...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC ANH

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG TRUNG TÂM DỮ LIỆU

Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Tiến sĩ Trương Thu Hương

HÀ NỘI - 2013
HÀ NỘI - 2013


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................6

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................7
a) Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 7
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu....................... 7
c) Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả ........................ 8
d) Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 8
e) Kết luận ....................................................................................................................... 8
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................10
CHƯƠNG I - TRUNG TÂM DỮ LIỆU: VẤN ĐỀ TIÊU THỤ NĂNG
LƯỢNG VÀ CÁC CẤU TRÚC ...........................................................................12
1.1. Mở đầu .........................................................................................................12
1.2. Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu.............................................................13
1.2.1.

Kiến trúc trung tâm dữ liệu............................................................................. 13

1.2.2.

Phân loại trung tâm dữ liệu............................................................................. 20

1.3. Trung tâm dữ liệu xanh ..............................................................................22
1.3.1.

Tác động của ngành ICT với môi trường ...................................................... 22

1.3.2.

Trung tâm dữ liệu xanh là gì .......................................................................... 24

1.3.3.


Phương pháp tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu xanh ............... 24

CHƯƠNG II – MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM ........................................................28
2.1 Các công cụ thử nghiệm .............................................................................28
2.1.1. Công nghệ OpenFlow.......................................................................................... 28
2.1.2. Môi trường giả lập Mininet ................................................................................. 28
2.2.3. Bộ điều khiển NOX ............................................................................................. 30
2.2.4. Bộ phát lưu lượng D-ITG .................................................................................... 31
2.2 Mô hình thử nghiệm ...................................................................................33
2.3. Mơ hình lưu lượng ......................................................................................40
2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

CHƯƠNG III – XÂY DỰNG MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU VỚI CÁC QUY
MÔ KHÁC NHAU ..................................................................................................43
3.1. Kịch bản thử nghiệm ..................................................................................43
3.2. Kết quả thử nghiệm .......................................................................................44
CHƯƠNG IV – ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VÀ KHẢ NĂNG TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG ..........................................................................................52
4.1. Kịch bản thử nghiệm ..................................................................................52
4.2. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................53
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................60

3



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ hình tổng qt của trung tâm dữ liệu ...................................................13
Hình 1.2 Mơ hình Trung tâm dữ liệu ba lớp .............................................................14
Hình 1.3 Kiến trúc của một trung tâm dữ liệu điển hình. .........................................15
Hình 1.4 Topology Bcube .........................................................................................15
Hình 1.5 Topology DCell ..........................................................................................16
Hình 1.6 Topology VL2 ............................................................................................17
Hình 1.7 Topology Fattree (Portland) .......................................................................17
Hình 1.8 Kiến trúc Fat-Tree 3 lớp với k=4. ..............................................................18
Hình 1.9 Lưu lượng thống kê trong 1 ngày ở NET NAM ........................................19
Hình 1.10 Lượng CO2 từ các thành phần ICT [7] ....................................................22
Hình 1.11 Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong trung tâm dữ liệu ..................24
Hình 1.12 Mơ hình ElasticTree .................................................................................25
Hình 2.1 Luồng dữ liệu trong D-ITG ........................................................................31
Hình 2.2 Cấu trúc D-ITG ..........................................................................................31
Hình 2.3 Sơ đồ khối mơ hình testbed ........................................................................34
Hình 2.4 Ký hiệu các switch và host trong Mininet..................................................38
Hình 2.5 Ký hiệu các port của một switch trong Mininet .........................................38
Hình 2.6 Giao diện giả lập ........................................................................................39
Hình 2.7 Near Traffic – Lưu lượng chảy qua duy nhất một switch .........................41
Hình 2.8 Mid traffic - Lưu lượng chảy trong một pod .............................................41
Hình 2.9 Far traffic - Lưu lượng chảy qua các pod khác nhau.................................42
Hình 3.1 Kết quả thử nghiệm với Near Traffic với các quy mô mạng khác nhau ....44
Hình 3.2 Kết quả thử nghiệm với Near Traffic với các quy mơ mạng khác nhau ....45
Hình 3.3 Kết quả thử nghiệm với MidleTraffic với các quy mô mạng khác nhau ...46

Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm với Far Traffic với các quy mơ mạng khác nhau ......47
Hình 3.5 Kết quả thử nghiệm với Mix Traffic với các quy mơ mạng khác nhau .....48
Hình 3.6 Mức tiết kiệm năng lượng khi k thay đổi ...................................................49
Hình 3.7 Số lượng switch khơng hoạt động khi k thay đổi.......................................50
Hình 3.8 Số lượng switch hoạt động khi k thay đổi..................................................50
Hình 4.1 Thử nghiệm với k=4 ...................................................................................53
Hình 4.2 So sánh độ trễ giữa hai kịch bản optimizer và non-optimizer ...................53
Hình 4.3 Mức tiết kiệm năng lượng giữa optimizer và non-optimizer .....................54
Hình 4.4 Mối liên hệ giữa mức độ tiết kiệm năng lượng, độ trễ và tỉ lệ...................54
mất gói giữa optimizer và non-optimizer ..................................................................54
4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

