I HC BÁCH KHOA HÀ NI
VIN T VIN THÔNG
====o0o====

TT NGHI
 TÀI:
NGHIÊN CU GII PHÁP PHN CNG TIT
KING TRONG TRUNG TÂM
D LIU
Sinh viên thc hin

NGUYN DUY LINH


Lp KSTN- - K52
Ging dn
: TS TRN NGC LAN
TS. TRN MINH TRUNG
TS. NGUY

TS. TRN MINH TRUNG
TS. NGUY

:
 06-2012
B GIÁO DO

CNG HÒA XÃ HÔI CH T NAM
I HC BÁCH KHOA HÀ NI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIM V  ÁN TT NGHIP
H và tên sinh viên:  S hiu sinh viên: 20072451
Nguyn Duy Linh S hiu sinh viên: 20071721
 S hiu sinh viên: 20073425
Khoá: K52 Vin: n t - Vin thông Ngành: n t-Vin 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:






2. Nhn xét ca cán b phn bin:

Cán b phn bin
( Ký, ghi rõ h và tên )
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

i

LU

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

ii

 Thy giáo TS. Nguy
 Thy giáo TS. Phm Ngc Nam
 Thy giáo PGS.TS. Nguyn Hu Thanh
 
 Các bn K51, K52, K53 trong nhóm OpenFlow
 Tp th lp KSTN--K52
 Vin n T - Vii
 Cùng toàn th n bè
 và to mu kin thun li cho tác gi trong quá trình nghiên cu.
 c thc hin trong khuôn kh ca d 
th ca m   d liu d     ng (ECODANE 
PGS.TS. Nguyn Hu Thanh ch trì.
Sinh viên thực hiện: 
NGUYN DUY LINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

iii

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.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

v

MC LC
 i
 iii
ABSTRACT iv
 v


2.2.1  24
2.2.2  26
2.2.3  30
2.2.4  34
2.3  38

 39
3.1  39
3.2 NOX controller 40
3.3  44
3.3.1  44
3.3.2  49
3.3.3  50
3.3.4  52
3.4  55
 56
4.1   56
4.2  57
4.3  58
4.3.1  58
4.3.2  59
4.3.3  61
4.3.4  62
4.3.5  62
4.4  64
4.4.1  64
4.4.2  67
4.4.3  68
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6.3.2  105
6.3.3  105
6.4  105
 107
 108
 110
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

viii

 110
 114 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

ix

DANH MC HÌNH V
Hình 1.1  8

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

x

ng link state 73
ng Switch state 74
ng Line Card state 76
 thut toán ca OSC 77
 h thng clock ca chuyn mch OpenFlow 83
 v ng ca CC trong nf2_top 85
 khi CC trong user data path 86
 ghép ni CC vi các khi khác trong user data path 87
 khi thit k ca CC 88
 mn 90
 h thng b u khin và b chuyn mch OpenFlow 91
 h thng Testbed cho OSC 99
Hình 6.2 H thng Testbed thc t cho OSC 99
 h thng testbed cho chuyn mch OpenFlow mi 104
Hình 6.4 H thng testbed chuyn mch OpenFlow trong thc t 104
 kt ni chuyn mch - NIC cho h thng testbed 105 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2012
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

2012NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

1

PHN M U
 án này, tác gi s tp trung gii quyt các v chính sau: Mô t
cu trúc ca chuyn mch OpenFlow; xây dng mng OpenFlow trên nn tng
NetFPGA; các gii pháp tit king cho các b chuyn mch OpenFlow;
c trên thc t .
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:
 : Nêu thc trng v v ng trong các trung tâm d liu
và gii pháp s dng mng OpenFlow c hin.
 : Tìm hiu mt cách tng quát công ngh mch t hp FPGA, v
b chuyn mch OpenFlow trên nn tng phn cng N
do Nguyc hin.
Phần “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng trên thực tế” gồm ba chương:
  : Trin khai h thng mng OpenFlow trên nn tng NetFPGA
trong thc t phòng thí nghim do Nguyn Duy Linh thc
hin.
 : Thit k b u khin chuyn mch OpenFlow da trên thc t
h thc
hin.
 : Thit k chuyn mch OpenFlow tit king và thc
hin trên các b chuyn mch thc t n khai.
Phần “Đo đạc, kiểm thử và đánh giá kết quả đạt đươc” gồm một chương:
 : Trin khai h thng mi vi các thit b c tc và

Các switch và router hin ti không cho ta bi các thông s 
ng tiêu th ca chúng. Datasheet ca các thit b này ch cho bit giá tr công
sut hong t Giá tr   hing tiêu th
tht ca các thit b mng tiêu th tht s ca các switch/router ph
thuc vào rt nhiu yu t u hình ca thit b ng ti mà thit b cn x
 da vào công sut tiêu th t không th c
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

3

ng tiêu th tht. Cu hình thit b         nh
n công sut tiêu th ca các thit b mng.
Mi mu cha nhiu thành phn cu t 
chassis, linecard, TCAM (Ternary Content Addressable Memory), RAM, processor,
qum mt chassis (có th hiu là b khung ca
switch) cha các slot cm các linecard, mi linecard cha nhiu port (cng mng)
chính là các cng giao tip ca switch/router vi các switch/router khác hoc vi
các máy tính khác. Vi ng tiêu th ca tt c các thành phn
trong switch mt cách toàn din r thc hiu t quan
trng n công sut tiêu th ca switch/router:
 Công sut tiêu th ca chassis: Các switch hia mt chassis
và mt s ng c nh các khe c ci
vi các switch hi     thông vi 24 cng tr
xuc gn c nh, không th i. Trong c
hai ng hp, công sut tiêu th n ca chassis là tng công sut tiêu
th ca mt s thành phn khác nhau c    t,

d ng hp công sut x lý ta mt cng là 100Mbps, thông
ng d licng u sut s dng ca cng
lization) là 10%. Ph thuc vào hiu sut s dng ca cng
mà ta có th thit lp các giá tr công sut x lý ta cng t cách
phù hp. Ví d, nu mt cng phi x 
thit lp công sut x lý ta switch là  có hiu qu s
dng mt cách tt nht.
 TCAM: hu ht các switch thc hin vic phân loi packet trên phn cng và
hu ht các nhà sn xut s d thc hin chi
gian x lý tìm kim ca TCAM là rt nhanh. Tuy nhiên, TCAM tiêu th mt
ng công sut l
nhau.
 Firmware: các nhà sn xut cp nhnh
k. Các phiên b ng ti công sut
tiêu th ca switch/router.
          i cng    nh
ng ti công sut tiêu th ca cng   c tính quan trng nht c 
ng ca mc mi gói tin và khong thi gian gia hai gói tin
liên tip.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

5

Bng 1.1: Công sut tiêu th ca switch  các cu hình khác nhau
Cofiguration

là công sut tiêu th ca switch  tr 
qua, tuy nhiên switch v trng thái bt (idle).


là công sut tiêu th ca mng qua nó.
Nói cách khác, các cng ca line card không phi x lý bt c ng nào.


là s linecard ca switch




là công sut tiêu th ca mt cng chy  t i.



là s cng chy  t i.
i: có th có các giá tr 10Mbps, 100 Mbps hay 1Gbps.
Qua Bng 1.1 [2] ta thi vng công sut
x lý thc gn c c
nên công sut tiêu th ca chassis chính là công sut tiêu th n và c nh ca
c bt mà không x lý bt c mng nào, công
sut tiêu th cc bao gm trong công sut tiêu th ca chassis.
Mi vi các chuyn mch tng hai có công sut x  ng
các linecard có th  i bng cách cm/rút các linecard vào/ra các slot, nên
không th tính gp vào công sut tiêu th cng hp này, mi
c cm thêm vào, công sut tiêu th ca switch s  39W. Tuy
nhiên, trong c ng hp ta có th thy công sut tiêu th ca các cng trên
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ng ca các nhà cung cp dch v. Mt trong s nhng tính
toán quan trng dn ti yêu c mt mô hình mng mi bao
gm:
 S ng.
 i dùng CNTT (Công ngh thông tin).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

7

 S phát trin ca các dch v .
  liu lu nhi.
1.2.2 Mc tiêu ca mng OpenFlow
 ng yêu cu th ng hin nay là h    vi kin trúc
mng truyn thngi mt vi ngân sách i hoc gim, các doanh nghip
ngành CNTT  gng  tn dng t ng ca h co th 
ng bng cách s dng các công c qun lý  mc thit b và các quy trình th
công. Các hãng cung cp dch v phi mt vi nhng thách thc 
 yêu cu v s bùng n , li nhun  b xói
mòn bi chi phí vn cho thit b leo thang và doanh thu không tang hoc suy gim.
Kin trúc mng hin ti c thit k  ng các yêu cu ngày nay ca
i s dng, doanh nghip, và nhà cung cp dch v, nhng hn ch ca mng
hin ti bao gm:
  phc tp cao gây tc nghn
 Chính sng nht
 Kh 
 Ph thuc vào nhà cung cp thit b

ngàn dòng cu hình phân tán trong s hàng ngàn các thit b m. Ngoài ra,
tn dc tp trung trong ti b u khin SDN, i qun tr
có th i hong mng theo thi gian thc, trin khai các ng dng và dch
v mi mng trong vài gi hoc vài ngày, ch không còn là vài tun hoc vài tháng
 n nay. Bng cách thu thp tình trng ca mng trong các l u khin
(control layer), SDN cung cp cho nhà qun lý m
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1 NETFPGA GROUP-KSTN-ĐTVT-K52

9

cu hình, qun lý, bo mt, và tng thông qua các phn mm
t ng SDN.
a, các nhà qun lý có th t vii
ch i các nhà cung cp s n phm ca h kèm
theo các công c phn mc quyn .Ngoài vic trng hóa mng, kin trúc
SDN h tr mt tp hp các hàm API cho phép thc hin các dch v mng thông
ng, bao gnh tuyn, multicast, an ninh, kim soát truy cp, qu
thông, qun lý traffic, chng, dch v, t vi x , s
dng, và các hình thc qun lý chính sách, tùy chnh cho phù h
ng các mc tiêu kinh doanh. Ví d, kin  
thc thi chính sách nht quán mt cách d dàng cho c kt ni có dây và không dây
ng.
 y, SDN cho phép qun lý toàn b mng thông qua h thn
d ng b u
các API m  y vic qup, m ra cánh ca cho các tính
 tài nguyên theo yêu cu, self-service provisioning, mng o hóa thc