TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG TRUNG
TÂM DỮ LIỆU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
OPENFLOW
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN GIANG
Lớp KSTN – ĐTVT – K52
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS NGUYỄN VĂN KHANG
Cán bộ phản biện :
Hà Nội, 06 – 2012
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay công nghệ thông tin đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ.Nhu cầu lưu
lượng cũng như khối lượng dữ liệu cần được lưu trữ ngày càng tăng. Để có thể đáp
ứng điều này các trung tâm dữ liệu đang phải mở rộng cả về kích thước với việc
tăng số lượng máy chủ, các thiết bị mạng cũng như quy mô với nhiều trung tâm dữ
liệu phân bố khắp thế giới. Với việc mở rộng này, chi phí danh cho việc duy trì hoạt
động của các hệ thống trung tâm dữ liệu gia tăng chóng mặt bên cạnh đó là sự ảnh
hưởng xấu đến môi trường do lượng khí thải từ sự tiêu thụ năng lượng của các
thành phần trong trung tâm dữ liệu. Việc giảm năng lượng tiêu thụ trong các trung
tâm dữ liệu không chỉ giảm chi phí hoạt động đem lại lợi ích cho cả nhà đầu tư lẫn
người sử dụng mà còn mang lại lợi ích to lớn cho môi trường.
Nhiều giải pháp đã được đưa ra để cải thiện hiệu quả hoạt động của các thiết bị
phần cứng cũng như các giải pháp quản lý tài nguyên hiệu quả. Các hướng nghiên
cứu đáng chú ý gồm có: xây dựng kiến trúc máy chủ thông minh có công suất tiêu

Hương đã dìu dắt, giúp đỡ và tận tình chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đồ
án.
Xin cảm ơn tập thể các bạn trong nhóm Green Network, phòng nghiên cứu C9 –
201 đã cùng mình nghiên cứu, chia sẻ trong suốt thời gian qua.
Cảm ơn tập thể lớp KSTN – ĐTVT – K52 suốt thời gian học tập cùng các bạn là
quãng thời gian không thể nào quên trong cuộc đời của mình.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ, anh em, đã là nền tảng, là người
luôn theo sát, chăm sóc động viên cho con trong suốt cuộc đời này. Dù bất cứ khi
nào, thành quả của con đạt được không thể thiếu công ơn sinh thành và dạy dỗ của
gia đình.
Hà nội, tháng 06 năm 2012
Sinh viên
Nguyễn Văn Giang
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Các trung tâm dữ liệu đang phát triển một cách nhanh chóng và ngày càng được mở
rộng để đáp ứng nhu cầu về lưu lượng do sự phát triển rộng rãi không ngừng của
mạng Internet. Hệ quả là các trung tâm dữ liệu tiêu thụ một lượng lớn điện năng và
thải ra rất nhiều khí thải nhà kính.Điều này trở thành mối quan tâm lớn đối với
những người chủ, những nhà quản lý các trung tâm dữ liệu và các nhà hoạch định
chính sách.Xu hướng hiện nay là xây dựng các trung tâm dữ liệu xanh với tiêu chí
tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng đồng thời giảm thiểu các tác động xấu tới
môi trường.
Vấn đề này đã thu hút được rất nhiều nghiên cứu bao gồm: thiết kế các hệ thống
làm mát thông minh, di chuyển máy ảo, tối ưu năng lượng tiêu thụ bởi các máy chủ
và thiết bị mạng Đề tài này tập trung nghiên cứu giải pháp tối ưu năng lượng tiêu
thụ bởi các thiết bị mạng bằng việc xây dựng một hệ thống điều khiển thông minh
linh động điều chỉnh số lượng các thiết bị mạng hoạt động tỷ lệ với tổng lưu lượng
đi qua trung tâm dữ liệu. Bằng cách tắt bật các switch khi lưu lượng thay đổi kết

Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
MỤC LỤC
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh
Tiếng Việt
VMs Virtual Machines Máy ảo
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
Switch Chuyển mạch
Router Bộ định tuyến
Core Lõi
Aggregation Tích hợp
Edge Biên
NAT Network Address Translation Chuyển đổi địa chỉ mạng
IP Internet Protocol Giao thức Internet
SSL Secure Socket Layer
VLAN Virtual Local Arena Network Mạng cục bộ ảo
TLS Transport Layer Security
D-ITG Distributed Internet Traffic Generator Bộ phát lưu lượng
ECMP Equal Cost Multi Path Đa đường cân bằng tải
MAC Media Access Control Giao thức điều khiển truy nhập
PMAC Pseudo Media Address Control Địa chỉ MAC giả
IT Information Technology Công nghệ thông tin

