4. Cấu trúc nội dung của luận án
4.4.1. Công suất của chuyển mạc hở hai chế độ sleep
Để đo điện năng tiết kiệm được ở hai chế độ Sleep được đề xuất tại Mục 4.2, tác giả xây dựng một hệ thống thực nghiệm phần cứng bao gồm một bộ điều khiển NOX, và một
84
chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA-1G (Hình 4.5). Phiên bản điều khiển NOX 1.0.0 được thực hiện trên một máy tính cá nhân chạy Ubuntu phiên bản 10.10. chuyển mạch OpenFlow phiên bản 1.0.0.4 dựa trên NetFPGA phiên bản 3.0.1 được phát triển bởi Đại Học Stanford – Hoa Kỳ [60] được sử dụng. Một máy PC1có vai trò phát lưu lượng cho chuyển mạch OpenFlow, còn một máy PC2 có vai trò nhận gói tin từ PC1 qua chuyển mạch. Lưu lượng được phát theo các đặc tính khác nhau. Oscilloscope và Power Measure Board được sử dụng để đọc giá trị ADC ở điểm 3.3V và 5.0V qua PCIEXT-64UB [59] và sau đó hiển thị, và tính toán điện năng tiêu thụ.
Hình 4.5. Hệ thống thực nghiệm để đo lường công suất chuyển mạch
Kết quả đo lường tiêu thụ điện năng của một chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA với hai chế độ ngủ khác nhau được thể hiện trong Bảng 4.3.
Bảng 4.3. Công suất tiêu thụ của chuyển mạch với các chế độ sleep khác nhau
Chế độ Công suất tiêu thụ của chuyển mạch (mW)
Sleep 1 cổng 10444
Sleep 2 cổng 9289
Sleep 3 cổng 8204
Sleep chuyển mạch 4577
Trong Mục 2.2.2.5, tổng công suất tiêu thụ của chuyển mạch khi tắt cả bốn cổng hoạt động ở băng thông khoảng 1Gbps đo được kết quả là 11550 mW. Đây là công suất tiêu thụ điện năng lớn nhất của việc chuyển mạch hoạt động ở chế độ bình thường. Với chế Sleep được đề xuất, chuyển mạch có thể tiết kiệm khoảng 9,8% tổng công suất tiêu thụ khi một cổng được thiết lập ở chế độ Sleep và lên đến khoảng 60% nếu chuyển mạch được thiết lập ở chế chế độ Sleep.
85
4.4.2. Kiểm tra phƣơng pháp WOL cho chuyển mạch OpenFlow
Tác giả xây dựng hệ thống thực nghiệm để kiểm tra chức năng Wake up của chuyển mạch khi chuyển mạch chạy ở chế độ Sleep. Như mô tả trong Hình 4.6, Hình 4.7, PC1 đóng vai trò bộ điều khiển trong đó có bộ phát lưu lượng gói tin để gửi các gói tin WOL vào cổng Ethernet để Wake up chuyển mạch OpenFlow đang ở chế độ Sleep. PC2 được sử dụng để giám sát các chế độ làm việc của chuyển mạch OpenFlow theo kịch bản.
Chu ển mạch Op nFlo PC1 (Điều khiển chuyển mạch) PC2 (Theo dõi trạng thái chuyển mạch) Gửi bản tin magic_pk Cổng 3 tắt Cổng 2 tắt Cổng 1 10Mbps Cổng 0 tắt PCIEXT-64UB
(Đo công suất tiêu thụ)
Mạch hiển thị công suất
NetFPGA
00:4E:46:32:43:00
00:4E:46:32:43:01
00:4E:46:32:43:02
00:4E:46:32:43:03
Hình 4.6. Hệ thống Testbed kiểm tra chức năng WOL
Hình 4.7. Hệ thống thực nghiệm cho chức năng WOL
Tác giả xây dựng kịch ản 1 để kiểm tra: Đầu tiên cổng 0 được tắt và sau đó một gói tin WOL được gửi đến cổng 1 đang hoạt động bình thường và đang theo dõi các gói tin WOL gửi đến để Wake up cổng 0, gói tin này có chứa địa chỉ MAC của cổng Ethernet 1 và có bit {B0, B1} thiết lập là "11". Sau khi cổng 1 nhận được một gói tin WOL cổng 0 được Wake up thành công như mô tả trong Hình 4.8.
86
Hình 4.8. Theo dõi trạng thái của chuyển mạch khi Wake up cổng 0
ác giả xây dựng kịch ản 2 để kiểm tra: Chuyển mạch OpenFlow được thiết lập hoạt động ở chế độ Sleep ở tần số tối thiểu 3,90625 MHz và ba cổng được tắt, cổng 1 đang chạy ở tốc độ 10Mbps để lắng nghe các gói tin WOL. Sau đó, PC1 gửi gói tin WOL để Wake up chuyển mạch hoạt động bình thường. Gói tin này có chứa địa chỉ MAC của cổng 1 và đã mở rộng các byte như trong Hình 4.9.
0 0 0 0 0 0 1 1 Cổng 0 Dự phòng 1 1 1 1 1 1 1 0 Cổng 1 Cổng 2 Cổng 3 Chế độ chuyển mạch Chế độ cổng
Hình 4.9. Byte mở rộng để Wake up chuyển mạch
Sau khi cổng 1 nhận gói tin WOL, chuyển mạch được Wake up thành công và hoạt động ở trạng thái bình thường. PC2 cũng theo dõi được tất cả các trạng thái của chuyển đổi, như thể hiện trong Hình 4.10.
87
4.5. Tổng kết chƣơng
Trong chương này, tác giả đã xây dựng thành công hai chế độ Sleep cho chuyển mạch OpenFlow để giảm điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, phương pháp WOL cho chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA từ chế độ Sleep sang chế độ hoạt động bình thường đã được đề xuất. Hệ thống thực nghiệm cũng được xây dựng để kiểm tra và đo chính xác toàn bộ năng lượng của chuyển mạch tiết kiệm khoảng 9,8% năng lượng tiêu thụ trên mỗi cổng và lên đến khoảng 60% tổng tiêu thụ năng lượng của chuyển mạch ở chế độ Sleep.
88
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Các điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung luận án
Nội dung của luận án là một chủ đề xuyên suốt bắt đầu từ các khảo sát về tiết kiệm năng lượng của chuyển mạch, đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng và xây dựng các chuyển mạch có chức năng tiết kiệm năng lượng. Chỉ số công suất trung bình API cũng được đưa ra để đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của chuyển mạch khi lưu lượng đầu vào biến đổi. Cuối cùng, luận án trình bày phương pháp WOL cho chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA nhằm tiết kiệm năng lượng.
Phần mở đầu là một cuộc khảo sát nhỏ về các đặc điểm và tình hình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA trong thời gian vừa qua.
Chương 1 đã giới thiệu về tầm quan trọng, đặc điểm kiến trúc mạng và các công nghệ sử dụng trong trung tâm dữ liệu.
Qua phần Mở đầu và Chương 1 giúp người đọc có một cái nhìn tổng quan về tầm quan trọng tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch, để hướng đến trung tâm mạng dữ liệu xanh, đó cũng là một xu hướng phát triển của mạng trong tương lai.
Chương 2 đã xây dựng hệ thống đo đạc năng lượng các khối bên trong chuyển mạch OpenFlow. Dựa vào kết quả này ta có thể quyết định khối nào trong chuyển mạch nên được cắt giảm điện năng. Có thể thấy từ các kết quả đạt được ở chương này như sau:
Xây dựng được mô hình hệ thống đo đạc năng lượng và xác định được các đặc tính
tiêu thụ công suất của các khối trong chuyển mạch OpenFlow. Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch như thay đổi tần số hoạt động trên toàn bộ chip NetFPGA, đề xuất giải pháp điều khiển mỗi cổng Ethernet chạy ở một số băng tần khác nhau nhằm tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch.
Thiết kế chuyển mạch OpenFlow có khả năng tiết kiệm năng lượng dựa theo bản
tin điều khiển OpenFlow mở rộng.
Thiết kế thành công chuyển mạch OpenFlow tự động tiết kiệm năng lượng theo lưu
lượng đầu vào.
Trong Chương 3, mô hình hóa năng lượng cho chuyển mạch đã đưa ra và chứng minh rằng dựa vào chỉ số EPI là chưa đủ để mô tả đặc tính tiêu thụ năng lượng của thiết bị mạng. Vì vậy, phương pháp mô hình hóa năng lượng cho chuyển mạch được đưa ra dựa
89
trên giới hạn năng lượng tối đa, tối thiểu cũng như năng lượng sử dụng trung bình. Chỉ số công suất trung bình API đã được đề xuất để chỉ ra tỉ lệ năng lượng tiết kiệm.
Cuối cùng, Chương 4 đã thực hiện thành công hai chế độ Sleep cho chuyển mạch OpenFlow để giảm điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, cũng đã thực hiện giải pháp WOL cho chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA từ chế độ Sleep sang chế độ hoạt động bình thường.
Đóng góp khoa học của luận án
Các nội dung được chỉ ra sau đây cũng chính là các đóng góp khoa học của luận án.
Đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow như: Giải
pháp thay đổi tần số hoạt động, giải pháp thay đổi tốc độ link-rate trên mỗi cổng Ethernet. Mở rộng các bản tin điều khiển OpenFlow cho các giải pháp đề xuất nhằm tiết kiệm năng cho chuyển mạch. Đề xuất giải pháp thiết kế chuyển mạch tự động tiết kiệm năng lượng cho mạng OpenFlow theo lưu lượng đầu vào.
Đề xuất phương pháp mô hình hóa năng lượng chuyển mạch, đưa ra thuật toán tính
toán về giới hạn nhỏ nhất, lớn nhất và trung bình của năng lượng tiêu thụ trên các chuyển mạch dưới lưu lượng tải khác nhau. Đưa ra chỉ số công suất trung bình API cũng được để đánh giá tỉ lệ năng lượng tiết kiệm khi lưu lượng đầu vào biến đổi từ 0% to 100%.
Đề xuất giải pháp Sleep cho chuyển mạch OpenFlow để giảm năng lượng tiêu thụ
và chức năng WOL cho chuyển mạch OpenFlow giúp cho việc dễ dàng quản lý và tăng khả năng điều khiển linh hoạt cho chuyển mạch OpenFlow trong trường hợp hệ thống trung tâm dữ liệu có quy mô lớn hoặc khi có sự cố xảy ra.
Hƣớng phát triển trong thời gian tới
Toàn bộ nội dung và các kết quả đạt được trong luận án chỉ ra rằng nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch trong trung tâm dữ liệu là rất cần thiết, khả thi và có nhiều ứng dụng tiềm năng trong sản xuất chuyển mạch thương mại. Hướng phát triển trong thời gian tới đó là tập trung vào việc xây dựng một chuyển mạch NetFPGA chạy một hệ điều hành nhúng độc lập mà không cần máy chủ PC, hỗ trợ giao thức OpenFlow và có đầy đủ chức năng tiết kiệm năng lượng mà tác giả đã đề xuất trong luận án.
90
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
Bài báo tạp chí và hội thảo trong và ngoài nƣớc
1. Tran Hoang Vu, Pham Ngoc Nam, Tran Thanh, “ Research and simulation of the energy model for the OpenFlow Switch on the NetFPGA platform” Journal of Science and Technology, The University of Danang, Vol.2, No. 11[60], pp.156-161, 2012
2. Tran Hoang Vu, Pham Ngoc Nam, Tran Thanh, Le Thai Hung, Le Anh Van, Nguyen Duy Linh, To Duc Thien, Nguyen Huu Thanh, “Power Aware OpenFlow Switch Extension for Energy Saving in Data Centers” In Proceeding of the 2012 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC),
pp. 309-313. Hanoi, Vietnam, 2012.
3. Tran Hoang Vu, Tran Thanh, Vu Quang Trong, Pham Ngoc Nam, Nguyen Huu Thanh, “NetFPGA Based OpenFlow Switch Extension for Energy Saving in Data Centers” Radio Electronics Association of Vietnam Journal on Electronics and Communications (REV/JEC), Vol. 3, No. 1–2, pp.77-84, January – June, 2013.
4. Tran Hoang Vu, Tran Thanh, Vu Quang Trong, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, “Energy Saving for OpenFlow Switch on the NetFPGA platform Using
Multi-Frequency”In International Journal of Computing and Network Technology,
No.1, pp.9-15, Jan 2014.
5. Tran Hoang Vu, Pham Ngoc Nam, “Research testbed system and new method to save energy for OpenFlow Switch” Journal of Science and Technology, The University of Danang, Vol. 1, No. 6 (79), pp.81-85, 2014.
6. Tran Hoang Vu, Vu Cong Luc, Nguyen Trung Quan, Tran Manh Nam, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, “The New Method to Save Energy for OpenFlow Switch Based on Traffic Engineering” In Proceeding of International Conference on Electronic Design (ICED), pp.360-365, Malaysia, 19-21 August 2014.
7. Tran Hoang Vu, Vu Cong Luc, Nguyen Trung Quan, Tran Thanh, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, “Sleep mode and Wakeup method for OpenFlow Switch”
Journal of Low Power Electronics, Volume 10, Number 3, pp.347-353, September 2014.
8. Tran Hoang Vu, Vu Quang Trong, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam “Reducing Power Consumption of OpenFlow Switch on the NetFPGA Platform”
91
Research, Development and Application on Information & Communication Technology Journal, Vol E-3, No.7(11), pp.99-106, October 2014.
9. Pham Ngoc Nam, Nguyen Huu Thanh, Vu Quang Trong, Tran Hoang Vu, Truong
Thu Huong, Phuoc Tran-Gia, and Christian Schwartz, “A New Power Profiling Method and Power Scaling Mechanism for Energy-Aware NetFPGA Gigabit
Router” Journal Computer Networks (COMNET)_Elsevier (SCI), October 2014
(Published online).
10. Tran Hoang Vu, Vu Cong Luc, Nguyen Trung Quan, Nguyen Huu Thanh, Pham Ngoc Nam, “Energy Saving for OpenFlow Switch on the NetFPGA platform based on Queue Engineering” Springer Plus Journal, 2015 (Published online).
Đề tài nghiên cứu tham gia
Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại học Đà Nẵng, “Nghiên cứu xây dựng mô h nh
thực nghiệm và đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho OpenFlow Switch nhằm tiết kiệm năng lượng trong Trung tâm mạng dữ liệu,” mã số: Đ2013-06-14-BS, thời gian thực hiện:2013- 2014, vai trò: chủ nhiệm đề tài.
92
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ajithkumar Thamarakuzhi, John A. Chandy, “Scaling the NetFPGA switch using
Aurora over SATA”, in Proceedings of the NetFPGA Developers Workshop, 2010.
[2] Al-Fares. M, A. Loukissas, and A. Vahdat. “A Scalable, Commodity Data Center
Network Architecture”. In ACM SIGCOMM, pages 63-74, 2008.
[3] Baldi. M, Y. Ofek, “Time for a “Greener” Internet”, Proc. Green Communications
Workshop in conjunction with IEEE ICC'09 (GreenComm09), Dresden, Germany, June 2009.
[4] Baliga .J, R. W. A. Ayre, K. Hinton, R.S. Tucker, “Green Cloud Computing: Balancing Energy in Processing, Storage, and Transport,” Proc. IEEE, Vol. 99, No. 1, pp. 149-167, Jan 2011.
[5] Baliga. J, R. Ayre, K. Hinton, W. Sorin, R. Tucker, “Energy Consumption in Optical IP Networks”, IEEE/OSA Jour. Lightwave Technol., vol.27, no.13, p.2391, 2009.
[6] Bolla .R, R. Bruschi, F. Davoli, and F. Cucchietti,” Enabling backbone networks to sleep”, IEEE Network Magazine, Vol. 25, No. 2, March/April 2011.
[7] Bolla. R, R. Bruschi, A. Carrega, F. Davoli, “Green Network Technologies and the
Art of Trading-off,” Proc. IEEE INFOCOM 2011 Workshop on Green
Communications and Networking, Shanghai, China, pp. 301-306, April 2011.
[8] Bolla. R, R. Bruschi, F. Davoli, F. Cucchietti, "Energy Efficiency in the Future Internet: A Survey of Existing Approaches and Trends in Energy-Aware Fixed Network Infrastructures", Communications Surveys & Tutorials, IEEE , vol.13, no.2, pp.223-244, Second Quarter, 2011.
[9] Bolla. R, R.Bruschi, A. Carrega, F.Davoli, D. Suino, C.Vassilakis,
A.Zafeiropoulos, "Cutting the energy bills of Internet Service Providers and Telecoms through power management: an impact analysis", Computer Networks, vol. 56, no. 10, pp.2320–2342, July 2012.
[10] Chabarek. J, J. Sommers, P. Barford, C. Estan, D. Tsiang, and S. Wright, “Power
Awareness in Network Design and Routing”, in IEEE INFOCOM, 2008.
[11] Christensen. K et al., “IEEE 802.3az: The Road to Energy Efficient Ethernet”, IEEE Communications Magazine, vol. 48, no. 11, pp. 50-56, Nov. 2010.
93
Communications Networks: Power Management”, Computer Communications,
vol. 27, no. 18, pp. 1758-1770, Dec. 2004.
[13] Chuanxiong Guo, Haitao Wu, Kun Tan, Lei Shiy, Yongguang Zhang, Songwu Luz, “DCell: A scalableand Fault-Tolerant Network Structure for Data Centers” In SIGCOMM, 2009.
[14] Data Synergy TechNote: Wake On Lan Explained, 2011.
http://www.datasynergy.co.uk/products/wakeman/pdfs/WakeonLANExplained.pdf
[15] Dongwook Kim “Gigabit Media Independent Interface", 2004.
[16] Ghobadi, Monia, et al., "Caliper: A tool to generate precise and closed-loop traffic", in ACM SIGCOMM Computer Communication Review 40.4 (2010), pp.445-446, 2010.
[17] Guo. C, 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, pp. 75-86, 2008.
[18] Hanay. Y. S, W. Li, R. Tessier, and T. Wolf, “Saving Energy and Improving TCP
Throughput with Rate Adaptation in Ethernet”, in IEEE International Conference on Communications (ICC), Ottawa, Canada, June 2012.
[19] Heller. B, S. Seetharaman, P. Mahadevan, Y. Yiakoumis, P. Sharma, S. Banerjee,
and N. McKeown, “Elastic tree: Saving energy in data center networks,” in 7th USENIX Symposium on Networked System Design and Implementation (NSDI), San Jose, CA, USA, April 2010.
[20] Hilton. K, J. Baliga, M. Z. Feng, R. W. A. Ayre, Rodney S. Tucker, “Power Consumption and Energy Efficiency in the Internet”, in IEEE Network, Volume 25, Issue 2, March – April 2011.
[21] Hinton. K et al., “Switching Energy and Device Size Limits on Digital Pho- tonic
Signal Processing Technologies,” J. Sel. Topics in Quantum Elect., vol. 14, no. 3, pp. 938–45, 2008.
[22] http://netfpga.org/project_table.html
[23] http://www.noxrepo.org/pox/about-pox/
[24] https://www.opennetworking.org/
[25] IEEE 802.3 Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
94
http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2008_section2.pdf
[26] IEEE Standard for Information Technology–Telecommunications and information
exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements Part 3” IEEE Std 802.3az-2010 (Amendment to IEEE Std 802.3- 2008), pp.1-302, 27 2010.
[27] Jad Naous, David Erickson, G. Adam Covington, Guido Appenzeller, Nick
McKeown, “Implementing an OpenFlow switch on the NetFPGA platform”,
ANCS, San Jose, CA, USA, November 6–7, 2008.
[28] Jad Naous, Glen Gibb, Sara Bolouk, Nick McKeown, “NetFPGA: Reusable Router
Architecture for Experimental Research” In PRESTO ’08: Proceedings of the ACM