middle traffic, far traffic và mix traffic (k=4) 73
Hình 5.8: PLR trung bình ca h th ng v i các m c d i v i t ng ng ( Fat-tree K =4 ) 74
Hình 5.9: Mô hình Fat-tree vi h s 75
Hình 5.10: Mc công su t tiêu th khi phát near traffic (k=8) 75
Hình 5.11: Mc công su t tiêu th khi phát middle traffic (k=8) 76
Hình 5.12: Mc công su t tiêu th khi phát far traffic (k=8) 77
Trang 99
Hình 5.13: Mc công su t tiêu th khi phát mix traffic (k=8) 77Hình 5.14: Mi quan h gi a công sut tiêu th c ng h p near traffic, middle traffic, far traffic và mix traffic (k=8) 78Hình 5.15: Mô t m a ph s d ng m ng và ph t
king v i mô hình Fat- tree K = 6 79Hình 5.16: Mô t m a ph s d ng m ng và ph t
king v i mô hình Fat- tree K = 8 80Hình 5.17: Mô t m a ph s d ng m ng và ph t
king v i mô hình Fat- tree K = 60 80Hình 5.18: Phng ti t ki m dùng thu t toán RA-TAH và TAH trong
ng h p MST 84Hình 5.19: Phng ti t ki m dùng thu t toán RA-TAH và TAH trong
ng h pmô hình fully meshed 88
tr khi dùng RA-TAH và full Fat-Tree topology (mix traffic) 89
Trang 10
m t h qu t t y ng tiêu th trong các trung tâm d lichóng mt.Vi c gi ng tiêu th trong các trung tâm d li u s mang l i l i ích cho ci dùng v i chi phí d ch v gi m, không nh ng th gi m
ng tiêu th còn mang l i ích to l ng v i tác d ng gi ng khí th i CO 2 Nhi u gi c i thi n hi u qu ho ng c a các thi t b nh m ti t ki ng tiêu th trên các thi t b ng th c hi n xu t phát t c t t t c thi t b m ng luôn ph i chth s ng nhu cu
ng mng trong các trung tâm d li i liên t c theo
thi gian và h u h t các th ng th c t th t nhi u so v i m c
ng l n lãng phí Khai thác tính ch t này, tác
gi y rth ng tiêu th trong trung tâm d u có th li c tit ki
u ch nh s ng thi t b m i các m c t ng liên k t theo nhu c ng Tuy ng tiêu th c a
m tin c
packet loss, delay, ji
Sau m t th i gian mi t mài nghiên c u, tác gi
tài: “Các cơ chế cân b ng gi a ch ằ ữ ất lƣợ ng d ch v và ti t ki ị ụ ế ệm năng lƣợ ng trong
v a t ng tiêu th trong m ng, v m bc chng d ch
v T c hi n tri n khai ki m th trên mô hình h ng trung tâm d th li
i pháp t có th áp d ng vào th c ti n
Trang 1111
K t qu ng có th t ki m khoti i m t mô hình trung tâm d u nh , 68% v i mô hình trung tâm d u trung bình mà v li li m b o v
m t ch ng d ch v t k t qu y h a h n v ti n ctài Tác gi hi v ng s phát tri n hoàn thi có th áp
d ng vào th c tin
Xin cp th các b n trong nhóm OpenFlow và lab C9- cùng mình nghiên c u, chia s có th i nh ng k t qu kh quan này Trong quá trình th c hi tài do s h n ch v thi gian nghiên c u nên lu
th tránh khi thic s nh n xét t cán b ng d n và các Th y Cô trong h ng, tác gi s c g ng hoàn thi có th t k t qu t t nh t Xin chân thành c PGS.TS Ph m Minh Hà ạ và PGS.TS Nguy n H u Thanh ễ ữ
ng d n em th c hi n lu
Hà N
Hc viên
Trang 1212
TÓM T T LU Ắ ẬN VĂN
Ngày nay, do nhu ci thông tin trong mtrung tâm d u ph i m r ng liên t c c v quy mô l li c, kéo theo vic tiêu t n m t ngu ng kh ng l ng ca trung tâm d u và li ng do mng l n khí carbon th i ra Hin nay các trung tâm d li u luôn trong tr ng thái s d ng t n tài
n nhu cng th t s u này d n
n hi u qu s d ng tài nguyên kém và có m ng lng hao phí khi nhu
cng trong m ng m c th kh c ph c v này, các ngu n tài nguyên
m ng c c qu s d ng m t cách hi u qu ng t i mô hình trung tâm d u xanh mà v n m bli c ch ng dch v
Trong lu và nhóm nghiên c i pháp tit
ki t ra là làm th
cân b ng gi a ti t ki ng và ch t ng d ch v và ch ng t t v i h th ng th t M tài
c hi n m t h th ng có kh u ti c tr ng thái ho ng c a switch và trng liên k cho mô hình m ng tiêu th t ki ti ng
nh t mà v m b o ch ng d ch v ng cho phép H th c xutri t h th ng th nghi m (Testbed) xây d ng t
ng gi l p Mininet Thông qua vi c s d ng k thung k t h p v i t t b t các thi t b m i mng liên k t,