Để thực hiện đề tài, trước tiên tác giả đi vào tìm hiểu các kiến trúc điển hình của
mạng trung tâm dữ liệu đặc biệt là các kiểu kiến trúc nâng cao như Fattree, Elastic
Tree, các mô hình lưu lượng trong trung tâm dữ liệu, đặc điểm lưu lượng trong các
trung tâm dữ liệu. Bước tiếp theo là nghiên cứu các thuật toán tối ưu phù hợp.Cuối
cùng đưa ra phương pháp thực hiện là: tiến hành tối ưu hóa đồ hình mạng dựa vào
lưu lượng chảy bên trong mạng, sau đó thay đổi dung lượng đường liên kết kết hợp
với chuyển các switch không cần thiết sang trạng thái ngủ hoặc tắt để tiết kiệm năng
lượng.
Hiện tại tác giả đã cùng với nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển hệ thống Testbed
mô phỏng dựa trên các công cụ giả lập mạng (Mininet), công cụ điều khiển các
switch Openflow NOX, bộ phát lưu lượng D-ITG trên nền tảng các switch hỗ trợ
công nghệ Openflow. Đóng góp chính của tác giả trong đề tài này là áp dụng thuật
toán thích ứng trạng thái đường liên kết (Link State Adaptive) thay đổi tốc độ
đường liên kết nhằm tiết kiệm năng lượng.
Cấu trúc của đồ án
 Chương 1: Trình bày lý thuyết tổng quan về trung tâm dữ liệu các đặc điểm
của lưu lượng, mô hình lưu lượng trong các trung tâm dữ liệu và mô hinh
năng lượng tiêu thụ của swich. Cuối chương đề cập đến một số phương pháp
tiết kiệm năng lượng trong trung tâm dữ liệu.
 Chương 2: Giới thiệu các công cụ, phần mềm được sử dụng để thực hiện đồ
án, chức năng chính và vai trò của chúng.
 Chương 3: Trình bày tổng quan về mô hình hệ thống mô phỏng, các thành
phần chính trong hệ thống đó. Trình bày chi tiết về việc thực hiện khối tối
ưu, các thuật toán sử dụng trong khối tối ưu và đưa ra mô hình đánh gia năng
lượng tiêu thụ rong trung tâm dữ liệu.
 Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng với các kích thước của trung tâm dữ
liệu khác nhau, đánh giá và so sánh kết quả đạt được với hệ thống trước đó,
cuối cùng đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 12
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang

mạng được đặt lên hàng đầu. Được cấu hình tối ưu và hỗ trợ khi một kết nối
bị hỏng với một thiết bị thì thiết bị vẫn hoạt động bình thường với kết nối
luôn ở tốc độ cao.
 Với hệ thống máy chủ có hiệu năng cực cao đáp ứng các ứng dụng chạy trên
nó với độ trễ nhỏ nhất, thời gian đáp ứng nhanh nhất, hỗ trợ nhiều ứng dụng
và cấu hình hoàn hảo giúp hệ thống chạy ổn định 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 không bị mất.
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 14
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
Hình 1.2 Mô hình tổng quát của trung tâm dữ liệu
1.2 Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu
Hiện nay có rất nhiều trung tâm dữ liệu có tuổi thọ từ 10- 15 năm, đã trở nên
lỗi thời khó có thể đáp ứng được các nhu cầu hiện nay, hơn nữa các trung tâm này
còn tiêu tốn rất nhiều năng lượng cao hơn gấp 2-3 lần so với các thiết bị IT hiện nay
cần. Nhu cầu mở rộng và thay thế bởi các trung tâm dữ liệu mới là điều tất yếu, đặc
biệt hướng tới việc xây dựng các trung tâm dữ liệu xanh, có khả năng đáp ứng cao,
tiêu thụ ít năng lượng và thân thiện với môi trường.Các trung tâm dữ liệu cũ có kiến
trúc mạng hạn hẹp đang phải đối mặt với các vấn đề như khả năng mở rộng kém,
khó quản lý, khả năng kết nối kém và bị giới hạn trong việc di chuyển các máy
ảo.Các kiểu kiến trúc cũ thường ở dạng Tree (dạng 2N), có từ 2 đến 3 tầng định
tuyến và chuyển mạch. Một kiến trúc 3 tầng bao gồm: tầng core là gốc của cây, tầng
aggregation ở giữa và tầng edge là lá của cây. Kiến trúc 2 tầng sẽ chỉ có corevà
aggregation.Với kiến trúc này thường thì các chuyển mạch tầng dưới chỉ hội tụ vào
một chuyển mạch ở tầng trên và sẽ gây ra mất mát lớn nếu chuyển mạch tầng trên
gặp phải sự cố.
Hình 1.3 bên dưới là một kiểu kiến trúc điển hình của trung tâm dữ liệu hiện
nay.Kiến trúc này được xây dựng với các tủ rack chứa các server, các rack liên kết

