Một số thuật toán ảo hóa trung tâm dữ liệu hướng tới tiết kiệm năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - HOÀNG TRUNG HIẾU MỘT SỐ THUẬT TỐN ẢO HĨA TRUNG TÂM DỮ LIỆU HƯỚNG TỚI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH Hà Nội - Năm 2018 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iv LỜI NÓI ĐẦU v DANH SÁCH KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG ẢO HÓA VÀ ẢO HÓA MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU .5 1.1 Tổng quan ảo hóa 1.1.1 Ảo hóa máy chủ 1.1.2 Ảo hóa lưu trữ .9 1.1.3 Ảo hóa mạng 11 1.1.4 Ảo hóa dịch vụ 12 1.2 Ảo hóa mạng trung tâm liệu .13 1.2.1 Động lực thúc đẩy ảo hóa mạng trung tâm liệu 13 1.2.2 Một số khái niệm ảo hóa mạng trung tâm liệu 14 1.2.2.1 Trung tâm liệu (Data Center – DC) 14 1.2.2.2 Ảo hóa trung tâm liệu 20 1.2.3 Một số dự án ảo hóa mạng trung tâm liệu 21 1.2.3.1 Trung tâm liệu truyền thống 22 1.2.3.2 Diverter .23 1.2.3.3 NetLord .23 1.2.3.4 VICTOR .24 1.2.3.5 VL2 25 CHƯƠNG VẤN ĐỀ NHÚNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU ẢO ĐẢM BẢO HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG 27 2.1 Hiệu lượng trung tâm liệu điện toán đám mây .27 2.1.1 Hiện trạng sử dụng Internet vấn đề hiệu lượng 27 2.1.2 Khó khăn tốn tiết kiệm lượng ảo hóa mạng 28 i 2.1.3 Một số giải pháp tiết kiệm lượng .29 2.2 Vấn đề nhúng trung tâm liệu ảo (VDCE) 31 2.2.1 Tổng quan nhúng trung tâm liệu ảo 31 2.2.2 Một số thuật toán nhúng trung tâm liệu ảo 33 2.3 Một số vấn đề việc cung cấp trung tâm liệu ảo 37 2.3.1 Vấn đề di trú máy ảo hợp máy chủ .37 2.3.2 Nhúng VDC có cảm nhận lượng 38 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 41 3.1 Mục tiêu thiết kế, xây dựng thuật toán 41 3.2 Mơ hình trung tâm liệu .41 3.2.1 Cơ sở hạ tầng trung tâm liệu vật lý 41 3.2.2 Yêu cầu trung tâm liệu ảo (VDCR) 42 3.2.3 Vấn đề nhúng VDC 42 3.3 Mơ hình lượng thành phần DC 42 3.3.1 Mơ hình lượng thiết bị mạng .42 3.3.2 Mơ hình lượng máy chủ vật lý 43 3.3.3 Chi phí di trú máy ảo 43 3.4 Mơ hình hóa tốn hiệu lượng 44 3.5 Thuật toán nhúng VDC nhận thức lượng .45 3.6 Xây dựng chiến lược di trú máy ảo 50 3.6.1 Di trú phần (Partial Migration – PM) .51 3.6.2 Di trú thời điểm đến (Migration on Arrival – MoA) 52 3.6.3 Di trú toàn (Full Migration – FM) .53 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG .54 4.1 Kịch mô 54 4.2 Đánh giá kết 56 4.2.1 Ảnh hưởng phân mảnh tài nguyên tới hiệu hệ thống 56 4.2.2 Hiệu tài nguyên 57 4.2.3 Hiệu lượng 59 ii 4.2.4 Độ phức tạp .60 4.2.5 Đánh giá chung 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 63 DANH SÁCH CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn cơng trình nghiên cứu hướng dẫn giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết sử dụng tham khảo trích dẫn đầy đủ theo quy định Tác giả Hồng Trung Hiếu iv LỜI NĨI ĐẦU Điện tốn đám mây ngày trở nên quan trọng hỗ trợ mơ hình kinh doanh cung cấp hạ tầng-như-một-dịch vụ, tảng-như-một-dịch vụ, phần mềm-như-một-dịch vụ Khi số lượng nhà cung cấp dịch vụ cloud tăng lên, đặt yêu cầu cần có giải pháp tối ưu hóa tài nguyên tiết kiệm chi phí đầu tư chi phí vận hành Việc cung cấp cách linh động trung tâm liệu ảo dựa trung tâm liệu vật lý giải pháp giải vấn đề Tuy nhiên, thách thức lớn ảo hóa mạng trung tâm liệu vấn đề nhúng trung tâm liệu ảo tốn NP-hard Vì lý này, nghiên cứu hầu hết theo phương pháp heuristic meta-heuristic có số nghiên cứu giải toán nhúng trung tâm liệu ảo (VDC) có xem xét đến hiệu lượng Chính vậy, đề tài tác giả tập trung giải toán làm để nhúng VDC cách hiệu lượng tài nguyên điều kiện phân bố động tài nguyên mạng yêu cầu VDC tới rời khỏi hệ thống cách liên tục Trong luận văn đề xuất chiến lược hợp máy chủ di trú máy ảo kết hợp với thuật tốn nhúng VDC heuristic có cảm nhận lượng lời giải cho toán Các kết đánh giá cho thấy chiến lược đề xuất vượt trội hiệu sử dụng tài nguyên tiết kiệm lượng so với phương pháp có giữ độ phức tạp hệ thống mức chấp nhận Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh tận tình hướng dẫn, bảo thời gian làm luận văn, Thầy tạo điều kiện cung cấp mơi trường nghiên cứu giúp em hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới TS Trần Mạnh Nam KS Nguyễn