k t qu nghiên c u cho th y h th xu t có kh t ki c t35,95% - ng tiêu th c a m ng trung tâm d u li
Trang 1313
ABSTRACT
Nowadays, to adapt to ever increasing traffic demand from customers, data centers are continuously increasing their size and consume huge amounts of energy, contributing to high operational costs and carbon footprints to the environment Generally, all the resources of a data center always-on, regardless of the actual aretime-varying traffic requirements, and this may result in lower resource utilization and additional needless power consumption even when the traffic demand is not large enough To address this problem, data center resources need to be managed in an energy-efficient manager to drive Green Data Center while maintainingthe quality ofservice
In this thesis ,authority and the subject group proposed a solutions to save energy in cloud computing environments The is sueis how to make the balance mechanism between energy savings and quality of service and demonstrate the mechanism that works well with the real system The main purpose of the thesis is to implemented a system capable of regulating the operation of the switch status and link status for the network model save energy consumption while maintaining quality of toservices less than the allowed threshold.We iat mplemented and evaluated proposed system on a pro yptot e testbed built with programmable Open oFl w switches on Mininet emulator By using affic engineering incorpora ng w h turning tr ti it ON/OFF network de ces, vi the results of m the s s w th savings of 35,95-68,1% of the y si ho s at network energ in data cent i feasible y er s
Trang 1414
GIỚ I THI U TÀI Ệ ĐỀ
Các cơ chế cân b ng gi a ch ằ ữ ất lượ ng d ch v và ti t ki ị ụ ế ệm năng lượng trong môi trường tính toán đám mây
- i thi u v các công c , ph n m c hi n luth n
c bi t là gi i thi u v công ngh OpenFLow
Trang 1515
CHƯƠNG 1 : LÝ THUY T T Ế Ổ NG QUAN
ng quan v m ng trung tâm d li u, gi i thi u các ki n trúc ph bi n và m t s ng trong m ng trung tâm d liu Cu c ng tiêu th trong m ng trung tâm d li u, mô hình
ng tiêu th c a switch và các thu t toán ti t ki ng tiêu th trong
m ng trung tâm d liu
1.1 T ng quan v trung tâm d u ổ ề ữ liệ
Ngày nay, các t chc chính ph và các t n c n duy trì nhi u h ng thtrung tâm d u kh ng l v li li u c v a và nh v bi n trong
ng h c, trung tâm nghiên c t s ng d ng quan tr ng c n thi t thi t s có m t c a các trung tâm d u g m có: phân tích tài li chính, phân tích s u khoa h c, các d ch v m ng xã h li c tuy
c trung tâm d li c nhu ci
git ra m t thách th c l i v i các ki n trúc m ng trung tâm d liu
hi n t i, do chúng có tính m r ng kém.Trong ph n này, chúng ta s tìm hi u v m t
s ki n trúc m ng trung tâm d u hi li i và l a ch n ki n trúc phù h p nh trin khai trong lu Các n i dung c a ph n 1.1 này ch y c trích d n t bài báo [2]
Kin trúc m ng trung tâm d li c thi t k d phân t r ng, hing và d
vi c b ng Ngày nay, các ki n trúc trung tâm d ling có d ng cây g m 2 ho c 3 t ng các switch/router.Hình 1 mô t m hình m ng trung tâm d liu 3 tn hình hi n nay
Trang 1616
Hình 1.1: Ki ế n trúc 3 t ng đi n hình c a m ng trung tâm d ầ ể ủ ạ ữ ệ li u
hình m ng trung tâm d li u trên g m có 3 t ng: t ng core ph n g c c a cây ch a các core switch, t ng aggregation ph n gi a ch a các aggreagation switch,
và cu i cùng là t ng edge m c lá c a cây ch a các edge switch Ki n trúc cây 2 t ng thì ch có t ng core và t ng edge Tuy nhiên ki n trúc cây 2 t ng ch h các trung trtâm d lii nh và trung bình v i kho n 8000 server, do kh n ch c a công ngh switch hi n t i, s c gi i thích chi ti t
Trang 1717
Hình 1.2: Ki ến trúc cây 2N đặc trƣng củ a m ng trung tâm d ệu ạ ữ li
D dàng nh n th y v hình này, ngay c khi s d nh tuyng,
p gi a các c p server s ph thu c vào kh a core switch do
ng c ng c a m ng s do kh a core switch quynh Ví d 16 host c n giao ti p theo c p v i nhau (gi s các giao ti u ph switch) t t ng c ng core switch c n x lý s là
ng c ng này t l v i s c h tr
p 1Gbps gi a các c p server b t k v hình g m hàng ch c ngàn server là không th x y ra hing th t c chai (bottleneck) t i t ng core Ngoài ra, kh ng l i c a ki n trúc cây 2N kém Ví d , khi 1 core switch
lng c ng toàn m ng s b gi t na, trong không c hai core l i
s t k t n i c a toàn b m ng trung tâm d li l i các switch t ng aggregation và tng edge có th n ng t k t n i c a c m t s ng l n các server
Tóm l i kh r ng, kh ng l i và h các giao ti p t tr cao gii v i ki n trúc m ng trung tâm d u truy n th ng là r t h n li chc tìm ra các ki n trúc m i cho m ng trung tâm d li u là m t yêu c u
c p thi t
Trang 1818
Hin nay, ngành công ngh thông tin (CNTT) là m t trong ngành có vai trò r t quan tr i s i, góp ph vào s phát tri n c a nhân loi Tuy nhiên, bên ct trong nh ng nguyên nhân làm
ng CO2 trong b u khí quy n b i vì ngành này s d ng hàng tri u máy tính,
m thu phát vô tuy n, các trung tâm d li u v i h th ng làm mát, các thi t b m ng, server, cùng v u chin thoc dùng trên toàn c u T t c u ho ng 24/24 gi , tiêu th ng và to nhi t trong quá trình ho ng H qu ng CO2 th i ra b u khí quy n t ho ng ca ngành ICT chi m t 2-2,5% trong t ng CO2 trên toàn c
c thu c v các doanh nghi p nào bi t áp d ng các h thng CNTT có m c tiêu th ng ti t ki m nh t và th c h i môi
ng nh t
Trang 1919
Vì v y m t trong nh ng v n i b c nghiên c u g
gi i pháp ti t ki m ngu ng kh ng l mà các trung tâm d li
c bi t thông qua nghiên c u các ki hình m i, các thu t toán t hình, các thunh tuy n nh n th ng các trung tâm d lic thi t k có kh u t i trong c nh ng h p x u nh t (t
t ng t), và trong các gi m có nhii dùng Trong còn l i ph n l n thi gian thì m c t i s d ng th nh r t nhi c bi t là s khác bi t r t
l n v ng t i s d ng gi ng lên mnh vào ban ngày và h xuông r t th ng th p các thi t b m ng v n
tr ng thái hou này gây ra tiêu t n nhi ng không c n thi t
ch y các thi t b ng ch y qua.Theo m t nghiên c u cho th y
ng tiêu th b i các trung tâm d li u m ng 3 t nhi u n l c ch t o ra các thi t b m ng nh n th ng , t c là các thi t b này
t chuy n sang tr t kiti
ng tiêu th c bi t t i th ng th p nh p
v n tiêu th t i 90% so v i m nh Nguyên nhân do v n có ph n l ng
phi tiêu th cho các thit b th ng làm l nh server, line- cards
Hình 1.4: Các thành ph n tiêu th ầ ụ năng lƣợ ng trong trung tâm d ữ ệ li u[4]
Trang 2020
Trong hình v trên có th thng tiêu th c a các thành ph n trong
m t trung tâm d u Ví d li t b làm mát ching tiêu th toàn trung tâm d u, 18% là c a USP, 9% là cli u hòa, 5% là c a PDU, 1% cn và 1% c a thành ph n chi c bi t thành ph n chi m khá l n trong trung tâm m t b IT, chi m t i 30% tiêu th ng toàn trung tâm Do vy vi c c i thin hic quan tâm
Trung tâm d u xanh là gì ữ liệ
Trung tâm D li u Xanh (Green Datacenter) là m t Trung tâm D li u mà trong
th c thi t k sao cho hi u su t ho ng t i m c tiêu th n
p và h n ch th p nh a gây lãng phí trong s d ng, thân thi n môi
dng giá thành r t t c các t ng, ngoài ra nó h giao tr
ti p t tùy ý gi a các c p server b t k
hình m ng trung tâm d li u theo ki n trúc Fat-
Trang 21vu là link 1G M i edge switch liên k t vi 2 server và 2 aggregation switch,
m i aggregation switch liên k t v i 2 edge switch và 2 core switch, m i core switch liên k t v c t chc thành các nhóm aggregation
c g i là các pod C th
m c a ki n trúc Fat- s d ng t t c các switch
