(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và thực hiện phương pháp tiết kiệm năng lượng trên bộ chuyển mạch openflow

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN CƯỜNG C C NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN PHƯƠNG PHÁP R L T TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN BỘ CHUYỂN MẠCH OPENFLOW DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN BỘ CHUYỂN MẠCH OPENFLOW C C R L T DU Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 852.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Cường Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu tối hồn tồn tơi tự làm hướng dẫn Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Cường Những kết nghiên cứu, thực nghiệm thực phần mềm mô số liệu, kết trình bày hồn tồn trung thực Tác giả luận văn Nguyễn Văn Cường C C DU R L T MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG VẤN ĐỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG MẠNG OPENFLOW 1.1 Giới thiệu 1.2 Vấn đề tiết kiệm lượng 1.3 Giải pháp sử dụng mạng OpenFlow 1.3.1 Sự cần thiết cho kiến trúc mạng 1.3.2 Mục tiêu mạng OpenFlow 1.3.3 Giao thức OpenFlow 1.4 Kết luận CHƯƠNG ỨNG DỤNG MẠNG OPENFLOW TRÊN NỀN TẢNGNETFPGA10 2.1.Giới thiệu 10 2.1.1 Ứng dụng FPGA 10 2.1.2 Kiến trúc FPGA 10 2.2 Chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA 13 2.2.1 Kiến trúc chuyển mạch OpenFlow 13 2.2.2 Giới thiệu NetFPGA 21 2.2.3 Xây dựng chuyển mạch OpenFlow tảng NetFPGA 24 2.3 Kết luận chương 25 C C R L T DU CHƯƠNG TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MẠNG OPENFLOW TRÊN NỀN TẢNG KIT NETFPGATRONG THỰC TẾ 26 3.1 Giới thiệu mơ hình thử nghiệm 26 3.2 Xây dựng chuyển mạch OpenFlow 26 3.3.Kết luận chương 28 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CHUYỂN MẠCH OPENFLOW 29 4.1 Giải pháp tiết kiệm lượng 29 4.2 Thiết kế mô đun 29 4.2.1 Mô đunthiết lập mục nhập bảng luồng 29 4.2.2.Mô đun điều khiển bảng luồng 39 4.2.3.Mô đun xử lý hành động 43 4.2.4.Mơ đun sách điều khiển 46 4.3 Kết luận chương 48 CHƯƠNG THỰC HIỆN ĐO ĐẠC VÀ KẾT QUẢ 49 5.1.Chuyển mạch OpenFlow có chức tiết kiệm lượng 49 5.2 Đo kiểm tra hệ thống 49 5.3.Thời gian phục vụ thời gian tạm trú 50 5.4 Kết 51 5.5 Kết luận chương 53 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) C C DU R L T NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN BỘ CHUYỂN MẠCH OPENFLOW Học viên: Nguyễn Văn Cường Mã số: Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Khóa: K35 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Theo báo cáo thống kê internet Việt Nam, có 68,17 triệu người sử dụng dịch vụ Internet Việt Nam vào tháng năm 2020, 94% tỷ lệ người dùng Internet Việt Nam sử dụng Internet hàng ngày 6% số người sử dụng Internet lần tuần Để áp ứng nhu cầu sử dụng số lượng máy chủ trung tâm liệu tăng lên nhanh chóng, điều tất yếu số lượng thiết bị chuyển mạch để kết nối máy chủ lại với phải tăng lên Mặt khác, lượng tiêu thụ thiết bị trường hợp hoạt động với lưu lượng thấp, trạng thái nghỉ, tiêu thụ lượng gần với trường hợp hoạt động với lưu lượng cao, tiêu tốn khoảng từ 20% đến 30% không thay đổi Dẫn đến nhu cầu điện tiêu thụ tăng Mục tiêu nghiên cứu, thực mở rộng kỹ thuật điều khiển chuyển mạch nhằm tiết kiệm lượng Nội dung đề tài có hai mặt Một mặt, triển khai hệ thống OpenFlow (bộ chuyển mạch điều khiển) ngôn ngữ phần cứng tảng dựa FPGA Mặt khác, để đo lường số hiệu suất chuyển mạch OpenFlow, đặc biệt thời gian cung cấp dịch vụ (chuyển mạch điều khiển) thời gian tạm trú Vì vậy, lý luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tiết kiệm lượng chuyển mạch C C R L T DU RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF ENERGY SAVING SOLUTIONS ON OPENFLOW SWITCHES Abstract According to the Vietnam’s internet statistics report, there are currently 68.17 million people using Internet services in Vietnam in January 2020: there are 94% of the rate of Internet users in Vietnam using the Internet every day and % is the number of people using the Internet at least once a week.Tomeet the need of using the number of servers in each data center Which is increasing rapidly, it is inevitable that the number of switches connecting servers together must also increase up On the other hand, the energy consumption of the device in the case of low flow operation, or at rest is close to that of the high flow operation, consuming between 20% and 30% and barely changed This leads to increased