Một số thuật toán ảo hóa trung tâm dữ liệu hướng tới tiết kiệm năng lượng

Một số thuật toán ảo hóa trung tâm dữ liệu hướng tới tiết kiệm năng lượng Một số thuật toán ảo hóa trung tâm dữ liệu hướng tới tiết kiệm năng lượng Một số thuật toán ảo hóa trung tâm dữ liệu hướng tới tiết kiệm năng lượng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

HOÀNG TRUNG HIẾU

MỘT SỐ THUẬT TOÁN ẢO HÓA TRUNG TÂM DỮ LIỆU

HƯỚNG TỚI TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI NÓI ĐẦU v

DANH SÁCH KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ẢO HÓA VÀ ẢO HÓA MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU 5

1.1 Tổng quan về ảo hóa 5

1.1.1 Ảo hóa máy chủ 7

1.1.2 Ảo hóa lưu trữ 9

1.1.3 Ảo hóa mạng 11

1.1.4 Ảo hóa dịch vụ 12

1.2 Ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu 13

1.2.1 Động lực thúc đẩy ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu 13

1.2.2 Một số khái niệm trong ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu 14

1.2.2.1 Trung tâm dữ liệu (Data Center – DC) 14

1.2.2.2 Ảo hóa trung tâm dữ liệu 20

1.2.3 Một số dự án ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu 21

1.2.3.1 Trung tâm dữ liệu truyền thống 22

1.2.3.2 Diverter 23

1.2.3.3 NetLord 23

1.2.3.4 VICTOR 24

1.2.3.5 VL2 25

CHƯƠNG 2 VẤN ĐỀ NHÚNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU ẢO ĐẢM BẢO HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG 27

2.1 Hiệu quả năng lượng trong các trung tâm dữ liệu và điện toán đám mây 27

2.1.1 Hiện trạng sử dụng Internet và vấn đề hiệu quả năng lượng 27

2.1.2 Khó khăn trong bài toán tiết kiệm năng lượng trong ảo hóa mạng 28

2.1.3 Một số giải pháp tiết kiệm năng lượng hiện nay 29

2.2 Vấn đề nhúng trung tâm dữ liệu ảo (VDCE) 31

2.2.1 Tổng quan về nhúng trung tâm dữ liệu ảo 31

2.2.2 Một số thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo 33

2.3 Một số vấn đề trong việc cung cấp trung tâm dữ liệu ảo 37

2.3.1 Vấn đề di trú máy ảo và hợp nhất máy chủ 37

2.3.2 Nhúng VDC có cảm nhận năng lượng 38

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 41

3.1 Mục tiêu thiết kế, xây dựng thuật toán 41

3.2 Mô hình trung tâm dữ liệu 41

3.2.1 Cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu vật lý 41

3.2.2 Yêu cầu trung tâm dữ liệu ảo (VDCR) 42

3.2.3 Vấn đề nhúng VDC 42

3.3 Mô hình năng lượng của các thành phần trong DC 42

3.3.1 Mô hình năng lượng của thiết bị mạng 42

3.3.2 Mô hình năng lượng của máy chủ vật lý 43

3.3.3 Chi phí di trú máy ảo 43

3.4 Mô hình hóa bài toán hiệu quả năng lượng 44

3.5 Thuật toán nhúng VDC nhận thức năng lượng 45

3.6 Xây dựng các chiến lược di trú máy ảo 50

3.6.1 Di trú một phần (Partial Migration – PM) 51

3.6.2 Di trú tại thời điểm đến (Migration on Arrival – MoA) 52

3.6.3 Di trú toàn bộ (Full Migration – FM) 53

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 54

4.1 Kịch bản mô phỏng 54

4.2 Đánh giá kết quả 56

4.2.1 Ảnh hưởng của sự phân mảnh tài nguyên tới hiệu năng hệ thống 56

4.2.2 Hiệu quả về tài nguyên 57

4.2.3 Hiệu quả về năng lượng 59

4.2.4 Độ phức tạp 60

4.2.5 Đánh giá chung 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 63

DANH SÁCH CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu

của tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết quả trình bày

trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình

nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ theo

đúng quy định

Tác giả Hoàng Trung Hiếu

LỜI NÓI ĐẦU

Điện toán đám mây đang ngày càng trở nên quan trọng vì nó hỗ trợ các mô hình kinh doanh mới như cung cấp hạ tầng-như-một-dịch vụ, nền tảng-như-một-dịch vụ, phần mềm-như-một-dịch vụ Khi số lượng nhà cung cấp dịch vụ cloud tăng lên, đặt

ra các yêu cầu cần có một giải pháp tối ưu hóa tài nguyên cũng như tiết kiệm về chi phí đầu tư và chi phí vận hành Việc cung cấp một cách linh động các trung tâm dữ liệu ảo dựa trên trung tâm dữ liệu vật lý là một trong những giải pháp giải quyết vấn

đề đó Tuy nhiên, một thách thức lớn của ảo hóa mạng trong trung tâm dữ liệu đó là vấn đề nhúng trung tâm dữ liệu ảo là một bài toán NP-hard Vì lý do này, các nghiên cứu hiện nay hầu hết theo các phương pháp heuristic và meta-heuristic và mới chỉ có một số ít các nghiên cứu giải quyết bài toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo (VDC) trong