Tiến Mạnh phòng Lab Future Internet, Đại học Bách Khoa Hà Nội, giúp đỡ em hoàn thành nghiên cứu luận văn Tác giả Hoàng Trung Hiếu v DANH SÁCH KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Acceptance ratio Tỷ lệ chấp nhận BFS Breadth First Search Tìm kiếm theo chiều rộng CAPEX Capital expenditure Chi phí đầu tư DC Data Center Trung tâm liệu DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DHCP Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình động máy Protocol chủ FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin định tuyến FM Full Migration Di trú tồn HEA-E Heuristic Energy-Aware VDC Thuật tốn nhúng VDC có Embedding cảm nhận lượng IaaS Infrastructure-as-a-Service Hạ tầng-như-một-dịch vụ InP Infrastructure Provider Nhà cung cấp sở hạ tầng IP Internet Protocol Giao thức Internet ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet MoA Migration on Arrival Di trú thời điểm đến NV Network Virtualization Ảo hóa mạng NaaS Network-as-a-Service Mạng lưới-như-một-dịch vụ OPEX Operational expenditure Chi phí vận hành PM Partial Migration Di trú phần PDC Physical Data Center Trung tâm liệu vật lý PaaS Platform-as-a-Service Nền tảng-như-một-dịch vụ Power consumption Năng lượng tiêu thụ Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoS vi Redundant Arrays of Mảng ổ cứng dự phòng độc Independent Disks lập Resources utilization Tài nguyên sử dụng SLA Service Level Agreement Cam kết mức độ dịch vụ SP Service Provider Nhà cung cấp sở hạ tầng SaaS Software-as-a-Service Phần mềm-như-một-dịch vụ SDN Software-Defined Network Mạng điều khiển phần RAID mềm SAN Storage Area Network Mạng lưu trữ VDC Virtual Data Center Trung tâm liệu ảo VDCE Virtual Data Center Nhúng trung tâm liệu ảo Embedding VDCR Virtual Data Center Request Yêu cầu trung tâm liệu ảo VliM Virtual Link Mapping Ánh xạ liên kết ảo VLAN Virtual Location Area Mạng cục ảo Network VM Virtual Machine Máy ảo VNE Virtual Network Embedding Nhúng mạng ảo VNR Virtual Network Request Yêu cầu mạng ảo VnoM Virtual Node Mapping Ánh xạ nút ảo VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo VRF Virtual Routing and Định tuyến chuyển tiếp Switching gói tin ảo Virtual Switching System Hệ thống chuyển mạch ảo VSS vii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số loại ảo hóa Hình 1.2 Sự khác máy chủ vật lý ảo hóa máy chủ vật lý thường Hình 1.3 Sự khác ảo hóa phần mềm ảo hóa phần cứng .8 Hình 1.4 Kiến trúc mạng trung tâm liệu 15 Hình 1.5 Kiến trúc mạng trung tâm liệu Three-tier .16 Hình 1.6 Đồ hình Fat-tree với k = 17 Hình 1.7 Kiến trúc Dcell 19 Hình 1.8 Ảo hóa trung tâm liệu 20 Hình 1.9 Kiến trúc NetLord 23 Hình 2.1 Nhúng VDC DC vật lý 32 Hình 2.2 Sự khác nhúng VDC tĩnh nhúng VDC động .34 Hình 2.3 Tính chất tỷ lệ lượng DC nhận biết lượng 39 Hình 3.1 Đồ hình Fat-tree với MST 46 Hình 3.2 Hoạt động thuật toán HEA-E 49 Hình 4.1 Sự biến thiến hiệu suất sử dụng hệ thống - SecondNet 56 Hình 4.2 Hiệu suất sử dụng hệ thống 58 Hình 4.3 Tỷ lệ chấp nhận chiến lược di trú 58 Hình 4.4 Tổng lượng tiêu thụ DC 59 Hình 4.5 Năng lượng tiêu thụ trung bình để phục vụ VDC .60 Hình 4.6 Số lần di chuyển máy ảo chiến lược di trú 61 Hình 4.7 So sánh chiến lược di trú – nhúng VDC 62 viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Phân loại trung tâm liệu theo tiểu chuẩn TIA-942 .15 Bảng 2.1: Số lượng người sử dụng Internet toàn giới 27 Bảng 2.2: Ý tưởng thuật toán GreenHead SecondNet 37 Bảng 4.1: Năng lượng tiêu thụ switch HP Enterprise 24 cổng 54 Bảng 4.2: Năng lượng tiêu thụ máy chủ vật lý 55 Bảng 4.3: Độ lệch chuẩn hiệu suất sử dụng hệ thống 57 ix ... vấn đề hiệu lượng trung tâm liệu, tổng quan nhúng trung tâm liệu ảo, đánh giá số thuật toán nhúng trung tâm liệu ảo thảo luận số vấn đề việc cung cấp trung tâm liệu ảo có cảm nhận lượng - Chương... 12 1.2 Ảo hóa mạng trung tâm liệu .13 1.2.1 Động lực thúc đẩy ảo hóa mạng trung tâm liệu 13 1.2.2 Một số khái niệm ảo hóa mạng trung tâm liệu 14 1.2.2.1 Trung tâm liệu (Data... quan cơng nghệ ảo hóa bao gồm định nghĩa, lợi ích ảo hóa số loại ảo hóa, trình bày số khái niệm ảo hóa mạng trung tâm liệu giới thiệu số dự án nghiên cứu ảo hóa mạng trung tâm liệu - Chương 2: