Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm và đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho openflow switch nhằm tiết kiệm năng lượng trong trung tâm mạng dữ liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐƢA RA CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG CHO OPENFLOW SWITCH NHẰM TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG TRUNG TÂM MẠNG DỮ LIỆU Mã số: Đ2013-06-14-BS Chủ nhiệm đề tài: ThS Trần Hoàng Vũ Đà Nẵng, 11/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐƢA RA CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG CHO OPENFLOW SWITCH NHẰM TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG TRUNG TÂM MẠNG DỮ LIỆU Mã số: Đ2013-06-14-BS Xác nhận quan chủ trì đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài ThS Trần Hoàng Vũ Đà Nẵng, 11/2014 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Chủ nhiệm đề tài: ThS Trần Hoàng Vũ – Khoa Điện trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng Tham gia đề tài: PGS TS Phạm Ngọc Nam – Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đơn vị phối hợp chính: Lab ESRC & Lab SDN - Trường ĐHBKHN Đại diện: ThS Trần Thanh, KS.Vũ Quang Trọng 2 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm đưa giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm lượng trung tâm mạng liệu - Mã số: Đ2013-06-14-BS - Chủ nhiệm: ThS Trần Hoàng Vũ - Thành viên tham gia: PGS TS Phạm Ngọc Nam - Cơ quan chủ trì: Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: Từ tháng 12/2013 đến tháng 11/2014 Mục tiêu: - Xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đạc lượng cho OpenFlow Switch - Đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFLow Switch Tính sáng tạo: - Các giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch Tóm tắt kết nghiên cứu: - Mở rộng tin điều khiển OpenFlow - Các giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFLow Switch Tên sản phẩm: - OpenFLow Switch có khả tiết kiệm lượng Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Hệ thống thực nghiệm đo đạc lượng dùng cho nghiên cứu tiếp tục OpenFlow Switch - Các giải pháp tiết kiệm lượng đề xuất áp dụng để sản xuất cho chuyển mạch thương mại sử dụng trung tâm liệu 3 Hình ảnh, sơ đồ minh họa Hệ thống thực nghiệm đo đạc lƣợng OpenFlow Switch Xác nhận quan chủ trì đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài ThS Trần Hoàng Vũ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: - Project title: Research building testbed system and propose methods to save energy for OpenFlow Switch to save energy in data center network - Code number: Đ2013-06-14-BS - Project Leader: MSc Tran Hoang Vu - Coordinator: Assoc Prof Pham Ngoc Nam - Implementing institution: College of Technology, The University of Danang - Duration: from December 2013 to November 2014 Objective: - Building experimental system for measuring energy OpenFlow Switch - Proposed solutions for energy saving OpenFlow Switch Creativeness and innovativeness: The energy saving solutions for OpenFlow Switch Research results: - Extending OpenFlow controller message - The energy saving solutions for OpenFlow Switch Products: OpenFLow Switch capable of saving energy Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - Experimental measurement system energy can be used for further research on OpenFlow Switch - The energy saving solutions proposed can be applied to the production of commercial switch used in data center 5 Main illustration images, diagrams Experimental system for measuring energy