Hình 4.5 Thử nghiệm với k=6 ...................................................................................56
Hình 4.6 Độ trễ trong hai trường hợp Sử dụng Optimizer và không sử dụng
Optimizer ...................................................................................................................57
Hình 4.7 Mức tiêu thụ năng lượng khi sử dụng các thuật toán khác nhau với kịch
bản Near ....................................................................................................................57
Hình 4.8 Mức tiêu thụ năng lượng khi sử dụng các thuật tốn khác nhau với kịch
bản Middle.................................................................................................................57
Hình 4.9 Mức tiêu thụ năng lượng khi sử dụng các thuật toán khác nhau với kịch
bản Far .......................................................................................................................58

5



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân loại theo cơ sở hạ tầng .....................................................................20
Bảng 1.2: Phân loại trung tâm dữ liệu theo đối tượng ..............................................21
Bảng 1.3: Các loại trung tâm dữ liệu ........................................................................22

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Ký hiệu
ICT

Information Communications Technology

QoS

Quality of Service

IT

Information Technology

PC

Personal Computer

ECMP


Equal Cost Multi-Path Routing

LAs

Location specific IP Address

AAs

Application-specific IP Address

P-MAC

Pseudo Media Access Control

D-ITG

Distributed Internet Traffic Generator

LAN

Local Area Network

CNTT

Công nghệ thông tin

CLI

Command Line Interface


API

Application Programming Interface

IDT

Inter Departure Time

PS
TSP
EWMA

Packet Size
Traffic Specification Protocol
Exponential Weighted Moving Average

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

MỞ ĐẦU
a) Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ngành công nghệ thông tin và truyền thông (Information
Communications Technology - ICT) là một trong ngành có vai trị rất quan trọng
trong đời sống con người, góp phần đáng kể vào sự phát triển của nhân loại. Tuy
nhiên, bên cạnh đó, ngành ICT cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng

lượng CO 2 trong bầu khí quyển với hơn 2% lượng CO 2 thải vào bầu khí quyển [7].
Trong đó, các Trung tâm dữ liệu với hệ thống làm mát, các server, thiết bị mạng…
góp tới 23% [18] và việc sử dụng chưa hợp lý điện năng cũng như sự gia tăng của
chi phí nhiên liệu đã làm cho các nhà quản lý phải xem xét lại việc tổ chức và vận
hành trung tâm dữ liệu một cách hiệu quả hơn.
Trung tâm dữ liệu xanh theo đó cũng ra đời như một vấn đề nóng bỏng khi vấn
đề tiết kiệm năng lượng đang ngày càng trở nên cấp thiết. Việc giảm năng lượng
tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu sẽ dẫn đến giảm chi phí hoạt động, mang lại lợi
ích cho cả các nhà đầu tư lần người dùng với chi phí dịch vụ giảm, khơng những thế
giảm năng lượng tiêu thụ cịn mang lợi ích to lớn cho mơi trường, giảm hiệu ứng
nhà kính. Do đó, nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm
dữ liệu đang là một trong các chủ đề thu hút nhiều nhất sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu. Tuy nhiên vấn đề tiết kiệm năng lượng luôn song hành cùng với việc
làm sao phải đảm bảo chất lượng dịch vụ của hệ thống. Việc điều khiển tắt bật các
switch có thể sẽ phải trả giá phần nào bởi QoS. Khả năng tiết kiệm năng lượng cần
cân đối và đảm bảo các thông số QoS một cách hợp lý.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu
Mục đích: Đưa ra mối tương quan giữa việc tiết kiệm năng lượng, và mức độ
chênh lệch các thơng số như delay, packet loss rate khi có sử dụng các thuật tốn
tiết kiệm năng lượng và khơng sử dụng, dựa trên hiệu suất sử dụng mạng. Qua đó
đánh giá chất lượng dịch vụ của hệ thống với các quy mô và hiệu suất sử dụng
mạng khác nhau so với việc tiết kiệm năng lượng cần phải đánh đổi như thế nào.
7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Mạng trung tâm dữ liệu được xây dựng trên

môi trường giả lập Mininet gồm các Openflow switch có thể điều khiển được thông
qua bộ điều khiển NOX với quy mô mạng thay đổi từ 36 đến 208 thiết bị.
c) Tóm tắt cơ đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
-

Nội dung chính:

Bài luận văn tập trung nghiên cứu mơ hình trung tâm dữ liệu phổ biến hiện nay,
phân tích hiện trạng sử dụng năng lượng trong ngành ITC, giới thiệu các công cụ
thực hiện mô phỏng mạng trung tâm dữ liệu. Thực hiện và đưa ra các kết quả
nghiên cứu, đo đạc mức độ tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu mô phỏng
khi áp dụng các thuật toán tối ưu, định tuyến. Đồng thời chỉ ra mối quan hệ giữa tiết
kiệm năng lượng với chất lượng dịch vụ và sự đánh đổi giữa chúng.
-