đó có xem xét đến hiệu quả năng lượng Chính vì vậy, trong đề tài này tác giả tập trung giải quyết bài toán làm thế nào để nhúng các VDC một cách hiệu quả về năng lượng và tài nguyên dưới các điều kiện phân bố động các tài nguyên mạng trong đó các yêu cầu về VDC tới và rời khỏi hệ thống một cách liên tục Trong luận văn đề xuất các chiến lược hợp nhất máy chủ và di trú máy ảo kết hợp với thuật toán nhúng VDC heuristic có cảm nhận năng lượng như một lời giải cho bài toán trên Các kết quả đánh giá cho thấy các chiến lược được đề xuất vượt trội hơn về hiệu quả sử dụng tài nguyên và tiết kiệm năng lượng so với các phương pháp hiện có và có thể vẫn giữ

độ phức tạp của hệ thống ở mức chấp nhận được

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh đã tận tình hướng dẫn,

và chỉ bảo trong thời gian làm luận văn, Thầy đã tạo điều kiện và cung cấp môi trường nghiên cứu giúp em hoàn thành luận văn này Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS Trần Mạnh Nam và KS Nguyễn Tiến Mạnh của phòng Lab Future Internet, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giúp đỡ em hoàn thành nghiên cứu cũng như luận văn này

Tác giả Hoàng Trung Hiếu

DANH SÁCH KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

Protocol

Giao thức cấu hình động máy chủ

FIB Forwarding Information Base Cơ sở thông tin định tuyến

Embedding

Thuật toán nhúng VDC có cảm nhận về năng lượng IaaS Infrastructure-as-a-Service Hạ tầng-như-một-dịch vụ

Internet

RAID Redundant Arrays of

Independent Disks

Mảng ổ cứng dự phòng độc lập

mềm

Embedding

Nhúng trung tâm dữ liệu ảo

VDCR Virtual Data Center Request Yêu cầu trung tâm dữ liệu ảo

Network

Mạng cục bộ ảo

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số loại ảo hóa 6

Hình 1.2 Sự khác nhau giữa máy chủ vật lý được ảo hóa và máy chủ vật lý thường 7 Hình 1.3 Sự khác nhau giữa ảo hóa phần mềm và ảo hóa phần cứng 8

Hình 1.4 Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu 15

Hình 1.5 Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu Three-tier 16

Hình 1.6 Đồ hình Fat-tree với k = 4 17

Hình 1.7 Kiến trúc Dcell 19

Hình 1.8 Ảo hóa trung tâm dữ liệu 20

Hình 1.9 Kiến trúc NetLord 23

Hình 2.1 Nhúng VDC trên DC vật lý 32

Hình 2.2 Sự khác nhau giữa nhúng VDC tĩnh và nhúng VDC động 34

Hình 2.3 Tính chất tỷ lệ năng lượng của các DC nhận biết năng lượng 39

Hình 3.1 Đồ hình Fat-tree với cây MST 46

Hình 3.2 Hoạt động của thuật toán HEA-E 49

Hình 4.1 Sự biến thiến hiệu suất sử dụng hệ thống - SecondNet 56

Hình 4.2 Hiệu suất sử dụng hệ thống 58

Hình 4.3 Tỷ lệ chấp nhận của các chiến lược di trú 58

Hình 4.4 Tổng năng lượng tiêu thụ của DC 59

Hình 4.5 Năng lượng tiêu thụ trung bình để phục vụ một VDC 60

Hình 4.6 Số lần di chuyển máy ảo của các chiến lược di trú 61

Hình 4.7 So sánh các chiến lược di trú – nhúng VDC 62

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Phân loại trung tâm dữ liệu theo tiểu chuẩn TIA-942 15

Bảng 2.1: Số lượng người sử dụng Internet trên toàn thế giới 27

Bảng 2.2: Ý tưởng thuật toán GreenHead và SecondNet 37

Bảng 4.1: Năng lượng tiêu thụ của switch HP Enterprise 24 cổng 54

Bảng 4.2: Năng lượng tiêu thụ của máy chủ vật lý 55

Bảng 4.3: Độ lệch chuẩn hiệu suất sử dụng hệ thống 57

mềm-như-vụ đám mây thường xây dựng trung tâm dữ liệu của họ như một cơ sở hạ tầng để thực hiện và cung cấp các dịch vụ cloud Trong mô hình cung cấp mạng lưới-như-một-dịch vụ (Network-as-a-Service - NaaS) [1], nhà cung cấp dịch vụ có thể tách thành hai vai trò mới Vai trò thứ nhất là nhà cung cấp cơ sở hạ tầng (Infrastructure Provider

- InP) chịu trách nhiệm triển khai, bảo trì, bảo dưỡng cơ sở hạ tầng mạng Vai trò thứ hai là nhà cung cấp dịch vụ (Service Provider - SP) chịu trách nhiệm triển khai các dịch vụ end-to-end Trong mô hình NaaS, các nhà cung cấp dịch vụ đám mây có thể

sử dụng trung tâm dữ liệu của các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng (bên thứ 3) Cũng từ đây khái niệm ảo hóa trung tâm dữ liệu ra đời, đây là một khái niệm của ảo hóa mạng (Network Virtualization - NV) cho phép tạo ra nhiều trung tâm dữ liệu ảo (Virtual Data Center - VDC) riêng biệt trên trung tâm dữ liệu vật lý (Physical Data Center - PDC) Việc tạo ra các VDC trên hạ tầng đám mây vật lý có một số ưu điểm:

Hình 1 Mô hình đám mây truyền thống và mô hình mạng lưới-như-một-dịch vụ

- Tiết kiệm chi phí: Ảo hóa trung tâm dữ liệu cho phép giảm chi phí đầu tư

(CAPEX) và chi phí vận hành (OPEX) vì một vài nhà cung cấp dịch vụ cloud

có thể sử dụng chung một trung tâm dữ liệu vật lý của một nhà cung cấp cơ

sở hạ tầng

- Tính linh hoạt, hiệu quả tài nguyên và linh động: VDC có thể được cung cấp

động theo nhu cầu dựa trên các yêu cầu dịch vụ, tính mở rộng, thời gian tồn tại và các tài nguyên được yêu cầu Nó cũng có thể được mở rộng và thu hẹp

và có thể sử dụng mô hình giá “dùng bao nhiêu trả bấy nhiêu” cho khách hàng

- Tiết kiệm năng lượng: Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng năng lượng

tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu tác động đáng kể đến chi phí vận hành [2, 3] Một phần nguyên nhân dẫn đến năng lượng lớn được tiêu thụ trong trung tâm

dữ liệu ngày nay là do các tài nguyên mạng như switch, đường truyền kết nối

và máy chủ được cung cấp nhiều hơn so với yêu cầu để đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy Bằng cách mở rộng tăng hoặc giảm linh động các VDC thay vì duy trì số lượng máy chủ vật lý cố định, tình trạng tài nguyên được cấp không được sử dụng có thể tránh được dẫn tới việc sử dụng năng

lượng trong trung tâm dữ liệu hiệu quả hơn

Thách thức chính của ảo hóa mạng trong trung tâm dữ liệu là bài toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo (VDC Embedding - VDCE) vì giải bài toán VDCE là NP-hard

Vì lý do này, các nghiên cứu hiện nay hầu hết theo các phương pháp heuristic và meta-heuristic Mặc dù bài toán nhúng mạng ảo đã được nghiên cứu tương đối tốt về mặt lý thuyết, nhưng mới chỉ có một số ít các nghiên cứu giải quyết bài toán nhúng VDC trong đó có xem xét đến hiệu quả năng lượng Các giải pháp hiện có chưa quản

lý việc phân bổ tài nguyên cho các VDC một cách hiệu quả và linh hoạt, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ bởi các thiết bị vật lý cũng chưa được chú trọng Chính vì vậy, trong đề tài này tác giả tập trung vào ảo hóa trung tâm dữ liệu với mục tiêu cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua việc xây dựng các thuật toán nhúng VDC hiệu quả

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả thực hiện mô hình hóa bài toán nhúng VDC, nghiên cứu, tìm hiểu thuật toán nhúng VDC có cảm nhận năng lượng được đề xuất

trong [4] Sau đó, tác giả đề xuất các chiến lược di trú và thực hiện mô phỏng để đánh giá kết quả của các chiến lược đề ra

Trong báo cáo này, tác giả đề xuất các chiến lược tái ánh xạ và hợp nhất máy chủ tích hợp vào thuật toán nhúng VDC đã nghiên cứu để có thể giải quyết được bài toán ánh xạ động VDC, nâng cao hiệu quả của việc ánh xạ Các chiến lược này bao gồm: (1) di trú một phần (Partial Migration - PM) cố gắng để hợp nhất một số máy chủ đang trong trạng thái tài nguyên chưa được sử dụng sau khi một VDC rời khỏi hệ thống; (2) di trú tại thời điểm đến (Migration on Arrival - MoA) sẽ tối ưu lại toàn bộ

hệ thống bằng việc ánh xạ lại tất cả các yêu cầu mỗi khi có một VDC mới đến hệ thống; (3) di trú toàn bộ (Full Migration - FM) thực hiện ánh lại toàn bộ các yêu cầu khi một VDC tới hoặc rời đi khỏi hệ thống Các kết quả cho thấy thuật toán đề xuất thực hiện tốt hơn một số thuật toán hiện tại về tỷ lệ chấp nhận (acceptance ratio), tài nguyên sử dụng (resources utilization) và năng lượng tiêu thụ (power consumption) Các kết quả được công bố trong công trình sau: Tran Manh Nam, Nguyen Huu Thanh, Hoang Trung Hieu, Nguyen Tien Manh, Nguyen Van Huynh, Tuan Hoang (2017)

“Joint Network Embedding and Server Consolidation for Energy-Efficient Dynamic

Data Center Virtualization”, Elsevier - Computer Networks, 2017 -

- Chương 2: trình bày về vấn đề hiệu quả năng lượng trong các trung tâm dữ liệu, tổng quan về nhúng trung tâm dữ liệu ảo, đánh giá một số thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo và thảo luận về một số vấn đề trong việc cung cấp trung tâm dữ liệu ảo có cảm nhận về năng lượng

- Chương 3: mô hình hóa bài toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo, nghiên cứu thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo có cảm nhận về năng lượng (HEA-E), đề xuất các chiến lược di trú máy chủ ảo tích hợp thuật toán HEA-E