OpenFlow Switch MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu tiết kiệm lượng cho thiết bị mạng nước Theo nghiên cứu gần đây, trung tâm liệu điều tra dân số toàn cầu Dynatmics 2012 cho thấy, lượng tiêu thụ trung tâm liệu năm 2011 2012 toàn cầu tăng 63% Năng lượng tiêu thụ mạng Internet toàn cầu tăng nhanh thời gian tới 2010 - 2020 Trong thiết bị mạng chiếm từ 20% đến 30% lượng tiêu thụ Chi phí lượng cho trung tâm liệu chiếm 44% tổng chi phí hoạt động Đồng thời, với mức tiêu thụ lượng lớn, trung tâm liệu thải khoảng từ 2% đến 4% lượng khí thải cacbon, với đà phát triển công nghiệp nay, số tăng gấp đôi vào khoảng năm 2020 Một nguyên nhân tình trạng mạng Internet nói chung trung tâm liệu nói riêng thiết kế để chịu tải cao điểm ban ngày ban đêm lưu lượng tải đạt giá trị cực đại Tuy nhiên khoảng thời gian lại (từ 0am – 6am), lúc lưu lượng mạng thường thấp nhiều so với lưu lượng tối đa Mặt khác thiết bị mạng thiết kế để có khả xử lý tối đa lượng tải thời điểm Điều dẫn đến hiệu mặt lượng thiết bị mạng thấp Ngoài ra, lượng tiêu thụ thiết bị mạng tĩnh, nghĩa lượng tiêu thụ thiết bị trạng thái tải thấp, trạng thái nghỉ cao gần lượng tiêu thụ trường hợp tải cao Hầu hết thiết bị mạng không sử dụng lượng cách hiệu Hiện nay, có số phương pháp nghiên cứu lượng tiêu thụ hợp lý cho chuyển mạch trung tâm liệu Về bản, phần lớn phương pháp phân loại sau: (1) Tái thiết kế (Re-engineering), (2) Tương thích động (Dynamic adaptation), (3) Chế độ nghỉ thông minh (Smart sleeping/standby) Tính cấp thiết đề tài Trong số công trình nghiên cứu công bố nói trên, ta nhận rằng:  Khó tìm thấy công trình mang lại cho ta thấy chi tiết lượng tiêu thụ thành phần bên NetFPGA Để thiết kế lại chuyển mạch có khả tiết kiệm lượng hiệu suất lượng thành phần bên chuyển mạch NetFPGA cần nghiên cứu chi tiết  Các phương pháp để cải thiện hiệu lượng đề xuất công trình công bố mức tối ưu hầu hết kết nghiên cứu thích ứng tần số áp dụng cho số khối chức cho toàn hệ thống Qua khảo sát công trình nghiên cứu tiết kiệm lượng trung tâm liệu Ta thấy công trình nghiên cứu tiết kiệm lượng cho thiết bị mạng chưa quan tâm mức nhiều công trình công bố tạp chí, hội thảo khoa học nước quốc tế Mặc dù lượng tiêu thụ thiết bị mạng chiếm không nhỏ khoảng từ 20% đến 30% lượng tiêu thụ trung tâm liệu Vì “Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm đưa giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm lượng trung tâm mạng liệu” trở thành đề tài mang tính thời cao Việc giảm lượng tiêu thụ dẫn đến giảm chi phí hoạt động, mang lại lợi ích cho nhà đầu tư lẫn người dùng với chi phí dịch vụ giảm, giảm lượng tiêu thụ mang lợi ích to lớn cho môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu:  Đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng thiết kế chuyển mạch có chức tiết kiệm lượng theo điều khiển NOX POX  Đối tƣợng nghiên cứu:  Tập trung vào kiến trúc chuyển mạch OpenFlow tảng Kit NetFPGA-1G tin điều khiển OpenFlow phát triển Đại học Standford  Phạm vi nghiên cứu:  Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA, triển khai hệ thống thực nghiệm bao gồm điều khiển NOX /POX, phát thu lưu lượng sử dụng board PCIEXT-64UB để đo đạc, đánh giá tiết kiệm cho chuyển mạch  Nội dung đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng tiêu thụ cho chuyển mạch OpenFlow Các kết đạt đề tài đồng nghiệp sử dụng đánh giá mức lượng tiêu thụ toàn mạng kiến trúc thử nghiệm ECODANE Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu  Cách tiếp cận:  Nghiên cứu tài liệu OpenFlow Switch, Kit NetFPGA  Nghiên cứu, xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đạc lượng  Nghiên cứu tin điều khiển OpenFlow  Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng cho chuyển mạch OpenFlow  Thiết kế OpenFlow Switch có khả tiết kiệm lượng  Phƣơng pháp nghiên cứu Đo đạc lượng tiêu thụ khối chức OpenFlow Switch tảng NetFPGA phương pháp thực nghiệm Từ tối ưu điện tiêu thụ khối chuyển mạch đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch Nội dung nghiên cứu Nội dung đề tài bao gồm chương Giới thiệu lý thuyết tổng quan, vấn đề tiết kiệm lượng trung tâm liệu trình bày Chương Toàn đóng góp khoa học đề tài thể nội dung đề xuất thực Chương 2, Chương Chƣơng Tổng quan lý thuyết trung tâm liệu Chương trình bày khái quát tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm liệu khái niệm trung tâm liệu xanh Ngoài ra, chương giới thiệu kiến trúc mạng ECODANE kết hợp với thuật toán tối ưu RA-TAH để tiết kiệm lượng cho trung tâm mạng Qua chương giúp người đọc có nhìn tổng quan mục tiêu mà đề tài hướng tới, với xu hướng phát triển mạng tương lai Chƣơng Xây dựng mô hình thực nghiệm đo đạc lƣợng cho OpenFlow Switch Chương xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đạc lượng tiêu thụ khối chức kit NetFPGA-1G Từ giúp cho ta có định khối nên cắt giảm điện nhằm tối ưu lượng tiêu thụ cho chuyển mạch Chƣơng Các giải pháp tiết kiệm lƣợng cho OpenFlow Switch Với kết đo đạc lượng cho khối chức chuyển mạch Chương Chương đề xuất giải pháp nhằm tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch Bằng kết thực nghiệm chứng minh tiết kiệm lượng chuyển mạch theo chế độ làm việc khác hệ thống thiết kế có tính khả thi cao Chương Tổng quan lý thuyết trung tâm liệu Giới thiệu chương Chương giới thiệu kiến trúc mạng ECODANE (Reducing Energy Consumption in DAta Centre NEtworks based on Traffic Engineering) công nghệ sử dụng mạng ECODANE kiến trúc dựa công nghệ SDN cho phép tùy chọn bổ sung chức vào mạng cách nhanh chóng mềm dẻo Kiến trúc mạng ECODANE cho phép tạo môi trường thử nghiệm tích hợp thuật toán tối ưu hoá RA-TAH với chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA để tiết kiệm lượng cho trung tâm liệu 1.2 Kiến trúc mạng ECODANE 1.1 Hình 1.1 Kiến trúc thử nghiệm ECODANE 1.3 Các công nghệ phát triển kiến trúc mạng ECODANE 1.3.1 Công nghệ OpenFlow Công nghệ OpenFlow công nghệ mạng điều khiển phần mềm SDN (Software Defined Networking) phương tiện cho phép nhà nghiên cứu chạy giao thức thử nghiệm hệ thống mạng mà ta sử dụng hàng ngày Bộ chuyển mạch OpenFlow dựa nguyên tắc chuyển mạch Ethernet, bao gồm ba thành phần chính: Bảng Flow (Flow-table), kênh an toàn (Secure Channel), giao thức OpenFlow (OpenFlow Protocol), Hình 1.2 Hình 1.2 Cấu trúc chuyển mạch OpenFlow 1.3.2 Công nghệ NetFPGA Nền tảng NetFPGA (Hình 1.3) cho phép nhà nghiên cứu xây dựng nguyên mẫu hệ thống mạng tốc độ cao, tăng tốc phần cứng cách nhanh chóng Nền tảng giúp cho nhà nghiên cứu xây dựng chuyển mạch Ethernet định tuyến IP phần cứng thay phần mềm, sử dụng NetFPGA để thử nghiệm dịch vụ mạng tiên tiến phục vụ cho mạng hệ Nền tảng NetFPGA bao gồm ba thành phần chính: phần cứng, gateware, phần mềm Hình 1.3 Nền tảng NetFPGA 1.3.3 Chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA Việc xây dựng chuyển mạch OpenFlow kit NetFPGA dựa mô hình đường ống (Hình 1.4) mô tả kiến trúc đơn giản nf2_core Hình 1.4 Mô hình đường ống áp dụng cho việc thiết kế phần cứng mạng 10 1.4 Tổng kết chương Chương trình bày tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm liệu Ngoài