Đóng góp mới:

Luận văn đã đưa ra được phương pháp mô phỏng mạng trung tâm dữ liệu với
nhiều ưu điểm so với các mơ hình ảo hóa khác với việc sử dụng mơi trường giả lập
Mininet, công nghệ switch thông minh OpenFlow và bộ điều khiển NOX. Đồng
thời xây dựng được mơ hình mạng dữ liệu với các quy mơ khác nhau, có thể thay
đổi linh hoạt để đáp ứng nhu cầu lưu lượng trong mạng. Luận văn cũng thực hiện
các kiểm nghiệm, thống kê các chỉ tiêu chất lượng dịch vụ bên cạnh việc tiết kiệm
năng lượng, qua đó đánh giá được mối liên quan giữa mức độ tiết kiệm năng lượng
và QoS của hệ thống.
d) Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính thơng qua tìm hiểu, so sánh, thống kê, đối chiếu,
thực hiện mô phỏng, đưa ra các đánh giá về việc tiết kiệm năng lượng so với việc
đảm bảo chất lượng dịch vụ.
e) Kết luận

Trong một khoảng thời gian ngắn, luận văn mới dừng lại ở việc sử dụng một
môi trường giả lập để mô phỏng mạng trung tâm dữ liệu, chưa có điều kiện áp dụng
các thuật tốn tiết kiệm năng lượng vào thực tế, tuy nhiên luận văn đã tập trung
8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

nghiên cứu các kỹ thuật lưu lượng đem lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng trong
trung tâm dữ liệu và đã có một kết quả khả quan: khả năng tiết kiệm được từ 25 –
40% năng lượng tiêu thụ so với trạng thái hoạt động tối đa của các thiết bị trong
mạng trung tâm dữ liệu (với các quy mô khác nhau từ 36 đến 208 thiết bị), đồng
thời sự biến đổi năng lượng đã tiến tới tương đồng với sự thay đổi của lưu lượng.
Ngoài ra luận văn cũng đưa ra kết quả về việc cân đối giữa mức độ tiết kiệm năng
lượng với đảm bảo chất lượng dịch vụ.

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay, ngành cơng nghệ thơng tin và truyền thông (Information
Communications Technology - ICT) là một trong ngành có vai trị rất quan trọng
trong đời sống con người, góp phần đáng kể vào sự phát triển của nhân loại. Tuy
nhiên, bên cạnh đó, ngành ICT cũng là một trong những nguyên nhân làm tăng

lượng CO 2 trong bầu khí quyển với hơn 2% lượng CO 2 thải vào bầu khí quyển [18].
Trong đó, các Trung tâm dữ liệu với hệ thống làm mát, các server, thiết bị mạng…
góp tới 23% [7] và việc sử dụng chưa hợp lý điện năng cũng như sự gia tăng của chi
phí nhiên liệu đã làm cho các nhà quản lý phải xem xét lại việc tổ chức và vận hành
trung tâm dữ liệu một cách hiệu quả hơn.
Trung tâm dữ liệu xanh theo đó cũng ra đời như một vấn đề nóng bỏng khi vấn
đề tiết kiệm năng lượng đang ngày càng trở nên cấp thiết. Việc giảm năng lượng
tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu sẽ dẫn đến giảm chi phí hoạt động, mang lại lợi
ích cho cả các nhà đầu tư lần người dùng với chi phí dịch vụ giảm, khơng những thế
giảm năng lượng tiêu thụ cịn mang lợi ích to lớn cho mơi trường, giảm hiệu ứng
nhà kính. Do đó, nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm
dữ liệu đang là một trong các chủ đề thu hút nhiều nhất sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu. Tập trung vào vấn đề này, tơi đã tìm hiểu và tiến hành giả lập mạng
trung tâm dữ liệu, đo đạc các thông số về năng lượng và chất lượng dịch vụ của hệ
thống. Qua đó đánh giá được mức độ tiết kiệm năng lượng cần phải đánh đổi như
thế nào với việc đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong thời gian làm việc cùng các
thành viên nhóm Openflow tại phịng nghiên cứu C9-201, tơi đã hồn thành đồ án
với đề tài: “Tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu”.
Cấu trúc của đồ án
Nội dung của đồ án được trình bày gồm 4 chương với cấu trúc như sau:
Chương 1: Giới thiệu khái quát về cấu trúc của trung tâm dữ liệu và vấn đề
năng lượng trong trung tâm dữ liệu.

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
Chương 2: Mơ hình thử nghiệm.


Chương 3: Xây dựng mạng trung tâm dữ liệu với các quy mô khác nhau.
Chương 4: Đánh giá chất lượng dịch vụ và khả năng tiết kiệm năng lượng.
Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Với những nỗ lực thực sự của bản thân, luận văn đã có những kết quả nhất
định. Tuy nhiên luận văn chắn chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính
mong thầy cơ, các anh chị và các bạn có những đánh giá, góp ý để luận văn được
hồn thiện hơn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Trương Thu Hương, người đã
trực tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo trong suốt thời gian tơi thực hiện luận văn,
cùng PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi hồn thiện
những thử nghiệm, đo đạc trong luận văn.
Xin cảm ơn tập thể các bạn trong nhóm OpenFlow, phịng nghiên cứu C9201, Viện Điện Tử - Viễn Thông đã cùng tôi nghiên cứu, chia sẻ trong suốt thời
gian qua.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Viện Điện tử - Viễn thông, Viện Đào tạo Sau
Đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp tôi hồn thành khóa học thạc sĩ
kỹ thuật khóa 2011-2013.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình và bạn bè đã động
viên, cổ vũ tơi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.
Học viên thực hiện

NGUYỄN NGỌC ANH

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B


CHƯƠNG I - TRUNG TÂM DỮ LIỆU: VẤN ĐỀ TIÊU
THỤ NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC CẤU TRÚC
1.1. Mở đầu
Trung tâm dữ liệu là một hệ thống trung tâm, là môi trường tích hợp hệ thống
chuyên dụng về phần cứng và các chương trình phần mềm, nơi cung cấp các dịch
vụ lưu trữ dữ liệu và các ứng dụng đảm bảo tính an tồn trong việc trao đổi thơng
tin, nơi hợp nhất dữ liệu của người sử dụng để giảm thiểu chi phí quản lý chung về
cơng nghệ thơng tin của doanh nghiệp.
Nói một cách chung nhất, Trung tâm dữ liệu được xây dựng nhằm đáp ứng các
nhu cầu:
- Khi doanh nghiệp ngày càng phát triển nhu cầu tập trung dữ liệu để quản lý và
cung cấp cho nhiều chi nhánh của công ty là yêu cầu vô cùng cần thiết.
- Các dịch vụ trên Internet cần tập trung để xử lý một lượng thơng tin cực lớn
u cầu cần có một hệ thống có đủ sức mạnh xử lý và hệ thống Trung tâm dữ liệu ra
đời để đáp ứng các nhu cầu đó.
- Kinh tế cũng là vấn đề được đặt ra khi triển khai hệ thống Trung tâm dữ liệu
với chi phí rất lớn nhưng lại rất vcần tiết kiệm các chi phí quản lý và bảo dưỡng hệ
thống. Việc gộp nhiều hệ thống để có được khả năng xử lý tốt hơn cũng mang lại
hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.
Ngoài ra, chúng ta cũng cần hiểu rõ hơn về tính năng của trung tâm dữ liệu để
thấy được khả năng cũng như sức mạnh của hệ thống này, những tính năng đó là:
- Nơi tích hợp tất cả các công nghệ hàng đầu về mạng, hệ thống và phần mềm
ứng dụng.
- Mạng được thiết kế dành riêng đáp ứng yêu cầu cực cao về tốc độ truyền giữa
các thiết bị, tính ổn định được coi trọng và vấn đề bảo mật cho hệ thống mạng được
đặt lên hàng đầu. Trung tâm dữ liệu được cấu hình tối ưu, khi một kết nối gặp trục
trặc thì hệ thống vẫn hoạt động bình thường với các kết nối luôn ở tốc độ cao.

12



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

- Với hệ thống máy chủ có hiệu năng cao đáp ứng các ứng dụng chạy trên nó
với độ trễ nhỏ nhất, thời gian đáp ứng thấp nhất, hỗ trợ nhiều ứng dụng và cấu hình
hồn hảo giúp hệ thống chạy 24/7.
- Các phần mềm hỗ trợ sử dụng tối đa hiệu năng của phần cứng, giúp liên kết
các máy chủ với Cluster tăng sức mạnh cho máy chủ và khả năng backup dữ liệu
khi có sự cố xảy ra chỉ trong một thời gian ngắn hệ thống có thể đi vào hoạt động
như bình thường và dữ liệu được bảo vệ khơng bị mất.

Hình 1.1 Mơ hình tổng quát của trung tâm dữ liệu
1.2. Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu
1.2.1. Kiến trúc trung tâm dữ liệu
Các trung tâm dữ liệu được xây dựng theo cấu trúc phân lớp. Thơng thường
một trung tâm dữ liệu có ba lớp chính:
-

Lớp Edge: Tập hợp các server quản lý bởi một Switch và Switch này được
gọi là Top of Rack Switch.
13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
-


Lớp Aggregation: Tập hợp các Switch hoặc Router kết nối với lớp Edge và
Core.