demand for power consumption The goal is to research and expand control techniques of the switch to save energy The main objective of this project has two sides On one hand, it is to implement OpenFlow system (switch and controller) using a hardware language on FPGA-based platform On the other hand, it is also to measure the performance metrics of the OpenFlow switch, especially the service time (switch and controller) and the sojourn time Therefore, this is the reason why the thesis will focus on researching the energy saving method on switches DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh ASIC Application-Specific Integrated Circuit ARP Address Resolution Protocol CLB CPU DRAM FPGA FIFO IOB IC ICMP IP LUT PLD SCTP SDN SRAM SSL TCAM TCP UDP VHDL Configurable Logic Block Central Processing Unit Dynamic Random Access Memory Field Programmable Gate Array Thuật ngữ tiếng việt Vi mạch tích hợp chuyên dụng Giao thức TCP/IP sử dụng để liên kết động địa IP cấp cao vào địa phần cứng cấp thấp Khối logic lập trình Đơn vị xử lý trung tâm Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động Vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic lập trình First-In-First-Out Bộ nhớ đệm ghi vào trước đọc trước Input Output Block Khối vào Integrated Circuit Vi mạch tích hợp Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin mạng Internet Protocol Giao thức giao tiếp mạng Internet Look-Up Table Bảng tra cứu Programmable Logic Device Thiết bị logic lập trình Stream Control Transmission Giao thức truyền vận điều khiển Protocol dòng Software-Defined Network Mạng điều khiển phần mềm Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh Secure Socket Layer Giao thức mạng bảo đảm an toàn kênh truyền mạng Internet Ternary Content Addressable Bộ nhớ địa Memory Transmission Control Protocol Giao thức bảo đảm truyền liệu tới nơi nhận cách đáng tin cậy thứ tự User Datagram Protocol Giao thức giao vận mạng không kết nối VHSIC Hardware Description Ngôn ngữ mô tả phần cứng Language C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Công suất tiêu thụ chuyển mạch cấu hình khác 2.1 BRAM FPGA 12 2.2 Năm điều khiển hàng đầu tính 14 2.3 Tin nhắn đối xứng 17 2.4 Tin nhắn không đối xứng 17 2.5 Tin nhắn điều khiển đến chuyển mạch 17 2.6 Các trường khớp 18 2.7 Mơ tả trường khớp 19 2.8 Độ dài trường khớp 20 2.9 Mơ tả hành động OpenFlow 2.10 Hành động cài đặt trường 4.1 Các trường khớp 4.2 Loại Ethernet C C 20 4.3 Loại giao thức IP R L T 21 4.4 Bảng luồng kích thước hành động lưu trữ 40 4.5 Mơ tả giá trị ‘match’ 42 4.6 Hành động 44 4.7 Cờ hành động 44 5.1 Bảng thống kê 49 5.2 Kết mô hiệu suất 50 DU 30 32 32 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Kiến trúc mạng điều khiển phần mềm (SND) 1.2 Ví dụ tập lệnh OpenFlow 2.1 Kiến trúc chung FPGA 11 2.2 Minh họa LUT 12 2.3 Minh họa IOB 12 2.4 Minh họa DLL 13 2.5 Cấu trúc OpenFlow Switch 13 2.6 Mô đun phản ứng OpenFlow 14 2.7 Mô đun chủ động OpenFlow 2.8 Cấu tạo mục nhập luồng 2.9 Các bước luồng tới chuyển mạch OpenFlow 2.10 Xử lý đường ống 2.11 Phác thảo phần cứng 2.12 Bo mạch NetFPGA 10G 22 2.13 Sơ đồ khối FPGA 23 3.1 Mơ hình thử nghiệm chuyển mạch OpenFlow 26 3.2 Kiến trúc hệ thống OpenFlow 27 3.3 Mô đun tra cứu cổng đầu 27 4.1 Mô đun thiết lập mục nhập luồng 30 4.2 Cấu trúc gói tin Ethernet 31 4.3 Máy trạng thái trình phân tích cú pháp L2 32 4.4 Cấu trúc tiêu đề IP 33 4.5 Cấu trúc tiêu đề ICMP 33 4.6 Cấu trúc tiêu đề TCP 33 4.7 Cấu trúc tiêu đề UDP 33 4.8 Cấu trúc tiêu đề SCTP 34 4.9 Máy trạng thái trình phân tích cú pháp L3/L4 (Ipv4) 34 4.10 Cấu trúc tiêu đề ARP 34 4.11 Máy trạng thái trình phân tích cú pháp ARP 35 4.12 Cấu trúc tiêu đề MPLS 35 R L T U D C C 15 15 16 18 22 Số hiệu Tên hình hình Trang 4.13 Máy trạng thái phân tích cú pháp MPLS 35 4.14 Khối tra cứu thiết lập mục nhập luồng 36 4.15 Kết mô phân tích tiều đề gói tin 38 4.17 Kết mơ thiết lập mục nhập bảng luồng 38 4.18 Mô đun điều khiển bảng luồng 39 4.19 Máy trạng thái tra cứu bảng luồng viết mục nhập luồng 40 4.20 Kết mô tra cứu bảng luồng 42 4.21 Kết mô viết mục nhập luồng 43 4.22 Mô đun xử lý hành động 43 4.23 Kết mô xử lý hành động 46 4.24 Mô đun sách điều khiển 46 4.26 Kết mơ sách điều khiển 5.1 Thời gian phục vu chuyển mạch 5.2 Thời gian tạm trú 5.3 Thời gian phục vụ điều khiển DU R L T C C 48 51 52 53 17 Thuật toán4.3 Loại MPLS Ethernet, chương trình VHDL elsif (dl_done = ‘1’ and mpls_done = ‘1’) then int_entry