ra, chương giới thiệu kiến trúc mạng ECODANE công nghệ sử dụng mạng Xuất phát từ ưu điểm kiến trúc mạng ECODANE, đề xuất nghiên cứu chương đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch tảng NetFPGA Chương Xây dựng mô hình thực nghiệm đo đạc lượng cho OpenFlow Switch 2.1 Giới thiệu chương Chương xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đạc đưa phân bổ lượng tiêu thụ khối chức Kit NetFPGA-1G Từ đánh giá đưa định nên cắt giảm điện tiêu thụ khối chuyển mạch 2.2 Ph n ổ lượng chuyển mạch OpenFlow 2.2.1 Hệ thống đo đạc lượng tiêu thụ Kit NetFPGA-1G Hệ thống đo đạc sử dụng Kit NetFPGA-1G sở cho phát triển chuyển mạch có chức tiết kiệm lượng Kit gồm cổng Ethernet 1Gbps điều khiển dựa Virtex II Pro 50 FPGA dòng sản phẩm Xilinx Thiết kế ban đầu chuyển mạch thiết kế dựa dự án chuyển mạch OpenFlow phiên 1.0.0.4 Hình 2.1 mô tả chi tiết kiến trúc hệ thống đo đạc kiểm tra C0 C0 Chuyển mạch C1 C1 NetFPGA C2 C0 C3 C2 Chuyển mạch C1 NetFPGA C2 C0 C2 Chuyển mạch NetFPGA C1 C3 C0 C2Chuyển mạch NetFPGA C1 C0 C0 C2 C1 C3 Chuyển mạch C2 NetFPGA C1 Phát lưu lượng Phát lưu lượng Host PC Bo mạch hiển thị công suất 5.0V 3.3V PCIEXT-64UB Thiết bị Oscilloscope Chú ý: Băng thông 800Mbps 1Gbps Hình 2.1 Hệ thống đo đạc lượng chuyển mạch tảng NetFPGA 2.2.2 Đặc tính lượng chi tiết Kit NetFPGA-1G Quá trình đo đạc đặc tính lượng chuyển mạch NetFPGA bao gồm bước: (1) đường đặc tính lượng bản, (2) đặc tính giao tiếp lượng mạng, (3) đặc tính lượng động, (4) chi tiết đặc tính lượng khối chức chuyển mạch OpenFlow Kết đo lường tóm tắt Hình 2.2 11 Hình 2.2 Đặc tính lượng Kit NetFPGA chạy chuyển mạch OpenFlow Nhận xét kết đo được: điểm đáng ý đặc tính lượng Kit NetFPGA chạy chuyển mạch OpenFlow rõ sau: Năng lượng tiêu thụ gần 39% tổng lượng Trong chip FPGA chiếm khoảng 23.3% khối Ethernet chiếm khoảng 37.7% Chương Các giải pháp tiết kiệm lượng OpenFlow Switch 3.1 Giới thiệu chương Dựa kết đo đạc lượng tiêu thụ khối chức OpenFlow Switch Chương Chương 3, tác giả đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA 3.2 Giải pháp điều khiển trạng thái cổng Ethernet Đặc tính lượng Kit NetFPGA Mục 2.2.2 đưa lượng tiêu thụ cổng Ethernet lớn chiếm khoảng 37.7% thiết lập chế độ 1Gbps Tuy nhiên, chúng cấu hình để chạy với mức băng thông nhỏ hơn, chẳng hạn 100Mbps, 10Mbps hay chí tắt trạng thái idle Dựa vào điều tác giả đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho chuyển mạch OpenFlow cách xây dựng phần mềm điều khiển mở rộng tin OpenFlow để thay đổi tốc độ liên kết cổng Ethernet nhằm tiết kiệm lượng cho chuyển mạch 3.2.1 Nguyên lý thay đổi tốc độ liên kết (link_rate) Trong BCM5464SR NIC có ghi MII để điều khiển cổng Ethernet riêng biệt Do vậy, cách thay đổi driver OpenFlow, chuyển mạch nhận tin điều khiển OpenFlow từ điều khiển (NOX hay POX) thiết lập giá trị ghi MII để thay đổi chế độ hoạt động Cấu trúc tin nhắn MDIO mô tả Hình 3.1 31 30 29 28 27 - - - bit đầu Hoạt động 22 - - - Địa vật lý[4:0] - - - - - - Địa ghi [4:0] 17 16 15 - - - TA Hình 3.1 Cấu trúc tin MDIO - - - Bit điều khiển liệu [15:0] 12 Kết hợp bit bit 13 ghi MII để chọn trạng thái băng thông khác: a) “00” cho 10 Mbps; b) “01” cho 100 Mbps; c) “10” cho Gbps “11” không sử dụng (Hình 3.2) Tự động thương lượng Chế độ công suất thấp 15 R 13 - SP0 AN LP - - - - SP1 - - - - - - Lựa chọn tốc độ Hình 3.2 Chức bit ghi MII 3.2.2 Mở rộng ản tin OpenFlow điều khiển cổng Ethernet Để thay đổi tốc độ liên kết cổng Ethernet cho chuyển mạch nhằm tiết kiệm năng, tác giả mở rộng tin điều khiển OpenFlow Trường link_state