-

Lớp Core: Tập hợp các Core kết nối với lớp Aggregation và mạng Internet

Hình 1.2 Mơ hình Trung tâm dữ liệu ba lớp
Trong một trung tâm dữ liệu ba lớp thì các yêu cầu từ các server trong một rack
được chuyển đến Switch ở Edge sau đó chuyển đến Switch hoặc Router ở
Aggregation rồi chuyển đến Router ở Core đi đến mạng Internet.
Các thiết bị ở lớp Core ít hơn và đắt tiền hơn ở lớp Edge và Aggregation.
Số lượng link kết nối ở lớp Aggregation lớn hơn rất nhiều ở lớp Core.
Ngày nay các trung tâm dữ liệu có quy mơ rất lớn chứa tới hàng nghìn các thiết
bị mạng khác nhau như switch, server… và ngày càng được mở rộng về quy mô lẫn
số lượng. Mục đích của mạng lưới trung tâm dữ liệu là kết nối số lượng lớn các
server với nhau, cung cấp các dịch vụ đinh tuyến hiệu quả và có khả năng chống lỗi
cho các tầng ứng dụng ở lớp cao hơn. Các kiểu kiến trúc mạng truyền thống (kiến
trúc 2N) có rất nhiều vấn đề như khả năng mở rộng thấp, xảy ra mất mát lớn khi bị
lỗi ở một điểm. Gần đây có nhiều kiến trúc nâng cao được đưa ra để thay thế điển
hình là các kiểu kiến trúc Fat-Tree, BCube.

14


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

Hình 1.3 Kiến trúc của một trung tâm dữ liệu điển hình.

Kiến trúc này được xây dựng với các rack chứa các server, thiết bị mạng trong
rack. Các rack liến kết trực tiếp với các switch tầng dưới, các switch tầng dưới liên
kết với các switch tầng trên, tầng trên liên kết với các core switch.
Một số topology thường dùng trong trung tâm dữ liệu:
 Bcube [4]

Hình 1.4 Topology Bcube
•

BCube 0 : n sever kết nối với 1 switch n port.

•

BCube 1 : xây dựng từ n BCube 0 và n switch n port.

•

BCube k : xây dựng từ n Bcube k-1 và nk switch n port.

•

Mỗi server trong BCube k có (k+1) port (được đánh số từ level 0 đến level k).

•

BCube k có: N= nk+1 server
(k+1) level switch, mỗi level có nk swicth n port
15



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
 Dcell [5]

Hình 1.5 Topology DCell
 Sử dụng các server được trang bị nhiều cổng mạng và các mini-switch để
xây dựng cấu trúc đệ quy.
 DCell 0 là khối cơ bản để xây dựng các DCell lớn hơn. Nó gồm n server và 1
mini-switch.
 Giao tiếp server 2 chiều giữa bất kỳ 2 server nào trong các DCell khác nhau.
DCell ở 1 cấp được kết nối với DCell cùng cấp và với các node ở cấp trên.
 Yêu cầu số lượng cáp lớn
Giả sử có k mức DCell, n server cho DCell 0 . Ta có:
g k = t k-1 + 1
t k = g k * t k-1
Trong đó: g k : số DCell k-1 có trong DCell k
t k : số server trong 1 DCell k
Ví Dụ: với k=3 và n= 6 thì DCell có thể phục vụ khoảng 3.26 triệu servers.

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
 VL2 [1]

Core switch và Aggregation swicth kết nối với nhau tạo thành đồ thị 2 phía
đầy đủ.


Hình 1.6 Topology VL2
-

Định tuyến Link State

-

IP anycast: dữ liệu được chuyển đến nút topo gần nhất hoặc tốt nhất. Dùng
định tuyến ECMP (Equal Cost Multi-Path Routing: Nhiều đường đi cùng chi
phí), cùng chi phí cho tất cả các điểm đến.

-

VL2 sử dụng 2 họ địa chỉ:
o Location specific IP Address (LAs): tất cả các switch và interface
được gán cho LAs, sử dụng giao thức định tuyến link-state.
o Application-specific IP Address (AAs) : sử dụng cho các ứng dụng.
 Portland (Fattree) [15]

Hình 1.7 Topology Fattree (Portland)
17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
-

Aggregation swicth và Access switch kết nối với nhau tạo thành đồ thị 2 phía

đầy đủ.

-

Sử dụng Fat tree topology và khái niệm Pod. Thiết kế định tuyến và chuyển
tiếp cụ thể cho từng fat tree topology thay vì cho topo chung.

Luận văn này làm việc với topology dạng FatTree với các openflow switch, bộ
điều khiển NOX trong môi trường giả lập Mininet.
Kiến trúc Fat-Tree có nhiều ưu điểm về định tuyến chống lỗi tầng 2.5 sử
dụng

P-MAC, khả năng truyền lưu lượng đầy 2 chiều (full biserction bandwith).

Kiến trúc này được xây dựng dựa trên các switch k-port, thường nghiên cứu với
kiến trúc 3-stages Fat-Tree. Trong kiến trúc này hỗ trợ kết nối giữa 𝑘𝑘 3 /4 host, sử

dụng 5𝑘𝑘 2 ⁄4 switchs k-port. Fattre được chia ra làm k pod mỗi pod có chứa 𝑘𝑘 2 ⁄4

host, số core switch là 𝑘𝑘 2 ⁄4 số aggregation switch bằng số edge switch là 𝑘𝑘 2 /2.