giu là các switch -k ng v i r Ngoài ra, ki n trúc Fat-Tree h các c p server giao ti p nhau t tr t
v i b t k ng nào mà không b h n ch b i kh a các core switch hi t ti n trong các ki n trúc truy n th
i gi a các server thu c cùng 1 edge switch s dùng k thu t chuy n m ch
ti gi a các server thu c các edge khác nhau s
s d nh tuy n t ng 3
Trang 2222
Mm quan tr ng n a c a ki n trúc Fat- ng li
c bi t là khi h s hình k t n i tr thành m t i ngày càng dày
ng l i s i c a 1 ho c 2 switch các t ng trên s không th c t giao ti p c a t t c ng liên
k t v i switch l a và ch ng l l v i h s c bi t trong thc t , h s ng l n
Ta xét m t ví d v ki n trúc Fat-Tree quy mô l n xây d ng t các switch 48-
hình g m có 48 pod, m i pod ch a 48 switch lo i này M i edge switch liên k t v hình Fat-Tree k=48 có kh 27648 trserver v i 1152 subnets (chính b ng s edge switch, các server trong gi i h n 1 subnet
s giao ti c chuy n m ch t n khai 1 m ng trung tri tâm d li u h tr y s kho ng 8.64 tri u $, trong khi n u dùng các
ki n trúc truy n th ph n trên s t n 37 tri u $
Dm c a ki n trúc Fat-Tree trình bày trên k t h u
qu kinh t ng l công vi c trong lu n
liên quan r t nhi d ng ki n trúc Fat-Tree nên nhóm quynh s d ng ki n trúc Fat- c hi n các th c hith n
t toán tng tiêu th trong m ng trung tâm d li u
1.2 Lưu lượ ng trong m ng trung tâm d u ạ ữ liệ
1.2.1 Đặc điể m chung c ủa lưu lượ ng trong trung tâm d u ữ liệ
M c dù trung tâm d u ngày càng ph bi li s
r t ít các nghiên c u v ng trong trung tâm d u, các nghiên c u ch li
y u d a trên theo dõi th c t ho ng, th ng kê các thông s u qu s d ng link, t c ngh m c gói, th i gian t n t i trung bình c a lu ng, các thành ph n c ng, mô hình bi t s nghiên
c u g ng trong các m ng trung tâm d lic th c hi n trên m t lo t các trung tâm d ling
Trang 2323
h c [13, 14, 15] ta có th rút ra nh m chung nhng trong m ng trung tâm d li
- Khi nghiên c u v các ng d d u, d ch v xác nh nli ,
d ch v tìm ki m th y r ng các ng d ng là không phân b u gi a các rack (cha các cm server)
- c các flow < 10KB, ph n l n trong s kéo dài trong kho lung trong m i giây ch y qua 1 rack là kho ng 10000 lu ng
- Trong các trung tâm d li n l ng tao ra bi các server có 80% ch ch i v i các trung tâm d li u c ng
i h c và doanh nghi p ph n l ng (40-90%) r i kh ngoà i
- Kh d ng link t t hiu qu i
- Có m t mát x y ra trong trung tâm d ling m t mát này không
x y ra trong các link có hi d ng cao mà x y ra trong các link có hi u
d ng trung bình th p c t ng t d gây
ra m t mát Nghiên c u cho th y m t mát x y ra t
so vi tng aggregation và t ng core
B ả ng 1 1: Phân b ố tiến trình đế n trong các lo i trung tâm d u ạ ữ liệ Loạ i trung tâm d ữ
liệu
Phân phối trong giai
Phân phối trong giai
Phân phối thời gian
gi a hai l ữ ầ n đ ế n
Lognormal Lognormal Lognormal
Doanh nghip Lognormal Lognormal Lognormal
ng h c Lognormal Weilbull Weibull
Phân b c n ON/OFF c a các lo i trung tâm d liu th hi n trong b ng 1.1
Trang 2424
1.3 Chấ t lƣ ợ ng d ch v (QoS) trong trung tâm d u ị ụ ữ liệ
1.3.1 Khái niệm chấ t lƣ ợ ng d ch v ị ụ
Ch ng d ch v (QoS) là gì? Ch ng d ch v ng b i nh ng thông s nào? Ch ng d ch v (QoS- Quality of Service) là m t khái ni m r ng và
có th ti p c n theo nhi ng khác nhau Theo khuy n ngh c a Hi p h i vi n thông qu c t ITU-T ( International Telecommunication Union) chng d ch v là
trung bình s c truy n qua m ng thành công trong mt giây Kí hi u là kbps ho c Mbps
hic ngu n g a các thu t toán ti t ki n trong
m ng trung tâm d lip theo s trình bày v các công c , ph n m c
s d c hi n luth
Trang 2525
CHƯƠNG 2 : CÔNG NGH OPENFLOW VÀ CÁC CÔNG C Ệ Ụ THỰC
HIỆN
các công c c s d th c hi n lu c
h t là ph n gi i thi u v công ngh xây d ng các m ng o hóa
g m các switch theo chu n OpenFlow và NOX-b u khi n m ng c a các OpenFlow switch Ngoài ra, chúng ta còn gii thi u v Mininet-1 công c cho phép xây d ng môi
ng gi l p g m các OpenFlow switch Cu i cùng là ph n m m D-ITG dùng làm b
thêm, xóa các flow entries trong flow-table M a vi
nh m khuy n khích các nhà s n xu t thi t b m ng thêm ch switch c a h mang tri n khai trong th c t c s d ng r ng rãi
b i nhi u nhà nghiên c u, các vi n nghiên c u trên th gi i do nó có tính th c t d a
m: cho phép các nhà nghiên c u ch y các th nghi m trên các switch khác nhau theo cùng mn c u hình tri n khai theo c u hình
t ng lo i switch, ho ng line rate- cùng v i m port la các nhà sn
xu t v n có th gi bí m t v thi t k các switch c a h Ngoài vi c cho phép các nhà nghiên c ng c a h ng th gi i th c, OpenFlow còn là mt công c h u hi u cho tri n khai các testbed qui mô r GENI (Global Environment for Network Innovation, network/testbed g m các tài ồ
nguyên chung cho các nhà nghiên c u, chia s tài nguyên bứ ẻ ằng phương pháp ảo hóa-
Trang 2626
virtualization) GENI là ki n trúc m ng có kh p trìnc M ng có kh
l p trình c n có các ph n t switch/router có kh x lý các packet cho nhi u th nghi m trên m ng th i không ng l n nhau OpenFlow cho phép ta có th l c switch/router
Hình 2.1: OpenFlow switch[6]
OpenFlow cung cp mt giao th c m l p trình flow-table trong các
i qu n tr m ng có th ng thành các lu ng (flow) cho mng và lu ng cho vi c nghiên c u B ng cách này, các nhà nghiên c u có th các giao th th nh tuy n, các mô hình b o m
a ch m i, th m chí thay th cho IP Hình 2.1 trên mô t m t OpenFlow switch giao ti p v i m t b u khi n m ng (controller) thông qua kênh k t n i b o m t SSL s
d ng giao th c OpenFlow Kênh b o m t k t n i switch v i b u khi n m ng s
d ng giao th c OpenFlow cho phép các l c truy n qua l i gi a b
u khi n m ng và các switch B u khi n m ng (controller) ki m soát flow-table trong m i OpenFlow switch quakênh b o m t này Giao th c OpenFlow là m t giao thc m và chu n hóa cho phép b u khi n m ng giao ti p v i switch M i OpenFlow switch cha m t flow-table g m các flow-entry, m i flow-entry có m t
Trang 27c u không c n l p trình t ng switch riêng r
Hin nay, chuc th c hi n trên m t s s n ph m, bao g m
c các phn m m soft switch dùng trên các máy tính Linux và các switch tht
OpenFlow soft switch có hai loi chính là: OpenFlow switch và OpenvSwitch
n hai lo i switch này có ch u th c hi n theo chu n OpenFlow, ngôn ng l m khác nhau chính gi a hai lo i switch này là v hi
Bên c t s p chu n OpenFlow vào các s n ph m tht bán trên th ng, tuy nhiên m n t i ch là dùng cho nghiên c u,
g m có: NetFPGA, NEC IP8800, HP ProCurve 5406ZL, HP Procurve6600, Toroki
i quy t.Các nhà nghiên c t
ki m tra các giao th c m ng m i trên h th ng m d ng mà không can thi p vào các ng d t l a ch n t t
m h t ng riêng nh m th c hi n các thí nghi t gi i pháp thay th ra m t công cu c m i cho vi c nghiên c u trong m ng
Trang 2828
Ngoài OpenFlow còn có s h tr c a OpenPipes[24], FlowVisor[22] và OpenRoads[21] OpenPipes có th hi u là ph h tr xây dn c ng thích ng v i ph n m m OpenPipes h tr FPGA, nhà qu n lí s qu n lí trên FPGA
OpenRoads là mã ngun m , n n t ng c i ti n trong m ng OpenRoad
c nghiên c c i ti n ch ng m
"OpenFlow wireless " OpenRoads có ki n trúc 3 t OpenRoads có tính linh hot, có th xây d ng nhi u thu t toán, tính o hóa cao K t
hc nhi u công ngh
2.2 NOX- B u khi n OpenFlow ộ điề ể [7]
Các b u khi n m ng dùng trong m ng OpenFlow g m có: b u khi n
m ng m nh, NOX, SNAC (giao di qu n lý các OpenFlow switch), Beacon (Java) Tuy nhiên b u khi n m t là b u khi n m ng NOX [7]
NOX là m t ph n m m mã ngu n m u khi n m ng các OpenFlow switch.Ma NOX nh m cung c p m t platform cho vi t các ph n m m qu n
