Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

HUỲNH VŨ TRƢỜNG DUY

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

HUỲNH VŨ TRƢỜNG DUY

KỸ THUẬT TRUYỄN THÔNG

CÁC PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG
DATA CENTER

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT – TRUYỀN THƠNG

KHỐ 2012B
Hà Nội – Năm 2014

1


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HUỲNH VŨ TRƢỜNG DUY

CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM TRONG MẠNG DATA CENTER

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH

Hà Nội – Năm 2014

2


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lâp – Tự do – Hạnh phúc
BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
- Đề tài: Các giải pháp tiết kiệm trong mạng Data Center
- Tác giả: Huỳnh Vũ Trường Duy, Viện đào tạo sau đại học – Đại
học Bách Khoa Hà Nội
- Chuyên ngành: Điện Từ - Viễn Thông
- Người hướng dẫn: PGS-TS Nguyễn Hữu Thanh
- Đơn vị: Viện đào tạo sau đại học – Đại học Bách Khoa Hà Nội
Nhận xét:
1. Tổng quan chung: ...................................................................................
.............................................................................................................................
2. Ưu điểm, nhược điểm của luận văn về nội dung, hình thức; thái độ,
trách nhiệm của tác giả trong quá trình thực hiện luận văn.
.............................................................................................................................
3. Kết luận:

.............................................................................................................................
Tôi đồng ý (không đồng ý) để tác giả ………… được bảo vệ luận văn
trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2010
Người nhận xét
(Ký tên và ghi rõ họ và tên người hướng
dẫn)

Xác nhận của cơ quan ngƣời nhận xét
(dùng cho người nhận xét ngoài trường ĐHBKHN)

3


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ luận văn nào khác. Các số liệu mô phỏng được chú thích, trích
dẫn từ tài liệu cụ thể.
Hà Nội ngày 9 tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện

Huỳnh Vũ Trƣờng Duy

4



Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

LỜI CẢM ƠN
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật này thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội. Em xin chân thành cảm ơn PGS-TS Nguyễn Hữu Thanh đã trực tiếp tận tình
hướng dẫn giúp đỡ giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình
làm luận án.
Em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng các thầy tại Viện điện tử - viễn thông
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi để em
hoàn thành luận án.
Cuối cùng, em xin được bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới tồn thể gia đình, bạn
bè đã ln động viên, khích lệ tin thần để em đủ nghị lực hoàn thành luận án.

5


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

LỜI NÓI ĐẦU
Trung tâm dữ liệu có nguồn gốc trong các phịng máy tính lớn của lứa tuổi
đầu của ngành cơng nghiệp máy tính. Hệ thống máy tính đầu là phức tạp để vận
hành và duy trì, và địi hỏi một mơi trường đặc biệt để hoạt động. Nhiều loại cáp là
cần thiết để kết nối tất cả các thành phần và phương pháp để thích ứng và tổ chức
này đã được đặt ra , chẳng hạn như kệ tiêu chuẩn để gắn kết thiết bị, sàn nâng , và
máng cáp (cài đặt trên cao hoặc dưới tầng cao). Ngồi ra, một máy tính lớn duy nhất
đòi hỏi rất nhiều năng lượng và phải được làm mát bằng nước để tránh quá nóng.
An ninh là quan trọng các máy tính bị đắt tiền , và thường được sử dụng cho mục
đích quân sự . Do đó, hướng dẫn thiết kế cơ bản để kiểm sốt truy cập vào các
phịng máy tính đã được nghĩ ra .
Trong sự bùng nổ của ngành công nghiệp máy vi tính, và đặc biệt là trong

những năm 1980, máy tính bắt đầu được triển khai ở khắp mọi nơi, trong nhiều
trường hợp có ít hoặc khơng quan tâm đến u cầu hoạt động. Tuy nhiên, khi công
nghệ thông tin (IT) hoạt động bắt đầu phát triển phức tạp, các công ty lớn nhận thức
về sự cần thiết để kiểm soát nguồn lực CNTT. Với sự ra đời của Linux và sự gia
tăng tiếp theo của Unix tương thích hệ điều hành máy tính trong những năm 1990,
cũng như MS-DOS cuối cùng mở đường cho một hệ điều hành đa nhiệm của
Windows có khả năng, máy tính bắt đầu để tìm địa điểm của họ trong các phịng
máy tính cũ. Chúng được gọi là "máy chủ" như các hệ điều hành chia sẻ thời gian
như Unix chủ yếu dựa trên mô hình client-server để tạo điều kiện chia sẻ nguồn tài
nguyên độc đáo giữa nhiều người dùng. Sự sẵn có của thiết bị mạng không tốn kém,
kết hợp với các tiêu chuẩn mới cho mạng cáp cấu trúc, làm cho nó có thể sử dụng
một thiết kế theo cấp bậc mà đặt các máy chủ trong một căn phòng đặc biệt trong
công ty. Việc sử dụng thuật ngữ " trung tâm dữ liệu ", áp dụng cho phịng máy tính
thiết kế đặc biệt , bắt đầu được công nhận phổ biến về thời gian này.
Các công ty cần kết nối Internet nhanh và hoạt động không ngừng để triển
khai các hệ thống và thiết lập một sự hiện diện trên Internet. Nhiều công ty bắt đầu

6


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

xây dựng cơ sở vật chất rất lớn, được gọi là trung tâm dữ liệu Internet ( IDC ), trong
đó cung cấp các doanh nghiệp với một loạt các giải pháp cho các hệ thống triển khai
và hoạt động.Trung tâm dữ liệu cho điện toán đám mây được gọi là trung tâm dữ
liệu điện toán đám mây (CDCs). Nhưng ngày nay, sự phân chia các điều khoản đã
gần như biến mất và họ đang được tích hợp vào một thuật ngữ " trung tâm dữ liệu "
Ở Việt Nam, trung tâm dữ liệu (Data Center - DC) ngày càng trở thành một
trong những mối quan tâm hàng đầu của các doanh nghiệp, nhất là trong các công ty
viễn thông. Và vấn đề tiết kiệm năng lượng trong mạng Data Center cũng là vấn đề

mà bất kể công ty hay doanh nghiệp nào cũng quan tâm. Đây cũng là lý do vì sao
em lại chọn đề tài này.

7


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

MỤC LỤC
TRANG
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 4
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... 5
LỜI NĨI ĐẦU

........................................................................................................... 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................. 10
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... 12
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... 12
CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ DATA CENTER ........................................................ 13
1. DATA CENTER VÀ XU HƢỚNG THIẾT KẾ HIỆN NAY ............................. 13
1.1 DATA CENTER LÀ GÌ ................................................................................. 13
1.2 XU HƢỚNG THIẾT KẾ DATA NGÀY NAY .............................................. 13
1.2.1 MỘT SỐ NHƢỢC .............................................................................. 14
1.2.2 XU HƢỚNG THIẾT KẾ NGÀY NAY ............................................. 14
2. VẤN ĐỀ NĂNG LƢỢNG TRONG DATA CENTER ....................................... 15
CHƢƠNG II: CẤU TRÚC CỦA MẠNG DATA CENTER ......................................... 21
1. TOPOLOGY CỦA DATA CENTER .................................................................. 22

1.1 TOPOLOGY ĐIỂN HÌNH............................................................................ 22

1.2 TOPOLOGY THU GỌN............................................................................... 23
1.3 TOPOGY MỞ RỘNG ................................................................................... 24
2. HỆ THỐNG CABLE DATA CENTER .............................................................. 25

2.1 CẤU TRÚC .................................................................................................... 25
2.2 ĐƢỜNG CABLE HORIZONTAL ............................................................... 26
2.3 ĐƢỜNG CABLE BACKBONE.................................................................... 28
2.4 TIÊU CHUẨN TIA-942................................................................................. 31
2.5 SỰ DỰ PHÒNG CHO DATA CENTER ..................................................... 37
CHƢƠNG III: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG ................................ 41

1. TÓM TẮT .............................................................................................................. 41
2. GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 41
3. ELASTICTREE .................................................................................................... 42
8


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

3.1 VÍ DỤ : ........................................................................................................... 42
3.2 TỐI ƢU HÓA : .............................................................................................. 44
3.3 PHẦN MỀM KIỂM TRA : .......................................................................... 47
 OPENFLOW LÀ GÌ? ........................................................................ 47
3.4 QÚA TRÌNH THIẾT LẬP VÀ ĐO ĐẠC: ................................................... 63

4. PHÂN TÍCH ĐIỆN TIẾT KIỆM ........................................................................ 65
4.1 MƠ HÌNH LƢU LƢỢNG : .......................................................................... 66
4.2 PHÂN TÍCH MẠNH MẼ .............................................................................. 72

5. HIỆU NĂNG : ....................................................................................................... 71

5.1 SỰ XẾP HÀNG ĐƢỜNG CƠ SỞ : ............................................................... 74
5.2 LƢU LƢỢNG ĐỒNG BỘ, BIẾN ĐỔI NHU CẦU ..................................... 76
5.3 THIẾT LẬP GIỚI HẠN AN TOÀN ............................................................. 77

6. THẢO LUẬN ........................................................................................................ 79
THAM KHẢO .................................................................................................................. 80

