Tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu

Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHƢƠNG ĐỨC CƢỜNG TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG TRUNG TÂM DỮ LIỆU Chuyên ngành : Kĩ thuật Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN LUẬN VĂN : TS TRƢƠNG THU HƢƠNG Hà Nội – Năm 2013 -1- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 LỜI NĨI ĐẦU Ngày cơng nghệ thơng tin ngày phát triển mạnh mẽ Nhu cầu lƣu lƣợng nhƣ khối lƣợng liệu cần đƣợc lƣu trữ ngày tăng Để đáp ứng điều trung tâm liệu phải mở rộng kích thƣớc với việc tăng số lƣợng máy chủ, thiết bị mạng nhƣ quy mô với nhiều trung tâm liệu phân bố khắp giới Với việc mở rộng này, chi phí dành cho việc trì hoạt động hệ thống trung tâm liệu gia tăng chóng mặt Bên cạnh ảnh hƣởng xấu đến mơi trƣờng lƣợng khí thải từ tiêu thụ lƣợng thành phần trung tâm liệu Việc giảm lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu khơng làm giảm chi phí hoạt động, đem lại lợi ích cho nhà đầu tƣ lẫn ngƣời sử dụng, mà cịn mang lại lợi ích to lớn cho môi trƣờng Nhiều giải pháp đƣợc đƣa để cải thiện hiệu hoạt động thiết bị phần cứng, nhƣ giải pháp quản lý tài nguyên hiệu Các hƣớng nghiên cứu đáng ý bao gồm: xây dựng kiến trúc máy chủ thông minh có cơng suất tiêu thụ tỷ lệ với tải xử lý, hệ thống làm mát thông minh, tối ƣu số lƣợng máy chủ đáp ứng với nhu cầu lƣu lƣợng, di chuyển máy ảo…Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu thực tập trung vào thành phần làm mát hệ thống máy chủ, việc tối ƣu lƣợng hoạt động thành phần mạng chƣa dành đƣợc quan tâm mức Trong đề tài nghiên cứu này, tác giả xây dựng hệ thống quản lý thiết bị mạng thông minh với mục đích tiết kiệm lƣợng Đề tài mang tên “Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu.” Với mục đich xây dựng đƣợc mơ hình lƣu lƣợng dựa kết thực tế thu đƣợc, tiến tới tìm giải pháp tiết kiệm lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu thông qua thuật toán tối ƣu topo, tiến hành bật tắt switch mạng không cần Đồng thời với việc tắt bật switch nghiên cứu phát triển thuật toán định tuyến cân tải để đảm bảo tính tin cậy khơng để gây mát liệu, ảnh hƣởng nhiều đến hoạt động gây cố mạng trung tâm liệu -2- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Do hạn chế tảng kiến thức, kinh nghiệm nghiên cứu, nhƣ hạn chế mặt thời gian nên trình thực hiện, đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy tham gia đóng góp phê bình để đồ án em đƣợc hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn TS Trƣơng Thu Hƣơng, ngƣời hƣớng dẫn em thực luận văn Cô giúp đỡ, tận tình bảo em nghiên cứu học tập Đồng thời tác giả xin cảm ơn chân thành tới bạn nhóm hƣớng dẫn, nhóm nghiên cứu thử nghiệm Open Flow giúp đỡ chia sẻ nhiều kiến thức để thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, anh em, tảng, ngƣời ln theo sát, chăm sóc động viên cho suốt đời Dù nào, thành đạt đƣợc thiếu công ơn sinh thành dạy dỗ gia đình Hà Nội, Tháng năm 2013 Học viên Khƣơng Đức Cƣờng -3- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 TÓM TẮT LUẬN VĂN Với nhu cầu lƣu lƣợng tăng lên không ngừng, trung tâm liệu phải mở rộng liên tục quy mơ lẫn kích thƣớc, kéo theo việc tiêu tốn nguồn lƣợng khổng lồ, điều làm tăng chi phí hoạt động trung tâm liệu ảnh hƣởng đến môi trƣờng lƣợng lớn khí carbon thải Hiện trung tâm liệu trạng thái sử dụng tối đa nguồn tài nguyên mà không quan tâm đến nhu cầu lƣu lƣợng thật thay đổi Điều dẫn đến hiệu sử dụng tài nguyên kém, có lƣợng lớn lƣợng hao phí nhu cầu lƣu lƣợng mạng mức thấp Để khắc phục vấn đề này, nguồn tài nguyên mạng cần đƣợc quản lý để sử dụng lƣợng cách hiệu hơn, nhằm hƣớng tới mơ hình trung tâm liệu xanh Trong luận văn tác giả nghiên cứu mơ hình hệ thống thiết bị mạng trung tâm liệu thực tế CMC Telecom Trên sở đó, xây dựng hệ thống phần mềm thu kết xây dựng mơ hình lƣu lƣợng Từ nghiên cứu đề xuất giải pháp tiết kiệm lƣợng thông qua việc tắt bật thiết bị mạng kết hợp sử dụng kỹ thuật lƣu lƣợng ABSTRACT With the ever increasing traffic demand from customers, data centers are continuously increasing their size and consume huge amounts of energy, contributing to high operational costs and carbon footprints to the environment Generally, all the resources of a data center are always-on, regardless of the actual time-varying traffic requirements, and this may result in lower resource utilization and additional needless power consumption even when the traffic demand is not large enough To address this problem, data center resources need to be managed in an energy-efficient manner to drive Green Data Center In thesis, we have studied the model system devices in the Network Data Centre reality of CMC Telecom On that basic, the construction of software systems and the results of traffic modeling From this study proposes solutions to save energy by turn off the device networks combined use traffic engineering -4- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM DỮ LIỆU 1.1 Tổng quan trung tâm liệu Data Centres 1.1.1 Giới thiệu trung tâm liệu 1.1.2 Vấn đề tiêu thụ lƣợng trung tâm liệu xanh 10 1.2 Kiến trúc mạng trung tâm liệu 12 CHƢƠNG 2: KIẾN TR C TRUNG TÂM DỮ LIỆU CỦA CMC 19 2.1 Giới thiệu trung tâm liệu CMC 19 Mô hình chức thành phần trung tâm liệu… …………………………………………………… 21 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ H NH LƢU LƢỢNG 24 2.2 3.1 Xây dựng công cụ để thu đƣợc kết thực tế 24 3.2 Xây dựng mơ hình lƣu lƣợng mạng trung tâm liệu.31 CHƢƠNG 4: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG TRUNG TÂM DỮ LIỆU 37 4.1 Năng lƣợng tiêu thụ thiết bị mạng trung tâm liệu 37 4.2 Giải pháp tiết kiệm lƣợng cho CMC Telecom 44 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 53 -5- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Đặt vấn đề Ngày trung tâm liệu có quy mơ lớn chứa tới hàng nghìn thiết bị mạng khác nhƣ switch, router… ngày đƣợc mở rộng mạnh mẽ quy mô lẫn số lƣợng Mục đích trung tâm liệu cung cấp kiến trúc tin cậy để kết nối số lƣợng lớn server với nhau, cung cấp dịch vụ định tuyến chống lỗi hiệu cho tầng ứng dụng lớp cao Các kiểu kiến trúc mạng truyền thống dạng (kiến trúc 2N)[1] gặp phải nhiều vấn đề nhƣ khả mở rộng thấp, xảy nhiều mát lớn xuất lỗi nút mạng Gần có nhiều kiến trúc nâng cao đƣợc đƣa để thay điển hình nhƣ kiến trúc Fat-Tree [1], BCube [2]… kiến trúc cung cấp khả định tuyến chống lỗi, giảm khả mát liệu mạng trung tâm liệu xảy cố vài điểm, kiến trúc có khả mở rộng cao Một vấn đề bật đƣợc nghiên cứu gần tìm giải pháp tiết kiệm nguồn lƣợng khổng lồ mà trung tâm liệu tiêu thụ Đặc biệt có nghiên cứu đáng ý nhƣ nghiên cứu kiến trúc topo kiểu mới, thuật toán tối ƣu topo, thuật tốn định tuyến nhận thức lƣợng Thơng thƣờng trung tâm liệu đƣợc thiết kế có khả chịu tải trƣờng hợp xấu (tải tăng lên bất thƣờng), cao điểm có nhiều ngƣời sử dụng Trong phần lớn thời gian cịn lại mức tải sử dụng thấp mức đỉnh nhiều, đặc biệt khác biệt lớn lƣu lƣợng tải sử dụng ngày đêm Lƣu lƣợng thƣờng lên mức đỉnh vào ban ngày hạ xuống thấp vào ban đêm Khi lƣu lƣợng thấp thiết bị mạng trạng thái hoạt động Điều gây lãng phí nhiều lƣợng không cần thiết để chạy thiết bị mà khơng có lƣu lƣợng chảy qua Theo báo cáo lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu Tổ chức bảo vệ môi trƣờng Mỹ cho thấy lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu Mỹ năm 2006 khoảng tỷ kWh, có khoảng 20-30% lƣợng tiêu thụ -6- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 thiết bị mạng, chi phí lƣợng cho trung tâm liệu chiếm tới 44% toàn chi phí hoạt động [3] Đồng thời với nguồn lƣợng tiêu thụ khổng lồ trung tâm liệu cịn thải lƣơng lớn khí carbon tác động đến nóng lên trái đất, gây ảnh hƣởng nhiều đến vấn đề môi trƣờng Đã có nhiều nỗ lực chế tạo thiết bị mạng nhận thức lƣợng Tức thiết bị tự chuyển sang trạng thái nghỉ khơng có lƣu lƣợng chảy qua để tiết kiệm lƣợng, nhƣng lƣợng tiêu thụ chƣa giảm đáng kể Đặc biệt, thời điểm lƣu lƣợng thấp tiêu thụ tới 90% so với mức đỉnh Nguyên nhân có phần lớn lƣợng phải tiêu thụ cho thiết bị khác nhƣ hệ thống làm lạnh, khối chuyển mạch, thành phần thiết bị khác Do đó, lên nghiên cứu tiết kiệm lƣợng tiêu thụ, trung tâm liệu thông qua thiết kế kiến trúc topo có khả điều khiển việc tắt bật switch (đồng thời tắt hệ thống làm lạnh thiết bị liên kết với khối chuyển mạch) thông qua thuật toán tối ƣu topo, định tuyến nhận thức lƣợng triển vọng phát triển tƣơng lai Mục đích nghiên cứu đề tài thu thập đƣợc kết thƣc tế mơ hình lƣu lƣợng Từ đó, tìm giải pháp tiết kiệm lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu thông qua thuật toán tối ƣu topo, tiến hành bật tắt switch mạng không cần thiết Đồng thời với việc tắt bật switch, phát triển thuật tốn định tuyến cân tải để đảm bảo tính tin cậy không để gây mát liệu, ảnh hƣởng nhiều đến hoạt động gây cố mạng trung tâm liệu Hƣớng triển khai đề tài: Để thực đề tài, trƣớc tiên em vào tìm hiểu kiến trúc điển hình mạng trung tâm liệu Đặc biệt kiểu kiến trúc nâng cao nhƣ Fat-Tree [1], Elastic Tree [2], mơ hình lƣu lƣợng trung tâm liệu Bƣớc tiếp theo, nghiên cứu mơ hình thực tế trung tâm liệu Công ty CMC Telecom Trên sở đó, xây dựng phần mềm thu thập kết thực tế để có đƣợc mơ hình lƣu lƣợng thiết bị mạng Cuối đƣa giải pháp tiết -7- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 kiệm lƣợng, cách chuyển switch không cần thiết sang trạng thái ngủ tắt để tiết kiệm lƣợng Đóng góp em đề tài xây dựng đƣợc mơ hình lƣu lƣợng làm sở cho phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng Cấu trúc luận văn: Nội dung luận văn đƣợc trình bày gồm chƣơng với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan trung tâm liệu, giới thiệu mơ hình kiến trúc mạng phổ biến trung tâm liệu giới Cuối đề cập đến vấn đề tiết kiệm lƣợng khái niệm trung tâm liệu xanh Chƣơng 2: Nghiên cứu mô hình mạng trung tâm liệu thực tế CMC Telecom Chƣơng 3: Triển khai công cụ phần mềm, thu thập số liệu thực tế để xây dựng mơ hình lƣu lƣợng CMC Telecom Chƣơng 4: Nghiên cứu đƣa phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng, để tìm phƣơng pháp phù hợp với mơ hình lƣu lƣợng xây dựng đƣợc -8- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM DỮ LIỆU Chƣơng trình bày khái quát tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng trung tâm liệu Tiếp tác giả trình bày đặc tính lƣu lƣợng mạng trung tâm liệu dựa kết tham khảo nghiên cứu điển hình loạt trung tâm liệu lớn giới 1.1 Tổng quan trung tâm liệu Data Centres 1.1.1 Giới thiệu trung tâm liệu Trung tâm liệu nơi đặt hệ thống máy tính lớn thành phần liên quan nhƣ hệ thống truyền dẫn hệ thống lƣu trữ Trung tâm đƣợc thiết kế để đảm bảo độ sẵn sàng an toàn cao cho liệu với nguồn dự phòng, kết nối liệu dự phịng, thiết bị kiểm sốt mơi trƣờng (điều hịa khơng khí, chống cháy) thiết bị an ninh bảo mật Hình 1.1: Hình ảnh trung tâm liệu -9- Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Ngoài ra, cần hiểu rõ tính trung tâm liệu để thấy đƣợc khả nhƣ sức mạnh hệ thống Có thể nói trung tâm liệu có tính nhƣ sau: - Nơi tích hợp tất cơng nghệ hàng đầu mạng, hệ thống phần mềm ứng dụng đƣợc sử dụng hệ thống trung tâm liệu - Mạng đƣợc thiết kế dành riêng, đáp ứng yêu cầu cực cao tốc độ truyền thiết bị, tính ổn định đƣợc coi trọng vấn đề bảo mật cho hệ thống mạng đƣợc đặt lên hàng đầu Đƣợc cấu hình tối ƣu hỗ trợ kết nối bị hỏng thiết bị hệ thống hoạt động bình thƣờng với kết nối ln tốc độ cao - Hệ thống máy chủ có hiệu cực cao đáp ứng ứng dụng chạy với độ trễ nhỏ nhất, thời gian đáp ứng thấp nhất, hỗ trợ nhiều ứng dụng cấu hình hoàn hảo giúp hệ thống chạy 24/7 Đáp ứng ứng dụng khắt khe - Các phần mềm hỗ trợ sử dụng tối đa hiệu phần cứng, giúp liên kết máy chủ với Cluster, tăng sức mạnh cho máy chủ khả lƣu liệu Khi có cố xảy ra, thời gian ngắn hệ thống vào hoạt động nhƣ bình thƣờng liệu đƣợc bảo vệ không bị 1.1.2 Vấn đề tiêu thụ lƣợng khái niệm trung tâm liệu xanh Hiện nay, ngành công nghệ thông tin truyền thông (Information Communications Technology - ICT) nguyên nhân làm tăng lƣợng CO2 bầu khí với hàng triệu máy tính, hàng trăm ngàn trạm thu phát vơ tuyến, trung tâm liệu với hệ thống làm mát, thiết bị mạng, server, với hàng trăm triệu điện thoại di động đƣợc dùng toàn cầu Tất hoạt động 24/24 giờ, tiêu thụ lƣợng toả nhiệt trình hoạt động Hệ lƣợng CO2 thải bầu khí từ hoạt động ngành ICT chiếm từ 2-2,5% tổng lƣợng CO2 toàn cầu, tƣơng đƣơng Gigaton [4] Với ICT, lƣợng CO2 thải nhiều từ máy tính hình chiếm - 10 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 tiêu thụ thiết bị Ví dụ, port switch bị tắt khơng có lƣu lƣợng qua hay linh động điều chỉnh cơng suất tiêu thụ port dựa vào tải phải xử lý Do công suất tiêu thụ port phụ thuộc vào tốc độ hoạt động nó, việc tiết kiệm lƣợng phụ thuộc vào lƣu lƣợng port phải xử lý Trong trƣờng hợp thiết bị có nhiều linecard, khơng có lƣu lƣợng qua port linecard, tồn linecard đƣợc tắt để tiết kiệm lƣợng Cuối cùng, hiệu tiết kiệm lƣợng cao đạt đƣợc tắt hồn tồn switch khơng có lƣu lƣợng qua Tiếp theo ta đƣa cơng thức tính cơng suất tiêu thụ switch Công suất tiêu thụ switch hàm lƣu lƣợng cấu hình hoạt động switch Tuy lƣu lƣợng đƣợc kết luận khơng có ảnh hƣởng đến cơng suất tiêu thụ (chính xác ảnh hƣởng không đáng kể) nhƣng thực tế lƣu lƣợng chảy qua switch có ảnh hƣởng gián tiếp đến cơng suất tiêu thụ port switch switch thay đổi cấu hình theo lƣu lƣợng qua Tóm lại, mơ hình cơng suất tiêu thụ switch đƣợc thể theo công thức tuyến tính nhƣ sau: Powerswitch = Powerchassis + Numlinecard * Powerlinecard + ∑ Numportconfigsi * Powerconfigsi Trong đó: - Powerchassis công suất tiêu thụ switch trạng thái lƣu lƣợng qua, nhiên switch trạng thái bật (idle) - Powerlinecard công suất tiêu thụ linecard khơng có lƣu lƣợng qua Nói cách khác, port line card xử lý lƣợng lƣu lƣợng - Numlinecard số linecard switch - Powerconfigsi công suất tiêu thụ port chạy tốc độ i - Numportconfigsi số port chạy tốc độ i - i: có giá trị 10Mbps, 100 Mbps hay 1Gbps - 41 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Qua Bảng 1.1 ta thấy Rack switch (các switch thƣờng cơng suất xử lý thấp, 24 cổng), linecard đƣợc gắn cố định, không thay đổi đƣợc nên cơng suất tiêu thụ chassis cơng suất tiêu thụ cố định switch switch đƣợc bật mà không xử lý lƣợng lƣu lƣợng nào, công suất tiêu thụ linecard đƣợc bao gồm cơng suất tiêu thụ chassis Mặt khác chuyển mạch tầng có cơng suất xử lý cao hơn, số lƣợng linecard thay đổi cách cắm/rút linecard vào/ra slot, nên khơng thể tính gộp vào công suất tiêu thụ chassis Trong trƣờng hợp này, linecard đƣợc cắm thêm vào, công suất tiêu thụ switch tăng thêm 39W Tuy nhiên, hai trƣờng hợp ta thấy cơng suất tiêu thụ port switch phụ thuộc vào cấu hình tốc độ hoạt động port Tốc độ hoạt động tăng, công suất tiêu thụ port tăng lên Ngồi ra, ta quan sát thấy công suất tiêu thụ chassis chiếm phần lớn công suất tiêu thụ switch, nên việc tắt switch khơng sử dụng (khơng có lƣu lƣợng qua) mang lại lợi ích lớn Lấy ví dụ switch thƣờng 24 port, khơng có lƣu lƣợng qua tiêu thụ 146W, công suất tiêu thụ tối đa lƣợng lƣu lƣợng tối đa qua (mỗi port đặt tốc độ hoạt động 1Gbps), công suất tiêu thụ switch là: 146+0.87*24=167W Nếu ta khơng tắt switch khơng có lƣu lƣợng qua, switch tiêu thụ lƣợng công suất lớn: 146W Về lý tƣởng, switch khơng có tải qua khơng tiêu thụ lƣợng (bằng cách tắt switch), lƣợng sử dụng tăng lên theo lƣu lƣợng thông tin qua Tiêu thụ lƣợng tỷ lệ với lƣợng tải cần xử lý đặc tính đƣợc kỳ vọng switch tƣơng lai Ngồi ra, ta đặt switch vào trạng thái tiêu thụ lƣợng thấp nhƣ sleep, kết hợp với kỹ thuật nhƣ Wakeon-LAN (kỹ thuật đƣợc sử dụng LAN mạng máy tính, dùng đánh thức máy tính trạng thái sleep) để mang lại hiệu cao hiệu so với tắt switch, thời gian chuyển giao trạng thái sleep trạng thái hoạt động nhỏ so với thời gian chuyển giao trạng thái tắt trạng thái - 42 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 hoạt động bình thƣờng Ở ta cần phân biệt hai khái niệm idle sleep Idle trạng thái switch hoạt động, nhiên khơng có lƣu lƣợng qua Sleep trạng thái switch ngừng hoạt động, tiêu thụ phần lƣợng nhỏ chuyển nhanh sang trạng thái hoạt động kỹ thuật nhƣ Wake-on-LAN sử dụng proxy, nhiên switch trạng thái sleep khơng có khả thực chức giao tiếp mạng Tuy nhiên, switch khơng có khả tiêu thụ lƣợng tỷ lệ với lƣợng tải qua nó, thực tế, đặc tính cơng suất tiêu thụ switch xa so với tính tỷ lệ thuận kỳ vọng có đƣợc switch tƣơng lai Hình vẽ sau miêu tả đặc tính tiêu thụ lƣợng switch so với tải: Hình 4.2: Đặc tính tiêu thụ lƣợng switch so với tải Từ kết thu đƣợc, hai báo đƣa số kết luận quan trọng sau: - Công suất tiêu thụ phụ thuộc vào số active port Việc tắt port khơng đƣợc sử dụng (khơng có lƣu lƣợng qua) làm giảm lƣợng tiêu thụ thiết bị Công suất tiêu thụ switch/router tăng tuyến tính với số active port - Cơng suất tiêu thụ phụ thuộc vào tốc độ hoạt động đƣợc cấu hình port (chính cơng suất xử lý tối đa port) Cấu hình hoạt động tốc độ cao, port tiêu thụ nhiều lƣợng, cụ thể P1Gbps>P100Mbps >P10Mbps Kết lƣợng lƣợng tăng lên hoạt - 43 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 động tầng vật lý (PHY) tốc độ cao Do đó, phƣơng pháp để tiết kiệm lƣợng thiết lập tốc độ tối đa hoạt động port phù hợp với tốc độ lƣu lƣợng qua Hiện nay, cổng switch hoạt động trạng thái tốc độ tối đa, khơng có khả thơng minh, tự động thay đổi tốc độ theo lƣu lƣợng qua - Lƣợng traffic qua khơng có ảnh hƣởng đến cơng suất tiêu thụ thiết bị mạng (nói cách xác ảnh hƣởng khơng đáng kể) Ngồi ra, cơng suất tiêu thụ độc lập với kích thƣớc gói tin - Cơng suất tiêu thụ thiết bị mạng phụ thuộc vào số yếu tố khác nhƣ phiên firmware switch/router Số slot TCAM đƣợc sử dụng không ảnh hƣởng đến công suất tiêu thụ Dựa vào đặc tính tiêu thụ lƣợng switch mơ hình lƣu lƣợng CMC Telecom, phần trình bày số kỹ thuật đƣợc dùng tiết kiệm lƣợng tiêu thụ thiết bị mạng trung tâm liệu Các kỹ thuật hứa hẹn, nhiên hầu nhƣ chúng đƣợc đánh giá qua mơ phỏng, chƣa có mơ hình thực đƣợc triển khai thực tế để kiểm chứng tính hiệu chúng Nhƣng hƣớng tƣơng lai áp dụng môi trƣờng trung tâm liệu thực tế Giải pháp tiết kiệm lƣợng cho CMC Telecom 4.2 Thực tế theo dõi hoạt động Data Centre CMC Telecom, tác giả nhận thấy hoạt động server, đƣờng truyền có băng thơng lớn chƣa thật hiệu Do việc đề xuất giải pháp tiết kiệm lƣợng vấn đề trọng tâm nay, nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu việc cắt giảm chi phí hoạt động Trong Chƣơng Chƣơng trình bày trên, sau nghiên cứu kiến trúc mạng trung tâm liệu CMC, xây dựng phần mềm Cacti tập hợp thơng tin lƣu lƣợng từ tất switch trung tâm liệu thơng qua tin SNMP, sau tính toán hiệu suất sử dụng port switch - 44 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Ta nhận thấy lƣu lƣợng chảy qua thiết bị mạng thay đổi liên tục theo thời gian Có thời điểm vào ban đêm sáng sớm (từ 0:00 AM đến 6:00 AM), có ngƣời sử dụng, lƣu lƣợng hầu hết link giảm xuống đáng kể Thời điểm này, ngồi việc thay đổi trạng thái link hoạt động mức thấp hơn, dùng phƣơng pháp tập trung lƣu lƣợng vào số link switch (nhƣ bảng 4.2) Phƣơng pháp tránh đƣợc dƣ thừa băng thơng link có trạng thái lƣu lƣợng cao nhƣ 100Mbp đến 1Gbps giảm thiểu số link/port hoạt động Các link/port đƣợc chuyển lƣu lƣợng chuyển sang chế độ chờ idle để tiết kiệm lƣợng tiêu thụ Thời gian ngày Từ 0:00 AM đến 6:00 AM Phƣơng pháp đề xuất Link State Adaption Network Traffic Consolidation Server Load Consolidation Từ 6:00 AM đến 10:00 AM Link State Adaption Network Traffic Consolidation Từ 10:00 AM đến 12:00 PM Nên để trạng thái hoạt động ổn định nhằm cung cấp dịch vụ tốt Bảng 4.2: Các phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng theo thời gian ngày Đối với thời điểm ban ngày tối (từ 10:00 AM đến 12:00 PM) có nhiều ngƣời sử dụng, lƣu lƣợng hầu hết link/port tăng lên mức cao ổn định Nếu có thay đổi lƣu lƣợng đột biến thời gian ngắn, khơng đáng kể Thời điểm việc ƣu tiên ổn định băng thông cung cấp dịch vụ tốt cho ngƣời dùng, nên phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng không nên áp dụng, trạng thái link switch mức cài đặt nhƣ ban đầu Dựa thông tin này, tác giả đề xuất ba thuật toán tiết kiệm lƣợng áp dụng cho trung tâm liệu CMC Telecom, cụ thể nhƣ sau:  Thích ứng trạng thái link (LSA-Link State Adaption) - 45 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Trong phƣơng pháp này, sử dụng điều khiển công suất thiết bị mạng dựa thông tin lƣu lƣợng link thay đổi trạng thái hoạt động link theo lƣu lƣợng chạy qua link Một link có trạng thái hoạt động là: shut down, idle, 10Mbps, 100Mbps 1Gbps Các trạng thái đảm bảo lƣu lƣợng qua đƣợc xử lý tốc độ hoạt động thích hợp link để giảm công suất tiêu thụ port Ví dụ, ta thấy lƣu lƣợng khơng qua ngƣời dùng tạm dừng hủy dịch vụ chuyển trạng thái port sang tắt (shut down) trạng thái chờ (idle) Cịn có lƣu lƣợng 70 Mbps đƣợc xử lý link có tốc độ hoạt động 100 Mbps, điều chỉnh vào port switch chế độ vào thời điểm ban ngày khách hàng sử dụng dịch vụ nhiều băng thông lên cao Đối với thời gian ban đêm đến sáng sớm, số lƣợng ngƣời dùng giảm