Hình 1.8 Kiến trúc Fat-Tree 3 lớp với k=4.
Một trong những vấn đề nổi bật đang được nghiên cứu gần đây là tìm ra giải
pháp tiết kiệm nguồn năng lượng khổng lồ mà các trung tâm dữ liệu đang tiêu thụ.
Đặc biệt thông qua nghiên cứu các kiến trúc đồ hình mới, các thuật tốn tối ưu đồ
hình, các thuật tốn định tuyến nhận thức năng lượng. Thông thường các trung tâm
dữ liệu được thiết kế có khả năng chịu tải trong cả những trường hợp xấu nhất (tải
tăng lên đột ngột), và trong các giờ cao điểm có nhiều người dùng. Trong cịn lại
phần lớn thời gian thì mức tải sử dụng thấp hơn mức đỉnh rất nhiều đặc biệt là sự
khác biệt rất lớn về lưu lượng tải sử dụng giữa ngày và đêm. Lưu lượng thường lên


18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

mức đỉnh vào ban ngày và hạ xuông rất thấp vào ban đêm. Khi lưu lượng thấp các
thiết bị mạng vẫn đang ở trạng thái hoạt động, điều này gây ra tiêu tốn nhiều năng
lượng không cần thiết để chạy các thiết bị mà khơng có lưu lượng chảy qua. Theo
một nghiên cứu cho thấy năng lượng tiêu thụ bởi các trung tâm dữ liệu ở mỹ năm
2006 khoảng 3 tỷ kWh. Đã có nhiều nỗ lực chế tạo ra các thiết bị mạng nhận thức
năng lượng, tức là các thiết bị này tự chuyển sang trạng thái idle khi khơng có lưu
lượng để tiết kiệm năng lượng, nhưng năng lượng tiêu thụ chưa giảm đi đáng kể đặc
biệt tại thời điểm lưu lượng thấp nhấp vẫn tiêu thụ tới 90% so với mức đỉnh.
Nguyên nhân do vẫn có phần lớn năng lượng phải tiêu thụ cho các thiết bị khác như
hệ thống làm lạnh server, line-cards.

Hình 1.9 Lưu lượng thống kê trong 1 ngày ở NET NAM
Mục đích chính trong nghiên cứu của nhóm là tìm ra giải pháp tiết kiệm năng
lượng tiêu thụ trong các trung tâm dữ liệu bằng cách tiến hành bật tắt các switch
trong mạng khi không cần thiết dựa trên nền công nghệ OpenFlow. Đồng thời với
việc tắt bật các switch là phải đảm bảo cho hiệu năng của mạng không được gây ra
mất mát dữ liệu, ảnh hưởng nhiều đến sự hoạt động hoặc gây ra sự cố trong mạng.
Phương pháp thực hiện là tiến hành tối ưu đồ hình mạng dựa vào lưu lượng chảy
bên trong mạng, sau đó chuyển các switch không cần thiết sang trạng thái ngủ hoặc
tắt để tiết kiệm năng lượng. Khối điều khiển sẽ gửi đồ hình đã được tối ưu cho khối
định tuyến để định tuyến các luồng một cách hợp lý theo đồ hình mới này. Hiện tại
nhóm đã tiến hành giả lập Testbed thông qua các công cụ giả lập mạng (Mininet),


19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

công cụ điều khiển openflow (NOX), bộ phát lưu lượng (D-ITG và Iperf) và công
nghệ OpenFlow.
1.2.2. Phân loại trung tâm dữ liệu
1.2.2.1. Phân loại theo cơ sở hạ tầng
Dựa theo tiêu chuẩn TIA-942 [17] về cơ sở hạ tầng của trung tâm dữ liệu,
đơn giản nhất là trung tâm dữ liệu cấp 1, cơ bản giống như 1 phòng máy chủ. Mức
độ cao nhất là trung tâm dữ liệu cấp 4, được thiết kế các hệ thống máy tính có
nhiệm vụ quan trọng, với đầy đủ các hệ thống con dự phịng và các kiểm sốt an
ninh được điều khiển bởi các phương thức kiểm soát truy nhập sinh trắc học.
Bảng 1.1: Phân loại theo cơ sở hạ tầng
Cấp độ

u cầu
• Đường dẫn phân bố khơng dự phịng phục vụ các thiết bị IT.

1

• Các thành phần khơng dự phịng.
• Cơ sở hạ tầng site cơ bản đảm bảo sẵn sàng 99.671%.
• Đáp ứng các yêu cầu của cấp 1.

2


• Cơ sở hạ tầng site dự phịng đảm bảo sẵn sàng 99.741%.
• Đáp ứng các yêu cầu của cấp 2.
• Nhiều đường dẫn phân bố độc lập phục vụ các thiết bị IT.

3

• Tất cả các thiết bị IT phải có nguồn kép và tương thích đầy đủ với
topology của kiến trúc site.
• Cơ sở hạ tầng site duy trì đồng thời đảm bảo sẵn sàng 99.741%.
• Đáp ứng các yêu cầu của cấp 3.
• Tất cả các thiết bị làm mát có nguồn kép độc lập, gồm hệ thống
thiết bị làm lạnh và sưởi ấm, thơng gió và điều hịa khơng khí

4

(HVAC).
• Cơ sở hạ tầng site chống lỗi có khả năng phân bố và lưu trữ năng
lượng đảm bảo sẵn sàng 99,995%.

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B
1.2.2.2. Phân loại theo đối tượng sử dụng

Căn cứ vào đối tượng sử dụng trung tâm dữ liệu, từ đó có thể chia thành ba
loại trung tâm dữ liệu sau:

• Trung tâm dữ liệu trường đại học.
• Trung tâm dữ liệu doanh nghiệp.
• Trung tâm dữ liệu điện tốn đám mây.
Bảng 1.2: Phân loại trung tâm dữ liệu theo đối tượng
Đặc điểm

Trung tâm dữ liệu
trường học

Trung tâm dữ liệu
doanh nghiệp

Trung tâm dữ
liệu đám mây
thương mại

Đối tượng
khách hàng

Sinh viên và nhân
viên quản trị trong
trường đại học

Nhân viên, nhà phát
triển và một số
lượng nhỏ khách
hàng

Các người dùng
mở rộng


Nhiều loại dịch vụ:
Các loại dịch hệ thống lưu trữ phân
tán, máy chủ email,
vụ
dịch vụ web,…

Số lớp

Một số lượng lớn
các dịch vụ
tương tác
Internet: Instant
Message
Webmail, tìm
kiếm, định vị,…

Hỗ trợ 1 số lượng
lớn các ứng dụng
khách hàng và các
dịch vụ truyền thống Cũng hỗ trợ một
số các ứng dụng
như, email, web
hiển thị: Data
mining, lưu trữ,
Cơ sở dữ liệu
liên kết

2 lớp: lớp core và lớp
edge


3 lớp

3 lớp

1.2.2.3. Phân loại theo quy mô trung tâm dữ liệu
Theo quy mơ trung tâm dữ liệu, có thể phân trung tâm dữ liệu thành 3 loại:
• Trung tâm dữ liệu loại nhỏ: hàng chục máy chủ.
• Trung tâm dữ liệu loại vừa: khoảng trên dưới 100 máy chủ.
21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

• Trung tâm dữ liệu loại lớn: hàng ngàn, chục ngàn máy chủ.
Bảng đối chiếu các loại trung tâm dữ liệu:
Bảng 1.3: Các loại trung tâm dữ liệu
Trung tâm dữ
liệu loại nhỏ

Trung tâm dữ
liệu loại vừa

Trung tâm dữ
liệu loại lớn

Trung tâm dữ liệu
trường học


Có

Khơng

Khơng

Trung tâm dữ liệu
doanh nghiệp

Có

Có

Khơng

Trung tâm dữ liệu
đám mây

Khơng

Có

Có

1.3. Trung tâm dữ liệu xanh
1.3.1. Tác động của ngành ICT với môi trường
Hiện nay, ngành công nghệ thông tin và truyền thông (Information
Communications Technology - ICT) là một trong những nguyên nhân làm tăng
lượng CO2 trong bầu khí quyển với hàng triệu máy tính, hàng trăm ngàn trạm thu

phát vô tuyến, các trung tâm dữ liệu với hệ thống làm mát, các thiết bị mạng, server,
cùng với hàng trăm triệu chiếc điện thoại di động được dùng trên toàn cầu. Tất cả
đều hoạt động 24/24 giờ, tiêu thụ năng lượng và toả nhiệt trong quá trình hoạt động.
Hệ quả là lượng CO2 thải ra bầu khí quyển từ hoạt động của ngành ICT chiếm từ 22,5% trong tổng lượng CO2 trên toàn cầu, tương đương 1 Gigaton [18].
Máy tính cá nhân và màn hình 40%
Trung tâm dữ liệu 23%
Thông tin cố định – đường dây 15%
Thông tin đi động 9%
LAN và mạng văn phịng 7%
Máy in 6%
Hình 1.10 Lượng CO2 từ các thành phần ICT [7]
22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

Với ICT, lượng CO2 thải ra nhiều nhất từ các máy tính và màn hình chiếm 40%,
các trung tâm dữ liệu cùng với hệ thống máy lạnh, quạt làm mát chiếm 23%, các
mạng cố định và di động chiếm 24% và mạng LAN và máy in là 13%… [7]
Hiệu ứng nhà kính đang làm trái đất nóng lên và gây ra những ảnh hưởng tiêu
cực đến mơi trường tồn cầu, cùng với đó, giá nhiên liệu tăng, việc sử dụng lãng phí
điện năng trong các trung tâm dữ liệu đã đặt ra một yêu cầu cấp thiết đối với các
doanh nghiệp công nghệ thông tin (CNTT): tiêu thụ điện năng một cách hiệu quả và
tiết kiệm. Theo dự đoán của các chuyên gia, tương lai sẽ thuộc về các doanh nghiệp
nào biết áp dụng các hệ thống CNTT có mức tiêu thụ năng lượng tiết kiệm nhất và
thải ra ít khí độc hại mơi trường nhất.
Vì vậy một trong những vấn đề nổi bật đang được nghiên cứu gần đây là tìm ra
giải pháp tiết kiệm nguồn năng lượng khổng lồ mà các trung tâm dữ liệu đang tiêu

thụ. Đặc biệt thông qua nghiên cứu các kiến trúc đồ hình mới, các thuật tốn tối ưu
đồ hình, các thuật tốn định tuyến nhận thức năng lượng. Thơng thường các trung
tâm dữ liệu được thiết kế có khả năng chịu tải trong cả những trường hợp xấu nhất
(tải tăng lên đột ngột), và trong các giờ cao điểm có nhiều người dùng. Trong cịn
lại phần lớn thời gian thì mức tải sử dụng thấp hơn mức đỉnh rất nhiều đặc biệt là sự
khác biệt rất lớn về lưu lượng tải sử dụng giữa ngày và đêm. Lưu lượng thường lên
mức đỉnh vào ban ngày và hạ xuông rất thấp vào ban đêm. Khi lưu lượng thấp các
thiết bị mạng vẫn đang ở trạng thái hoạt động, điều này gây ra tiêu tốn nhiều năng
lượng không cần thiết để chạy các thiết bị mà khơng có lưu lượng chảy qua.Theo
một nghiên cứu cho thấy năng lượng tiêu thụ bởi các trung tâm dữ liệu ở mỹ năm
2006 khoảng 3 tỷ kWh. Đã có nhiều nỗ lực chế tạo ra các thiết bị mạng nhận thức
năng lượng , tức là các thiết bị này tự chuyển sang trạng thái idle khi không có lưu
lượng để tiết kiệm năng lượng, nhưng năng lượng tiêu thụ chưa giảm đi đáng kể đặc
biệt tại thời điểm lưu lượng thấp nhấp vẫn tiêu thụ tới 90% so với mức đỉnh.
Nguyên nhân do vẫn có phần lớn năng lượng phải tiêu thụ cho các thiết bị khác như
hệ thống làm lạnh server, line-cards.

23


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

Hình 1.11 cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng của các thành phần chính trong
một trung tâm dữ liệu hiện nay [20].

Hình 1.11 Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong trung tâm dữ liệu
1.3.2. Trung tâm dữ liệu xanh là gì
Trung tâm Dữ liệu Xanh (Green Datacenter) là một Trung tâm Dữ liệu mà trong

đó hệ thống được thiết kế sao cho hiệu suất hoạt động tối đa với mức tiêu thụ điện
năng thấp và hạn chế thấp nhất tính dư thừa gây lãng phí trong sử dụng, thân thiện
mơi trường, giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì hệ thống.
Bên cạnh đó, cơng nghệ xanh cịn đem đến cho người lao động an tồn sức khỏe
trong điều kiện môi trường làm việc tốt nhất; giúp doanh nghiệp nâng cao uy tín và
trách nhiệm với cộng đồng trước áp lực về hịêu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường
sống ngày càng cao.
1.3.3. Phương pháp tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu xanh
1.3.3.1. Mô hình ElasticTree
Với mục tiêu tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu, Brandon Heller tại
đại học Stanford đã để xuất mơ hình ElasticTree cho trung tâm dữ liệu [3].

24


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nguyễn Ngọc Anh – KTTT1 – 2011B

ElasticTree là một mạng lưới quản lý năng lượng có thể tự động điều chỉnh các
thiết lập của các thành phần mạng như các liên kết và switch để đáp ứng các nhu
thay đổi về lưu lượng tại trung tâm dữ liệu. Với ElasticTree, một trung tâm dữ liệu
có thể tiết kiệm tối từ 25-40% năng lượng của mạng trong khi vẫn duy trì khả năng
xử lý khi lưu lượng tăng cao [3].
Mơ hình ElasticTree bao gồm 3 module chính được minh họa trong Hình 1.12
Tập mạng con

TỐI ƯU MẠNG

ĐỊNH TUYẾN


ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT

Thơng tin
lưu lượng

Tắt/ bật
các cổng,
link

Luồng
định
tuyến

MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU

Hình 1.12 Mơ hình ElasticTree
Nhiệm vụ chính của các module trong mơ hình ElasticTree:
 Module Tối ưu hóa mạng:
-

Tìm những mạng con tiêu thụ năng lượng ít nhất nhưng vẫn đáp
ứng được các điều kiện giao thông hiện tại.

-

Đầu vào: của module này là topo của mạng, ma trận lưu lượng,
mẫu năng lượng của các switch và đặc tính kháng lỗi.

-


Đầu ra: Tập hợp các thành phần mạng có hiệu lực tới Power
Control và Routing Module.

25