tailieuonthi
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG TRUNG TÂM
DỮ LIỆU
Sinh viên thực hiện
Giảng viên hướng dẫn
: TS TRẦN NGỌC LAN
TS. TRẦN MINH TRUNG
TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG
Hà Nội, 06-2012
tailieuonthi
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHẦN CỨNG TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG TRUNG TÂM
DỮ LIỆU
Sinh viên thực hiện
Giảng viên hướng dẫn
: TS TRẦN NGỌC LAN
TS. TRẦN MINH TRUNG
TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG
Cán bộ phản biện
:
Hà Nội, 06-2012
tailieuonthi
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------------------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
Khoá: K52
Viện: Điện tử - Viễn thông
Ngành: Điện tử-Viễn thông
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………..………...
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….
…..………………………..…………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………..….……………
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
………………………………………………………………………………………………………………………………
…..….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
……………………………………………………………………………………………………………………..……….…
……………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:
TS. Trần Ngọc Lan
TS. Trần Minh Trung
TS. Nguyễn Xuân Dũng
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………
Ngày
Chủ nhiệm Bộ môn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày
tháng
năm
Giảng viên hướng dẫn
tháng
năm
Cán bộ phản biện
tailieuonthi
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .....................................................................Số hiệu sinh viên: ...........................
Ngành: ..........................................................................................Khoá: ...........................................
Giảng viên hướng dẫn: .....................................................................................................................
Cán bộ phản biện: .................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
....................................
Ngày
tháng
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
năm
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các trung tâm dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động
thường ngày của các tổ chức như trường học, doanh nghiệp, viện nghiên cứu.
Những trung tâm dữ liệu này cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội đang
tăng lên nhanh chóng về cả quy mô và số lượng. Số lượng máy chủ trong mỗi trung
tâm dữ liệu đang tăng lên rất nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin
mọi người trong xã hội. Do đó một điều tất yếu là số lượng các thiết bị chuyển
mạch để kết nối các máy chủ lại với nhau cũng phải tăng lên. Điều này làm cho nhu
cầu về điện năng tiêu thụ bởi các trung tâm dữ liệu ngày càng tăng lên tỉ lệ với kích
thước của các trung tâm này. Và bài toán được đặt ra cho các nhà nghiên cứu và các
nhà phát triển là làm sao có thể giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ của các trung
tâm dữ liệu này mà khả năng xử lý thông tin vẫn được đảm bảo. Từ yêu cầu thực tế
trên, nhóm tác giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị điểu khiển giúp tiết
kiệm năng lượng cho các bộ chuyển mạch trong trung tâm dữ liệu và cũng đã chế
tạo thành công các bộ chuyển mạch có khả năng tự tiết kiệm năng lượng. Những kết
quả đạt được đã và đang mở ra một hướng đi mới rất khả thi cho việc phát triển, sản
xuất đại trà các thiết bị mạng tiết kiệm năng lượng cũng như giúp các nhà quản lý
trung tâm dữ liệu theo dõi công suất tiêu thụ của toàn trung tâm dữ liệu, mức tiết
kiệm năng lượng.
Sau một thời gian lao động miệt mài, nhóm tác giả đã hoàn thành đồ án với
đề tài:“Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng cho các trung
tâm dữ liệu”
Nhờ những cố gắng không ngừng, tác giả đã gặt hái được một số kết quả
nhất định. Mặc dù vậy, do thời gian có hạn nên một số ý tưởng vẫn chưa được thực
hiện và kết quả nghiên cứu không tránh khỏi một vài sai sót nhỏ. Vì vậy, tác giả rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè.
Tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới:
Cô giáo TS. Trần Ngọc Lan
Thầy giáo TS. Trần Minh Trung
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 i
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
Thầy giáo TS. Nguyễn Xuân Dũng
Thầy giáo TS. Phạm Ngọc Nam
Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh
Cô giáo TS. Trương Thu Hương
Các bạn K51, K52, K53 trong nhóm OpenFlow
Tập thể lớp KSTN-ĐTVT-K52
Viện Điện Tử - Viễn Thông, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
Cùng toàn thể gia đình và bạn bè
đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu.
Đồ án được thực hiện trong khuôn khổ của dự án “Giảm điện năng tiêu
thụ của mạng cơ sở dữ liệu dựa trên kĩ thuật lưu lượng (ECODANE)“ do
PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh chủ trì.
Sinh viên thực hiện:
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 ii
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“Nghiên cứu giải pháp phần cứng tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm dữ
liệu”
Trung tâm dữ liệu đóng một vai trò quan trọng trong các hoạt động thường
ngày của mọi người. Sự mở rộng không ngừng cả về phạm vi và quy mô của các
trung tâm dữ liệu dẫn đến thực trạng mức tiêu thụ năng lượng quá lớn. Các ảnh
hưởng của điều này không chỉ về giá cả mà còn về môi trường khi lượng khí độc
hại thải ra từ các trung tâm dữ liệu là một vấn đề rất đáng quan tâm. Một trong
những giải pháp được đưa ra đó là điều khiển một cách thông minh việc tiêu thụ
năng lượng của các bộ chuyển mạch được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu.
Nhóm tác giả thực hiện đồ án đã đưa ra các cải tiến cho các bộ chuyển mạch
OpenFlow nhằm mục đích hỗ trợ các chế độ tiết kiệm năng lượng khác nhau. Sự cải
tiến này bao gồm định nghĩa các bản tin mới theo chuẩn giao thức OpenFlow, thiết
kế bộ điều khiển các chuyển mạch OpenFlow (OSC) có khả năng bật tắt các bộ
chuyển mạch và các port. Hơn nữa, nhóm tác giả đã tích hợp các cải tiến này lên
chính các bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng khả trình NetFPGA
trong khuôn khổ dự án ECODANE[1]. Các kết quả được trình bày trong đồ án này
có thể được sử dụng bởi các nhà sản xuất chuyển mạch OpenFlow hoặc những nhà
nghiên cứu về năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 iii
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
ABSTRACT
“Reseaching hardware solution for energy saving in Data centers”
Data centers play an important role in our daily activities. The increasing
demand for data centers in both scale and size has led to huge energy consumption.
The cost and environmental impact of data centers increases due to large amounts
of carbon emissions. One solution to this problem is to intelligently control the
power consumption of switches used in data centers. This thesis proposes an
extension to OpenFlow switches to support different power saving modes. The
extension includes defining new messages in OpenFlow standard and designing an
OpenFlow Switch Controller (OSC) that is able to turn on/off switches and
disable/enable ports. Furthermore, the extension is integrated into the NetFPGA
based OpenFlow switches in the ECODANE[1] framework. That brings an
opportunity of producing self-power aware OpenFlow switches. The results
presented in this thesis can aslo be used by the OpenFlow compliant switches
manufacturer or by power aware research community.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 iv
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .............................................................................................. iii
ABSTRACT .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC.............................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... xi
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT..........................................................................xii
PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
Chương 1. Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu và giải pháp
sử dụng mạng OpenFlow ...................................................................................... 2
1.1 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu ............................ 2
1.2 Giải pháp sử dụng mạng OpenFlow ................................................... 6
1.2.1
Sự cần thiết cho một kiến trúc mạng mới ..................................... 6
1.2.2
Mục tiêu của mạng OpenFlow ..................................................... 7
1.2.3
Giao thức OpenFlow .................................................................... 9
1.2.4
Lợi ích của mạng SDN dựa trên giao thức OpenFlow ................ 11
1.3 Kết luận chương ............................................................................... 13
Chương 2. Ứng dụng mạng OpenFlow trong trung tâm dữ liệu trên nền tảng
NetFPGA.............................................................................................................. 15
2.1 Giới thiệu công nghệ mạch tổ hợp FPGA......................................... 15
2.1.1
Các công nghệ mạch tổ hợp ....................................................... 15
2.1.2
Ứng dụng của FPGA.................................................................. 16
2.1.3
Kiến trúc của FPGA ................................................................... 17
2.1.4
Các bước thiết kế với FPGA của Xilinx ..................................... 21
2.1.5
Phần mềm ISE ........................................................................... 23
2.2 Chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng kit NetFPGA ....................... 24
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 v
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
2.2.1
Kiến trúc bộ chuyển mạch OpenFlow ........................................ 24
2.2.2
Giới thiệu về NetFPGA.............................................................. 26
2.2.3
Làm việc với một dự án NetFPGA ............................................. 30
2.2.4
Xây dựng bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA.. 34
2.3 Kết luận chương ............................................................................... 38
Chương 3. Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền tảng kit NetFPGA
trong thực tế ........................................................................................................ 39
3.1 Giới thiệu mô hình thử nghiệm ........................................................ 39
3.2 NOX controller ................................................................................ 40
3.3 Xây dựng chuyển mạch OpenFlow .................................................. 44
3.3.1
Cài đặt các gói phần mềm cơ bản ............................................... 44
3.3.2
Biên dịch và tải Driver xuống NetFPGA .................................... 49
3.3.3
Cài đặt NetFPGA OpenFlow switch .......................................... 50
3.3.4
Xây dựng mạng chuyển mạch OpenFlow................................... 52
3.4 Kết luận chương ............................................................................... 55
Chương 4. Thiết kế bộ điều khiển chuyển mạch ................................................ 56
4.1 Giải pháp tiết kiệm năng lượng ........................................................ 56
4.2 Yêu cầu chức năng và phi chức năng ............................................... 57
4.3 Thiết kế phần cứng........................................................................... 58
4.3.1
Sơ đồ khối thiết kế ..................................................................... 58
4.3.2
Khối điều khiển (Main controller):............................................. 59
4.3.3
Khối đóng ngắt port (ON/OFF Port Circuit)............................... 61
4.3.4
Khối đóng ngắt chuyển mạch (ON/OFF Switch Circuit): ........... 62
4.3.5
Kết quả đạt được ........................................................................ 62
4.4 Thiết kế phần mềm........................................................................... 64
4.4.1
Giao thức OpenFlow .................................................................. 64
4.4.2
Trao đổi gói tin với bộ điều khiển .............................................. 67
4.4.3
Mã nguồn mở LwIP ................................................................... 68
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 vi
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
4.4.4
Thiết kế bản tin OpenFlow và kết quả đạt được ......................... 71
4.5 Kết luận chương ............................................................................... 78
Chương 5. Thiết kế khối tiết kiệm năng lượng cho chuyển mạch OpenFlow ... 79
5.1 Giải pháp tiết kiệm năng lượng ........................................................ 79
5.2 Thiết kế phần cứng........................................................................... 81
5.2.1
Làm việc với phần cứng của chuyển mạch OpenFlow ............... 81
5.2.2
Vị trí của khối Clock controller.................................................. 83
5.2.3
Ghép nối với các khối khác trong User data path ....................... 86
5.2.4
Thiết kế khối clock controller .................................................... 88
5.3 Thiết kế phần mềm........................................................................... 90
5.3.1
Truyền, nhận và xử lý bản tin từ bộ điều khiển .......................... 90
5.3.2
Làm việc với phần mềm của chuyển mạch OpenFlow ............... 91
5.3.3
Xây dựng và triển khai các chức năng mới ................................ 93
5.4 Kết luận chương ............................................................................... 95
Chương 6. Thực hiện đo đạc và kết quả ............................................................. 96
6.1 Cơ sở hạ tầng thiết lập testbed.......................................................... 96
6.2 Bộ điều khiển chuyển mạch ............................................................. 99
6.2.1
Thiết lập hệ thống ...................................................................... 99
6.2.2