thấp, lƣu lƣợng chảy qua port vài Mbps đƣợc xử lý link có tốc độ 10Mbps Đối với nhƣng port switch có băng thơng cao lên vài trăm Mbps điều chỉnh trạng thái lên 1Gbps Tuy nhiên, đơn thay đổi trạng thái link theo tải đặt vào nó, hiệu độ tin cậy không đƣợc đảm bảo Để khắc phục điểm này, ta đặt mức ngƣỡng chuyển trạng thái link, sử dụng trạng thái chờ idle cách hợp lý Ví dụ, ln đảm bảo lƣu lƣợng qua không vƣợt mức ngƣỡng đó, chẳng hạn 70% trạng thái link Tức lƣu lƣợng nhỏ 70 Mbps đƣợc phục vụ link 100Mbps, nhiên lƣu lƣợng vƣợt 70Mbps, ta phải dùng link 1Gbps Ngoài ra, với mục đích cải thiện hiệu tính tin cậy, chống lỗi, ta ln đảm bảo có đƣờng dƣ thừa (chỉ đặt 10 Mbps) để xử lý lƣu lƣợng tăng đột biến Bằng cách thay đổi trạng thái link, ta gián tiếp giảm lƣợng tiêu thụ cho switch nối với link link nối với ports, thay đổi trạng thái link thay đổi tốc độ hoạt động port  Tập trung lƣu lƣợng vào số link switch (NTC-Network Traffic Consolidation) - 46 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Sử dụng phƣơng pháp kỹ thuật lƣu lƣợng (traffic engineering) để tập trung lƣu lƣợng vào số lƣợng link switch hơn, link switch khơng có lƣu lƣợng qua bị tắt Ví dụ, chƣa sử dụng kỹ thuật lƣu lƣợng, hai flow loại có tốc độ 0.3 Mbps qua link khác nhau, link phải hoạt động tốc độ 1Gbps Sau sử dụng kỹ thuật lƣu lƣợng, hai flow đƣợc dồn vào link với lƣu lƣợng tổng cộng 0.6 Mbps, link 1Gbps đủ khả xử lý lƣợng tải này, link lại đƣợc tắt Phƣơng pháp giảm đáng kể lƣợng tiêu thụ cách loại bỏ tất dƣ thừa mạng (lƣợng tài nguyên mạng tối thiểu để đáp ứng nhu cầu lƣu lƣợng tại, link/port trạng thái hiệu suất sử dụng cao có thể) Tuy nhiên phƣơng pháp ảnh hƣởng lớn đến tính tin cậy mạng trung tâm liệu khơng có đƣờng dƣ thừa topo ta sử dụng cách tắt link khơng có lƣu lƣợng qua (cũng nhƣ tắt tồn switch switch kết nối với tất link rỗi, khơng có lƣu lƣợng qua) Tuy chƣa có tính thực tế, nhƣng phƣơng pháp cho ta thấy tính đối lập tiết kiệm lƣợng tính chống lỗi, độ tin cậy Lƣợng lƣợng tiêu thụ giảm nhiều, độ tin cậy, tính chống lỗi giảm Tuy nhiên, để khắc phục điểm này, ta biến đổi phƣơng pháp chút Ví dụ, thay cách tắt link không hoạt động ta chuyển trạng thái link sang tốc độ 10Mbps, chế độ chờ idle tƣơng tự nhƣ cách chống lỗi, tăng hiệu phƣơng pháp LSA  Tập trung lƣu lƣợng vào số server (Server Load Consolidation - SLC) Các thuật toán phân chia job (phân chia công việc xử lý yêu cầu từ ngƣời dùng dịch vụ trung tâm liệu) không xem xét đến lƣu lƣợng mạng đồ hình mạng Một cách gián tiếp để tập trung lƣu lƣợng mạng vào số lƣợng link cho phép điều khiển mạng tắt port switch không đƣợc sử dụng di chuyển job số server đƣợc dùng để xử lý - 47 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 job vào hệ thống trung tâm liệu Thuật toán cần đảm bảo nguồn tài nguyên server nhƣ CPU memory đủ để xử lý job hệ thống Kết hợp việc tập trung lƣu lƣợng vào số server phƣơng pháp tập trung lƣu lƣợng vào số lƣợng link hơn, ta thu đƣợc kết tiết kiệm lƣợng nhiều Nhƣợc điểm tất yếu phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng dẫn đến giảm chất lƣợng dịch vụ, độ tin cậy tính chống lỗi hệ thống độ dƣ thừa giảm đi, số nguồn tài ngun tính tốn Ví dụ, link tốc độ xử lý tối đa 1Gbps có 5Mbps lƣu lƣợng thơng tin qua nó, sử dụng phƣơng pháp thích ứng tốc độ link (LSA), trạng thái link chuyển từ tốc độ hoạt động 1Gbps xuống 10Mbps để tiết kiệm lƣợng, nhiên điều dẫn đến tăng trễ trễ hàng đợi tăng Để làm giảm ảnh hƣởng hiệu hệ thống, ta thêm số hạn chế vào thuật tốn Ví dụ, đảm bảo hiệu suất sử dụng link không đƣợc vƣợt ngƣỡng định trƣớc thay đổi tốc độ Thơng thƣờng, mức ngƣỡng đƣợc chọn theo kinh nghiệm hệ thống trung tâm liệu 70% Khi trễ giảm tính chống lỗi tăng lên Tới nay, lĩnh vực tiết kiệm lƣợng đƣợc nghiên cứu nhiều đạt đƣợc thành cải tiến đáng ghi nhận lĩnh vực thiết bị không dây nhƣ điện thoại di động, laptop… Ví dụ, thiết bị tự động chuyến sang trạng thái hoạt động tiết kiệm lƣợng ngƣời dùng không sử dụng máy… Tuy nhiên, nghiên cứu tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu giai đoạn khởi đầu, xuất vài năm gần bùng nổ dịch vụ mạng dẫn đến bùng nổ trung tâm liệu quy mô ngày lớn, phân bố khắp giới Các kết nghiên cứu