chứa thông tin điều khiển cổng Hình 3.3 Giá trị „1‟ ô cờ (Flag) định có hay không đổi trạng thái chuyển mạch Cặp bit {P1, P0} xác định số hiệu cổng, cặp bit {B1, B0} xác định băng thông cổng chọn: “11” tức 1Gbps, “10” nghĩa 100Mbps, “01” giới hạn băng thông 10Mbps, “00” biểu thị cho việc tắt cổng Bảng 3.1 Bản tin OFPT_PORT_MOD OpenFlow header Port no MAC address Config Mask Link state Advertise Pad 8bytes 2bytes 6bytes 4bytes 4bytes 1bytes 4bytes 3bytes F - - Flag B1 - Reserved B0 Link Rate P1 P0 Port No Hình 3.3 Trường Link state mô tả tốc độ liên kết cổng Ethernet Bắt đầu Bắt tay với NOX OK? N Kết thúc Y Nhận tin N 1Gbps? N 100Mbps Y N N Tắt Link? Y Y Y Thay đổi: Link_ rate 1Gbps 10Mbps? Thay đổi: Link_ rate 100Mbps Thay đổi: Link_ rate 10Mbps Link rate N 100Mbps? Link rate 10Mbps? Hàng đợi trống? Y Link rate 1Gbps? Y N Y N Tắt Link Y Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển thay đổi tốc độ Link-rate 13 3.3 Giải pháp giảm tần Đặc tính lượng Kit NetFPGA Mục 2.2.2, ta thấy lượng tiêu thụ chip FPGA chiếm khoảng 23.3% cắt giảm Dựa vào điều tác giả đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho chuyển mạch OpenFlow cách thiết kế điều khiển tần số CC (Clock Controller), mở rộng tin điều khiển từ NOX /POX để giảm tần số hoạt động chuyển mạch nhằm tiết kiệm lượng 3.3.1 Nguyên lý giảm tần Năng lượng tiêu thụ Pc thiết bị CMOS, chip FPGA tỉ lệ thuận với tần số clock công thức (3.1) 𝑓 (3.1) Theo công thức (3.1), để tiết kiệm lượng, tác giả đề xuất giảm tần số hoạt động giảm xuống còn: f/2, f/4, f/8, f/16, f/32, f/64 3.3.2 Thiết kế khối điều khiển tần số CC (Clock Controller) Trong mục tác giả đề xuất thiết kế khối điều khiển đồng hồ CC tạo nguồn xung nhịp độc lập linh hoạt với nhiều mức đầu tần số, cách bổ sung thêm khối điều khiển tần số CC khối chia tần số CD (Clock Divider) Hình 3.5 nhằm tiết kiệm lượng NF2TOP cpci clk Clock Divider Giảm tần Clock Controller Bộ đệm vào Xử lý gói tin Bộ đệm Xử lý gói tin Gói tin master_clock Gói tin vào NF2CORE core clk UDP Hình 3.5 Bốn khối chức nhúng Core FPGA (khối nét đứt) Như Hình 3.5, xung nhịp sử dụng khối mở rộng core_clk, với tần số mặc định 125 Mhz Để tiết kiệm lượng, tần số làm việc hệ thống giảm xuống cách chia tần số với hệ số 2, 4, 16, vv Trên thực nghiệm, chuyển mạch phục hồi trạng thái bình thường tần số làm việc giảm xuống thấp 3.90625 Mhz Do đó, tác giả đề xuất giữ tần số làm việc hệ thống nhỏ 3.90625 Mhz 3.3.3 Mở rộng ản tin OpenFlow điều khiển giảm tần Để giảm công suất tiêu thụ chuyển mạch tác giả mở rộng tin giao thức OpenFlow để điều khiển tần số hoạt động chuyển mạch Bản tin mở rộng OpenFlow định nghĩa sau: 14 Bảng 3.2 Bản tin OFPT_SWITCH_MOD giảm tần Opflow header 8bytes Datapath ID Switch state Option Pad bytes 1bytes 4bytes 3bytes F - - Flag - - Reserved M2 M1 M0 Mode Hình 3.6 Trường Switch state Bảng 3.3 Các mức tần số khác Chế độ M2 M1 M0 (Mode) Tần số hoạt động chuyển mạch (MHz) Số lần giảm 0 0 125 1 0 62.5 1/2 31.25 1/4 1 15.625 1/8 0 7.8125 1/16 1 3.90625 1/32 1 Not available(N/A) N/A 1 N/A N/A Bắt đầu Bắt tay với NOX OK? N Kết thúc N Y Nhận tin điều khiển Cờ Flag = 1? Y 𝐹= 125 MHz 2𝑚𝑜𝑑𝑒 Y Mode < 6? N Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán điều khiển thay đổi tần số 3.4 Chế độ hoạt động cho OpenFlow Switch 3.4.1 Định nghĩa chế độ làm việc cho OpenFLow Switch Các chế độ hoạt động chuyển mạch định nghĩa sau: 15 Bảng 3.4 Các chế độ hoạt động chuyển mạch Chế độ Tần số Băng thông cổng Công suất cao 125 MHz Idle/10Mbps/100Mbps/1Gbps Công suất thấp 62.5 MHz