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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG THIẾT KẾ CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG Ở TRUNG TÂM DỮ LIỆU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HOÀNG VŨ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG THIẾT KẾ CHUYỂN MẠCH SỬ DỤNG Ở TRUNG TÂM DỮ LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. PHẠM NGỌC NAM Hà Nội – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tác giả trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Người hướng dẫn khoa học   ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Ngọc Nam đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học, dành nhiều thời gian và tâm huyết giúp đỡ tác giả về mọi mặt để hoàn thành luận án. Cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh chủ trì dự án nghị định thư với nước ngoài cấp nhà nước với đề tài: “Nghiên cứu cải thiện mức tiêu hao năng lượng trong các mạng trung tâm dữ liệu dựa trên bài toán lưu lượng (ECODANE)” MÃ SỐ 06/2011/HĐ - NĐT, thời gian thực hiện: 2011-2013, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả cùng tham gia. Với cơ sở lý thuyết và hệ thống thực nghiệm của dự án, đã góp phần làm nền tảng cho tác giả phát triển đạt được kết quả tốt trong luận án của mình. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử - Khoa Điện, Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Chân thành cảm ơn Bộ môn Điện tử & Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử Viễn thông, Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông. Qua đây, tác giả cũng chân thành cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam (NAFOSTED) đã tài trợ kinh phí tham dự hội thảo khoa học quốc tế „ICED‟ 19- 21.8.2014, Malaysia . Đồng thời tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Lab ESRC (Embedded System and Reconfigurable Computing Laboration) tại P.618 Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐHBKHN đã cộng tác cùng với tác giả xây dựng hệ thống thử nghiệm cho luận án này. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình tác giả : Ba mẹ, anh trai và chị dâu, đã giúp đỡ và hy sinh rất nhiều cho tác giả trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này. Tác giả luận án  iii MỤC LỤC  I  II  III  VII  IX   XII  1 1 1  3  4  Mc tiêu nghiên cu: 4  ng nghiên cu: 5  Phm vi nghiên cu: 5  5  RUNG TÂM  7 1.1.  7 1.2.  7 1.2.1.  7 1.2.2.  8 1.3.  9 1.3.1.  9 1.3.2. - 10 1.4.  11 1.5.  12 1.6.  13 1.6.1.  13 1.6.2.  17 1.6.3.  18 1.6.4.  20 iv 1.7.  23  24  24 2.1.  24 2.2.  24 2.2.1 -1G 24 2.2.2 -1G 26 2.2.2.1.  26 2.2.2.2.  27 2.2.2.3.  27 2.2.2.4.  27 2.2.2.5.  28 2.3.  28 2.3.1.  29 2.3.2.  29 2.3.3.  30 2.4.  32 2.4.1.  32 2.4.2.  35 2.5.   36 2.5.1.  36 2.5.2.  38 2.5.2.1.  38 2.5.2.2.  39 2.5.2.3.  41 2.5.2.4.  42 2.6.   44 2.6.1.  44 2.6.2.  45 2.6.2.1.  45 2.6.2.2.  47 v 2.6.3.  52 2.6.4.  54 2.7.  55 2.7.1.  56 2.7.2.  56 2.7.3.   57 2.7.4.  vào 58 2.7.4.1.  58 2.7.4.2.  61 2.8.  63 2.9.  64 3 65  65 3.1.  65 3.2.  66 3.3.  67 3.4.  68 3.5.  70 3.6.  71 3.7.  72 3.8.  73 3.8.1.  73 3.8.2. -  74 3.9.  78  79  79 4.1.  79 4.2.  79 4.3.  80 4.3.1.  80 vi 4.3.2.  82 4.4.  83 4.4.1.  83 4.4.2.  85 4.5.  87  88  88  89  89 CÁC CÔNG  90  90  91  92  92    91 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT T vit tt Thut ng ting anh Thut ng ting vit API Average Power Index Ch s công sut trung bình CC Clock Controller B u khin tín hiu Clock CLB Configurable Logic Block Khi logic có th lc CLKIN Clock input Tín hiu vào CLKFB Clock feedback Tín hiu clock phn hi CPU Central Processing Unit B x lý trung tâm DMA Direct memory access Truy cp b nh trc tip DCM Digital Clock Manager Khi qun lý ng h DRAM Dynamic Random Access Memory B nh truy cp ngng DD Data Detector Khi phát hin d liu D-ITG Distributed Internet Traffic Generator B ng Intrernet ECODANE Reducing Energy Consumption in Data Centre Networks based Ci thin mng trong các mng trung tâm d liu dng EPI Energy Proportionality Index  FPGA Field Programmable Gate Array Mng cng kh trình FC Frequency Controller u khin tn s ICT Information and Communications Technology Công ngh thông tin và truyn thông IOB Input Output Block Khi vào ra MAC Media Access Control u khin truy nhp thit b MDIO Management Data Input/Output Qun lý d liu vào/ra viii MII Media Independent Interface Giao din tiêu chuc lp NCD Native Circuit Description Phn m rng ca file thit k NetFPGA Network Field Programmable Gate Array Mng cng kh trình mng RA-TAH Rate Adaptive Topology-Aware Heuristic Thut toán t hình mng OF SW OpenFlow Switch B chuyn mch OpenFlow PCF Physical Constraint File Phn m rng ca file ràng buc vt lý PCI Peripheral Component Inter- connect Kt ni thành phn ngoi vi PLD Programmable Logic Device Thit b logic có th lp trình QoS Quality of Service Chng dch v UDP User Data Path Khi lõi chính ca chuyn mch SDN Software-Defined Network Mu khin bng phn mm SRAM Static Random Access Memory B nh truy cp ng VCD Value Change Dump Phn m rng ca file mô phng WOL Wake up on LAN c qua mng LAN [...]