Chi phí đầu tư cho mua sắm thiết bị mạng chiếm một phần lớn chi phí cài đặt mạng liên kết. Mô hình hóa một mạng liên kết tổng quát có thể hiểu là một mạng kết nối của các thiết bị chuyển mạch (switches). Nhằm đơn giản hóa mô hình tính toán chi phí, chúng tôi lựa chọn chi phí cho một thiết bị chuyển mạch ở mức 500$ cho mỗi cổng (port) dựa trên khảo sát trong [11]. Mỗi cổng tương ứng với một liên kết của nút mạng đó trong mạng liên kết.
Chi phí cài đặt mạng còn bao gồm cả chi phí cho các dây nối – cáp mạng (cable) dùng để liên kết các thiết bị với nhau. Có nhiều giải pháp khác nhau khi lựa chọn xây dựng hệ thống cáp mạng cho mạng yêu cầu hiệu năng cao. Mỗi giải pháp tương ứng với một mức chi phí cụ thể dành cho cáp mạng, đầu kết nối (connector) tại các thiết bị.
Hiện nay, có hai giải pháp được sử dủng phổ biến là dùng cáp đồng và cáp quang. Sử dụng cáp đồng có giá thành rẻ hơn cáp quang do chi phí của đầu kết nối rẻ hơn rất nhiều (bằng khoảng 1/10 chi phí ở cáp quang - Bảng 2). Tuy nhiên cáp đồng không đảm bảo được chất lượng đường truyền khi cần phải nối hai thiết bị có độ dài lớn hơn 5m. Do đó khi cái đặt thực tế, giải pháp lý tưởng sử dụng xem lẫn giữa cáp đồng và cáp mạng.
Chi phí Loại cáp mạng
Chi phí trên 1m dây (Cost_per_m)
Chi phí đầu kết nối (Connector_Cost)
Cáp đồng ( < 5m) 16$ 20$
Cáp quang ( >5m) 5$ 188$
Bảng 2: So sánh chi phí cáp đồng và cáp quang
Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi sử dụng mô hình trong [11] để tính toán chi phí này một cách tổng quát. Trong đó, chi phí cho cáp mạng được tính theo công thức nêu trong Bảng 3. Chi phí dành cho một kết nối bằng giá trị của dây nối đó (bao gồm chi phí dây nối, và chi phí đầu kết nối) cộng thêm 25% chi phí trung bình dành cho nhà sản xuất (chi phí sản xuất, phân phối, tìền lãi) và chi phí để lắp đặt thực tế (installation cost).
Cable_cost = (Cable_length * Cost_per_m + Connector_Cost) * 1.25 + Installation_Cost Bảng 3: Cổng thức tính chi phí cáp mạng theo độ dài
Đối với các mạng liên kết ứng dụng cho tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu lớn, các thiết bộ chuyển mạch (switches) được đặt trong các tủ mạng (cabinets hay racks). Chúng tôi bỏ qua chi phí của tủ mạng vì với một mạng cụ thể với số nút mạng, bộ chuyển mạch cố định, số lượng tủ mạng được sử dụng là như nhau đối với mọi cách sắp xếp bộ chuyển mạch. Tuy nhiên, tủ mạng có ảnh hưởng nhất định đến chi phí lắp đặt thực tế. Chi phi trung bình cho việc cài đặt các kết nối giữa hai nút mạng bên trong
một tủ mạng yêu cầu chi phí 2.5$. Trong khi chi phí này là 6.5$ đối với kết nối giữa hai nút mạng ở hai tủ mạng khác nhau.
Hãy xem xét một ví dụ đơn giản khi sử dụng dây cáp quang để nối hai nút mạng nằm cách nhau 10m và ở hai tủ mạng khác nhau. Như vậy cable_length = 10 > 5m nên trong ví dụ này sử dụng dây cáp quang để đảm bảo chất lượng đường truyền. Do đó Cost_per_m = 5$/m, và Connector_Cost = 188$/1 connector. Vậy chi phí cho kết nối này được tính bằng (10*5+188*2) * 1.25 + 6.5 = 539$.
Một vấn đề khác được đặt ra khi đánh giá bằng lý thuyết chi phí của một mạng liên kết là xác định mô hình tính toán độ dài của dây cáp cần sử dụng. Trong thực tế, mạng sử dụng cho trung tâm dữ liệu được đặt trong một phòng máy (server room) cỡ lớn được trang bị các hệ thống làm mát, hệ thống điện và hệ thống dây mạng, tủ mạng chuyên dụng. Các tủ mạng trong phòng máy được sắp xếp ở dạng lưới AxB gồm A
hàng, mỗi hàng gồm B tủ mạng (cabinets). Mỗi tủ mạng lại gồm nhiều các thiết bị chuyển mạch (switches) xếp theo chiều thẳng đứng. Hình 9 minh họa mô hình phòng mạng trong nghiên cứu. Ở đó, các tủ mạng trên cùng một hàng được đặt cách nhau một khoảng cố định dành cho các luồng khí nóng và khí lạnh (aisle) của bộ phận điều hòa nhiệt độ. Tương tự, giữa hai hàng cũng tổn tại khoảng cách (row aisle).
Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng mộ hình trình bày trong [12] để mô hình hóa một phòng máy. Ở đó, diện tích của phòng máy được giả sử là không giới hạn nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu các mạng liên kết có kích thước bất kì. Các tủ mạng chứa cùng một số lượng các thiết bị chuyển mạch và được đặt trong một lưới AxB. Trong đó A = ⌈√ ⌉ và B = ⌈ ⌉ với m là số lượng tủ mạng.
Dây nối giữa hai nút mạng ở hai tủ mạng khác nhau được tính theo khoảng cách Mahatan bằng tổng khoảng cách theo trục X và Y. Trong đó, khoảng cách giữa hai bộ chuyển mạch theo trục X (gồm chiều rộng tủ mạng width và aisle) là 0.6m. Độ dài dây nối giữa hai bộ chuyển mạch theo trục Y (gồm chiều sâu tủ mạng và row_aisle) là 2.1m. Vậy độ dài này được tính bằng công thức 0.6*∆X + 2.1*∆Y (m) (còn được gọi là inter-cabinets cable). Bên cạnh đó, độ dài dây cáp giữa hai bộ chuyển mạch trong cùng một tủ mạng (còn gọi là intra-cabinets cable) được lấy giá trị trung bình 2m/1 dây cáp. Ngoài ra, với mỗi một dây cáp mạng được tính thêm một khoảng dôi ra (overhead) trung bình là 2m [13].
Hình 10: Minh họa tính độ dài dây mạng
Hình 10 mô tả ví dụ minh họa tính độ dài dây mạng giữa hai hàng liên tiếp của tủ mạng. Độ dài dây nối giữa nút A và nút C, dAC,được tính theo khoảng cách Mahattan.
Ở đó dAC = dAB + dBC = (0.6*1 + overhead) + (2.1*1 + overhead) = 4.7 (m). Tương tự như vậy, dDE = dEF = dDF = 2(m) vì nằm trong cùng một tủ mạng.
3.1.2.Mức tiêu thụ năng lƣợng họat động
Độ dài dây cáp và cách bố trí thiết bị mạng trong phòng mạng (layout) có ảnh hưởng lớn đến chi phí cài đặt ban đầu mạng liên kết. Không chỉ vậy, độ dài dây cáp cũng ảnh hưởng tới chi phí khi vận hành mạng. Chúng tôi đánh giá chi phí này dựa trên tiêu thụ điện năng (power consumtion) trên một cổng (switch port) và tiêu thụ năng lượng (energy consumtion) khi truyền một gói tin.
< 0.7m >=0.7 m Điện năng tiêu thụ trên một cổng (nW) 6600 12400 Năng lượng tiêu thụ khi truyền 1 gói tin (pJ) 2 60
Bảng 4: Tiêu thụ năng lượng trên cáp mạng
Khảo sát thông số kĩ thuật các bộ chuyển mạch phổ biến hiện nay [14], chúng tôi ước lượng chi phí này phụ thuộc độ dài dây cáp như trong Bảng 4. Qua đó chúng tôi đánh giá tiêu thụ năng lượng của toàn mạng khi thiết kế và khi đưa vào họat động. Tiêu thụ năng lượng của toàn mạng bao gồm tiêu thụ năng lượng của các bộ chuyển mạch và tiêu thụ năng lượng trong hoạt động theo thời gian. Hình 11 thể hiện cách tính năng lượng tiêu thụ của mạng liên kết ở dạng giả code. Trong đó để đánh giá năng lượng tiêu tốn cho quá trình truyền tin phụ thuộc vào kịch bản giả lập trao đổi thông tin được định nghĩa trong traffic.
#Total power and energy of network
total_power = 0 # total power consumption total_energy = 0 # total energy consumption for each (i,j,w) in cables {
# i, j is two nodes of cable # w is cable
total_power =+ power_of(length_of(cable))
total_energy =+ traffic[i, j] * energy_of(length_of(cable)) } (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
power_of(len){ if(len <= 700){ # [cm] return 6600 # [mW] }else{ return 12400 # [mW] } }
# Energy consumption per packet energy_of(len){ if(len <= 700){ # [cm] return 2 # [pJ] }else{ return 60 # [pJ] } }
Hình 11: Gỉa code tính năng lượng tiêu thụ của mạng liên kết
3.2. Đánh giá hiệu năng mạng liên kết bằng lý thuyết đồ thị
Trong phương pháp đánh giá lý thuyết, mạng liên kết được mô hình hóa bằng một đồ thị. Ở đó, mỗi đỉnh của đồ thị đại diện cho một nút mạng (hay một bộ chuyển mạch) còn mỗi cạnh của đồ thị đại diện cho một dây cáp mạng (kết nối giữa các bộ chuyển mạch). Nhằm đơn giản hóa mô hình, chúng tôi bỏ qua các thiết bị đầu cuối cũng như các các cổng kết nối giữa thiết bị đầu cuối và bộ chuyển mạch tương ứng. Chúng tôi sử dụng phương pháp này để đánh giá thông lượng lý tưởng (ideal throughput) độ trễ (latency) và khả năng chịu lỗi (fault tolerance) của mạng liên kết.
3.2.1.Đánh giá thông lƣợng lý tƣởng
Mạng liên kết đuợc mô hình hóa bằng đồ thị gồm N nút mạng và tập cạnh C đại diện cho các kết nối, kênh truyền. Băng thông (bandwidth) của mỗi cạnh c trong C
được kí hiệu là wc.Gỉa thiết, tất cả các cạnh c đều có cùng giá trị băng thông wc = b và quá trình tuyền tin trong mạng không xảy ra tranh chấp tài nguyên mạng.Thông lượng (throughput) của mạng theo định nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu (bps) mà mạng chấp nhận trên từng cổng vào (input port). Thông lượng lý tưởng là tốc độ tối đa tại một cổng vào có thể đáp ứng được. Tải của kênh truyền c là lượng thông tin truyền qua kênh truyền nếu như mỗi cổng vào của mạng đều nhận được một gói tin. Như vậy có thể mô hình các giá trị này dưới dạng công thức như sau:
Tải của một kênh truyền: γc = byêu cầu sử dụng trên c / bcổng vào. Khi kênh truyền chịu tải tối đa γmax = max(γc) , bcổng vào = θideal và byêu cầu sử dụng trên c = b. Do đó
θideal = b / γmax
Gọi γB là tải của một kênh truyền trên một Bisection trong đó Bisection là nhát cắt chia đôi mạng thành hai nửa bằng nhau về số lượng nút mạng. Số lượng kênh truyền, kết nối bị nhát cắt này cắt qua gọi là số kênh truyền của bisection, kí hiệu là BC. Do γB ≤ γmaxvà γmax = b / θideal nênta có γB ≤ b / θidealvà
θideal ≤ b / γB (*)
Giả sử các gói tin truyền trên mạng dựa trên phân phối xác suất đều (random traffic). Vì bisection chia đôi mạng thành hai nửa bằng nhau nên có N/2 gói tin truyền qua BC cạnh của Bisection. Từ đó có thể tính được tải của một cạnh trên Bisection γB
= N/2BC gói tin. Từ (*) ta có
θideal ≤ b / (N/2BC) = 2bBC/N = 2BB/N (**)
(BB = bBC còn được gọi là băng thông của Bisection).
Nhát cắt và Bisection trong mạng liên kết tương ứng với khái niệm Cut và Min Cut trong đồ thị vô hướng nói chung. Do đó khi mô hình hóa mạng liên kết bằng đồ thị, chúng tôi có thể tính được thông lượng lý tưởng sử dụng công thức (**)
3.2.2.Đánh giá độ trễ
Như đã trình bày trong chương cơ sở lý thuyết, độ trễ truyền tin trong mạng liên kết khi không có tranh chấp tài nguyên được xác định gồm ba thành phần bao gồm: và thời gian chuyển gói tin qua mạng (injection time), độ trễ truyền dữ liệu trên dây nối (time to fly), độ trễ tại các bộ chuyển mạch (switches latency). Đối với các mạng liên kết phục vụ trong lĩnh vực ứng dụng SAN (phục vụ cho tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu), injection time vào khoảng 300ns, tốc độ truyền dữ liệu trên dây nối vào
khoảng 5ns/m và switches latency trung bình khoảng 100ns/switch[8]. Bằng phương pháp đồ thị, chúng tôi đánh giá độ trễ lớn nhất và độ trễ trung bình trên mạng liên kết.
Hình 12: Mô hình mạng liên kết bằng đồ thị có trọng số
Mạng liên kết được mô hình hóa bằng đồ thị G vô hướng (hoặc có hướng) có trọng số. Trọng số trên mỗi cạnh tương ứng với độ dài của của cáp mạng. Từ đồ thị này, chúng tôi tìm được đường đi ngắn nhất, đuờng đi dựa vào giải thuật định tuyến bất kì giữa hai cặp đỉnh bất kì. Sử dụng các tham số về độ trễ nêu trên, chúng tôi đánh giá được độ trễ của mạng liên kết. Ví dụ một mạng liên kết được mô hình bằng đồ thị có trọng số như Hình 12. Vậy độ trễ trên cạnh AB không tính injection time được tính như sau:
( ) ( )
Một gói tin được truyền từ nút mạng A sang nút mạng B theo con đường A B có độ trễ:
( )
Một gói tin được truyền từ nút mạng A sang nút mạng C theo con đường từ A B
C có tổng độ trễ tính như như sau:
A B C D E 4m 3.25m 3m 2m 7m 5m
( )
( ). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tính đuợc độ trễ của tất cả các đường đi giữa cặp đỉnh nêu trên, chúng tôi tính được độ trễ truyền tin trung bình, và độ trễ lớn nhất trên mạng.
Ngoài ra, khi so sánh độ trễ giữa hai mạng liên kết có cùng số nút mạng một cách tương đối dựa trên phương pháp nêu trên, hai giá trị này có thể được đánh giá tương đối thông qua độ dài đường đi trung bình Havg và đường kính d của mạng liên kết. Rõ ràng injection time là như nhau đối với mọi đường đi giữa hai cặp nút mạng bất kì. Chúng tôi giả sử độ trễ trên đường dây time to fly trung bình khi truyền tin giữa các mạng liên kết là chênh lệch không đáng kể. Vậy độ trễ có thể được đánh giá thông qua thời gian tiêu tốn trên các bộ chuyển đổi switches latency. Switches delay trung bình được tính bằng tích của độ dài đường đi trung bình Havg nhân với độ trễ trên một bộ chuyển mạch. Khi tính độ trễ lớn nhất của một gói tin được truyền đi trên mạng, switches delay lớn nhất được tính bằng tích giá trị của đường đi dài nhất nhân với độ trễ trên một bộ chuyển mạch. Đường đi được nhắc tới trong nghiên cứu của chúng tôi là đường đi được xác định theo giải thuật định tuyến. Trong trường hợp, giải thuật định tuyến luôn đưa ra các con đường tối ưu, Havg là độ dài trung bình của các đường đi ngắn nhất, còn giá trị của đường đi dài nhất chính là giá trị lớn nhất trong số các đường đi ngắn nhất (hay còn gọi là đường kính của mạng liên kết). Tóm lại, trong các nghiên cứu của mình, chúng tôi phân tích đánh giá độ trễ bằng phương pháp đồ thị thông qua đánh giá hai giá trị giá trị trung bình của đường đi ngắn nhất (tiếng Anh gọi là average shortest path length) và đường kính (tiếng Anh gọi là diameter) của mạng liên kết.
3.2.3.Đánh giá khả năng chịu lỗi
Khả năng chịu lỗi là khả năng của mạng họat động trong trường hợp có một hoặc nhiều lỗi. Một lỗi được hiểu là một nút mạng hoặc một kết nối (kênh truyền) bị hỏng và không sử dụng được trong quá trình truyền tin. Nhằm mục đích đơn giản hóa, chúng
tôi mô hình hóa lỗi trên kết nối. Lỗi trên một nút mạng có thể chuyển thành lỗi trên tất cả các kết nối liên quan đến nút mạng đó. Trên đồ thị, một cạnh tương ứng với liên kết bị lỗi sẽ được loại bỏ khỏi đồ thị. Mạng liên kết tồn tại lỗi sẽ tương ứng với đồ thị còn lại sau khi xóa bỏ các cạnh lỗi khỏi đồ thị ban đầu.
Để đánh giá khả năng của mạng có lỗi, chúng tôi xóa bỏ một cách nhẫu nhiên các cạnh trên đồ thị ban đầu. Đối với mỗi một mạng liên kết, số lượng cạnh bị xóa bỏ ngẫu nhiên được xác định bằng tỉ lệ cạnh lỗi α. Trong đó α lấy các giá trị từ 1% đến 10% số cạnh. Đồ thị thu được sau khi xóa các cạnh trên sẽ là đầu vào của quá trình đánh giá hiệu năng (thông lượng, độ trễ) nêu ở 3.2.1 và 3.2.2.
3.3. Đánh giá hiệu năng mạng liên kết bằng công cụ mô phỏng 3.3.1.Phƣơng pháp đánh giá hiệu năng 3.3.1.Phƣơng pháp đánh giá hiệu năng
Phương pháp này thực hiện dựa trên tư tưởng xây dựng một bộ giả lập mô phỏng mạng liên kết và các hoạt động truyền gửi tin trên mạng. Quá trình giả lập, cho phép người nghiên cứu trích suất được các thông tin về độ trễ và thông lượng phụ thuộc vào lượng thông tin yêu cầu truyền đi (offered traffic). Từ đó, chúng tôi đánh giá hiệu năng của mạng liên kết thông qua đồ thị dưới hai cách thức CNF và BNF trình bày trong Workshop on Parallel Computer Routing and Communication (PCRCW’94) [10].
CNF, viết tắt của Chaos Normal Form, là định dạng đồ thị ở đó độ trễ và thông lượng được biểu diễn tương quan với offered traffic (trình bày trong mục 2.5) bằng hai đồ thị độc lập. Trong cả hai đồ thị, trục X thể hiện offered traffic. Bằng cách sử dụng hai đồ thị, chúng ta có thể theo dõi được độ trễ truyền tin trong cả trường hợp bão hòa.
BNF, viết tắt của Burton Normal Form, là định dạng đồ thị biểu diễn độ trễ và