9


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

DANH MỤC HÌNH ẢNH
TRANG
Hình 1: Data center - Trung tâm dự liệu .................................................................. 13
Hình 2: Các máy chủ trong mơ hình trung tâm dữ liệu Caylay ............................... 16
Hình 3: Mỗi máy chủ nhận một gói dữ liệu từ nguồn sẽ chuyển nó đến máy chủ gần
nó và gần đích đến cuối cùng ................................................................................... 18
Hình 4: Topology Data Center cơ bản ..................................................................... 23
Hình 5: Topology Data Center thu gọn ..................................................................... 24
Hình 6: Topology Data Center mở rộng ................................................................... 25
Hình 7: Cấu trúc cơ sở hệ thống Cable Data Center ................................................. 26
Hình 8: Đường cable Horizontal trong mơ hình Star-topology ................................ 28
Hình 9: Đường cable Backbone trong mơ hình Star-topology ................................. 30
Hình 10: Mơ hình dự phịng cơ sở hạ tầng viễn thơng ............................................. 38
Hình 11: System Diagram ......................................................................................... 42
Hình 12 : Data Center Networks : ElasticTree ......................................................... 43
Hình 13: Các bước khi mà lưu lượng mới đến thiết bị chuyển đổi OpenFlow......... 48
Hinh 14 : Ví dụ về một mạng lưới các thiết bị chuyển mạch thương mại OpenFlow
kích hoạt ................................................................................................................... 50

Hinh 15 : Xử lý gói tin trong một OpenFlow switch. ............................................... 53
Hình 16 : Thử nghiệm thiết lập đo các thơng số mơ hình ......................................... 55
Hình 17 : Đo chuyển đổi chậm trễ ............................................................................ 56
Hinh 18 : Ba lớp trung tâm dữ liệu cấu trúc liên kết................................................. 59

10


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 19 : Dịng chảy thời gian liên đến từ Benson et al. [5]. ................................... 59
Hình 20: Thời gian tạm trú cho các trung tâm dữ liệu ba lớp. .................................. 61
Hình 21: Hệ số biến thiên của thời gian lưu trú ........................................................ 61
Hình 22 : Chiều dài hàng đợi điều khiển. Tam giác cho thấy chiều dài hàng đợi tối
đa và các đường cong đại diện cho chiều dài hàng đợi điều khiển trung bình. ....... 62
Hinh 23 : Mất gói tin quan sát ................................................................................... 62
Hình 24 : Measurement Setup .................................................................................. 64
Hình 25 : Data Center Networks: (a), 2N Tree (b), Fat Tree .................................... 66
Hình 26 : Power savings as a function of demand, with varying traffic locality, for a
28K node, k=48 fat tree ............................................................................................. 67
Hình 27 : phân tán tiết kiệm điện năng với ma trận lưu lượng ngẫu nhiên. Mỗi điểm
trên đồ thị tương ứng với một khối lượng công việc trung tâm dữ liệu trung bình
được cấu hình sẵn, cho k = 6 fat tree ........................................................................ 68
Hình 28 : tiết kiệm điện cho sự thay đổi lưu lượng truy cập hình sin trong k = 4 fat
tree cấu trúc liên kết, với thấp cho mỗi máy chủ trong ma trận lưu lượng. đầu vào
nhu cầu có 10 giá trị rời rạc....................................................................................... 70
Hình 29 : E-commerce website: 292 production web servers over 5 days. Traffic
varies by day/weekend, power doesn’t. .................................................................... 71
Hình 30 : Tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu sản xuất (trang web thương
mại điện tử) dấu vết, trong khoảng thời gian 5 ngày, sử dụng k = 12 fat tree. Chúng

tôi cho thấy tiết kiệm cho các mức độ khác nhau của tổng thể lưu lượng, với 70%
mệnh bên ngồi DC. .................................................................................................. 72
Hình 31 : Chi phí điện dự phòng ............................................................................... 73

11


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 32 : Điện năng tiêu thụ trong một mạng trung tâm dữ liệu mạnh mẽ với biên
độ an tồn, cũng như dự phịng. ................................................................................ 74
Hình 33: Queue Test Setups with one (left) and two (right) bottlenecks ................. 75
Hinh 34 : Độ trễ so với nhu cầu, với lưu lương thống nhất. ..................................... 76
Hình 35: Sự sụt giảm và tình trạng quá tải với biên độ an tồn khác nhau .............. 78
Hình 36 : Độ trễ so với tình trạng quá tải với biên độ an toàn khác nhau ................ 78

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 : Công suất tiêu thụ của thiết bị chuyển mạch 48 cổng khác nhau cho các
cấu hình khác nhau .................................................................................................... 43
Bảng 2 : So sánh tối ưu hóa ...................................................................................... 44
Bảng 3 : Độ trễ đường cơ sở cho xếp hàng kiểm tra các cài đặt riêng ..................... 75