chủ yếu có tính nghiên cứu, đề xuất, mơ Một lý quy mô trung tâm liệu lớn, nên kiểm tra tính hiệu phƣơng pháp đề xuất trung tâm liệu thật khó khăn Do số nỗ lực đƣa kiến trúc ảo hóa mạng gần nhƣ dự án GENI, Planet, OpenFlow, nhà nghiên cứu kiểm tra kết công - 48 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 việc qua mơ hình lớn với chuyển mạch ảo hóa, dùng giả lập trung tâm liệu lớn với hàng trăm ngàn server Bên cạnh thích ứng linh hoạt trạng thái thiết bị mạng trung tâm liệu với tải qua cách sử dụng kỹ thuật nhƣ thay đổi tốc độ hoạt động port switch, hay tắt switch link không hoạt động, ta cịn tiết kiệm lƣợng cách kết hợp thuật tốn phân chia job (chính yêu cầu cần xử lý từ khách hàng) đến nguồn tài nguyên mạng (server, switch) cách hợp lý, tập trung lƣu lƣợng vào số lƣợng switch, link server hơn.Thuật tốn phân chia job nhận thức lƣợng cần tính đến yếu tố hiệu suất sử dụng mạng, đồ hình mạng trƣớc gán server để xử lý job Tóm lại, ngồi giải pháp cải thiện phần cứng, có phƣơng pháp để tiết kiệm lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu Thứ là, thay đổi thích ứng trạng thái link theo tải đặt vào Thứ hai là, tập trung tải vào số lƣợng link Cuối là, tập trung lƣu lƣợng vào số lƣợng server Kết hợp ba phƣơng pháp cho ta kết tiết kiệm lƣợng cao Tuy nhiên, hạn chế thời gian, kiến thức nhƣ công cụ thực hiện, đề tài tốt nghiệp này, nhóm nghiên cứu chƣa khai thác đƣợc tối đa tất ƣu điểm phƣơng pháp Đề tài tập trung vào hai phƣơng pháp đầu đựa kỹ thuật lƣu lƣợng tập trung tải vào số link, switch, thay đổi tốc độ link theo tải đặt vào tắt link switch không đƣợc sử dụng - 49 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 K T LUẬN Nhu cầu lƣợng ngày tăng lên nguồn tài nguyên có hạn, phải biết sử dụng phân bổ hợp lý nguồn tài nguyên Tiết kiệm lƣợng nghĩa vụ trách nhiệm nhân loại điều ảnh hƣởng đến phát triển giới sau Đặc biệt việc tiết kiệm lƣợng cho hệ thống tiêu thụ lƣợng khổng lồ nhƣ trung tâm liệu Tiết kiệm lƣợng tiêu thụ trung tâm liệu làm giảm đƣợc đáng kể chi phí hoạt động mạng đem lại lợi ích cho chủ sở hữu mà cho ngƣời sử dụng chi phí dịch vụ giảm Hơn tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu cịn mang lại lợi ích lớn mơi trƣờng giảm đƣợc lƣợng khí thải carbon gây tác động mạnh đến nóng lên trái đất Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu thực tế triển khai hệ thống phần mềm xây dựng đƣợc mơ hình lƣu lƣợng trung tâm liệu Và đƣa giải pháp tiết kiệm lƣợng phù hợp hƣớng tới áp dụng hệ thống thiết bị thực tế trung tâm liệu Tác giả hi vọng phƣơng pháp tiết kiệm kết hợp đƣợc với nhiều phƣơng pháp để tạo hệ thống tiết kiệm đƣợc tối đa cho mạng trung tâm liệu góp phần vào xây dựng trung tâm liệu xanh tƣơng lai - 50 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 TÀI LIỆU THAM KHẢO M Al-Fares, A Loukissas, and A.Vahdat “A Scalable, Commodity Data Center Network Architecture” In ACM SIGCOMM, pages 63-74, 2008 C Guo, G Lu, D Li, H Wu, X Zhang, Y Shi, C Tian, Y Zhang, and S Lu “BCube: A High Performance, Server-centric Network Architecture for Modular Data Centers” In ACM SIGCOMM, pages 75-86, 2008 U.S Environmental Protection Agency s Data Center Report to Congress Available: http://tinyurl.com/2jz3ft truy cập lần cuối ngày 21/05/2011 Albert Greenberg, James R Hamilton, Navendu Jain, Srikanth Kandula, Changhoon Kim, Parantap Lahiri, David A Maltz, Parveen Pat, “VL2: A Scalable and Flexible Data Center Network” In SIGCOMM 2009 Kandula, Niranjan Mysore, Andreas Pamboris, Nathan Farrington, Nelson Huang, Pardis Miri, Sivasankar Radhakrishnan, Vikram Subram, "PortLand: A Scalable Fault- Tolerant Layer Data Center Network Fabric".In SIGCOMM 2009 Kumar, Rakesh and Mieritz, Lars (2007) “Conceptualizing Green IT and data centre power and cooling issues”, Gartner Research Paper No G00150322 Giới thiệu CMC Telecom website: http://cmctelecom.vn/ B Heller, S Seetharaman, P Mahadevan, Y Yiakoumis, P Sharma, S Banerjee, N McKeown, “Elastic tree: Saving Energy in Data Center Networks”, USENIX NSDI, April, 2010 Priya Mahadevan, Puneet Sharma, Sujata Banerjee, Parthasarathy Ranganathan “A Power Benchmarking Framework for Network Devices” Networking 2009: 795-808 