Test hệ thống ........................................................................... 100
6.2.3
Kết quả .................................................................................... 101
6.3 Chuyển mạch OpenFlow có chức năng tiết kiệm năng lượng ......... 104
6.3.1
Thiết lập hệ thống .................................................................... 104
6.3.2
Test hệ thống ........................................................................... 105
6.3.3
Kết quả .................................................................................... 105
6.4 Kết luận chương ............................................................................. 105
Kết luận và hướng phát triển của đề tài ........................................................... 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 108
PHỤ LỤC........................................................................................................... 110
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 vii
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
Phụ lục 1: Code OpenFlow.c .................................................................. 110
Phụ lục 2: Code clock_controller.v ......................................................... 114
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 viii
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Kiến trúc mạng điều khiển bằng phần mềm .............................................. 8
Hình 1.2 Ví dụ về tập lệnh của OpenFlow ............................................................. 10
Hình 2.1 Cấu trúc của FPGA ................................................................................. 17
Hình 2.2 Cấu trúc của Slice ................................................................................... 18
Hình 2.3 Minh họa bảng LUT................................................................................ 19
Hình 2.4 Minh họa các Flip-Flop ........................................................................... 19
Hình 2.5 Design flow ............................................................................................ 21
Hình 2.6 Giao diện phần mềm ISE ........................................................................ 23
Hình 2.7 Cấu trúc của một OpenFlow Switch ........................................................ 24
Hình 2.8 Cấu tạo của một flow-entry ..................................................................... 25
Hình 2.9 Các bước khi một flow mới tới bộ chuyển mạch OpenFlow .................... 26
Hình 2.10 Nền tảng NetFPGA ............................................................................... 27
Hình 2.11 Sơ đồ khối chi tiết các thành phần trong kit NetFPGA .......................... 28
Hình 2.12 Cấu trúc đơn giản một dự án với NetFPGA ........................................... 29
Hình 2.13 Cấu trúc pipeline của các modules ........................................................ 29
Hình 2.14 Sơ đồ tổng quát của hệ thống NetFPGA ................................................ 30
Hình 2.15 Mô hình Pipeline áp dụng cho việc thiết kế phần cứng mạng ................ 35
Hình 2.16 Sơ đồ hoạt động của khối Output Port Lookup ...................................... 36
Hình 3.1 Sơ đồ khối mô hình Elastic Tree ............................................................. 39
Hình 3.2 Mạng OpenFlow switch với bộ điều khiển mạng NOX ........................... 41
Hình 4.1 Sơ đồ mô tả vị trí của OSC trong mạng chuyển mạch ............................. 57
Hình 4.2 Mạng OSC đơn giản ............................................................................... 57
Hình 4.3 Sơ đồ của chuyển mạch trước và sau khi có OSC.................................... 58
Hình 4.4 Sơ đồ khối cơ bản của OSC .................................................................... 59
Hình 4.5 Sơ đồ khối chi tiết của OSC .................................................................... 59
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch OSC .................................................................... 63
Hình 4.7 Phần cứng của OpenFlow switch controller ............................................ 63
Hình 4.8 Quy trình bắt tay giữa bộ điều khiển và bộ chuyển mạch OpenFlow ....... 68
Hình 4.9 Các giao thức được sử dụng trong lwIP................................................... 70
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 ix
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
Hình 4.10 Trường link state ................................................................................... 73
Hình 4.11 Trường Switch state .............................................................................. 74