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ER

Entrance Room

Phòng tiếp nhận đầu vào

MDA


Main Distribution Area

Khu vực phân phối chính

ZDA

Zone Distribution Area

Khu vực phân phối ở từng khu vực

EDA

Equipment Distribution Area

Khu vực phân phối thiết bị

MC

Main Cross-connect

Kết nối giao nhau chính

HDA

Horizontal Distribution Area

Khu vực phân phối ngang

CR


Computer Room

Phịng máy tính

TR

Telecommunications Room

Phịng viễn thơng thơng tin

HC

Horizontal Cross-connect

Kết nối giao nhau theo chiều ngang

12


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ MẠNG DATA CENTER
Đối với bất kỳ một công ty, doanh nghiệp hay một tổ chức nào, Trung Tâm Dữ Liệu
chính là trái tim của hệ thống hoạt động công nghệ thông tin. Mọi hoạt động đều
gắn liền với trung tâm dữ liệu, từ các ứng dụng nghiệp vụ môi trường làm việc cộng
tác đến các ứng dụng tương tác. Trong vòng hơn một thập kỷ qua, sự phát triển của
Internet và các công nghệ phát triển ứng dụng dựa trên nền tảng Web làm cho
Trung tâm dữ liệu mang tâm chiến lược hơn bao giờ hết.Chúng ta sẽ tìm hiểu Mạng
Data Center là gì và vì sao ta phải tiết kiệm năng lượng trong mạng Data Center.

1. DATA CENTER VÀ XU HƢỚNG THIẾT KẾ HIỆN NAY:
1.1 Data Center là gì?
Data center (trung tâm dữ liệu) - Nơi tập trung nhiều thành phần tài nguyên
mật độ cao (phần cứng, phần mềm,…) làm chức năng lưu trữ, xử lý toàn bộ dữ liệu
hệ thống với khả năng sẵn sàng và độ ổn định cao.

Hình 1: Data center - Trung tâm dự liệu
1.2 Xu hƣớng thiết kế Data ngày nay:
1.2.1 Sơ lƣợc một số nhƣợc điểm của kiểu thiết kế DC truyền thống :

13


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

 Thiết kế cơ sở trên diện tích khơng gian phịng : dẫn đến việc khơng chính
xác trong việc tính tốn cơng suất cung cấp nguồn, làm mát cho các thiết
bị.Công suất cung cấp cho các thiết bị là ngang nhau.
 Thiết kế mang tính cố định: đầu tư ngay từ ban đầu một lần duy nhất hệ
thống nguồn, giải nhiệt cực lớn phục vụ cho các thiết bị hiện tại và tương
lai.Khơng có tính module để dễ dàng mở rộng, đầu tư theo nhu cầu…. kết
quả là gây ra sự lãng phí đầu tư và chi phí vận hành lớn.
 Quá nhiều nhà cung cấp khác nhau: Các thành phần thường được mua từ
nhiều nhà cung cấp khác nhau do có các tính năng riêng biệt chuyên sâu. Tuy
nhiên điều này có thể dẫn tới các vấn đề về sự tương thích, làm cho hiệu suất
khơng đạt được cao nhất có thể hoặc gây ra lỗi hệ thống ở một số tình huống
khơng biết trước được.
 Hệ thống làm lạnh thường được thổi dưới sàn lên: công suất, khả năng cung
cấp làm mát cho thiết bị hạn chế. Không phù hợp với các thiết bị công nghệ
cao sau này như Blade, thiết bị lưu trữ…

 Hệ thống cáp nguồn và cáp dữ liệu thường đi dưới sàn nâng: dẫn đến khó
khăn trong việc vận hành, nâng cấp. Điều này cũng là nguyên nhân dẫn đến
chặn nguồn khí lạnh lên trên sàn để tới các thiết bị IT nếu thiết kế không
khéo.
1.2.2 Xu hƣớng thiết kế ngày nay :
 Từ các điểm hạn chế của kiểu truyền thống nói trên, các hãng cung cấp giải
pháp, thiết bị đều có xu hướng ngừng sử dụng và sản xuất các sản phẩm
truyền thống, thay vào đó đẩy mạnh đưa ra các giải pháp, kèm theo các sản
phẩm nhằm nâng cao chất lượng sử dụng, tối ưu hóa hệ thống và khả năng
sẵn sàng cao.
 Tổng hợp lại có một số ý chính như sau :
 Thay vì tính tốn, thiết kế cơ sở trên khơng gian phịng thì ngày nay chủ yếu
cơ sở theo tủ RACK. Mục đích là sẽ xác định được cơng suất nguồn, làm mát