10 Priya Mahadevan, Puneet Sharma, Sujata Banerjee, Parthasarathy Ranganathan “Energy Aware Network Operations” Proceeding INFOCOM'09 11 Nick McKeown, Tom Anderson, Hari Balakrishnan, Guru Parulkar, Larry Peterson, Jenifer Rexford, Scott Shenker, Jonathan Turner “OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks” March 14, 2008 - 51 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 12 Chuanxiong Guo, Haitao Wu, Kun Tan, Lei Shiy, Yongguang Zhang, Songwu Luz: “DCell: A scalable and Fault-Tolerant Network Structure for Data Centers” In SIGCOMM 2009 13 Theophilus Benson, Ashok Anand, Aditya Akella, Ming Zhang “Understanding data center traffic characteristics” Proceedings of the 1st ACM workshop on Research on enterprise networking WREN, 09/2009 14 Kandula, S., Sengupta, S., Greenberg, A., Patel, P., & Chaiken, R (2009) “The nature of data center traffic: measurements & analysis” Proceedings of the 9th ACM SIGCOMM conference on Internet measurement conference, 202-208 ACM 15 Bob Lantz, Brandon Heller, Nick McKeown, “A Network in a Laptop: Rapid Prototyping for Software-Defined Networks” http://conferences.sigcomm.org/hotnets/2010/papers/a19-lantz.pdf 16 Cacti website: http://www.cacti.net/index.php 17 PRTG website: http://www.paessler.com/knowledgebase/en/ - 52 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 PHỤ LỤC Hƣớng dẫn cài đặt phần mềm Cacti: Đầu tiên server yêu cầu update cài đặt phần mềm sau:  RRDTool 1.0 49 1.2.x  MySQL 4.1.x 5.x  PHP 4.3.6  A Web Server e.g Apache or IIS Cài RRDTool: # yum -y install gcc gcc-c++ cairo-devel libxml2-devel pango-devel pango libpng-devel freetype freetype-devel libart_lgpl-devel # cd /usr/src/ # wget http://oss.oetiker.ch/rrdtool/pub/rrdtool-1.3.9.tar.gz # tar -zxvf rrdtool-1.3.9.tar.gz # cd rrdtool-1.3.9 # export PKG_CONFIG_PATH=/usr/lib/pkgconfig/ # yum -y install ntp # chkconfig ntpd on # ntpdate pool.ntp.org # /etc/init.d/ntpd start # make # make install # cd /usr/local/ # mkdir rrdtool # ln -s rrdtool-1.3.1/ rrdtool/ # cd rrdtool # ls –l # /configure - 53 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 Download giải nén Cacti: # cd /usr/src/ # wget http://www.cacti.net/downloads/cacti-0.8.7e.tar.gz # tar xzvf cacti-0.8.7e.tar.gz # mv cacti-0.8.7e cacti # mv cacti /var/www/html/ Tạo Group User cho Cacti: # /usr/sbin/groupadd cacti # /usr/sbin/useradd -g cacti cactiuser # passwd cactiuser Tạo MySQL root password database cho Cacti: # service mysqld start # /usr/bin/mysqladmin -u root password samplepass # mysqladmin user=root password=samplepass create cacti # cd /var/www/html/cacti # mysql user=root password=samplepass cacti < cacti.sql # mysql user=root password=samplepass mysql> GRANT ALL ON cacti.* TO cactiuser@localhost IDENTIFIED BY 'samplepass'; mysql> flush privileges; mysql> exit Khởi động Apache server MySQL server: # service mysqld start # service httpd start Cài đặt plugin architecture cacti: # cd /usr/src/ # wget http://mirror.cactiusers.org/downloads/plugins/cacti-plugin-0.8.7ePA-v2.5.zip # unzip cacti-plugin-0.8.7e-PA-v2.5.zip - 54 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu # cd files-0.8.7e/ # cp –R * /var/www/html/cacti/ # cd /var/www/html/cacti/ # patch -p1 -N < /usr/src/cacti-plugin-0.8.7e-PA-v2.5.diff # nano /var/www/html/cacti/include/global.php Cài đặt monitor plugin: # cd /usr/src # wget http://cactiusers.org/downloads/monitor.zip # unzip monitor.zip # cp -R monitor/ /var/www/html/cacti/plugins/ # nano /var/www/html/cacti/include/global.php Đối với plugin khác cài tƣơng tự - 55 - 05/2013 ... lƣợng mạng trung tâm liệu. 31 CHƢƠNG 4: GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG TRUNG TÂM DỮ LIỆU 37 4.1 Năng lƣợng tiêu thụ thiết bị mạng trung tâm liệu 37 4.2 Giải pháp tiết kiệm lƣợng... line-cards Hình 1.2 - 11 - Tiết kiệm lƣợng trung tâm liệu 05/2013 cho thấy mức độ tiêu thụ lƣợng thành phần trung tâm liệu Trung tâm Dữ liệu xanh (Green Datacenter) Trung tâm Dữ liệu mà hệ thống đƣợc... lƣu lƣợng mạng trung tâm liệu dựa kết tham khảo nghiên cứu điển hình loạt trung tâm liệu lớn giới 1.1 Tổng quan trung tâm liệu Data Centres 1.1.1 Giới thiệu trung tâm liệu Trung tâm liệu nơi đặt