Idle/10Mbps/100Mbps Ngủ 3.90625 MHz Idle 3.4.2 Mở rộng ản tin OpenFlow cho chế độ làm việc Để thực chế độ hoạt động cho chuyển mạch nhằm tiết kiệm năng, tác giả mở rộng tin điều khiển OpenFlow Trường Switch_mode lưu trữ thông tin cấu hình chuyển mạch Bảng 3.5 Giá trị „1‟ vị trí cờ (F) cho phép chuyển mạch thay đổi trạng thái Trường Switch_ mode chế độ làm việc chuyển mạch sau: chế độ công suất cao (M1M0=00), chế độ công suất thấp (M1M0=01) chế độ ngủ (M1M0=10) M1M0=11 dự phòng (Hình 3.8) Bảng 3.5 Bản tin OFPT_Switch_mode cho chế độ hoạt động OpenFlow Header Switch Mode Pad Bytes Bytes Bytes F - - Flag - - - M1 M0 Mode Reserved Hình 3.8 Trường Switch Mode định nghĩa chế độ hoạt động Bắt đầu Bắt tay với NOX OK? N Kết thúc Y Nhận tin Chế độ: Công suất cao? Y Thiết lập cổng băng thông 1Gbps N Chế độ: Công suất thấp? Y Thiết lập cổng băng thông 100Mbps N Chế độ: ngủ? N Y Hàng đợi trống? Y Thiết lập cổng idle N F = 125 Mhz F = 62.5Mhz F = 3.9065Mhz Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển chế độ hoạt động 3.5 Hệ thống thực nghiệm đo đạc kết đạt Để đo lượng tiết kiệm chuyển mạch NetFPGA-1G, sử dụng giải pháp tiết kiệm lượng đề xuất Tác giả xây dựng hệ thống kiểm tra đo đạc lượng cho chuyển mạch OpenFLow tảng NetFPGA Hệ thống kiểm tra cho 16 phép tính toán thu thập thông tin lượng tiết kiệm Hệ thống kiểm tra đo đạc bao gồm điều khiển NOX, chuyển mạch OpenFlow thêm vào khối chức mới, có khả nhận tin điều khiển OFPT_PORT_MOD, OFPT_SWITCH_MOD Khối điểu khiển dùng NOX controller 1.0.0 máy chạy Ubuntu 10.10 Chuyển mạch OpenFlow thiết kế lại từ phiên 1.0.0.4 mạch NetFPGA phiên 3.0.1 Đại học Standford Một máy phát lưu lượng sử dụng để đưa liệu vào chuyển mạch Trong thực tế PC1 Hình 3.10, gửi luồng liệu xấp xỉ 1Gbps, PC2 theo dõi trạng thái chuyển mạch Một máy đo mạch đo tự động dùng để đo tính toán công suất chuyển mạch điểm kiểm tra nguồn dòng 3.3V, 5V thông qua mạch mở rộng PCIEXT-64UB Mô hình hoàn chỉnh hệ thống kiểm tra cho Hình 3.11 Khối điều khiển NOX PC1 (Phát gói tin) Chuyển mạch OpenFlow PC2 (Monitor) PCIEXT-64UB (Mạch đo công suất tiêu thụ) Mạch hiển thị công suất Hình 3.10 Mô hình hệ thống đo đạc kiểm tra Hình 3.11 Hệ thống thực nghiệm đo đạc kiểm tra 3.5.1 Kết đo đạc giải pháp thay đổi trạng thái cổng Ethernet Đo công suất tiêu thụ chuyển mạch hoạt động băng thông khác Kết đo hiển thị Bảng 3.6 Bảng 3.6 Thay đổi tốc độ link-rate cổng Ethernet Chế độ Băng thông Công suất tiêu thụ Công suất tiết kiệm cổng chuyển mạch P(mW) P(mW) 1Gbps 11525.6 100Mbps 7372 4154 10 Mbps 6537.6 4988 Idle (tắt cổng) 6440.6 5085 17 Kết thực nghiệm: cho thấy chuyển mạch giảm khoảng 35% điện tiêu thụ thay đổi băng thông từ 1Gbps xuống 100Mbps Ngoài ra, số lên đến gần 41,6% tắt tất cổng chuyển mạch 3.5.2 Kết đo đạc giải pháp giảm tần Để đo công suất tiêu thụ chuyển mạch hoạt động chế độ giảm tần Đầu tiên, tác giả đo điện tiêu thụ chuyển mạch đồng thời thay đổi tần số đầu vào Kết đo đạc mô tả Bảng 3.7 Bằng phương pháp thực nghiệm, tác giả giảm tần số chuyển mạch xuống thấp 3.90625MHz chuyển mạch chuyển tiếp gói tin, có nghĩa ta đưa chuyển mạch sang trạng thái ngủ Bảng 3.7 Công suất tiêu thụ chuyển mạch giảm tần Chế độ Tần số hoạt động Số lần Công suất tiêu Công suất tiết chuyển mạch (MHz) giảm thụ (mW) kiệm (mW) 125 11576 62.5 1/2 10228 1348 31.25 1/4 9872 1701 15.625 1/8 9554 2022 7.8125 1/16 9271 2305 3.90625 1/32 8965 2611 12000 11576 11500 Công suất (mW) 11000 10228 10500 10000 9554 9500 9217 9048 8965 7.8125 3.90625 9000 8500 8000 125 62.5 31.25 15.625 Tần số(MHz) Hình 3.12 Năng lượng chuyển mạch phụ thuộc tần số Kết thực nghiệm: Cho thấy khối điều khiển tần số CC giúp cho chuyển mạch có khả tiết kiệm khoảng 22.5% lượng tiêu thụ (2611mW 11576mW) 3.5.3 Kết đo đạc chế độ hoạt động cho OpenFlow Switch Để đo công suất tiêu thụ chuyển mạch hoạt động chế độ làm Các kết đo hiển thị Bảng 3.8 18 Bảng 3.8 Công suất tiêu thụ chuyển mạch ứng với chế độ hoạt động Chế độ Tần số (MHz) Băng thông (Mbps) Công suất (mW) Công suất cao 125 1000 11574 Công suất thấp 62.5 100 6175 Ngủ 3.9065 4577 Hình 3.13 Năng lượng tiêu thụ NetFPGA chế độ hoạt động Kết thực nghiệm: ta tiết kiệm đến 46.6% lượng chuyển mạch thiết lập chế độ công suất thấp mức tiếp kiệm lên đến 60% chế độ ngủ so với chế độ công suất cao 3.6 Tổng kết chương Qua chương tác giả thực thành công ba công việc chính:  Trong chương đề xuất phương pháp điều khiển cổng Ethernet chạy số băng thông khác tiết kiệm lượng nhiều  Đề xuất giải pháp thay đổi tần số hoạt động toàn chip FPGA, lượng tiết kiệm nhiều  Đề xuất thêm chế độ hoạt động cho chuyển mạch OpenFlow mở rộng tin điều khiển OpenFlow nhằm tiết kiệm nhiều lượng 19 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Nội dung đề tài chủ đề xuyên suốt khảo sát tiết kiệm lượng chuyển mạch trung tâm liệu, tổng quan lý thuyết, mở rộng tin điều khiển OpenFlow đề xuất giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm lượng Có thể thấy từ kết đạt đề tài sau:  Xây dựng mô hình hệ thống thực nghiệm đo đạc lượng xác định đặc tính tiêu thụ công suất khối chức OpenFlow Switch  Đề xuất giải pháp điều khiển cổng Ethernet chạy số băng tần khác nhằm tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch  Đề xuất giải pháp thay đổi tần số hoạt động toàn OpenFlow Switch tảng NetFPGA, lượng tiết kiệm nhiều  Đề xuất chế độ hoạt động cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm lượng Hƣớng phát triển thời gian tới Toàn nội dung kết đạt đề tài nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng cho OpenFlow Switch trung tâm liệu cần thiết, khả thi có nhiều ứng dụng tiềm sản xuất chuyển mạch thương mại Hướng phát triển thời gian tới tập trung vào việc xây dựng OpenFlow Switch tảng NetFPGA chạy hệ điều hành nhúng độc lập mà không cần máy chủ PC, hỗ trợ giao thức OpenFlow có đầy đủ chức tiết kiệm lượng mà tác giả đề xuất đề tài 20 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA ĐỀ TÀI Bài báo nƣớc Tran Hoang Vu, Pham Ngoc Nam, “Research testbed system and new method to save energy for OpenFlow Switch” Journal of Science and Technology, The University of Danang, Vol 1, No (79), pp.81-85, 2014 Bài báo quốc tế Tran Hoang Vu, Tran Thanh, Vu Quang Trong, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, “Energy Saving for OpenFlow Switch on the NetFPGA platform Using Multi-Frequency” In International Journal of Computing and Network Technology, No.1, pp.9-15, 2014 [...]... tiết kiệm năng lượng của chuyển mạch trong các trung tâm dữ liệu, tổng quan về lý thuyết, mở rộng bản tin điều khiển OpenFlow và đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm năng lượng Có thể thấy từ các kết quả đạt được của đề tài như sau:  Xây dựng được mô hình hệ thống thực nghiệm đo đạc năng lượng và xác định được các đặc tính tiêu thụ công suất của các khối chức năng. .. ECODANE và các công nghệ được sử dụng trong mạng Xuất phát từ các ưu điểm của kiến trúc mạng ECODANE, các đề xuất nghiên cứu trong các chương tiếp theo của đề tài tập trung nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho OpenFlow Switch trên nền