mây, doanh nghiệp và trong trường học [6, 7, 8]. Từ các kết quả nghiên cứu này ta
có thể rút ra những đặc điểm chung cho lưu lượng trong mạng trung tâm dữ liệu
như sau:
1.3.1 Đặc điểm ở mức giao tiếp mạng
1.3.1.1 Các luồng lưu lượng
 Gần 75% lưu lượng trong các trung tâm dữ liệu đám mây là chảy trong chính
rack mà nó được tạo ra. Điều này có thể lý giải là do trong các trung tâm dữ
liệu dạng đám mây đa phần là các dịch vụ Web phục vụ khách hàng và các
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
dịch vụ này tạo ra rất nhiều chảy qua nhiều server trong trung tâm dữ liệu.
Để tránh cho việc 1 rack chứa nhiều ứng dụng/dịch vụ, chính các nhà quản
trị đã thực hiện việc đưa các thành phần phụ thuộc vào cùng 1 rack và tạo
nên kết quả này.
 Đối với trung tâm dữ liệu trường đại học và trung tâm dữ liệu doanh nghiệp,
ít nhất 50% lưu lượng rời khỏi rack, khác hẳn so với mức 25% của các trung
tâm dữ liệu đám mây. Những trung tâm dữ liệu này chạy các ứng dụng phục
vụ người dùng như dịch vụ Web và server lưu trữ, có nhiều điểm tương tự
với các trung tâm dữ liệu đám mây, nhưng kết quả lại có sự khác biệt. Khả
năng có thể nghĩ đến chỉ đơn giản là do trong các trung tâm dữ liệu này, việc
tối ưu cho các dịch vụ phụ thuộc đã không được tốt như trong trung tâm dữ
liệu đám mây.
1.3.1.2 Hiệu suất sử dụng link
Hiệu suất sử dụng link được đánh giá từ các dữ liệu SNMP:
 Hiệu suất sử dụng trong lớp core và aggregation cao hơn lớp edge, nhận xét
này đúng với tất cả các loại trung tâm dữ liệu.
 Kết quả này là do số lượng link ở lớp core ít hơn số lượng link ở lớp edge và
dung lượng của link ở lớp core lớn hơn ở lớp aggregation và lớn hơn ở lớp
edge.
1.3.2 Đặc điểm ở mức giao tiếp ứng dụng

Phân bố chu kì OFF Phân bố chu kì ON Phán bố tỉ lệ
inter-arrival
PRV2
1
Lognormal Lognormal Lognormal
PRV2
2
Lognormal Lognormal Lognormal
PRV2
3
Lognormal Lognormal Lognormal
PRV2
4
Lognormal Lognormal Lognormal
EDU1 Lognormal Weibull Weibull
EDU2 Lognormal Weibull Weibull
EDU3 Lognormal Weibull Weibull
1.3.3 Đặc điểm lưu lượng trong trung tâm dữ liệu vừa và nhỏ
Sau khi thu thập và phân tích dữ liệu của lưu lượng trong các trung tâm dữ
liệu, chúng ta có thể đưa ra một mô hình lưu lượng phù hợp cho trung tâm dữ liệu
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
vừa và nhỏ. Các đặc điểm của mô hình lưu lượng này được trình bày trong bảng
sau:
Bảng 1.2 Phân bố tiến trình đến trong các loại trung tâm dữ liệu
Loại trung tâm
dữ liệu
Phân phối trong
giai đoạn ON
Phân phối

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 năng lượng tiêu thụ thật. Trong hai
bài báo [9,10], các tác giả đã mô hình, đo đạc công suất tiêu thụ của nhiều loại thiết
bị mạng và xây dựng mô hình dự đoán công suất tiêu thụ của bất kì switch/router
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
nào.Kết quả cho thấy cấu hình thiết bị và lưu lượng thông tin đi qua sẽ ảnh hưởng
đến công suất tiêu thụ của các thiết bị mạng. Phần này của đồ án sẽ trình bày một số
nội dung và kết quả thu được từ hai bài báo của cùng nhóm tác giả trên.
Mỗi một switch/router đều chứa nhiều thành phần cấu tạo khác nhau như: chassis,
linecard, TCAM, 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 port 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 port 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 port 1Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 24Gbps, hay cắm một

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 port cũng có thể ảnh hưởng
tới công suất tiêu thụ của port 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.
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
Dựa vào mô hình năng lượng tiêu thụ của các thiết bị mạng khác nhau, chúng ta có
thể xác định các thời điểm thích hợp để điều chỉnh hiệu quả công suất tiêu thụ của
các thiết bị này. Ví dụ, một port của switch sẽ bị tắt đi khi không có lưu lượng qua
nó hay linh động điều chỉnh công suất tiêu thụ của một port dựa vào tải nó phải xử
lý. Do công suất tiêu thụ của một port phụ thuộc vào tốc độ hoạt động của nó, việc
tiết kiệm năng lượng sẽ phụ thuộc vào lưu lượng port đó phải xử lý. Trong trường
hợp các thiết bị có nhiều linecard, khi không có lưu lượng đi qua các port của một
linecard, toàn bộ linecard đó sẽ được tắt đi để tiết kiệm năng lượng.Cuối cùng, hiệu
quả tiết kiệm năng lượng cao nhất đạt được khi tắt hoàn toàn một switch nếu không
có lưu lượng qua nó.
Bảng sau thể hiện công suất tiêu thụ của switch với các cấu hình khác nhau.
Bảng 1.4 Công suất tiêu thụ của switch
Cấu hình Rack Switch Switch tầng 2
Power
chassis
146 54
Power
linecard
0 39
Power
10Mbps
(của một cổng) 0.12 0.42
Power

là công suất tiêu thụ của một port chạy ở tốc độ i.
• Numportsconfigsi là số port chạy ở tốc độ i.
• i: có thể có các giá trị 10Mbps, 100 Mbps hay 1Gbps.
Qua Bảng 1.4 ta thấy đối với Rack switch (các switch thường công suất xử
lý thấp, ít hơn 24 cổng), do các linecard được gắn cố định, không thay đổi được nên
công suất tiêu thụ của chassis chính là công suất tiêu thụ cơ bản và cố định của
switch khi switch được bật mà không xử lý bất cứ một lượng lưu lượng nào, công
suất tiêu thụ của linecard khi đó được bao gồm trong công suất tiêu thụ của chassis.
Mặt khác đối với các chuyển mạch tầng 2 có công suất xử lý cao hơn, số lượng các
linecard có thể thay đổi bằng cách cắm/rút các linecard vào/ra các slot, nên không
thể tính gộp vào công suất tiêu thụ của chassis. Trong trường hợp này, mỗi linecard
được cắm thêm vào, công suất tiêu thụ của switch sẽ tăng thêm 39W. Tuy nhiên,
trong cả hai trường hợp ta có thể thấy công suất tiêu thụ của các port trên switch
phụ thuộc vào cấu hình tốc độ hoạt động của các port đó. Tốc độ hoạt động tăng,
công suất tiêu thụ của port cũng tăng lên.
Ngoài ra, ta có thể quan sát thấy công suất tiêu thụ của chassis chiếm phần lớn công
suất tiêu thụ của switch, nên việc tắt các switch không sử dụng (không có lưu lượng
đi qua) sẽ mang lại lợi ích lớn nhất. Lấy ví dụ 1 switch thường 24 port, khi không
có lưu lượng đi qua sẽ tiêu thụ 146W, trong khi công suất tiêu thụ tối đa khi lượng
lưu lượng tối đa qua (mỗi port đặt ở tốc độ hoạt động 1Gbps), công suất tiêu thụ của
switch sẽ là: 146+0.87*24=167W. Nếu ta không tắt switch khi không có lưu lượng
đi qua, switch sẽ luôn tiêu thụ một lượng công suất nền rất lớn: 146W.
Nguyễn Văn Giang – KSTN – ĐTVT – K52 24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP | 2012 GVHD: PGS. TS. Nguyễn Văn Khang
Về lý tưởng, một switch không có tải đi qua sẽ không tiêu thụ năng lượng
(bằng cách tắt switch), và năng lượng sử dụng sẽ tăng lên theo lưu lượng thông tin
đi qua nó. Tiêu thụ năng lượng tỷ lệ với lượng tải cần xử lý là đặc tính được kỳ
vọng ở các switch trong tương lai. Ngoài ra, ta cũng có thể đặt switch vào các trạng
thái tiêu thụ năng lượng thấp như sleep, kết hợp với các kỹ thuật như Wake-on-
LAN (kỹ thuật được sử dụng trong LAN đối với mạng máy tính, dùng đánh thức