Hình 4.12 Trường Line Card state ......................................................................... 76
Hình 4.13 Sơ đồ thuật toán của OSC ..................................................................... 77
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống clock của chuyển mạch OpenFlow.................................. 83
Hình 5.2 Sơ đồ vị trí lý tưởng của CC trong nf2_top.............................................. 85
Hình 5.3 Sơ đồ khối CC trong user data path ......................................................... 86
Hình 5.4 Sơ đồ ghép nối CC với các khối khác trong user data path ...................... 87
Hình 5.5 Sơ đồ khối thiết kế của CC ...................................................................... 88
Hình 5.6 Sơ đồ mạng OpenFlow đơn giản ............................................................. 90
Hình 5.7 Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển và bộ chuyển mạch OpenFlow .................. 91
Hình 6.1 Sơ đồ hệ thống Testbed cho OSC ............................................................ 99
Hình 6.2 Hệ thống Testbed thực tế cho OSC ......................................................... 99
Hình 6.3 Sơ đồ hệ thống testbed cho chuyển mạch OpenFlow mới ...................... 104
Hình 6.4 Hệ thống testbed chuyển mạch OpenFlow trong thực tế ........................ 104
Hình 6.5 Sơ đồ kết nối chuyển mạch - NIC cho hệ thống testbed......................... 105
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 x
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Công suất tiêu thụ của switch ở các cấu hình khác nhau .......................... 5
Bảng 4.1 Bảng tổng hợp công suất của các thành phần .......................................... 62
Bảng 4.2 So sánh ưu, nhược điểm của một số mã nguồn mở TCP/IP stack ............ 69
Bảng 4.3 Bản tin OFPT_PORT_MOD................................................................... 72
Bảng 4.4 Ý nghĩa các trường trong bản tin OFPT_PORT_MOD ........................... 72
Bảng 4.5 Ý nghĩa các trường trong bản tin OFPT_SWITCH_MOD ...................... 74
Bảng 4.6 Bản tin OFPT_SWITCH_MOD.............................................................. 74
Bảng 4.7 Bản tin OFPT_LINECARD_MOD ......................................................... 75
Bảng 4.8 Ý nghĩa các trường trong bản tin OFPT_LINECARD_MOD.................. 75
Bảng 5.1 Các hàm xử lý gói tin ............................................................................. 93
Bảng 5.2 Các hàm điều khiển phần cứng NetFPGA............................................... 94
Bảng 6.1 Bảng năng lượng tiêu thụ của OSC khi không có kết nối nào bị ngắt .... 103
Bảng 6.2 Bảng năng lượng tiêu thụ của OSC theo số lượng kết nối bị ngắt ......... 103
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 xi
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Thuật ngữ tiếng anh
Thuật ngữ tiếng việt
CC
Clock Controller
Bộ điều khiển tín hiệu Clock
CLB
Configurable Logic Block
Khối logic có thể lập trình được
DCM
Digital Clock Manager
Khối quản lý xung đồng hồ
DRAM
Dynamic Random Access Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
động
FPGA
Field Programmable Gate Array
Mảng cổng khả trình
IOB
Input Output Block
Khối vào ra
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập thiết bị
NCD
Native Circuit Description
Phần mở rộng của file thiết kế
OF SW
OpenFlow Switch
Bộ chuyển mạch OpenFlow
OSC
OpenFlow Switch Controller
Mạch điều khiển các bộ chuyển
mạch OpenFlow
PCF
Physical Constraint File
Phần mở rộng của file ràng
buộc vật lý
PCI
Peripheral
connect
PLD
Programmable Logic Device
Thiết bị logic có thể lập trình
SDN
Software-Defined Network
Mạng điều khiển bằng phần
mềm
SRAM
Static Random Access Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh
VCD
Value Change Dump
Phần mở rộng của file mô
phỏng
Component
Inter- Kết nối thành phần ngoại vi
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 xii
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2012
PHẦN MỞ ĐẦU
Trong đồ án này, tác giả sẽ tập trung giải quyết các vấn đề chính sau: Mô tả
cấu trúc của chuyển mạch OpenFlow; xây dựng mạng OpenFlow trên nền tảng
NetFPGA; các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các bộ chuyển mạch OpenFlow;
đo đạc trên thực tế và đánh giá từng phương pháp.
Nội dung của đồ án được chia thành sáu chương, gồm ba phần chính:
Phần “Tìm hiểu thực trạng và giải pháp mạng OpenFlow” gồm hai chương:
Chương 1: Nêu thực trạng về vấn đề năng lượng trong các trung tâm dữ liệu
và giải pháp sử dụng mạng OpenFlow do Lê Anh Văn thực hiện.
Chương 2: Tìm hiểu một cách tổng quát công nghệ mạch tổ hợp FPGA, về
bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng NetFPGA. Chương này
do Nguyễn Duy Linh và Lê Thái Hưng thực hiện.
Phần “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trên thực tế” gồm ba chương:
Chương 3: Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền tảng NetFPGA
trong thực tế phòng thí nghiệm do Lê Thái Hưng và Nguyễn Duy Linh thực
hiện.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển chuyển mạch OpenFlow dựa trên thực tế
hệ thống đã triển khai. Chương này do Lê Thái Hưng và Lê Anh Văn thực
hiện.
Chương 5: Thiết kế chuyển mạch OpenFlow tiết kiệm năng lượng và thực
hiện trên các bộ chuyển mạch thực tế đã triển khai.
Phần “Đo đạc, kiểm thử và đánh giá kết quả đạt đươc” gồm một chương:
Chương 6: Triển khai hệ thống mới với các thiết bị đã được tạo ra, đo đạc và
đánh giá các kết quả trên thực tế phòng thí nghiệm.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 1
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
Chương 1. Vấn đề tiết kiệm năng lượng trong trung
tâm dữ liệu và giải pháp sử dụng mạng OpenFlow
Sinh viên: Lê Anh Văn
Chương này sẽ giải thích nhu cầu tiết kiệm năng lượng cho các trung tâm dữ
liệu. Đồng thời, một giải pháp hoàn toàn mới cho khó khăn đó sẽ được đưa ra dựa
vào công nghệ mạng mới đang được phát triển rất nhanh chóng trong thời gian gần
đây: Đó là mạng điều khiển bằng phần mềm dựa trên giao thức OpenFlow.
Các khái niệm, định nghĩa và mô hình chung nhất về mạng này cùng giao
thức OpenFlow sẽ giúp người đọc có một cái nhìn tổng quan về mục tiêu mà đồ án
hướng tới; cùng với đó là một xu hướng phát triển của mạng trong tương lai.
1.1
Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu
Có thể nói rằng hiện nay các trung tâm dữ liệu đang tiêu tốn một năng lượng
khổng lồ để duy trì hoạt động của nó.Theo một nghiên cứu cho thấy rằng chi phí
năng lượng chiếm tới 44% chi phí hoạt động của trung tâm dữ liệu. Năng lượng tiêu
thụ ở đây bao gồm có năng lượng cho các server, các thiệt bị mạng, cho hệ thống
làm lạnh, line-cards, switching fabric, các hệ thống theo dõi và các hệ thống phụ trợ
khác. Những tìm hiểu về năng lượng trong mạng trung tâm dưới đây được tham
khảo trong bài báo “Energy Aware Network Operations” [2], chỉ đề cập đến mô
hình năng lượng tiêu thụ của switch và một chủ đề đang được nhiều nhà phát triển
quan tâm đó là các giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng trung tâm dữ
liệu.
Các switch và router hiện tại không cho ta biết đầy đủ các thông số năng
lượng tiêu thụ của chúng. Datasheet của các thiết bị này chỉ cho biết giá trị công
suất hoạt động tối đa. Giá trị này không đủ để hiểu chính xác năng lượng tiêu thụ
thật của các thiết bị mạng. Năng lượng tiêu thụ thật sự của các switch/router phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố như cấu hình của thiết bị và lượng tải mà thiết bị cần xử
lý, do đó chỉ dựa vào công suất tiêu thụ tối đa sẽ không thể tính toán chính xác được
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 2
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
năng lượng tiêu thụ thật. Cấu hình thiết bị và lưu lượng thông tin đi qua sẽ ảnh
hưởng đến công suất tiêu thụ của các thiết bị mạng.
Mỗi một switch/router đều chứa nhiều thành phần cấu tạo khác nhau như:
chassis, linecard, TCAM (Ternary Content Addressable Memory), RAM, processor,
quạt… Một switch/router đặc trưng gồm một chassis (có thể hiểu là bộ khung của
switch) chứa các slot cắm các linecard, mỗi linecard chứa nhiều port (cổng mạng)
chính là các cổng giao tiếp của switch/router với các switch/router khác hoặc với
các máy tính khác. Việc đo thông số năng lượng tiêu thụ của tất cả các thành phần
trong switch một cách toàn diện rất khó để thực hiện. Dưới đây là các yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của switch/router:
Công suất tiêu thụ của chassis: Các switch hiệu năng cao chứa một chassis
và một số lượng cố định các khe cắm (slot) dùng để cắm các linecard. Đối
với các switch hiệu năng thấp hơn (các switch phổ thông với 24 cổng trở
xuống), các slot và linecard được gắn cố định, không thể thay đổi. Trong cả
hai trường hợp, công suất tiêu thụ cơ bản của chassis là tổng công suất tiêu
thụ của một số thành phần khác nhau của switch như processor, quạt,
memory…
Số lượng linecard: số lượng cổng của một linecard và tổng lưu lượng thông
tin mà nó có thể xử lý là có hạn. Cơ chế cắm và rút các linecard trên các khe
slot của switch cho phép các nhà quản lý mạng linh động cắm số lượng
linecard cần thiết linh động đáp ứng nhu cầu về tải. Hơn nữa, cơ chế đó cũng
đưa ra nhiều lựa chọn cho việc cắm loại linecard phù hợp, ví dụ như cắm một
linecard 24 cổng 1Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 24Gbps, hay cắm
một linecard 4 cổng 10Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 40 Gbps.
Số lượng active cổng: thuật ngữ này đề cập tới tổng số cổng trên switch (của
tất cả các linecard) ở trạng thái hoạt động (active). Các cổng còn lại trên
switch được tắt đi thông qua giao diện câu lệnh hỗ trợ tắt bật đưa ra từ nhà
sản xuất.
Công suất xử lý tối đa của một cổng (port capacity) hay tốc độ hoạt động tối
đa của một cổng: ta có thể thay đổi thông số công suất xử lý tối đa của mỗi
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 3
tailieuonthi
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
cổng để giới hạn tốc độ xử lý thông tin của cổng đó. Ví dụ, công suất xử lý
tối đa của một cổng full-duplex 1Gbps có thể được cấu hình xuống 100Mbps
hay 10Mbps. Việc thay đổi công suất xử lý tối đa này sẽ ảnh hưởng đến năng
lượng tiêu thụ nói chung của switch. Khi giảm công suất xử lý tối đa, năng
lượng tiêu thụ của cổng sẽ giảm, dẫn đến năng lượng tiêu thụ của cả switch
nói chung giảm theo.
Hiệu suất sử dụng của cổng (port utilization): thuật ngữ này mô tả thông
lượng thật chảy qua một cổng so với công suất xử lý tối đa của cổng đó. Ví
dụ trong trường hợp công suất xử lý tối đa của một cổng là 100Mbps, thông
lượng dữ liệu đi qua cổng đó là 10Mbps, khi đó hiệu suất sử dụng của cổng
đó (hay port utilization) là 10%. Phụ thuộc vào hiệu suất sử dụng của cổng
mà ta có thể thiết lập các giá trị công suất xử lý tối đa của cổng đó một cách
phù hợp. Ví dụ, nếu một cổng phải xử lý 60 Mbps lưu lượng, khi đó ta sẽ
thiết lập công suất xử lý tối đa của switch là 100 Mbps để có hiệu quả sử
dụng năng lượng một cách tốt nhất.
TCAM: hầu hết các switch thực hiện việc phân loại packet trên phần cứng và
hầu hết các nhà sản xuất sử dụng TCAM để thực hiện chức năng này do thời
gian xử lý tìm kiếm của TCAM là rất nhanh. Tuy nhiên, TCAM tiêu thụ một
lượng công suất lớn. Ngoài ra, kích thước TCAM trong các switch cũng khác
nhau.
Firmware: các nhà sản xuất cập nhật firmware cho switch/router theo định
kỳ. Các phiên bản firmware khác nhau cũng có thể ảnh hưởng tới công suất
tiêu thụ của switch/router.
Ngoài ra, đặc tính lưu lượng thông tin đi qua mỗi cổng cũng có thể ảnh
hưởng tới công suất tiêu thụ của cổng đó. Hai đặc tính quan trọng nhất của lưu
lượng của một flow là kích thước mỗi gói tin và khoảng thời gian giữa hai gói tin
liên tiếp.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52 4
- Xem thêm -