tảng NetFPGA Chương 2 Xây dựng mô hình thực nghiệm đo đạc năng lượng cho OpenFlow Switch 2.1 Giới thiệu chương Chương này xây dựng hệ thống thực nghiệm đo đạc và. .. của tổng năng lượng Trong khi đó chip FPGA chiếm khoảng 23.3% và khối Ethernet chiếm khoảng 37.7% Chương 3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng OpenFlow Switch 3.1 Giới thiệu chương Dựa trên kết quả đo đạc năng lượng tiêu thụ của các khối chức năng trong OpenFlow Switch ở Chương 2 Chương 3, tác giả đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA 3.2 Giải pháp điều... chức năng trong OpenFlow Switch  Đề xuất giải pháp điều khiển mỗi cổng Ethernet chạy ở một số băng tần khác nhau nhằm tiết kiệm năng lượng cho OpenFlow Switch  Đề xuất giải pháp thay đổi tần số hoạt động trên toàn bộ OpenFlow Switch trên nền tảng NetFPGA, do đó năng lượng tiết kiệm sẽ được nhiều hơn  Đề xuất chế độ hoạt động mới cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm năng lượng Hƣớng phát triển trong thời... triển trong thời gian tới Toàn bộ nội dung và các kết quả đạt được trong đề tài chỉ ra rằng nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho OpenFlow Switch trong trung tâm dữ liệu là rất cần thiết, khả thi và có nhiều ứng dụng tiềm năng trong sản xuất chuyển mạch thương mại Hướng phát triển trong thời gian tới đó là tập trung vào việc xây dựng một OpenFlow Switch trên nền tảng NetFPGA chạy một hệ điều... 3.9065Mhz Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển các chế độ hoạt động mới 3.5 Hệ thống thực nghiệm đo đạc và kết quả đạt được Để đo được năng lượng tiết kiệm được của chuyển mạch NetFPGA-1G, khi sử dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng đề xuất Tác giả xây dựng một hệ thống kiểm tra đo đạc năng lượng cho chuyển mạch OpenFLow trên nền tảng NetFPGA Hệ thống kiểm tra này cho 16 phép tính toán và thu thập... nhau tiết kiệm năng lượng nhiều hơn  Đề xuất giải pháp thay đổi tần số hoạt động trên toàn bộ chip FPGA, do đó năng lượng tiết kiệm sẽ được nhiều hơn  Đề xuất thêm 3 chế độ hoạt động mới cho chuyển mạch OpenFlow và mở rộng bản tin điều khiển OpenFlow nhằm tiết kiệm nhiều năng lượng hơn 19 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Nội dung của đề tài là một chủ đề xuyên suốt bắt đầu từ các khảo sát về tiết. .. đạc và đưa ra phân bổ năng lượng tiêu thụ của từng khối chức năng trong Kit NetFPGA-1G Từ đó đánh giá và đưa ra quyết định nên cắt giảm điện năng tiêu thụ của khối nào trong chuyển mạch 2.2 Ph n ổ năng lượng của chuyển mạch OpenFlow 2.2.1 Hệ thống đo đạc năng lượng tiêu thụ của Kit NetFPGA-1G Hệ thống đo đạc sử dụng Kit NetFPGA-1G là cơ sở cho phát triển chuyển mạch có chức năng tiết kiệm năng lượng. .. mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA Việc xây dựng bộ chuyển mạch OpenFlow trên kit NetFPGA được dựa trên mô hình đường ống (Hình 1.4) mô tả kiến trúc đơn giản trong nf2_core Hình 1.4 Mô hình đường ống áp dụng cho việc thiết kế phần cứng mạng 10 1.4 Tổng kết chương Chương này đã trình bày về tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu Ngoài ra, chương này cũng giới thiệu về kiến trúc mạng. .. tiếp năng lượng mạng, (3) đặc tính năng lượng động, (4) chi tiết đặc tính năng lượng của từng khối chức năng trong chuyển mạch OpenFlow Kết quả đo lường được tóm tắt như Hình 2.2 11 Hình 2.2 Đặc tính năng lượng của Kit NetFPGA khi chạy như chuyển mạch OpenFlow Nhận xét kết quả đo được: 3 điểm đáng chú ý của đặc tính năng lượng Kit NetFPGA chạy như một chuyển mạch OpenFlow được chỉ rõ như sau: Năng lượng