14


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

chính xác tới từng thiết bị trên tủ RACK. Do vậy với các tủ chứa các máy
chủ, bộ lưu trữ sẽ phân bổ công suất lớn hơn, trong khi các tủ về thiết bị
mạng sẽ phân bổ công suất vừa phải.Rất dễ dàng phân bổ công suất tùy theo
nhu cầu của thiết bị. Điều này khác hẳn với cách truyền thống.
 Hệ thống làm mát: Các thiết bị làm mát cũng được thiết kế theo kiểu dạng
In-row, thiết kế làm mát thiết kế theo dạng RACK, sẽ bố trí ngay bên cạnh
các tủ thiết bị máy chủ. Cho phép cung cấp công suất lên tới hàng chục đến
hàng trăm kW. Đáp ứng tốt cho các tủ RACK có mật độ cơng suất cao.
 Module: Các thiết bị có khả năng mở rộng theo nhu cầu, dễ dàng phân bổ chi
phí đầu tư. Chính vì thiết kế theo module, nên dễ dàng thay thế, nâng cấp mà
không làm gián đoạn hệ thống đang hoạt động. Điều này trong thiết kế

truyền thống khó mà đạt được.
 Hệ thống dây cáp được thiết kế đi nổi trên các máng treo trần nhà thay vì đi
dưới sàn truyền thống. Thứ nhất về thẩm mỹ, nhìn rất chuyên nghiệp và rất
đẹp (vì các màu sắc của dây cáp rất đa dạng). Thứ hai về mặt triển khai và
vận hành sẽ dễ dàng hơn rất nhiều.
Cuối cùng đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn, trong đó cũng khơng làm ảnh
hưởng tới luồng khí mát như cách bố trí cáp truyền thống.
 Hệ thống nguồn điện: Được thiết kế theo các lớp khác nhau, nâng cao khả
năng dự phịng, cơng suất lớn hơn và độ ổn định cao.
 Green DataCenter: nói đến một trung tâm dữ liệu xanh, tức là khả năng tiêu
thụ của hệ thống là 100% và hạn chế tính dư thừa gây lãng phí trong sử dụng.
2. VẤN ĐỀ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG DATA CENTER:
Các trung tâm dữ liệu đang sử dụng năng lượng nhiều hơn mức cần
thiết.Một điều được cơng nhận rộng rãi là ta đang có những cơ hội ngắn hạn, có
hiệu quả giảm giá thành để giảm mức độ tiêu thụ năng lượng của các trung tâm dữ
liệu hiện tại và các cơ hội lớn để ảnh hưởng đến thiết kế của các trung tâm dữ liệu
mới. Điều này biến các trung tâm dữ liệu thành mục tiêu hấp dẫn của các nhà quản

15


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

lý nhà nước và các nhà quản lý doanh nghiệp, những người đang tìm kiếm các cơ
hội để giảm mức tiêu thụ năng lượng với chi phí kinh tế hoặc ảnh hưởng xấu đến xã
hội ở mức thấp nhất.
Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng là một
chi phí đáng kể của hoạt động IT, trong một số trường hợp cịn lớn hơn chi phí mua
phần cứng IT. Áp lực chi phí này, kết hợp với nhận thức rằng trung tâm dữ liệu có
thể sử dụng năng lượng hiệu quả hơn rất nhiều, đã làm cho các nhà khai thác trung

tâm dữ liệu đặt quản lý năng lượng lên mức ưu tiên. Chúng ta cùng xem qua một ví
dụ về mạng trung tâm dữ liệu đáp ứng được ba tiêu chí : rẻ, nhanh và xanh nhé.

Mơ hình trung tâm dữ liệu CayLey DataCenter
Các nhà khoa học thuộc đại học Cornell, Hoa Kỳ, vừa mới đề xuất một thiết
kế không dây mới cho kết nối giữa các máy chủ của những trung tâm dữ liệu đám
mây lớn trên thế giới. Thiết kế này hứa hẹn khả năng cắt giảm mức tiêu thụ điện
năng và chi phí hệ thống xuống chỉ cịn khoảng 1/12 so với trước, trong khi hiệu
năng tồn hệ thống lại tăng lên. Với nghiên cứu này, nếu được thử nghiệm thành
công và triển khai thực tế, một trung tâm dữ liệu khơng dây có tốc độ cao hơn, rẻ

16


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

hơn, và thân thiện với môi trường sẽ ngày càng phổ biến và thay thế dần mơ hình
trung tâm dữ liệu với hệ thống switch và dây nhợ xưa cũ.
Trước khi đi vào nội dung của thiết kế mới, hãy cùng trở lại một chút với
những vấn đề kinh tế và môi trường mà điện toán đám mây đang đối mặt. Như
chúng ta biết, trong điện toán đám mây, dữ liệu được lưu trữ và truy xuất thông qua
các trung tâm dữ liệu đặt ở xa. Lợi thế quy mô giúp những nhà cung cấp dịch vụ
điện tốn đám mây có thể bán các dịch vụ này đến với khách hàng với giá rẻ hơn
việc khách hàng tự đầu tư hệ thống cho riêng mình. Tuy nhiên, các trung tâm dữ
liệu với hàng ngàn máy tính mỗi ngày dùng hàng ngàn kilowatt (kW) điện đặt gánh
nặng chi phí, duy trì, và bảo dưỡng lên vai các nhà điều hành. Do đó, việc cắt giảm
mức tiêu thụ điện sẽ gián tiếp cắt giảm chi phí giúp cả nhà cung cấp lẫn người thuê
dịch vụ đạt được mức giá hợp lý hơn. Không những thế, giảm lượng điện tiêu thụ
cịn giúp bảo vệ mơi trường Trái Đất chúng ta nữa. Nếu có một phương pháp nào đó
vừa giảm lượng điện tiêu thụ, giảm chi phí, dễ dàng bảo dưỡng, lại vừa tăng hiệu

