TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

====o0o====




 !"#$#%
&' 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Sinh viên thực hiện : LÊ THÁI HƯNG
NGUYỄN DUY LINH
LÊ ANH VĂN
Lớp KSTN- ĐTVT- K52
Giảng viên hướng dẫn : TS TRẦN NGỌC LAN
TS. TRẦN MINH TRUNG
TS. NGUYỄN XUÂN DŨNG
()*+, /,0/

====o0o====




 !"#$#%
&' 
BỘ
GI
ÁO
DỤ
C

…………………………………………………………………………………………………………… ………
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: EFGH67IJ K6
EFGH6*63G;67
EF7;<=6L;M6&N67
6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7 Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm B> môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và n>p đồ <n tốt nghiệp ngày th<ng năm
46O)P3Q6O*A6
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

RSLT
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Kho<:

mọi người trong xã h>i. Do đó m>t điều tất yếu là số lượng c<c thiết bị chuyển
mạch để kết nối c<c m<y chủ lại với nhau cũng phải tăng lên. Điều này làm cho nhu
cầu về điện năng tiêu thụ bởi c<c trung tâm dữ liệu ngày càng tăng lên tỉ lệ với kích
thước của c<c trung tâm này. Và bài to<n được đặt ra cho c<c nhà nghiên cứu và c<c
nhà ph<t triển là làm sao có thể giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ của c<c trung
tâm dữ liệu này mà khả năng xử lý thông tin vẫn được đảm bảo. Từ yêu cầu thực tế
trên, nhóm t<c giả đã nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị điểu khiển giúp tiết
kiệm năng lượng cho c<c b> chuyển mạch trong trung tâm dữ liệu và cũng đã chế
tạo thành công c<c b> chuyển mạch có khả năng tự tiết kiệm năng lượng. Những kết
quả đạt được đã và đang mở ra m>t hướng đi mới rất khả thi cho việc ph<t triển, sản
xuất đại trà c<c thiết bị mạng tiết kiệm năng lượng cũng như giúp c<c 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 m>t thời gian lao đ>ng miệt mài, nhóm t<c giả đã hoàn thành đồ <n với
đề tài:“73*26J_;7*Q*P34PP3H6J_67B*VBW*A`6?67a5b67J3cJ4JBG;67
BM`Uda*A;”
Nhờ những cố gắng không ngừng, t<c giả đã gặt h<i được m>t số kết quả
nhất định. Mặc dù vậy, do thời gian có hạn nên m>t số ý tưởng vẫn chưa được thực
hiện và kết quả nghiên cứu không tr<nh khỏi m>t vài sai sót nhỏ. Vì vậy, t<c giả rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của c<c thầy cô gi<o và bạn bè.
T<c giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới:
 Cô gi<o TS. Trần Ngọc Lan
 Thầy gi<o TS. Trần Minh Trung
 Thầy gi<o TS. Nguyễn Xuân Dũng
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Thầy gi<o TS. Phạm Ngọc Nam
 Thầy gi<o PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh
 Cô gi<o TS. Trương Thu Hương

trong khuôn khổ dự <n ECODANE[1]. C<c kết quả được trình bày trong đồ <n này
có thể được sử dụng bởi c<c nhà sản xuất chuyển mạch OpenFlow hoặc những nhà
nghiên cứu về năng lượng tiêu thụ của c<c thiết bị mạng.
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
7
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
>RE#>
“#umuKJ3*673KGUvKGumca;B*c6wcGu6uG7<mKx*67*6&KBKJu6BuGm”
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
8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1 1
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
&>1yz
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

mềm
SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh
VCD Value Change Dump Phần mở rộng của file mô
phỏng
NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52
12
|
Trong đồ <n này, t<c giả sẽ tập trung giải quyết c<c vấn đề chính sau: Mô tả
cấu trúc của chuyển mạch OpenFlow; xây dựng mạng OpenFlow trên nền tảng
NetFPGA; c<c giải ph<p tiết kiệm năng lượng cho c<c b> chuyển mạch OpenFlow;
đo đạc trên thực tế và đ<nh gi< từng phương ph<p.
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:
 35l670: Nêu thực trạng về vấn đề năng lượng trong c<c trung tâm dữ liệu
và giải ph<p sử dụng mạng OpenFlow do Lê Anh Văn thực hiện.
 35l67/: Tìm hiểu m>t c<ch tổng qu<t công nghệ mạch tổ hợp FPGA, về
b> chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng phần cứng NetFPGA. Chương này
do Nguyễn Duy Linh và Lê Th<i Hưng thực hiện.
Phần “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trên thực tế” gồm ba
chương:
 35l67@: Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền tảng NetFPGA
trong thực tế phòng thí nghiệm do Lê Th<i Hưng và Nguyễn Duy Linh thực
hiện.
 35l679: Thiết kế b> điều khiển chuyển mạch OpenFlow dựa trên thực tế
hệ thống đã triển khai. Chương này do Lê Th<i Hưng và Lê Anh Văn thực
hiện.
 35l67:: Thiết kế chuyển mạch OpenFlow tiết kiệm năng lượng và thực
hiện trên c<c b> chuyển mạch thực tế đã triển khai.
Phần “Đo đạc, kiểm thử và đánh giá kết quả đạt đươc” gồm một chương:

lý, do đó chỉ dựa vào công suất tiêu thụ tối đa sẽ không thể tính to<n chính x<c được
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 c<c thiết bị mạng.
Mỗi m>t switch/router đều chứa nhiều thành phần cấu tạo kh<c nhau như:
chassis, linecard, TCAM (Ternary Content Addressable Memory), RAM, processor,
quạt… M>t switch/router đặc trưng gồm m>t chassis (có thể hiểu là b> khung của
switch) chứa c<c slot cắm c<c linecard, mỗi linecard chứa nhiều port (cổng mạng)
chính là c<c cổng giao tiếp của switch/router với c<c switch/router kh<c hoặc với
c<c m<y tính kh<c. Việc đo thông số năng lượng tiêu thụ của tất cả c<c thành phần
trong switch m>t c<ch toàn diện rất khó để thực hiện. Dưới đây là c<c yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của switch/router:
• Công suất tiêu thụ của chassis: C<c switch hiệu năng cao chứa m>t chassis
và m>t số lượng cố định c<c khe cắm (slot) dùng để cắm c<c linecard. Đối
với c<c switch hiệu năng thấp hơn (c<c switch phổ thông với 24 cổng trở
xuống), c<c 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 m>t số thành phần kh<c nhau của switch như processor, quạt,
memory…
• Số lượng linecard: số lượng cổng của m>t linecard và tổng lưu lượng thông
tin mà nó có thể xử lý là có hạn. Cơ chế cắm và rút c<c linecard trên c<c khe
slot của switch cho phép c<c nhà quản lý mạng linh đ>ng cắm số lượng
linecard cần thiết linh đ>ng đ<p 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 m>t
linecard 24 cổng 1Gbps để có khả năng xử lý lưu lượng 24Gbps, hay cắm
m>t 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 c<c linecard) ở trạng th<i hoạt đ>ng (active). C<c cổng còn lại trên
switch được tắt đi thông qua giao diện câu lệnh hỗ trợ tắt bật đưa ra từ nhà
sản xuất.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
RQ670F0D67m;}BB*2;B3jJ\Kmv*BJ3nJ4JJ};3r63W34J63K;
cw*7;GKB*c6 #KJWmv*BJ3p*6€KBBmq *uG./mv*BJ3p*6€KBBmq
146 54
0
(include in chassis power)
39
0.12 0.42
0.18 0.48
0.87 0.9
là công suất tiêu thụ của switch ở trạng th<i không có lưu lượng đi qua, tuy nhiên
switch vẫn đang ở trạng th<i bật (idle).
là công suất tiêu thụ của m>t linecard khi không có lưu lượng qua nó. Nói c<ch
kh<c, c<c cổng của line card không phải xử lý bất cứ lượng lưu lượng nào.
là số linecard của switch

là công suất tiêu thụ của m>t cổng chạy ở tốc đ> i.
là số cổng chạy ở tốc đ> i.
i: có thể có c<c gi< trị 10Mbps, 100 Mbps hay 1Gbps.
Qua Bảng 1.1 [2] ta thấy đối với Rack switch (c<c switch thường công suất
xử lý thấp, ít hơn 24 cổng), do c<c 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 m>t lượng lưu lượng nào, công
suất tiêu thụ của linecard khi đó được bao gồm trong công suất tiêu thụ của chassis.
Mặt kh<c đối với c<c chuyển mạch tầng hai có công suất xử lý cao hơn, số lượng
c<c linecard có thể thay đổi bằng c<ch cắm/rút c<c linecard vào/ra c<c slot, nên
không thể tính g>p 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 c<c cổng trên
switch phụ thu>c vào cấu hình tốc đ> hoạt đ>ng của c<c cổng đó. Tốc đ> hoạt đ>ng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
0F/F/ jJB*2;J\K`k67$Pu6•acv
Đ<p ứng yêu cầu thị trường hiện nay là hầu như không thể với kiến trúc
mạng truyền thống. Đối mặt với ngân s<ch không đổi hoặc giảm, c<c doanh nghiệp
ngành CNTT đang cố gắng để tận dụng tối đa khả năng mà mạng của họ co thể đ<p
ứng bằng c<ch sử dụng c<c công cụ quản lý ờ mức thiết bị và c<c quy trình thủ
công. C<c hãng cung cấp dịch vụ cũng phải đối mặt với những th<ch thức tương tự
như yêu cầu về tính di đ>ng cũng như sự bùng nổ băng thông, lợi nhuận đang bị xói
mòn bởi chi phí vốn cho thiết bị leo thang và doanh thu không tang hoặc suy giảm.
Kiến trúc mạng hiện tại không được thiết kế để đ<p ứng c<c yêu cầu ngày nay của
người sử dụng, doanh nghiệp, và nhà cung cấp dịch vụ, những hạn chế của mạng
hiện tại bao gồm:
• Đ> phức tạp cao gây tắc nghẽn
• Chính s<ch không đồng nhất
• Khả năng quy mô kém
• Phụ thu>c vào nhà cung cấp thiết bị
Chính vì lý do trên, c<c nhà nghiên cứu đã đưa ra giải ph<p: Mạng điều khiển
bằng phần mềm (Software-Defined Networking)
Mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) là m>t kiến trúc mạng mới ph<t
triển trong thời gian gần đây, trong đó việc điều khiển mạng được t<ch rời khỏi việc
chuyển tiếp và có thể được lập trình. Kh<c với trước đây khi còn bị ràng bu>c chặt
chẽ trong từng thiết bị mạng đơn lẻ, điều khiển mạng sử dụng c<c thiết bị tính to<n
có thể truy cập (accessible computing device) cho phép cơ sở hạ tầng cơ bản được
trừu tượng hóa cho c<c ứng dụng và dịch vụ mạng, hay là c<c ứng dụng và dịch vụ
sẽ coi mạng như m>t thực thể hợp thống nhất.
Hình 1.1 mô tả kiến trúc luận lý của SDN[3]. Thông tin về mạng được tập
trung trong phần mềm điều khiển SDN có chức năng kiểm so<t toàn b> mạng. Kết
quả là, hình ảnh của mạng đối với c<c ứng dụng và c<c công cụ quản lý giống như
là m>t chuyển mạch luận lý đơn nhất. Với SDN, doanh nghiệp và ngưởi sử dụng có
thể điều hành toàn b> mạng từ m>t điểm luận lý duy nhất, không phụ thu>c vào nhà

năng phân bổ tài nguyên theo yêu cầu, self-service provisioning, mạng ảo hóa thực
sự, và c<c dịch vụ đ<m mây an toàn.
Như vậy, với c<c hàm API mở nằm giữa b> điều khiển SDN và c<c lớp ứng
dụng, c<c ứng dụng thực tế có thể hoạt đ>ng trên lớp trừu tượng của mạng,tận dụng
c<c dịch vụ và khả năng của mạng mà không bị ràng bu>c vào c<c chi tiết khi thực
hiện. SDN làm cho mạng không còn phải "application-aware" như là "application-
customized" và c<c ứng dụng cũng không cần thiết "network-aware" đến mức
"network-capability-aware". Kết quả là, từ việc tính to<n, lưu trữ, tài nguyên mạng
có thể được tối ưu hóa.
0F/F@ *KcB3_J$Pu6•acv
Giao thức OpenFlow là giao diện truyền thông đầu tiên được sử dụng giữa
lớp kiểm so<t và c<c lớp chuyển tiếp trong kiến trúc SDN. OpenFlow cho phép trực
tiếp truy cập và thao t<c trên phần chuyển mạch của c<c thiết bị mạng chẳng hạn
như chuyển mạchvà router, trong cả hai trường hợp luận lý và ảo. Chính sự thiếu
hụt của m>t giao diện mở cho phần chuyển mạch đã dẫn tới c<c đặc tính của c<c
thiết bị mạng bây giờ như: chia thành nhiều khối riêng biệt, đóng và giống như c<c
m<y mainframe. Thực tế hiện nay vẫn chưa xuất hiện m>t giao thức tiêu chuẩn nào
có cùng chức năng như giao thức OpenFlow,và sự ra đời m>t giao thức giống như
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
OpenFlow là cần thiết để chuyển công việc điều khiển mạng chuyển mạch lên c<c
phần mềm điều khiển tập trung hợp lý.
OpenFlow có thể được so s<nh với tập lệnh của CPU. Như thể hiện trên Hình
1.2 [3], giao thức này x<c định c<c thành phần cơ bản có thể được sử dụng bởi m>t
ứng dụng phần mềm bên ngoài để lập trình cho phần chuyển mạch của c<c thiết bị
mạng, điều này giống như tập lệnh của CPU với m>t hệ thống m<y tính.
r630F/…Ujx~BYPaA63J\K$Pu6•acv
C<c giao thức OpenFlow được thực hiện trên cả hai mặt của giao diện giữa
c<c thiết bị cơ sở hạ tầng mạng và phần mềm điều khiển SDN. OpenFlow sử dụng
kh<i niệm về c<c luồng (Flow) để x<c định lưu lượng truy cập mạng dựa trên quy
tắc được x<c định trước - có thể được lập trình cố định hay thay đổi trong phần

0F/F9 b*…J3J\K`k67E&UgKBG267*KcB3_J$Pu6•acv
Đối với doanh nghiệp và nhà cung cấp, công nghệ của mạng SDN dựa trên
OpenFlow cho phép c<c kĩ sư công nghệ thông tin giải quyết c<c vấn đề liên quan
tới băng thông cao, tính chất thay đổi của c<c ứng dụng ngày nay, chuyển đổi mạng
cho phù hợp với c<c yêu cầu làm việc luôn thay đổi, và làm giảm đ<ng kể đ> phức
tạp của hoạt đ>ng điều hành và quản lý mạng. C<c lợi ích mà doanh nghiệp và c<c
hãng có thể đạt được thông qua kiến trúc mạng SDN dựa trên OpenFlow bao gồm:
• YPBG;673†Kx*AJf*~;W3*ƒ6BGc67`D*BG5‡67`k67J\K63*~;63(
J;67J}P Phần mềm điều khiển có SDN thể kiểm so<t bất kỳ thiết bị mạng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1
hỗ trợ OpenFlow từ bất kỳ nhà cung cấp nào, bao gồm thiết bị chuyển mạch,
định tuyến và chuyển mạch ảo. Thay vì phải quản lý từng nhóm thiết bị từ
c<c nhà cung cấp riêng lẻ, nhà quản lý có thể sử dụng đồng b> c<c thiết bị và
c<c công cụ quản lý dựa trên SDN để nhanh chóng triển khai, cấu hình và
cập nhật c<c thiết bị trong toàn b> mạng.
• *Q`f)P3_JBkPB3D67ˆ;KBgf)673†K Mạng SDN dựa trên giao thức
OpenFlow cung cấp c<c công cụ (framework) giúp tự đ>ng hóa và quản lý
mạng m>t c<ch linh hoạt, điều này hỗ trợ nhà quản lý có thể ph<t triển c<c
công cụ giúp thực hiện c<c t<c vụ quản lý m>t c<ch tự đ>ng hóa thay vì tự
mình thực hiện như hiện tại. Những công cụ tự đ>ng hóa này sẽ làm giảm chi
phí hoạt đ>ng, tối thiểu sự bất ổn định trong mạng gây ra bởi lỗi trong việc
điều hành, và hỗ trợ c<c mô hình triển khai tự phục vụ (self-service
provisioning models). Ngoài ra, với mạng SDN, c<c ứng dụng dựa trên điện
to<n đ<m mây có thể được quản lý thông qua hệ thống triển khai và đồng b>
thông minh, giúp giảm thiểu hơn nữa chi phí vận hành đồng thời tăng tính
linh hoạt trong công việc.
• XJf)fh*`‚*JKc3l6 Sử dụng mạng SDN làm tăng khả năng đổi mới
trong công việc bằng c<ch cho phép nhà vận hành mạng có thể thực sự lập
trình và lập trình lại mạng theo thời gian thực để đ<p ứng nhu những yêu cầu
công việc đặc biệt và nhu cầu ph<t sinh của người sử dụng. Bằng c<ch ảo hóa

điều chỉnh đ> phân giải video cho phù hợp.
0F0 VBa;Y6J35l67
Tóm lại, c<c xu hướng mới như người sử dụng ngày càng ưa chu>ng tính di
đ>ng, ảo hóa m<y chủ, và yêu cầu đ<p ứng m>t c<ch nhanh chóng với điều kiện
kinh doanh luôn thay đổi đặt ra ngày nhiều yêu cầu lên hệ thống mạng, và rất nhiều
trong số đó kiến trúc mạng thông thường hiện nay không thể đảm đương
được. Mạng điều khiển bằng phần mềm cung cấp m>t kiến trúc mạng mới, năng
đ>ng, có khả năng thay đổi mạng xương sống truyền thống sang m>t nền tảng hứa
hẹn cung cấp dịch vụ phong phú hơn rất nhiều.
Tương lai của mạng sẽ dựa nhiều hơn và nhiều hơn nữa trên phần mềm, việc
này sẽ giúp đẩy nhanh tốc đ> đổi mới cho hệ thống mạng như nó đã từng xảy ra
trong lĩnh vực m<y tính và lưu trữ. SDN hứa hẹn sẽ biến đổi mạng cố định ngày
hôm nay thành nền tảng khả trình với khả năng phân bổ nguồn lực m>t c<ch năng