lý mng dnh tuyng l d ng C++ ho c Python Tuy
v n còn trong quá trình phát tri c s dung trong m t s các m ng l n.NOX h c các m ng doanh nghi p l n g tr ngàn server)
Trang 29NOX cung c p các giao di n l p trình giúp cho nhà phát tri n s d ng d dàng
l c thông tin v s ki n trong m ng, can thi u khi n các quy nh chuy n m ch c a switch và tng
Khi có flow m i xu t hi n tr ng m u tiên s c gn b u khi n m ng NOX, t thc hic: quynh xem lúc nào khi nào s chuy n ti ng, thu th p các thông tin th ng kê, ch nh s c gói
c có th c v thu th p
c thêm nhi u thông tin
Hình 2.2: M ạ ng OpenFlow switch v ớ i b ộ ề đi u khiể n m ng NOX [7] ạ
Trang 30m ch, xác th c Có th chy m t lúc nhi u NOX component v i các ch u khi n khác nhau làm cho vi u khi n và qu n lý m ng tr nên hoàn h
ng d ng trong b u khi n m ng NOX có th k t h p v i nh n bi t các s ki n trong m ng (network event), can thi ng trong m u khi nh tuy n c a các switch và t o ra ng
2.3 Mininet - Công cụ ả ậ gi l p m ạ ng (Network emulator)
Mininet [8, 9] là m t h th ng cho phép th nghi m các m ng l n trên m t máy tính Mininet h vi c nghiên c u, phát tri n, ki m th , g l i và các nhi m v khác tr
b ng vi c cung c p emulator m t m ng các OpenFlow switch trên m t máy tính duy
nh trin khai th nghi m m ng v trên
m t máy tính các nhân Trên m trin khai các giao th c th nghi m trên m ng hoàn toàn gi c s d ng các switch OpenFlow th t
- Công c xây d ng gi l p c n và không t n kém (do không t n chi phí mua các OpenFlow switch th phát trin các ng d ng m ng Do các OpenFlow switch trong Mininet có t t c các tính ch t mà OpenFlowswitch th c nên vi c s d ng m ng gi l p b ng
m t th c t , cho phép ki m tra ch ng
d ng mà không c n ph n c ng th t
- Cho phép các nhà phát tri n ng d ng làm vi ng th i, m c lp trên
hình mà không n nhau
Trang 31- Có th ng d n khai trên m ng th t v i code
hoàn toàn không ci
- Cung cp Python API d dàng s d ng và có kh r ng
- Mininet cho ta m c tính
m ng và th nghi hình tùy ý Quan tr ng nh t, code mà chúng ta phát trin và ki m tra b ng Mininet cho b u khi n m ng NOX, OpenFlow switch hay host, có th n khai v i h ng ph n c ng th t không c n thay th
i
m c a Mininet so v OpenFlowVMS hay Noxrepo.org VM environment g m có: kh i t
khng m t m ng các OpenFlow switch), tính m r ng l cha hàng
p nhi ng 2Gbps v i ph n c ng bình
t d dàng (có s n b m hi n t i ca Mininet là ch h tr ch y trên 1 máy tính Linux nên h n ch v m t hi
m này s s c kh c ph c
D-ITG (Distributed Internet Traffic Generator) [25] là mt b ng h tr vi ng m t luthông qua:
- Thi gian gia 2 ln phát (IDT): Th i gian gi a 2 ln truy n packet thành công
- ng d lic truy n b i packet
Trang 3232
Mt s a D n c - c trình bày trong b ng sau:
H u hành Chy trên c Window và Linux
Giao thc H m t s giao th c Internet: TCP, UDP, tr
ICMP, VoIP, Telnet, DNS
d c hith ng th nghi m ki m tra các thu t toán ti t ki ng
c th c hi n trong lu n p theo s trình bày v các thành ph n trong
ng th nghi m, mô hình tri n khai các kh i ch c v cách thc hi n t ng ch
Trang 3333
CHƯƠNG 3 : TRIỂN KHAI TRONG MÔI TRƯỜ NG TH NGHI M Ử Ệ
c n tring th nghi m trên các công
c mô ph ng Tác gi s c hi th ng th nghi m M ng th nghi m xây d hình trên Mininet, khng t D-ITG, kh i t
nh tuy n (Routing), kh u khi n công su t (Power control) trên NOX Hai là môi ng th nghi m xây d ng trên công c mà tác gi t phát tri n
b ng ngôn ng c n các thu t toán t
ng ti t ki m
3.1 Mô hình h ệ thống
ng th nghi c tri n khai d a trên mô hình tham kh o
t h th ng linh hong tiêu th b i m ng trung tâm d u H ng bao g m có 3 kh i chli th nh tuy n và
u khi n công su t Ch a b t hình m ng
t ng mà vc nhu cng trong m ng Các
Trang 3434