năng hệ thống và tốc độ truy xuất, thì quả thật tuyệt vời. Điều đó có lẽ khơng cần
phải bàn cãi thêm nhiều nữa
Hiểu được sự cần thiết đó, nhóm nghiên cứu gồm 3 thành viên tại Đại Học
Cornell và 1 thành viên của trung tâm Microsoft Research mới đây đã đề ra một
thiết kế mới cho hệ thống điện tốn đám mây có khả năng thành công rất cao mang
tên “Cayley Data Center” dựa trên kết nối mạng không dây và đặt theo tên nhà tốn
học nổi tiếng Arthur Cayley, người có cơng xây dựng nên nền tảng toán học mà
thiết kế bây giờ của nhóm đang dựa trên đó.
Trong cấu trúc trung tâm dữ liệu truyền thống, các máy chủ được xếp chồng
trong các tủ rack vuông giống như các hộp pizza trong một chiếc xe tải vậy. Trên
mỗi chồng là một chiếc switch có chức năng định tuyến tín hiệu ra vào máy chủ và
gửi chúng đi theo đường dây cáp đến các máy chủ khác, dựa trên địa chỉ điện tử của
chúng. Nhìn chung, các switch trong những trung tâm dữ liệu lớn khá đắt tiền và là

17


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

thành phần tiêu thụ khá nhiều năng lượng, nếu cắt bỏ được chúng thì sẽ giải quyết
được nhiều vấn đề kèm.
Được truyền cảm hứng bởi thiết bị thu phát không dây tần số 60 GHZ vừa
được phát triển tại trường Georgia Tech trên công nghệ chip CMOS rẻ tiền, bản
thiết kế mới của nhóm nghiên cứu sử dụng bộ thu phát này để phát sóng dưới dạng
hình nón hẹp. Bởi vì bức xạ 60 GHz dễ dàng bị suy yếu bởi môi trường xung quanh
với tầm hoạt động chỉ trong khoảng 10m tính từ nguồn, nhóm nghiên cứu có thể sử
dụng thiết bị này để giao tiếp trong khoảng ngắn mà không sợ giao thoa hay nhiễu
xạ với các hoạt động khác ở các khu vực khác gần đó. Điều này đặc biệt có ý nghĩa
trong việc biến nó thành phương tiện giao tiếp thay cho switch và dây dợ trong hệ
thống cũ.

Trong thiết kế mới, các máy chủ được đặt thẳng đứng trong một tủ rack
hình trụ trịn gồm nhiều tầng xếp chồng lên nhau. Mỗi lát cắt hình nêm của mỗi tầng
là một máy chủ (hình 2). Ở mặt trong và mặt ngồi của mỗi máy chủ sẽ được đặt
tương ứng một bộ thu phát 60 GHZ để có thể giao tiếp vơi các máy chủ khác. Ở
phía ngồi, các tủ rack được sắp xếp thành từng hàng theo kiểu mạng lưới (hình 3),
do cách sắp xếp như vậy nên mỗi tủ rack sẽ có thể kết nối khơng dây với 8 tủ rack
khác ở xung quanh trong khi các máy chủ trong cùng mỗi tủ rack thì được kết nối
bằng các bộ thu phát tại mặt trong của mỗi máy chủ.

18


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 2: Các máy chủ trong mơ hình trung tâm dữ liệu Caylay đƣợc bố trí
trong các tủ rack hình trụ trịn. Mỗi máy chủ có thể gửi tín hiệu khơng dây tần
số 60 GHz đến tủ rack bên cạnh hoặc đến các máy chủ trong cùng rack.
Thay vì phụ thuộc vào các switch, dây cáp, cùng với các địa chỉ điện tử, các
máy chủ sẽ thực hiện định tuyến dựa trên vị trí vật lý của đích đến. Tín hiệu được
truyền từ tủ rack này qua tủ rack khác, với lộ trình là quãng đường khả dĩ ngắn nhất
từ máy nguồn đến máy đích (giống như cho 2 điểm nút trong 1 mạng lưới, hãy tìm
đường đi ngắn nhất từ đường này đến đường kia thơng qua các điểm khác trong
mạng lưới vậy) (hình 3). Theo các nhà khoa học, một Trung Tâm Dữ Liệu Cayley
có khả năng chống sụp hệ thống tốt hơn so kiểu cũ, bởi vì nếu tồn bộ các máy chủ
trong một tủ rack chết, tín hiệu vẫn có thể đi vịng qua các nút (tủ rack) khác để đến
đích. Một mô phỏng cho thấy phải 59% số máy chủ trong một trung tâm chết thì
giao tiếp của hệ thống mới bị phá hỏng. Mà như các bạn biết, một trung tâm mà có
số máy chết nhiều như thế họa chăng chỉ có khủng bố (mạng/thực) mà thơi.

