Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục

Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TÔN THIỆN KHÁNH SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TÔN THIỆN KHÁNH SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN THỊ NGỌC LAN Hà Nội – Năm 2019 SĐH.QT9.BM11 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Tôn Thiện Khánh Đề tài luận văn: Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng lượng mạng đường trục Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số SV: CA170272 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày10/10/2019 với nội dung sau: − Bổ sung số trích dẫn khoa học − Chỉnh sửa lỗi hành văn − Bổ sung chỉnh sửa kết luận Ngày tháng 11năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Trần Thị Ngọc Lan Tôn Thiện Khánh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Xuân Dũng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân Các nghiên cứu luận văn dựa tổng hợp lý thuyết mô thực tế mình, chưa xuất cơng bố tác giả khác Mọi thơng tin trích dẫn tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Tác giả luận văn Tôn Thiện Khánh II LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lời biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Trần Ngọc Lan trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trình nghiên cứu Cô dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên Viện Điện tử Viễn thơng động viên, hỗ trợ tận tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khích lệ tơi hồn suốt thời gian qua Đây động lực to lớn để tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận văn Tác giả luận văn Tôn Thiện Khánh III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV LỜI MỞ ĐẦU VI TÓM TẮT LUẬN VĂN VII ABSTRACT VIII DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN IX CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN XANH 1.1 Giới thiệu 1.2 Động lực mục tiêu định tuyến xanh 1.2.1 Tại phải tiết kiệm lượng ? 1.2.2 Tiết kiệm lượng đâu ? 1.2.3 Định nghĩa mạng xanh “Green Networking” 1.3 Chiến lượng “Green” 1.4 Đo lường mơ hình 1.4.1 Tìm kiếm nguyên tắc đo lường mạng xanh 1.4.2 Tiêu thụ lượng hệ thống đầu cuối 1.4.3 Tiêu thụ lượng thiết bị mạng 10 1.4.4 Tiêu thụ lượng mạng 10 1.5 Kết luận 11 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Xây dựng vấn đề 12 2.3 Các thuật toán đề xuất 14 IV 2.4 Kết luận 20 CHƯƠNG THIẾT KẾ THUẬT TỐN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 21 3.1 Xây dựng mơ hình thuật tốn 21 3.2 Mục tiêu 21 3.2.1 Vấn đề đặt 22 3.2.2 Giải thuật 23 3.2.3 Mô tả chương trình 25 3.2.4 Các kỹ thuật sử dụng chương trình 26 3.3 Kiểm tra điều kiện mạng 28 3.4 Mơ hình Heuristic node 31 3.4.1 Sơ đồ chung mơ hình 31 3.4.2 Mơ tả thuật tốn Heuristic tắt nút 33 3.5 Mơ hình Heuristic link 41 3.5.1 Sơ đồ chung mơ hình 41 3.5.2 Mơ tả t h u ậ t tốn Heuristic tắt liên kết 42 c) 3.6 Thuật toán GriDA 46 Xây dựng chương trình 53 3.5.1 Thiết kế chương trình 53 3.5.2 Giới thiệu chương trình 54 3.5.3 3.5.4 Thực nghiệm đánh giá kết 56 So sánh hiệu suất 61 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 4.1 Kết luận 72 4.2 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 V LỜI MỞ ĐẦU Theo nghiên cứu khác lượng khí thải carbon ngành Cơng nghệ thơng tin truyền thông (CNTT&TT) không ngừng tăng lên, chiếm tới 10% lượng khí thải CO2 tồn cầu Trong số lĩnh vực Cơng nghệ thơng tin chính, sở hạ tầng viễn thông thiết bị