yêu cu vào c a kh i này g hình m ng, ma tr ng, mô hình công su t c a switch, kh ng l i mu hình ti các thành ph n m ng c n ph i ho ng s n b nh tuy u khin công su t B u khi n công su t s i tr ng thái t t b t c a các thi t b m ng trong m ng trong khi b nh tuy n ti nh tuy n cho các lu hình
m i
Trong ph m vi c a lu tác gi và nhóm nghiên c u ti n hành xây d ng mô
ng th nghi m theo Elastic-Tree d a trên ki n trúc Fat-Tree 3 tầng Kin trúc c a Elastic Tree hoà v i Fat- hình Fat-Tree có kh ng trong m ng B t c s
d ng thu t toán nh n th hình Topology-aware Heuristic[1] hình
ti các thông s u vào là hình m ng (c là ki n trúc Fat-Tree), thông th
s ng ra vào m i giao di n c a switch và giá tr chng l i khi
x y ra s t ng t B u khi n công su t th c hi n ch
g i b n tin t t b t switch v m ng, và ti u khi n t t b t th t khi tri n khai trên th c t B nh tuy n th c hi n b ng thu nh tuy n cân b ng t i phân c p
tuy n liên k t gi a ngu nh tuy n theo tuy i ít nh t Ngoài ra hai b t nh tuy c l p nhau, khi trong m ng có x y ra
s c v i b t hình sang b nh tuy n thì toàn b các thi t b m ng s c chuy n sang tr ng thái ho m b o m ng
hong Kh t king s c tính toán thông qua s switch, link tng và s t t b a sutrên link adaptive t c là m ng mà port switch tiêu th ph thuc vào tc
c ng ch y qua link
Trang 3535
3.2 Môi trườ ng th nghi m 1: M ng trung tâm d u xây d ử ệ ạ ữ liệ ự ng ừ t các công c gi l p m ụ ả ậ ạ ng ừ t bên th ứ ba
c ki m nghi m thông qua các công c gi l p m ng Mininet, OpenvSwitch h tr chu u khi n các lu ng OpenFlow, D-ITG là công c Hình 3.2 Cách xây d ng này cho m t ki v i kin trúc xây d ng b ng các ph n c ng v t lý.Hoàn toàn có th áp d ng l i các kh nh tuy n mà nhóm tác gi c hin
ki m tra trên ki n trúc v t lý cho k t qu i ki n trúc gi l
r t nhi u nhà nghiên c u và phát tri n khuy n cáo s d ng các công c o hóa trên vì
s t kiti c m t chi phi kh ng l c bi t là chi phí xây d ng m t trung tâm d liu th t cho th c nghi m, các kh i mô ph ng th c hi n trên các công c có th ch y chính xác trên các thi t b tht (ch ph i ch nh s a m phù h p v i các API c a
ph n c ng) và các nhà nghiên c u có th chia s cho nhau mô hình phát tri n d dàng thông qua phn mm
Trang 3636
Đồ hình m ng: Ki n trúc m ng s d ng là ki n trúc Fat-Tree 3 t ng v i s ạ
c ng m i switch là k=4 ng v i s server c n thi t là 16.S d ng công c Mininet cho phép xây dc m t m ng gi c t bao g m t o ra các switch,server, link liên k t gi a các thành ph n m ng v i nhau.Mininet cho phép
t t b t các link liên k t và có th l n hành b t b t các switch và ti
hình mc xây d ng tích h p vào Mininet gi t chthêm vào công c mô ph ng này, ta có th t hình Fat-Tree b t k v i giá tr
k chng
B t ộ ối ƣu (Optimizer): n quan tr ng nh t quy nh t i kh
t kic c a toàn m c xây d ng trên công c NOX, có kh thng trong m ng thông qua b n tin openflow Kh i này th
ng trên các giao di n c a m i switch, d a vào thu t toán t -aware
c tích h p vào s quy nh xem switch và link nào s c g b ra
kh i thông tin v hình m i cho các b nh tuy u khin công su t B t c ch y liên t c và c p nh hình m i v i chu k c nh Ngoài ra còn xây d ng thêm giao di n qu n lý m n theo dõi ki m tra ti
s ho ng ca các thit b m ng
B nh tuy n (Routing) ộ đị ế c xây d t b ph n c a NOX, b này
nhc thông tin v hình t b t n hành th c hi nh tuy n các lu ng
hình m i này Hi n t tr m t s b nh tuy n m nh theo các thuphát tring thêm m t b nh tuy n tích h p thêm vào NOX theo ki u cân
i phân c p (Hierarchical Load-Balancing Routing Algorithm) Thu t toán này
s t c các gói tin c a cùng m t lu m t c p ngung duy nh c ch
nh nh ng có t i nh nh t V i tiêu chí này, t i trong toàn m ng s
c phân phu trên t t c các link c c này tránh s
d n t i quá n ng lên m t s link trong khi các link khác v n r nh r i Phân ph i t i cân