Hình 3: Mỗi máy chủ nhận một gói dữ liệu từ nguồn sẽ chuyển nó đến máy chủ

gần nó và gần đích đến cuối cùng. Trong hình này gói dữ liệu từ nguồn chuyển
đến máy chủ ở giữa phía trên, sau đó chuyển qua 1 máy chủ khác cùng rack
rồi tƣơng tự vậy chuyển đến máy chủ cuối cùng.
Về chi phí hệ thống, nhóm nghiên cứu nói rằng họ khó có thể đánh giá
chính xác được, lý do được đưa ra là bởi các bộ thu phát 60 GHz chưa được thương
mại hóa trên thị trường. Tuy nhiên, bằng cách dựa trên một số phỏng đốn lơgic có
19


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

cơ sở hợp lý, nhóm nghiên cứu cho biết chi phí cho kết nối khơng dây giữa các mảy
chủ kiểu này có thể thấp bằng 1/12 chi phí cho kết nối bằng các switch và dây cáp
trong hệ thống cũ cho một hệ thống có khoảng 10.000 máy chủ.
Khơng chỉ có ưu điểm về chi phí cho kết nối, theo nhóm nghiên cứu, mức
độ tiêu thụ điện năng của thiết kế hệ thống mới này cũng sẽ giảm tương ứng bằng
1/12 mức cũ. Do không tồn tại dây cáp nữa, nên việc duy trì bảo dưỡng cũng sẽ dễ
dàng hơn trước. Những ưu điểm này cộng thêm khả năng sụp đổ hệ thống thấp hơn
nhiều khiến cho thiết kế mới hoàn toàn vượt trội so với kiểu cũ.
“Chúng tôi kết luận rằng [kết nối không dây] 60 GHz có thể cách mạng hóa
tính đơn giản trong xây dựng và bảo dưỡng các trung tâm dữ liệu”, các nhà khoa
học kết luận trong bài báo của mình.
Hiện tại, thiết kế mới này đã được nhóm đưa lên trên kho dữ liệu Cornell
eCommons và sẽ được trình bày tại hội nghị chuyên đề ACM/IEEE Symposium on
Architectures for Networking and Communications Systems lần thứ 8 diễn ra vào
cuối tháng 10 tại Đại Học Texas. Hy vọng nó sẽ nhận được nhiều đánh giá tốt và
đưa vào ứng dụng thực tế trong tương lai gần.

Nguồn: Phys.org


20


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

CHƢƠNG II: CẤU TRÚC CỦA MẠNG DATA CENTER
Không gian Data Center bao gồm Entrance Room(ER), Main Distribution
Area(MDA), Horizontal Distribution Area (HDA), Zone Distribution Area (ZDA)
và Equipment Distribution Area (EDA).
 Entrance Room
Là không gian dùng cho giao tiếp giữa hệ thống đường cáp có cấu trúc
Data Center và đường cáp giữa các tòa nhà, cả bộ cấp dữ liệu và người thuê bao người sỡ hữu. Entrance Room có thể được đặt bên ngồi Computer Room (nếu
Data Center ở trong một tòa nhà bao gồm các văn phịng thơng thường) hoặc các
dạng khơng gian khác bên ngồi Data Center. Có thể đặt bên ngồi Computer Room
nhằm tăng cường bảo mật, như là để tránh được nhu cầu các kỹ thuật viên cấp dữ
liệu đi vào Computer room. Data Center có thể có nhiều Entrance Room để đáp ứng
bổ sung dự phòng hoặc để tránh vượt quá độ dài tối đa cable. Entrance Room giao
tiếp với Computer Room thơng qua Main Distribution Area, nên có thể đặt gần kề
hoặc kết hợp với Main Distribution Area.
 Main Distribution Area
Bao gồm Main Cross-connect (MC), là điểm phân phối tập trung của hệ
thống đường cable có cấu trúc Data Center và có thể bao gồm Horizontal Crossconnect (HC) khi các Equipment Area được đáp ứng trực tiếp từ Main Distribution
Area. Khơng gian này ở bên trong Computer Room; nó cũng có được đặt ở một
phịng chun biệt vì mục đích bảo mật. Mỗi Data Center có ít nhất một Main
Distribution Area. Các Computer Room core-router, core-LAN-switch, core-SANswitch, và PBX thường đặt trong Main Distribution Area, bởi không gian này là
trung tâm của cơ sở hạ tầng cable cho Data Center. Main Distribution Area có đáp
ứng một hoặc nhiều Horizontal Distribution Area hoặc Equipment Distribution
Area bên trong Data Center và đáp ứng một hoặc nhiều Telecommunications Room