sở hạ tầng viễn thông chiếm 37% tổng lượng phát thải, 67 % lại đến từ trung tâm liệu thiết bị người dùng cuối Do đó, khơng có đáng ngạc nhiên nhà nghiên cứu, nhà sản xuất nhà cung cấp mạng dành nỗ lực đáng kể để giảm mức tiêu thụ lượng hệ thống CNTT&TT từ góc độ khác Giảm tiêu thụ lượng không cần thiết trở thành mối quan tâm lớn hệ thống mạng, lợi ích kinh tế tiềm tác động môi trường dự kiến Những vấn đề nêu trên, thường gọi “Green networking”, có liên quan đến việc nhận thức lượng thiết kế, thiết bị giao thức mạng.Trong phạm vi luận văn này, trước tiên tơi tập trung tìm hiểu định nghĩa xác thuộc tính “Green networking” Ngồi ra, tơi xác định vài mơ hình giải thuật định tuyến xanh Sau đó, tơi đánh giá tình trạng giải thuật đinh tuyến xanh tìm giải thuật tối ưu kết nối mạng có dây Nội dung chương bao gồm: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan công nghệ Green networking Chương 2: Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng Chương 3: Nghiên cứu thiết kế thuật tốn xây dựng chương trình Chương 4: Kết luận kiến nghị VI DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AN Access networks Mạng truy cập BFS Breadth First Search CMCF Tìm kiếm theo chiều rộng Capacitated Multi Commodity minimum cost Flow problems tối ưu hóa luồng cực đại có chi phí cực tiểu CN Core network Mạng lõi CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm Bộ ghép kênh truy DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer nhập đường dây thuê bao số tập trung Hiệu ứng khí nhà GHG Greenhouse Gases ICT Information and Communication Technology ISP Internet service provider LF Least flow Luồng nhỏ LL Least link Liên kết nhỏ NIC Network Interface Cards Thẻ giao diện mạng OE Option Edge Tuỳ chọn biên R Random Ngẫu nhiên Green networking Mạng xanh kính Cơng nghệ thơng tin truyền thơng Nhà cung cấp dịch vụ internet IX DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1 Mức tiêu thụ lượng loại thiết bị khác vòng năm……………………………………………………………… ……………………….…13 Hình Sơ đồ giải thuậ t Opt-Edge…………… …… ………………………….22 Hình Mơ tả node Core, Edge, Aggregation 23 Hình Sơ đồ thuậ t tốn chung chương trình 26 Hình 3 Sơ đồ chung thuậ t toán Heuristic tắt nút 32 Hình Sơ đồ chung thuậ t toán Heuristic tắt liên kết 42 Hình Sơ đồ thiết kế chương trình 54 Hình Khởi tạo nút core, edge aggregation 55 Hình Các giải thuậ t thực chương trình 55 Hình Giao diện chương trình 56 Hình Khởi tạo chương trình với nút core, 30 nút edge, 80 nút aggregation 57 Hình 10 Kết thuậ t tốn Opt-Edge Node Heuristic 58 Hình 11 Kết thuậ t tốn LL Node Heuristic 59 Hình 12 Kết thuậ t tốn LF Node Heuristic 59 Hình 13 Kết thuậ t tốn Random Node Heuristic 60 Hình 14 Kết thuậ t tốn Opt-Edge Link Heuristic GriDA 60 Hình 15 Sử dụng thuậ t tốn LF Node Heuristic với số nút core 6, edge 14 nút aggregation 40 61 Hình 16 Biẻu đồ so sánh phần trăm Node Heuristic với giải thuậ t khác 64 Hình 17 Biểu đồ so sánh phần trăm Link Heuristic với giải thuậ t khác 65 Hình 18 Phần trăm Node Heuristic theo thay đổi giá trị 66 Hình 19 Phần trăm Link Heuristic theo thay đổi giá trị 66 Hình 20 Giá trị phần trăm Node Heuristic theo thời gian, giải thuậ t OE-LF LF-LF 68 Hình 21 Giá trị phần trăm Nink Heuristic theo thời gian, giải thuậ t OE-LF LF-LF 68 Hình 22 Phần trăm biến đổi Node Heuristic với giá trị khác x 69 Hình 23 Phần trăm biến đổi Link Heuristic với giá trị khác x 70 X Đối với liên quan đến độ phức tạp không gian giải pháp, thay vào đó, nút cần lưu trữ trường hợp xấu nhất, trạng thái có thể, hình phạt cho cấu hình có thể, dẫn đến ma trận mục nhập nhớ × = Trên thực tế, kết mô cho thấy trung bình 10% mục truy cần lượng nhớ tối thiểu Do đó, thay lưu trữ tồn ma trận, cấu trúc nhỏ gọn sử dụng để giảm kích thước ma trận (Lưu ý ma trậ n hình phạt ban đầu f lưu trữ cách hiệu định dạng nhỏ gọn dựa tậ p hợp cấu hình trạng thái có sẵn.)