Trang 3737
b ng lên t t c các link s y cho m ng trung tâm d u Ngoài ra thu li t
nh tuy n xây d c b nh tuy n phân t gi
ng không c n thi ng
B ộ điề u khiể n công su t (Power control) ấ : b xu t xây d ng trên Mininet, khi này nh n thông tin v hình t b t i b n tin ti n hành
t t b t switch và và các c ng c a switch trên m ng Hi n t i công c mô ph ng m ng
t b t các switch nên ph i ti n hành tích h p thêm các API vào
có th t t b t b t các switch trên công c mô
ph ng hoàn toàn khác v i trên th c t r t nhi u, vì quá trình kh ng và t t trên th c
t i nhi u th i gian và nhi u ti n trình khác nhau trong khi công c mô ph ng ch c n th c hi n vài dòng l p trình Theo m t s nghiên c u cho th y quá trình kh i
ng nhanh nh t kho ng 30s v i Quanta switch [1], ngoài ra còn kèm theo vi c kh i
ng các thi t b ph tr khác Tác gi và nhóm nghiên c u hi v ng r lai s phát tri n các switch có kh t t t nhanh và có th hong chính xác luôn ngay sau quá trình kh ph c v cho ti t ki ng trong m ng trung tâm d li u
B ộ phát lưu lượ ng: Khc xây d ng v ki m nghi chính xác ca thut toán tt khó xây d ng hay tái t o l c chính
ng th c t trong m ng trung tâm d li u này r t ph c t p B phát
ng s c xây d ng theo m t s k ch b n mô ph
ng g n (Near) gi a các server thu ng trung bình (Middle) gia các server thut 1 edge switch
ng xa (Far) gi a các c p server
ra quá trình phát toán m ki nh tính b t
Trên th c t ng th nghi m trên có th c xây d ng thông qua các thi t b v c mô t Hình 3.3
Trang 3838
Hình 3.3: Kiế n trúc v t lý thực tế ủa môi trườ ậ c ng th nghi m [1] ử ệ
Các switch trong m c t o nên t hai switch box có 48 port tích h p chun OpenFlow (hi n t i các hãng ph n c tr m t s IP8800, Quanta LB4G, HP Procurve 5406 và 5412 tích h p chu n OpenFlow v0.89)
Các server là các máy tính có c m card NetFPGA 4 c ng, b ng
c t o b ng các card này, có th ng c Gbps Ngoài ra có th s d ng
c u hình thành các OpenFlow switch thông qua các ph n m m h tr s n
B u khi n m ng (Controler) th c hi n b ng m t máy tính Linux có tích h p
u khi n này th c hi n ch a các b t nh tuy n,
u khi n công su t và m t s ch khác thông qua giao th c OpenFlow
hình m ng c ti n hành mô ph ng là ki n trúc Fat-Tree 3 t c t o
b i 20 switch 4 c ng, h k t n i t ng c tr c chia ra làm 4
Trang 3939
pod, m i pod có ch core switch là 4 Các liên kc th hi Hình 3.4
c xây d ng b ng ngôn ng l c tích h p th ng vào Mininet git thành ph n c a công c mô ph ng này Ngoài ra tác gi còn vi t thêm giao di n hi n th ra c a s c hi n l nh (Cons th tin th c hi n l nh
Hình 3.4: Ki ế n trúc m ng trung tâm d ệu trong môi trườ ạ ữ li ng th nghi m ử ệ
Khi tích h p thêm vào Mininet mang tên Fat-Tree, kh i này có th t hình Fat-Tree v i giá tr k ch n b t k , hi n t giá tr m ng
v hình tri n khai th nghi m Kh i Fat- c xây d ng d n
cn chính là Node và topo
hình m ng Fat-Tree v c xây dm sau:
- Giá tr ID c a server: ch y t 1- y t n 10.0.0.16
- Giá tr ID c a các switch trong t t c các POD ch y t trái - sang phi, tính v n edge switch trong t ng POD
- Giá tr ID core switch: ch y t n 20 K t n c v i b u khi n NOX
Trang 40c chng d ch v t c v i mô hình Fat-tree h s cao
g p ph th ng gi l p trung tâm d li u ph thu c r t nhi u vào
c gi l c v i m t mô hình Fat-tree v i h s c
y tác gi o
m có th t qu g t v i mô hình gi l p trên
Li ích ca vi c phát tri n modul tính toán này là:
- Không ph thuc vào b u khi n ng gi l p
- Gii quy t v ch c v i m ng trung tâm d u có quy mô li
nh Có th tính toán v i quy mô l u so v i th c hi c trong môi
ng c n thi ng trong mc pht ki m c a m ng
so v i d hình full-mesh c a mô hình Fat-tree T phân tích này ta có th y s th
ng gi ng th nghi m th 2 v ng th nghi m th sau: