Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật các phương pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm trong môi trường điện toán đám mây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN MẠNH NAM CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN MẠNH NAM

CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM TRONG

MÔI TRƯỜNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY

SDN-BASED ENERGY-EFFICIENT NETWORKING IN CLOUD

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ……… Phản biện 3: ………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường

họp tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK HN

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

mở rộng để đáp ứng nhu cầu Internet, nhu cầu dịch vụ điện toán đám mâynhư Youtube, dropbox, mạng xã hội

Mặc dù quá trình xây dựng các hệ thống trung tâm dữ liệu phần nào đápứng tốt nhu cầu của người dùng và mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũngđẫn đến mặt trái của sự tiêu thụ điện năng, và dẫn tới những vấn đề sau:

- Đối với vấn đề môi trường: một lượng lớn khí thải carbon đang

được xả thải từ mảng công nghệ thông tin và truyền thông Theođánh giá của công ty Gartner, một công ty thứ ba có uy tín về việc

so sánh đánh giá công nghệ, lượng khí thải từ các trung tâm dữ liệuICT là rất lớn, chiếm khoảng 2% lượng khí thải CO2 toàn cầu

- Đối với vấn đề kinh tế: một lượng lớn năng lượng được tiêu thụ từ

các trung tâm dữ liệu dẫn tới giá thành của các sản phẩm, dịch vụcông nghệ thông tin và truyền thông tăng cao, điều này trực tiếpảnh hưởng tới giá thành của người sử dụng

Những khó khăn chính của vấn đề tiết kiệm năng lượng mạng trong môitrường điện toán đám mây được trình bày sau đây:

- Hệ thống mạng thiếu linh hoạt: trong môi trường mạng của các

trung tâm dữ liệu, rất khó để có thể thay đổi cấu hình, chính sáchhoạt động mạng Vì thế quản trị viên và các nhà khoa học gặp rất

nhiều khó khăn trong việc tối ưu hóa, áp dụng phương pháp tối ưuhóa năng lượng trong hệ thống mạng Bên cạnh đó, vẫn chưa cómột hệ thống quản lý năng lượng tập trung cho hệ thống mạng để

có thể quản lý tiêu thụ năng lượng mạng và điều khiển

- Mạng nhận thức năng lượng với các công nghệ trong môi trường điện toán đám mây: điện toán đám mây đang rất phát triển với rất

nhiều mô hình mới như: Hạ tầng như là một dịch vụ (IaaS), Nềntảng như là một dịch vụ (PaaS), Mạng như là một dịch vụ (NaaS).Với các dịch vụ cloud như vậy, các công nghệ ảo hóa như ảo hóamạng, ảo hóa trung tâm dữ liệu đóng vai trò quan trọng Qua đóchỉ ra được công việc xây dựng hệ thống nhận thức năng lượng làđiều cần thiết

2 Đóng góp của luận án

Hiện nay, công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN) [11] [12][13] đang nổi lên như một cuộc cách mạng về công nghệ mạng Công nghệSDN cho phép xây dựng hệ thống mạng mềm dẻo hơn và có khả năng điềukhiển linh hoạt bằng phần mềm Công nghệ SDN rất phù hợp để xây dựng

hệ thống mạng nhận thức năng lượng cùng với việc tích hợp với các côngnghệ như ảo hóa mạng, ảo hóa trung tâm dữ liệu Trong khuân khổ luận ánnày, NCS đề xuất các phương pháp tiết kiệm năng lượng mạng trong môitrường điện toán đám mây sử dụng công nghệ SDN Các đóng góp cụ thểnhư sau:

- Xây dựng hệ thống điều khiển năng lượng mạng tập trung dựa trênnền tảng công nghệ SDN Trên nền tảng hệ thống đó, NCS đề xuấthai giải thuật định tuyến nhận thức năng lượng và di trú máy chủnhằm tiết kiệm năng lượng

- Đề xuất xây dựng hệ thống ảo hóa mạng nhận thức năng lượng và

ảo hóa trung tâm dữ liệu nhận thức năng lượng trong môi trườngđiện toán đám mây Trên các hệ thống này, NCS đề xuất cácphương pháp nhúng mạng ảo nhận thức năng lượng và nhúng trungtâm dữ liệu nhận thức năng lượng

Các kết quả, đóng góp của NCS được công bố tại hai tạp chí quốc tế,sáu kỷ yếu hội thảo quốc tế và một kỷ yếu hội thảo trong nước

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY I.1 Phân loại các phương pháp tiết kiệm năng lượng

Hiện nay nhiều cách thức phân loại các phương pháp tiết kiệm nănglượng mạng, nhưng tổng hợp và đúc kết lại sẽ được phân chia theo những

loại sau: (1) re-engineering; (2) dynamic adaptation; và (3)

sleeping/standby [CITATION Bol11 \l 1033 ].

Table I.1: Các phương pháp tiets kiệm năng lượng[CITATION Bol11 \l 1033 ]

I.1.1 Re-Engineering

Hướng re-engineering tập trung vào việc phát triển các công nghệ tiếtkiệm năng lượng tập trung bên trong thiết bị mạng Các thiết kế vi mạchmới, công nghệ silicon mới (như: Application Specific Integrated Circuits(ASICs) [CITATION Bar07 \l 1033 ], Field Programmable Gate Arrays(FPGAs) [CITATION Józ09 \l 1033 ], v.v) và công nghệ bộ nhớ mới (như:Ternary Content-Addressable Memory (TCAM), v.v.)

I.1.2 Dynamic Adaptation – đáp ứng linh hoạt

Phương pháp đáp ứng linh hoạt tập trung vào việc tối ưu các modulebên trong thiết bị như tốc độ xử lý, khả năng tính toán để từ đó đưa ra cácmức xử lý khác nhau phù hợp với yêu cầu dữ liệu Có hai hướng nhỏ bên

trong này là: power scaling và idle logic

I.1.3 Sleeping/Standby

Đây là ý tưởng của việc cho một phần hoặc nhiều phần của một hệthống vào trạng thái “ngủ” hoặc tắt của thiết bị, nhằm tiết kiệm năng lượngtoàn bộ hệ thống Nói cách khác, phương pháp này tập trung trên diện rộngcủa toàn hệ thống mà không hướng tới riêng lẻ từng thiết bị

I.2 Công nghệ Mạng điều khiển bằng phần mềm - Software-defined Networking (SDN)

Công nghệ mạng điều khiển bằng phần mềm Software-definedNetworking (SDN) [11] [12] [13] là công nghệ mạng mới, cho phép táchphần control plane ra khỏi data plane Từ đó hệ thống mạng được quản lýtập trung, mềm hóa và có khả năng xử lý linh hoạt SDN cũng chính làcông nghệ nền tảng phát triển các công nghệ mạng khác như ảo hóa mạng,

ảo hóa trung tâm dữ liệu

I.3 Khó khăn trong tiết kiệm năng lượng mạng

Mặc dù vấn đề mạng tiết kiệm năng lượng không phải là vấn đề mới,tuy nhiên việc thực hiện các phương pháp tiết kiệm năng lượng vẫn gặp rấtnhiều khó khăn

- Khó khăn lớn nhất là việc hệ thống mạng không linh hoạt, mềmdẻo Từ đó không thể phát triên hệ thống mạng nhận thức nănglượng, dẫn đến việc đề xuất, nghiên cứu, phát triển các giải thuật,phương pháp tiết kiệm năng lượng mạng gặp rất nhiều hạn chế

- Các công nghệ chính trong hạ tầng điện toán đám mây như ảo hóamạng, ảo hóa trung tâm dữ liệu Tuy nhiên, các công nghệ này cònchưa có khả năng nhận thức năng lượng, vì vậy dẫn đến việc xâydựng các phương pháp tiết kiệm năng lượng cho các công nghệnày gặp nhiều khó khăn

Từ việc công nghệ SDN đang ngày càng phát triển, việc xây dựng hệthống mạng mềm dẻo càng trở lên khả thi hơn, đó chính là công nghệ lõi

để giải quyết các vướng mắc trên

CHƯƠNG II MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU NHẬN THỨC NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SDN

Từ những vấn đề nêu ở chương 1, NCS đề xuất xây dựng một hệthống điều khiển năng lượng tập trung của hệ thống mạng Hệ thống có khảnăng giám sát, tối ưu hóa đồ hình mạng (topology) và khả năng định tuyếnnhận thức năng lượng cho mạng trung tâm dữ liệu Trên cơ sở của hệ thốngnày, các giải thuật tiết kiệm năng lượng sẽ được đề xuất và triên khai Hệthống được đề xuất trong luận án với các đóng góp sau:

- Đề xuất một hệ thống điều khiển năng lượng cho mạng trung tâm

dữ liệu có các khả năng: (1) Theo dõi mức độ tiêu thụ năng lượngcũng như hiệu quả của nó; (2) kiểm soát các trạng thái làm việccủa các thiết bị trong hệ thống; và (3) thực hiện các phương phápđiều khiển/định tuyến/tối ưu nhằm tiết kiệm năng lượng

- Đề xuất một thuật toán định tuyến nâng cao nhận thức về nănglượng có hiệu quả với các thiết bị mạng khác nhau về tiết kiệmnăng lượng Thuật toán này định tuyến một yêu cầu lưu lượng dựatrên hồ sơ năng lượng của các thiết bị mạng và cũng dựa trên cáchtiếp cận mở rộng quy mô công suất

II.1 Hệ thống điều khiển năng lượng mạng trung tâm dữ liệu

II.1.1 Mô hình hóa năng lượng của thiết bị mạng

Có một vài phương pháp mô hình hóa dữ liệu, tuy nhiên đều có cácthông số khác nhau Vì vậy, trong luận án này, NCS đã đưa ra mô hìnhnăng lượng chung:

Pt sw= Pt st+ ∑

p ∈ ´P

nt p× Pp+ st× Pext (II.1)

Giá trị Pt sw thể hiện năng lượng tiêu thụ của thiết bị switch tại thời điểm

t; Pt st là năng lượng cơ bản; nt p là số lượng cổng (port) làm việc tại trạng

thái p còn Pp là năng lượng tiêu thụ của cổng tại trạng thái p; ´P là tập các

cổng tại trạng thái làm việc khác nhau của thiết bị mạng như idle, 10Mbps,

100Mbps, 1Gbps, 10Gbps, 40Gbps, 100Gbps Giá trị Pextlà năng lượngtiêu thụ mở rộng Ví dụ Pext là PFPGA-Core in case of Gigabit NetFPGA-based[CITATION Pha15 \l 1033 ]

II.1.2 Mô hình hóa năng lượng của mạng trung tâm dữ liệu.

Mô hình hóa năng lượng của toàn mạng trung tâm dữ liệu được tính làtổng năng lượng của các thiết bị mạng với các trạng thái hoạt động tươngứng Mô hình toàn mạng được biểu diễn như sau:

thống, bao gồm: khối monitoring, optimizer, routing và power control Hệ

thống PCS bản chất được mở rộng từ mô hình ElassticTree của Heller đềxuất [CITATION Hel12 \l 1033 ] Việc mở rộng được tiến hành cụ thể như

sau: (1) mở rộng khối power control, thay vì sử dụng giao thức SNMP

truyền thống thiếu linh hoạt, khối power control trong PCS cho phép hỗ trợcông nghệ SDN bằng việc hỗ trợ giao thức mở OpenFlow; (2) thêm khối

trức năng monitoring nhằm cung cấp khả năng giám sát hệ thống thời gian

thực

Openflow protocol SSL/TCP Openflow protocol

SSL/TCP

DATA CENTER NETWORK

(SDN switches, DCN topology, Device Power Profile)

Optimizer

Tối ưu hóa đồ hình dựa trên traffi c

thực và điều kiện năng lượng

SOFTWARE-DEFINED NETWORKING CONTROLLER

Figure II.1: Hệ thống điều khiển năng lượng mạng

Điều đó có nghĩa, với thiết bị Pronto nói trên, định tuyến dữ liệu qua 3cổng 100Mbps sẽ tiết kiệm năng lượng hơn qua 1 cổng 1Gbps Và đối vớiNetFPGA thì 9 cổng 100Mbps vẫn tiết kiệm năng lượng hơn 1 cổng1Gbps Từ đó, NCS đề xuất ý tưởng đối với các yêu cầu lưu lượng khácnhau, và đối với các thiết bị khác nhau, thì cách thức định tuyến cũng khácnhau để tiết kiệm năng lượng Ví dụ với yêu cầu 500Mbps, thì nên địnhtuyến qua 5 cổng 100Mbps sẽ tốt hơn trên NetFPGA, nhưng định tuyếnqua 1 cổng 1Gbps sẽ tiết kiệm năng lượng hơn với Pronto Từ đó, NCS đề

xuất tỉ số tiệu thụ năng lượng, R PCE, giữa các mức hoạt động khác nhau củacác thiết bị khác nhau Tỉ lệ này có thể giữa mức 10Gbps với 1Gbps, hoặcgiữa 1Gbps với 100Mbps Dưới đây là ví dụ:

II.1.4 Định tuyến nhận thức năng lượng - PSnEP

Dựa trên ý tưởng nêu trên và kết hợp với thuật toán power scaling, thuật

toán có phương thức định tuyến khác nhau ứng với mỗi mô hình nănglượng, yêu cầu lưu lượng và trạng thái của đồ hình mạng Khi được xâydựng trên thiết bị SDN controller, thuật toán cho phép xây dựng hệ thốngmềm dẻo Các hàm mục tiêu và rằng buộc như sau:

Hàm τ tính ra số cổng cần hoạt động ở mức tốc độ thấp tương ứng vớiyêu cầu lưu lượng: T ❑dem

src ↦dst

Sls

- T ❑dem s ↦d là lưu lượng từ nguồn tới đích

- Sls, Shs tốc độ khác nhau của port (lowspeed và highspeed)

ta có rằng buộc băng thông là số port tốc độ thấp cần bật phải nhỏ hơn tỉ

Với ràng buộc này, tất cả các switch mà lưu lượng định tuyến qua cần

phải được bật sẵn Trạng thái i th của thiết bị là statei, với 0 là tắt và 1 là

L ❑srt ↦dst là tập các link hoạt động ở tốc độ thấp có thể được địnhtuyến qua của thiết bị

Mỗi link thuộc L ❑i src ↦dst sẽ có tài nguyên băng thông còn lại là Cl

i, j src↦ dst

Vì vậy rằng buộc trên đảm bảo các link ở tốc độ thấp có thể được bật đểđịnh tuyến traffic theo yêu cầu

II.1.5 Đánh giá kết quả

Trong quá trình đánh giá, NCS sử dụng giá trị NU (network utilization),mức sử dụng mạng, để đánh giá mức độ tiêu thụ NU được tính là tổngbăng thông truyền qua mạng, trên tổng băng thông tối đa của hệ thống(tương ứng với tổng băng thông của server)

ij

i j

t NU

LinkSpeed Server link

Figure II.3: Mức tiết kiệm năng ượng của PSnEP so với PSNhư kết quả ở hình dưới, khi network utilization thay đổi, mức độ tiếtkiệm năng lượng của hệ thống cũng thay đổi theo Thuật toán đề xuấtPSnEP cho kết quả tiết kiệm năng lượng tốt hơn thuật toán phổ biến powerscaling

Bảng II.2: Tỉ lệ tiết kiệm năng lượng so giữa PSnEP và PS

Hình trên so sánh tỉ lệ tiết kiệm năng lượng giữa thuật toán PSnEP và

PS Kết quả cho thấy, NU càng tăng dẫn tới mức độ tiết kiệm năng lượngcủa cả 2 thuậ toán càng có xu hướng bằng nhau

II.2 Trung tâm dữ liệu xanh sử dụng hệ thống điều khiển năng lượng cho mạng và máy chủ

NETWORK Trạng thái các thiết bị mạng

bị mạng

MIGRATION

Di trú máy chủ tức thời

POWER CONTROL

NETWORK Trạng thái của Switch và cổng (on/off)

SERVER Trạng thái của server

Network Servers

OPTIMIZER

Thuật toán (Idle logic + Topology-aware live migration)

DATA CENTER NETWORK DEVICES AND SERVERS

CONFIGURING MONITORING

Figure II.5: Hệ thống điêu khiển năng lượng mở rộng

Các giải thuật và hệ thống được trình bày ở trên, phần 2.1 và 2.2, đãhoạt động tốt và tiết kiệm năng lượng mạng trong trung tâm dữ liệu Tuynhiên quá trình vận hành và thực thi thuật toán phụ thuộc và luồng dữ liệu.Bên cạnh đó, trong trung tâm dữ liệu, các máy ảo được phân bổ và di trúthường xuyên Việc di trú máy ảo cũng có tác động đến luồng dữ liệu(nguồn và đích), đồng thời tác động đến kết quả của định tuyến và tối ưu

đồ hình Vì vậy trong phần này, NCS đề xuất kết hợp cả phần điều khiểnmạng và điều khiển máy chủ vào Mô hình hệ thống đề xuất được biểu diễn

ở hình 2.5

II.2.1 Thuật toán di trú máy ảo nhận thức đồ hình

Các xu hướng di trú máy chủ được đề xuất như sau: (1) tối giản số máychủ vật lý đang chạy; và (2) giảm số lượng switch đang bật để đảm bảo kếtnối giữa các máy chủ vật lý Thuật toán được thể hiện như sau:

Thuật toán di trú máy ảo nhận thức đồ hình

1 Input: State ( Sw , Link , Sp( VM ) )

2 Begin

3 //Create a list of source server by increasing number of active servers,

4 Lsrc← sort ( Sp( VM ) , key=activeSer ,order =increasing )

5 //All the server with the same active VMs is re-sorted by near →middle

→ far

6

Lsrc← sort (Lsrc, key=neighbor , order=near →midd≤→ far)

7 //Create a list of destination server by decreasing number of activeservers

8 Ldst P ← Sort ( Sp( VM ) ,key =activeSer , order=decreasing )

II.2.2 Kết quả kiểm thử

Ở hình Figure II 6 và Figure II 7, tỉ lệ mức tiêu thụ năng lượng củathuật toán đề xuất với trường hợp fullmesh là rất lớn Đường màu xanh là tỉ

lệ tiêu thụ năng lượng mạng, đường màu đỏ là tỉ lệ tiêu thụ năng lượng củamáy chủ

Trong trường hợp khác, hình Figure II.8 và Figure II.9, NCS so sánh

thuật toán đề xuất với thuật toán Honeyguide [ CITATION Hir12 \l 1033 ],

một thuật toán di trú máy chủ Honeyguide dựa trên việc di trú máy chủ

trong đồ hình mạng fat-tree và dựa trên thuật toán first-fit.

Kết quả kiểm thử đều được đo với mạng Fat-tree với kích thức k = 8 và

k = 16, tương ứng hỗ trợ 128 máy chủ và 1026 máy chủ

Figure II.6: K=8, so sánh mức tiêu thụ

năng lượng với fullmesh

Figure II.7: K=16, so sánh mức tiêu thụ năng lượng với fullmesh

Figure II.8: K=8, so sánh với

sơ năng lượng của các thiết bị mạng ; và (2) Thuật toán di trú VM nhậnbiết topology di chuyển máy chủ với hai mục tiêu: (a) giảm thiểu số lượng