[9] Triển khai GRiDA trình giả lập dựa kiện tùy chỉnh viết ngôn ngữ java C Lựa chọn nút, điểm đến LSA thay đổi ma trận lưu lượng kiện xảy Hơn nữa, số liệu thống kê mạng bao gồm tải liên kết, cấu hình nút mức tiêu thụ điện lưu trữ nhật ký Trừ có thơng số đặc biệt khác, mơ khoảng thời gian lớn, cách lặp lại tập hợp ma trận lưu lượng 71 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Luận văn trình bày kết ban đầu lĩnh vực nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng mạng backbone Trong luận văn này, em phân tích đánh giá phương pháp, giải pháp tiết kiệm lượng theo nút, theo liên kết mạng Từ xây dựng chương trình để minh họa cho giải pháp trình bày phần thuật tốn.Trong chương trình có sử dụng giải pháp node heuristic link heuristic giải pháp có sử dụng thuật tốn riêng Đối với giải pháp node heuristic em sử dụng thuật toán random, Least link, least flow Opt-edge Trong giải pháp link heuristic, em sử dụng thuật toán random, least flow GriDA Thuật toán GriDA thuật toán trực tuyến phân tán để giảm mức tiêu thụ điện mạng đường trục Giải pháp luận văn dựa kỹ thuật học tập củng cố yêu cầu trao đổi tin quảng bá trạng thái liên kết định kỳ mạng Kết quả, thu từ nghiên cứu trường hợp thực tế, cho thấy GRiDA đạt hiệu tương đương với thuật toán tập trung có khác nhau, tiết kiệm trung bình 40% đến 50% lượng liên kết, mà không ảnh hưởng đáng kể đến QoS Hơn nữa, GRiDA phản ứng với lỗi, thay đổi đột ngột yêu cầu lưu lượng mạng Khác với cách tiếp cận khác, GRiDA không yêu cầu nút điều khiển tập trung, kiến thức ma trận lưu lượng Các hướng nghiên cứu nghiên cứu làm để mở rộng thuật toán để xem xét khả tắt nút thay liên kết đơn phân tích chi tiết tác động số liệu QoS, chẳng hạn lưu lượng gói Chương trình mơ xây dựng ngơn ngữ Java công cụ Ellipse, bước em thực tối ưu cách tính tốn điều kiện lưu lượng mạng từ có đánh giá, so sánh phương pháp với phần so sánh phương pháp 72 4.2 Kiến nghị Mạng xanh lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới, công nghệ, phương pháp giải pháp chắn phát triển năm tới Tuy nhiên, nhờ mối quan hệ với lĩnh vực CNTT-TT khác phải đối mặt với vấn đề hiệu lượng (ví dụ, chủ yếu hệ thống máy tính đa năng), vài năm qua, nhà nghiên cứu mạng thành công việc đặt tảng Internet Tương lai xanh cách phác thảo nghiên cứu lớn vấn đề cách tiếp cận Cho đến nay, nhiều chủ đề mở đòi hỏi nỗ lực đáng kể rộng khắp từ cộng đồng nhà khoa học Các hướng nghiên cứu phát triển bao gồm số liệu xanh phương pháp đo điểm chuẩn, lớp điều khiển liệu xanh, hỗ trợ dự phịng mạng xanh ảo hố thiết bị/mạng Nghiên cứu phương pháp làm giảm thiểu lượng mạng backbone toán lớn mà quốc gia, phủ quan tâm Trong luận văn này, em giải xong phần, cơng đoạn tốn nghiên cứu giải pháp tiết kiệm lượng, sở, tiền đề để em giải cơng đoạn sau là: Nghiên cứu giải thuật tối ưu, nghiên cứu thiết bị từ đưa vào ứng dụng thực tế nhằm phục vụ nhu cầu giảm thiểu lượng người tương lai 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Pamlin and K Szomol´anyi, “Saving the Climate @ the Speed of Light– First Roadmap for Reduced CO2 Emissions in the EU and Beyond.” World Wildlife Fund and European Telecommunications Network Operators’ Association, April 2007 [2] W D Nordhaus, “To Slow or Not to Slow: the Economics of the Greenhouse Effect,” The Economic Journal, vol 101, pp 920–937, July 1991 [3] Global Action Plan, “An Inefficient Truth.” Global Action Plan Report, http://globalactionplan.org.uk, Dec 2007 [4] M Webb, “SMART 2020: Enabling the Low Carbon Economy in the Information Age.” The Climate Group London, June 2008 [5] K W Roth, F Goldstein, and J Kleinman, “Energy Consumption by Office and Telecommunications Equipment in Commercial Buildings Volume I: Energy Consumption Baseline,” Tech Rep , National Technical Information Service (NTIS), US Department of Commerce, Jan 2002 [6] B Nordman and K Christensen, “Reducing the Energy Consumption of Network Devices.” IEEE 802.3 Tutorial, July 2005 [7] Aruna Prem Bianzino, Claude Chaudet, Dario Rossi, Jean-Louis Rougier, A Survey of Green Networking Research [8] Raffaele Bolla, Member, IEEE, Roberto Bruschi, Member, IEEE, Franco Davoli, Senior Member, IEEE, and Flavio Cucchietti, Energy Efficiency in the Future Internet: A Survey of Existing Approaches and Trends in Energy-Aware Fixed Network Infrastructures [9] Aruna Prem Bianzino, Luca Chiaraviglio, Marco Mellia, Jean-Louis Rougier, GRiDA: GReen Distributed Algorithm for energy-efficient IP backbone networks [10] Luca Chiaraviglio, Marco Mellia, Fabio Neri Dip di Elettronica, Politecnico di Torino, Italy, Reducing Power Consumption in Backbone Networks [11] C Watkins, P Dayan, Q-learning, Machine Learning (3) (1992) 279–292 [12] C Claus, G Boutilier, The dynamics of reinforcement learning in cooperative multi-agent systems, in: Proceedings of the 15th International Conference on Artificial Intelligence, 1998 [13] T G Crainic, M Gendreau, I Ghamlouche, “Cycle-based neighbourhoods for fixed-charge capacitated multicommodity network design”,Technical report CRT2001-01, Centre de recherche sur les transports,Universite de Montreal, 855 [14] Cormen Thomas H.; et al (2009) "22.3" Introduction to Algorithms MIT Press [15] Hoare, C A R (July 1961) "Algorithm 64: Quicksort" Commun ACM (7): 321– doi:10.1145/366622.366644 ISSN 0001-0782 [16] Luca Chiaraviglio, Marco Mellia, Fabio Neri "Reducing Power Consumption in Backbone Networks" ,DOI: 10.1109/ICC.2009.5199404 (July 2009) · [17] Wirth, Niklaus (1976) Algorithms + Data Structures = Programs Prentice- Hall p 126 ISBN 9780130224187 [18] Martin P Clark (2003) Data Networks, IP and the Internet: Protocols, Design and Operation John Wiley & Sons p 237 [19] Martin P Clark (2003) Data Networks, IP and the Internet: Protocols, Design and Operation John Wiley & Sons p 337 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TÔN THIỆN KHÁNH SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG ĐƯỜNG TRỤC Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC... phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Tôn Thiện Khánh Đề tài luận văn: Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng lượng mạng đường trục Chuyên ngành: Kỹ thuật... thuật định tuyến xanh Tóm lại, giải thuật định tuyến xanh xu tất yếu phải đối mặt với khơng rào cản Để hướng tới xã hội xanh, thành phố xanh hay cộng đồng xanh để bảo vệ môi trường cắt giảm lượng