21



Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

(TR) được đặt bên ngoài khơng gian Computer Room để hỗ trợ các văn phịng,
trung tâm hoạt động và các phịng hỗ trợ bên ngồi.
 Horizontal Distribution Area
Dùng để đáp ứng Equipment Area khi Horizontal Cross-connect (HC)
khơng được đặt trong Main Distribution Area. Do đó, khi được sử dụng, Horizontal
Distribution Area có thể bao gồm HC, nó để điểm phân phối đường cable tới các
Equipment Distribution Area. Horizontal Distribution Area ở bên trong Computer
Room, nhưng có thể đặt trong một phịng chun biệt thuộc Computer Room để
tăng cường bảo mật. Horizontal Distribution Area điển hình bao gồm các LANswitch, SAN-switch, KVM-switch (Keyboard/Video/Mouse) cho các thiết bị đầu
cuối được đặt trong Equipment Distribution Area. Một Data Center có thể có các
Computer Room được đặt ở nhiều tầng với mỗi tầng được đáp ứng bởi HC của
riêng nó. Một Data Center nhỏ có thể khơng u cầu Horizontal Area, bởi tồn bộ
Computer Room có thể được đáp ứng từ Main Distribution Area.Tuy vậy, một Data
Center điển hình sẽ có một vài Horizontal Distribution Area.
 Equipment Distribution Area
Là không gian được chỉ định cho các thiết bị đầu cuối, bao gồm hệ thống
máy tính và thiết bị viễn thơng. Nó sẽ khơng đáp ứng cho các mục đích của
Entrance Room, Main Distribution Area hoặc Horizontal Distribution Area. Một
điểm kết nối tùy ý thuộc đường cable Horizontal được gọi là một Zone Distribution
Area. Nó được đặt giữa Horizontal Distribution Area và Equipment Distribution
Area để cho phép việc điều chỉnh thường xuyên và linh hoạt.
1. Topology của Data Center:
1.1 Topology điển hình:
Một Data Center điển hình bao gồm một Entrance Room duy nhất, có thể
một hoặc nhiều Telecommunications Room, một Main Distribution Area và một vài
Horizontal Distribution Area.

22


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 4: Topology Data Center cơ bản
1.2 Topology thu gọn:
Các thiết kế Data Center có thể hợp nhất Main Cross-connect, và
Horizontal Cross-connect vào một Main Distribution Area duy nhất, có thể cỡ bằng
một cabinet/rack. Các Telecommunications Room cho đường cáp tới các vùng hỗ
trợ và Entrance Room cũng có thể được hợp nhất vào trong Main Distribution Area.

23


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 5: Topology Data Center thu gọn
1.3 Topogy mở rộng:
Nhiều Telecommunications Room được yêu cầu cho các Trung tâm dữ liệu
với vùng hỗ trợ và văn phòng lớn hoặc xa cách nhau. Các hạn chế khoảng cách sẽ
yêu cầu nhiều Entrance Room cho các trung tâm dữ liệu lớn. Các Entrance Room
thêm vào phải được kết nối tới Main Distribution Area và Horizontal Distribution
Area để chúng hỗ trợ việc sử dụng các cáp xoắn đôi, cáp quang và cáp đồng trục
(Các phịng đầu vào chính sẽ khơng có kết nối trực tiếp vào Horizontal Distribution
Area; các phịng đầu vào phụ được phép có đường cáp trực tiếp tới Horizontal
Distribution Area nếu các phòng đầu vào phụ được thêm để tránh các hạn chế vượt
mức chiều dài tối đa) (Mặc dù đường cáp từ đầu vào phụ trực tiếp tới Horizontal
Distribution Area không được thực thi phổ biến hay khuyến khích, nhưng nó được
cho phép để đáp ứng nhất định các hạn chế về chiều dài và nhu cầu dự phòng.


24


Huỳnh Vũ Trường Duy – CB121161

Hình 6: Topology Data Center mở rộng
2. Hệ thống cable Data Center:
2.1 Cấu trúc thành phần cơ bản của hệ thống cable Data Center:
Hình 7 minh họa một mơ hình tiêu biểu về các thành phần chức năng khác
nhau có trong hệ thống cáp của một Trung tâm dữ liệu. Nó mơ tả mối quan hệ giữa
các thành phần và cách nó được thiết lập để lập nên một hệ thống tổng thể.
Các thành phần cơ bản của cấu trúc hệ thống cáp Data Center gồm có:
 Đường cable Horizontal
 Đường cable Backbone
 Cross-connect trong Entrance Room hoặc Main Distribution Area
 Main Cross-connect (MC) trong Main Distribution Area
 Horizontal Cross-connect (HC) trong Telecommunications Room, Horizontal
Distribution Area hoặc Main Distribution Area.

25