... thiết bị mạng chiếm không nhỏ khoảng từ 20% đến 30% năng lượng tiêu thụ [19][56] trong trung tâm dữ liệu Vì vậy, việc Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trong thiết kế chuyển mạch sử dụng ở trung tâm dữ liệu đã trở thành đề tài mang tính thời sự Việc giảm năng lượng tiêu thụ của chuyển mạch sẽ dẫn đến giảm chi phí hoạt động trong trung tâm dữ liệu, mang lại lợi ích cho cả các nhà đầu tư lẫn người... thế giảm năng lượng tiêu thụ còn mang lợi ích to lớn cho môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính 3 Mục tiêu, phạm vi, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu:  Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thiết kế chuyển mạch mới có chức năng tiết kiệm năng lượng theo bộ điều khiển NOX hoặc POX Đề xuất giải pháp thiết kế một chuyển mạch tự động tiết kiệm năng lượng theo lưu lượng đầu... tổng quát của trung tâm dữ liệu 1.2.2 Trung tâm dữ liệu xanh Để đánh giá năng suất trung tâm dữ liệu, cần tập trung vào hai yếu tố đó là hiệu quả sử dụng của các tài nguyên trong mạng và hiệu năng hoạt động mong muốn tính trên từng watt của các thiết bị mạng Do vậy, những vấn đề nổi bật đang được nghiên cứu gần đây là tìm ra giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng khổng lồ mà các trung tâm dữ liệu đang tiêu... ra, chương này đề xuất các giải pháp thiết kế một chuyển mạch mới có chức năng tiết kiệm năng lượng dựa theo bộ điều khiển NOX / POX Ngoài ra, thiết kế chuyển mạch tự động tiết kiệm năng lượng dựa theo lưu lượng đầu vào cũng được đề xuất trong chương 2 Chương 3 Phương pháp mô h nh h a năng lượng cho chuyển mạch Chương này trình bày mô hình hóa điện năng tiêu thụ của một chuyển mạch Ngoài ra chương này... hệ thống đo đạc năng lượng tiêu thụ của từng khối chức năng trong kit NetFPGA-1G Từ đó giúp cho ta có quyết định tốt hơn khối nào nên được cắt giảm điện năng nhằm tối ưu năng lượng tiêu thụ cho chuyển mạch Với kết quả tối ưu về năng lượng cho các khối trong chuyển mạch, các giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow được đề xuất Dựa trên các giải pháp tiết kiệm năng lượng được đưa... đề tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu được trình bày ở Chương 1 Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án thể hiện ở các nội dung đề xuất và thực hiện trong Chương 2, Chương 3, Chương 4 Chương 1 Tổng quan lý thuyết và các công nghệ sử dụng trong trung tâm dữ liệu Chương này sẽ trình bày khái quát về tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu cũng như khái niệm về trung tâm dữ liệu. .. mà luận án hướng đến Hình 1.2 Năng lượng tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu [56] Dựa vào các đánh giá năng suất của trung tâm dữ liệu, trung tâm dữ liệu xanh (Green Datacenter) được định nghĩa là một trung tâm dữ liệu mà trong đó hệ thống được thiết kế sao cho hiệu suất hoạt động tối đa với mức tiêu thụ điện năng thấp và hạn chế thấp nhất tính dư thừa gây lãng phí trong sử dụng, thân thiện môi trường,... Tức là mỗi máy chủ (server) sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng truy nhập, mỗi chuyển mạch ở tầng truy nhập sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng trung gian, mỗi chuyển mạch ở tầng trung gian sẽ liên kết với hai chuyển mạch ở tầng lõi Dễ dàng nhận thấy với đồ hình này, chuyển mạch tầng dưới chỉ hội tụ vào chuyển mạch ở tầng trên và sẽ gây ra mất mát lớn nếu chuyển mạch tầng trên gặp phải sự cố Nhìn... tại một mức lưu lượng được sử dụng nhất định Qua khảo sát về các công trình nghiên cứu trên về tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu Ta thấy rằng công trình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng cho thiết bị mạng hiện nay chưa được quan tâm đúng mức và không có nhiều công trình được công bố trên các tạp chí, hội thảo khoa học trong nước và quốc tế Mặc dù năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng... 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, . pháp nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu:  Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thiết kế chuyển mạch mới có chức năng tiết kiệm năng lượng theo bộ điều khiển NOX hoặc POX. Đề xuất giải. trong thiết kế chuyển mạch sử dụng ở trung tâm dữ liệu đã trở thành đề tài mang tính thời sự. Việc giảm năng lượng tiêu thụ của chuyển mạch sẽ dẫn đến giảm chi phí hoạt động trong trung tâm. năng lượng tiết kiệm tại một mức lưu lượng được sử dụng nhất định. Qua khảo sát về các công trình nghiên cứu trên về tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu. Ta thấy rằng công trình nghiên