- Chương 4: trình bày về kịch bản mô phỏng và đưa ra một số kết quả mô phỏng đạt được, so sánh hiệu năng của các thuật toán đề xuất với các thuật toán hiện

có gồm SecondNet và GreenHead

CHƯƠNG 1

ẢO HÓA VÀ ẢO HÓA MẠNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU

Trong chương đầu tiên, tác giả sẽ trình bày tổng quan về công nghệ ảo hóa bao gồm định nghĩa, lợi ích của ảo hóa và một số loại ảo hóa Tiếp theo đó, tác giả trình bày một số khái niệm trong ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu và giới thiệu một số dự án nghiên cứu ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu

1.1 Tổng quan về ảo hóa

Theo Cisco tại [5], ảo hóa là công nghệ cho phép tạo ra các phiên bản ảo mang tính logic của một tài nguyên vật lý nào đó có thể là các ứng dụng, hệ điều hành, máy chủ, hệ thống lưu trữ, thiết bị mạng hoặc mạng máy tính

Với công nghệ ảo hóa, các vấn đề về năng suất hoạt động của hệ thống được cải thiện một cách đáng kể Không những vậy chi phí duy trì cơ sở hạ tầng cũng được giảm thiểu Rất nhiều doanh nghiệp, đặc biệt là những doanh nghiệp có thiết bị cũ từ những năm trước khi công nghệ máy tính phát triển mạnh được thiết kế để mỗi thiết

bị chỉ có thể chạy một hệ điều hành và một ứng dụng trong một phiên làm việc dẫn đến việc một trung tâm dữ liệu phải có nhiều server hoặc máy chủ chạy những dịch

vụ khác nhau mà chỉ tiêu tốn khoảng 10% công suất của từng máy, gây ra lãng phí

và không hiệu quả trong việc quản lí tài nguyên cũng như không sử dụng hết được nguồn lực tài nguyên của hệ thống Ngoài việc tiết kiệm được chi phí thì công nghệ

ảo hóa còn giúp việc sửa chữa hệ thống cũng như cài đặt được thực hiện một cách nhanh chóng Thay vì phải thay thế toàn bộ thiết bị phần cứng, giờ đây chúng ta chỉ cần thay đổi một máy ảo một cách dễ dàng và nhanh chóng, tránh trường hợp phải ngưng dịch vụ vì sửa chữa phần cứng và gây thiệt hại về doanh thu cho doanh nghiệp Ngoài ra ảo hóa còn có các tác dụng như:

- Bảo vệ an toàn dữ liệu: giải pháp ảo hóa giúp cho việc sao lưu dữ liệu, khôi

phục được những dữ liệu một cách nhanh chóng và an toàn nhất, không ảnh hưởng đến người dùng

- Tính sẵn sàng cao: Một nhà cung cấp dịch vụ hạ tầng mạng luôn phải đảm

bảo cho hệ thống hoạt động một cách liên tục và ổn định nhất có thể, vì mỗi

khi hệ thống gặp sự cố sẽ gây ảnh hưởng rất nhiều đến người sử dụng và gây thiệt hại về mặt kinh tế cũng như uy tín của nhà doanh nghiệp Công nghệ ảo hóa cung cấp khả năng sẵn sàng cao cho hệ thống với sự độc lập trong hoạt động của phần cứng cũng như phần mềm Giảm thời gian chết giữa mỗi lần sửa chữa thay đổi hệ thống, dễ dàng di chuyển máy ảo từ máy vậy lí này sang máy vật lí khác mà không gây ra gián đoạn hệ thống

- Tính năng phòng chống sự cố: Các doanh nghiệp sẽ luôn gặp những tổn thất

lớn về mặt kinh tế, dữ liệu lưu trữ có thể bị mất Để phòng chống lại điều đó, các doanh nghiệp sử dụng giải pháp ảo hóa như một phương pháp hữu hiệu nhất với các tính năng vượt trội như phục hồi nhanh do ảo hóa giúp dễ dàng copy, tạo các clone cho tài nguyên hệ thống nên thời gian hồi phục được cải thiện một cách tối đa Không những vậy, hệ thống luôn sẵn sàng và có được

độ tin cậy cao hơn so với những giải pháp khác

Hình 1.1: Một số loại ảo hóa [5]

Trong phần này giới thiệu 4 loại ảo hóa gồm ảo hóa máy chủ, ảo hóa lưu trữ, ảo hóa mạng và ảo hóa dịch vụ Hình 1.1 thể hiện 4 loại ảo hóa có thể tồn tại trong trung tâm dữ liệu và được quản lý sử dụng công cụ quản lý ảo hóa Có thể có nhiều loại khác nhưng đây là các công nghệ ảo hóa khởi đầu của ảo hóa trong trung tâm dữ liệu Quản lý ảo hóa đề cập đến việc cung cấp điều phối, phân bổ các tài nguyên ảo hóa, cũng như quản lý thời gian chạy của các nhóm tài nguyên và các cá thể ảo Tính năng này bao gồm ánh xạ tĩnh và động của các tài nguyên ảo cho các tài nguyên vật lý, các khả năng quản lý tổng thể như dung lượng, công cụ phân tích, thanh toán và quản lý thỏa thuận cấp độ dịch vụ (SLA)

1.1.1 Ảo hóa máy chủ

Hình 1.2: Sự khác nhau giữa máy chủ vật lý được ảo hóa và máy chủ vật lý thường

Ảo hóa máy chủ là ứng dụng được biết đến nhiều nhất của ảo hóa phần cứng ngày nay Kiến trúc phần cứng x86 được thiết kế để chạy một hệ điều hành và một ứng dụng duy nhất, điều này khiến cho hầu hết các máy tính đều không được tận dụng

Ảo hóa cho phép chạy nhiều máy tính ảo trên một máy chủ vật lý, chia sẻ các tài nguyên của một máy tính đơn lẻ Các máy ảo có thể chạy các hệ điều hành khác nhau

và nhiều ứng dụng chạy trên cùng một máy tính vật lý Hình 1.2 cho thấy sự khác nhau giữa một máy chủ ảo hóa và một máy chủ không được ảo hóa [5]

Có những phần mềm quen thuộc để tạo ra các máy ảo (Virtual machine - VM) trên máy tính như VMWare, VirtualBox hay Virtual PC, VMWare Fusion, … và cách cài đặt các chương trình này cũng rất đơn giản Tuy nhiên, mỗi máy ảo này hoạt động như một máy vật lí nên cũng tiêu tốn tài nguyên sử dụng RAM, CPU hay bộ nhớ, vậy nên tùy từng máy vật lí có cấu hình tốt, đảm bảo đủ chia cho các máy ảo thì nên cài, nếu không máy vật lí sẽ không thể đáp ứng yêu cầu cho các máy ảo chạy cùng một lúc

Hình 1.3: Sự khác nhau giữa ảo hóa phần mềm và ảo hóa phần cứng

Như đã tìm hiểu ở phần trên đó là ảo hóa hệ điều hành tạo ra những hệ điều hành mới, đó là ảo hóa phần mềm Ngoài ra, còn có một cách ảo hóa chính thiết bị phần cứng như RAM, CPU hay bộ nhớ lưu trữ, đó là công nghệ Hypervisor - ảo hóa phần cứng Phần mềm hypervisor cho phép tạo máy ảo mô phỏng một máy tính vật lý bằng cách tạo ra một môi trường hệ điều hành riêng biệt được phân tách về mặt logic với máy chủ Hypervisor cũng được gọi là bộ quản lý máy ảo, là một chương trình cho phép nhiều hệ điều hành chia sẻ một máy chủ vật lý VM được lưu trữ như một tệp,

vì thế việc khôi phục một hệ thống bị lỗi có thể đơn giản như việc sao chép tệp lên một máy mới Điểm khác biệt lớn nhất giữa ảo hóa phần cứng và ảo hóa phần mềm

đó là, với ảo hóa phần mềm chúng ta cần biết trước máy ảo đó sẽ chạy hệ điều hành

nào và cần tiêu tốn bao nhiêu tài nguyên cho hệ điều hành đó cộng với máy tính cài đặt máy ảo phải có sẵn một hệ điều hành trước Trong khi Hypervisor thì khác, nó không cần có hệ điều hành mà nó chạy trực tiếp trên các thiết bị phần cứng Sự khác nhau giữa ảo hóa phần mềm và ảo hóa phần cứng được minh họa bởi hình 1.3 Lợi ích của ảo hóa máy chủ [5]:

- Phân vùng: chạy nhiều hệ điều hành trên một máy chủ vật lý, chia sẻ tài nguyên vật lý của hệ thống giữa các VM, tách biệt giữa các VM

- Quản lý: lỗi của một VM không ảnh hưởng đến các VM khác, các tác nhân quản lý có thể chạy trên mỗi VM riêng biệt để xác định hiệu năng của VM và của các ứng dụng đang chạy trên VM

- Đóng gói: toàn bộ VM có thể lưu thành một file, di chuyển và sao chép thông tin VM đơn giản như sao chép các tệp

- Linh động: cho phép cung cấp và di chuyển bất kỳ VM nào tới một máy tương

tự trên bất kỳ máy chủ vật lý nào, sử dụng nhiều nền tảng hệ điều hành như Windows, Linux

Ảo hóa máy chủ là chìa khóa trong việc giảm số lượng máy chủ vật lý, không gian vật lý, hệ thống làm mát, cáp kết nối và chi phí đầu tư trong bất kỳ dự án trung tâm dữ liệu nào

1.1.2 Ảo hóa lưu trữ

Ảo hóa lưu trữ đề cập đến việc cung cấp một cái nhìn logic, trừu tượng của các thiết bị lưu trữ vật lý Nó cung cấp một phương pháp cho nhiều user hoặc ứng dụng truy nhập bộ nhớ mà không quan tâm đến việc bộ nhớ được đặt ở đâu, được quản lý như thế nào Nó cho phép hệ thống lưu trữ vật lý được chia sẻ bởi nhiều máy chủ ứng dụng, và các thiết bị vật lý phía sau lớp ảo hóa được xem và quản lý như thể chúng

là một kho lưu trữ lớn không có ranh giới vật lý Ảo hóa lưu trữ che đi thực tế rằng

có các thiết bị lưu trữ riêng biệt trong một tổ chức bằng cách làm cho tất cả các thiết

bị xuất hiện dưới dạng một thiết bị Ảo hóa ẩn đi quá trình phức tạp của việc lưu dữ liệu cần được lưu trữ ở đâu và đưa nó trở lại và thể hiện nó cho người dùng khi nó được yêu cầu Thông thường, ảo hóa lưu trữ áp dụng cho các mảng mạng lưu trữ SAN

lớn hơn nhưng nó cũng được áp dụng để phân vùng logic cho ổ cứng máy tính cục

bộ và ổ cứng dự phòng độc lập (RAID)

Ảo hóa hệ thống lưu trữ có thể chia làm 3 dạng sau đây:

- Storage – deviced based: Phần mềm ảo hóa sẽ giao tiếp trực tiếp với phần

cứng, mô hình ảo hóa này cho phép truy suất tới ổ cứng nhanh nhất có thể, tuy nhiên cách cài đặt và cấu hình tương đối khó khăn và phức tạp Dịch vụ

ảo hóa cũng cấp cho các server được thông qua một thiết bị chuyên dụng điều khiển gọi là Primary Storage Controller

- Network-based: Ở mô hình ảo hóa này, công việc ảo sẽ được thực hiện trên

một thiết bị mạng (switch, router hoặc máy chủ) Các switch hay máy chủ này kết nối trực tiếp với các mạng lưu trữ dữ liệu (SAN) Mô hình này được ứng dụng nhiều ở thực tế

- Host-based: Trong mô hình này, một driver điều khiển được đặt giữa lớp ảo

hóa và ổ đĩa vật lí Các phần mềm ảo hóa truy xuất tài nguyên hệ thống qua

sử điều khiển hoạt động của lớp driver

Lợi ích của ảo hóa lưu trữ [5]:

- Tối ưu tài nguyên: trước đây, thiết bị lưu trữ được gắn và dành riêng cho các

máy chủ và ứng dụng Nếu cần nhiều dung lượng hơn, nhiều đĩa được mua và được thêm vào máy chủ và được dành riêng cho các ứng dụng Phương pháp này dẫn đến việc nhiều phần bộ nhớ không được sử dụng hoặc lãng phí Ảo hóa lưu trữ cho phép user lấy được không gian lưu trữ theo nhu cầu cần thiết

mà không gây ra sự lãng phí và nó cho phép tổ chức sử dụng hệ thống lưu trữ hiện có hiệu quả hơn mà không cần đầu tư thêm

- Chi phí vận hành: Việc lắp thêm các tài nguyên lưu trữ độc lập và cấu hình

cho mỗi máy chủ và ứng dụng cần thời gian và nhân lực có trình độ và điều này làm tăng chi phí vận hành Ảo hóa lưu trữ cho phép thêm các tài nguyên lưu trữ mà không quan tâm đến việc cấu hình máy chủ và ứng dụng Tài nguyên lưu trữ có thể được thêm vào bằng cách kéo thả sử dụng trình quản lý bởi người vận hành

- Tăng tính sẵn sàng: Trong các ứng dụng lưu trữ trước đây, thời gian ngừng

hoạt động được lên lịch để bảo trì và nâng cấp phần mềm thiết bị lưu trữ và thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến do vi-rút và mất điện có thể dẫn đến việc ngừng ứng dụng cho khách hàng Điều này dẫn đến việc không thể đáp ứng các thỏa thuận cung cấp dịch vụ được cung cấp cho khách hàng, dẫn đến

sự không hài lòng của khách hàng và mất khách hàng Ảo hóa lưu trữ cung cấp tài nguyên lưu trữ mới trong một khoảng thời gian tối thiểu, cải thiện tính sẵn sàng tổng thể của tài nguyên

- Cải thiện hiệu năng: Nhiều hệ thống xử lý một nhiệm vụ duy nhất có thể

chiếm hết một hệ thống lưu trữ Nếu khối lượng công việc được phân phối trên một số thiết bị lưu trữ thông qua ảo hóa, hiệu suất có thể được cải thiện Ngoài ra, giám sát an ninh có thể được thực hiện trong bộ nhớ sao cho chỉ các ứng dụng hoặc máy chủ được ủy quyền mới được phép truy cập vào các tài sản lưu trữ

1.1.3 Ảo hóa mạng

Cũng giống như ảo hóa máy chủ, ảo hóa mạng cho phép nhiều mạng ảo cùng chia

sẻ tài nguyên trên cùng một hạ tầng vật lý Ảo hóa mạng cung cấp một lớp logic để quản lý và giám sát tài nguyên mạng Các phần mềm ảo hóa mạng sẽ chia tài nguyên mạng như chuyển mạch, định tuyến, băng thông và bảo mật thành các thành phần riêng biệt Kiến trúc ảo hóa mạng bao gồm ba thành phần chính: (1) network access control, (2) path isolation và (3) virtual service Network access control đảm bảo tính riêng biệt với từng người dùng trên mạng Path isolation cung cấp khả năng định tuyến băng thông trên mạng cho toàn bộ các mạng ảo Virtual service cung cấp các dịch vụ mạng như DNS, DHCP hay IP cho từng mạng ảo [6]

Có một số ví dụ ảo hóa mạng tồn tại như mô tả dưới đây:

− Một VLAN là ví dụ đơn giản nhất của ảo hóa mạng Các VLAN cho phép phân đoạn logic một mạng LAN thành nhiều miền quảng bá Có thể cấu hình VLAN trên một switch theo từng cổng, ví dụ port 1- 10 thuộc VLAN 1 và port 11-20 thuộc VLAN 2 Các cổng thuộc cùng 1 VLAN không nhất thiết phải liên tục vì

sự phân đoạn mang ý nghĩa logic chứ không mang tính vật lý Các máy trạm được kết nối tới các port không cần đặt gần nhau và người dùng trên các tầng của một tòa nhà hoặc ở các tòa nhà khác nhau có thể được kết nối với nhau hình thành một mạng LAN

− Định tuyến và chuyển tiếp gói tin ảo (VRF - Virtual Routing and Switching): là một trường hợp định tuyến và chuyển tiếp VPN, thường được sử dụng trong các mạng MPLS, cho phép nhiều phiên bản của bảng định tuyến tồn tại trong cùng một router tại cùng thời điểm, mỗi phiên bản gắn với một VPN Điều này cho phép các đường dẫn mạng được phân đoạn mà không cần sử dụng nhiều thiết bị

Vì lưu lượng được phân tách một cách tự động, VRF cũng làm tăng độ bảo mật mạng và có thể loại bỏ nhu cầu phải mã hóa và xác thực

− Một hình thức ảo hóa mạng khác là tập hợp nhiều thiết bị mạng vật lý vào một thiết bị ảo hóa Một ví dụ về điều này là tính năng Virtual Switching System (VSS) của các switch Catalyst 6500 Tính năng này là sự kết hợp của 2 switch riêng biệt thành một switch Catalyst lớn hơn và nhanh hơn

1.1.4 Ảo hóa dịch vụ

Các ứng dụng truyền thống chạy trên các máy chủ và phần cứng chuyên biệt Ảo hóa dịch vụ hay ảo hóa ứng dụng cho phép ứng dụng chạy trên bất cứ nền tảng nào, tuy nhiên ứng dụng này lại xem như nó đang được chạy trên một nền tảng hỗ trợ nó

và có quyền truy cập các tài nguyên cần thiết Các ứng dụng ảo không cần được cài đặt trong môi trường truyền thống khi mà hệ điều hành và môi trường thực thi được thay thế bằng lớp ảo hóa Mặc dù vậy, các ứng dụng này vẫn hoạt động một cách chính xác như đang được chạy trên môi trường thật Microsoft’s Application (App-V) là một phần mềm cho phép chuyển đổi các ứng dụng vào phần quản lý trung tâm của dịch vụ Ảo hóa ứng dụng có nhiều lợi ích: chúng có thể chạy trên cùng một hệ thống tuy nhiên mỗi ứng dụng chạy trên một môi trường ảo khác nhau nên sẽ hạn chế việc xung đột ứng dụng cũng như đảm bảo hệ thống tránh khỏi các nguy cơ từ mã

độc của các ứng dụng độc hại

1.2 Ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu

1.2.1 Động lực thúc đẩy ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu

Trong thời gian gần đây, trung tâm dữ liệu nhận được sự quan tâm đáng kể vì nó

là một hạ tầng sử dụng để lưu trữ một lượng lớn dữ liệu và chứa các ứng dụng dịch

vụ phạm vi lớn và mang lại hiệu quả cao về chi phí Với sự phát triển của công nghệ điện toán đám mây, dịch vụ lưu trữ (hosting) trong trung tâm dữ liệu đã và đang trở thành ngành kinh doanh triệu đô và đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp

IT trong tương lai Tuy nhiên các kiến trúc của các trung tâm dữ liệu hiện nay vẫn khác xa so với kiến trúc lý tưởng Theo truyền thống, các trung tâm dữ liệu sử dụng các máy chủ dành riêng để chạy các ứng dụng, kết quả là hiệu suất sử dụng máy chủ không cao và chi phí vận hành cao Tình trạng này được cải thiện với sự phát triển của các công nghệ ảo hóa máy chủ (VMware, Xen) – công nghệ cho phép nhiều máy

ảo cùng hoạt động trên một máy chủ vật lý mà vẫn đảm bảo hiệu năng của các máy

ảo Tuy nhiên, nếu chỉ có công nghệ ảo hóa máy chủ thì không đủ để giải quyết tất cả các hạn chế của kiến trúc trung tâm dữ liệu hiện nay Đặc biệt, các mạng trong trung tâm dữ liệu vẫn phụ thuộc nhiều vào chồng giao thức TCP/IP truyền thống, dẫn tới một số hạn chế sau [7]:

- Không có sự độc lập về hiệu năng: Nhiều ứng dụng cloud ngày nay, giống

như công cụ tìm kiếm và dịch vụ web có các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu năng mạng (độ trễ, thông lượng) Tuy nhiên, các kỹ thuật mạng truyền thống chỉ cung cấp các dịch vụ chuyển tiếp best-effort mà không có sự độc lập về hiệu năng Do đó rất khó để đưa ra dự đoán về QoS cho các ứng dụng này

- Tăng rủi ro bảo mật: Mạng trung tâm dữ liệu truyền thống không hạn chế

mẫu truyền thông và băng thông sử dụng cho mỗi ứng dụng Điều này dẫn tới việc mạng trung tâm dữ liệu rất dễ bị tấn công nội bộ

- Khả năng triển khai ứng dụng: ngày nay nhiều ứng dụng doanh nghiệp sử

dụng các giao thức và không gian địa chỉ ứng dụng chuyên biệt Việc di chuyển các ứng dụng này tới môi trường trung tâm dữ liệu gặp khó khăn vì

nó thường yêu cầu thay đổi nhiều thành phần trong giao thức và trong source code ứng dụng

- Hạn chế trong quản lý linh động: Trong môi trường trung tâm dữ liệu, cả máy

chủ và mạng được được chia sẻ bởi nhiều ứng dụng, những người chủ của ứng dụng cũng mong muốn điều khiển và quản lý mạng với nhiều mục đích như cân bằng tải, chẩn đoán lỗi và bảo mật dữ liệu Tuy nhiên, các kiến trúc mạng DC truyền thống không cung cấp sự linh động cho người thuê để quản

lý mạng truyền thông trong trung tâm dữ liệu

- Không hỗ trợ cải tiến mạng: Sự thiếu linh động của các kiến trúc trung tâm

dữ liệu truyền thống ngăn cản cải tiến mạng Điều này dẫn tới những khó khăn trong việc thực hiện những thay đổi trong mạng trung tâm dữ liệu như nâng cấp các giao thức mạng hay giới thiệu các dịch vụ mạng mới Nếu hoạt động trong thời gian dài, điều này làm giảm tính hiệu quả của việc đầu tư vào trung tâm dữ liệu

Những hạn chế trên đã thúc đẩy sự phát triển của xu hướng ảo hóa các mạng trung tâm dữ liệu bên cạnh việc ảo hóa máy chủ Tương tự như ảo hóa máy chủ, ảo hóa mạng nhằm tạo ra nhiều mạng ảo cùng chia sẻ một hạ tầng mạng vật lý [8] cho phép mỗi mạng ảo được thực hiện và được quản lý một cách độc lập Thông qua việc phân tách các mạng logic khỏi mạng vật lý phía dưới, việc giới thiệu các giao thức mạng được tùy chỉnh và các chính sách quản lý có thể được thực hiện Thêm nữa, vì các mạng ảo phân tách nhau về mặt logic nên việc thực hiện tách biệt hiệu năng và chất lượng dịch vụ ứng dụng trở nên thuận tiện hơn Các thủ tục quản lý mạng ảo sẽ trở nên linh động hơn vì mọi mạng ảo đều có hệ thống quản lý và điều khiển của nó Hơn nữa, sự độc lập trong môi trường ảo hóa mạng cũng có thể giảm tác động của các mối đe dọa an ninh Cuối cùng, việc triển khai các ứng dụng và dịch vụ mới trong môi trường trung tâm dữ liệu được ảo hóa sẽ dễ dàng hơn thông qua việc tùy chỉnh các giao thức và không gian địa chỉ

1.2.2 Một số khái niệm trong ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu

1.2.2.1 Trung tâm dữ liệu (Data Center – DC)

Trung tâm dữ liệu là một hạ tầng bao gồm các máy chủ vật lý, bộ lưu trữ và thiết

bị mạng (như switch, router), hệ thống phân phối nguồn, hệ thống làm mát Trung tâm dữ liệu được chia thành nhiều loại dựa theo cấu trúc và chức năng

Bảng 1.1: Phân loại trung tâm dữ liệu theo tiểu chuẩn TIA-942 [9]

1 - Các thiết bị IT chỉ được cung cấp bởi đường dẫn đơn không có dự phòng

- Công suất của các thành phần không có sự dự phòng

- Hạ tầng cơ bản có độ sẵn sàng chấp nhận được là 99.671%

2 - Mức độ này đáp ứng hoặc vượt qua mức độ 1

- Tất cả các thành phần đều được dự phòng

- Độ sẵn sàng của trung tâm dữ liệu chấp nhận được là 99.741%

3 - Mức độ này đáp ứng hoặc vượt qua mức độ 1 và 2

- Các thiết bị IT được cung cấp bởi nhiều đường độc lập

- Tất cả thiết bị phải được cung cấp bởi nguồn điện kép, độ sẵn sàng 99,982%

4 - Mức độ này đáp ứng hoặc vượt qua mức độ 1, 2 và 3

- Tất cả hệ thống làm lạnh phải độc lập với chế độ nguồn kép

- Độ sẵn sàng của hạ tầng là 99,995%

Mạng trung tâm dữ liệu là hạ tầng truyền thông được sử dụng trong trung tâm dữ liệu, và được mô tả bởi đồ hình mạng, các thiết bị định tuyến, chuyển mạch và các giao thức được sử dụng (Ethernet, IP…) Trong các nghiên cứu gần đây, đồ hình mạng trung tâm dữ liệu được phân loại thành 3 mô hình (hình 1.4): (1) mô hình phân

cấp (hierarchical model), (2) mô hình đệ quy (recursive model) và (3) mô hình to-rack (rack-to-rack model) [10]

rack-Hình 1.4: Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu [10]

Hình 1.5: Kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu Three-tier Tuy nhiên, những kiến trúc hệ thống mạng Three-tier cũ không có khả năng đáp ứng những xu hướng phát triển và xu hướng lưu lượng của trung tâm dữ liệu hiện tại

Kiến trúc này ngày càng bộc lộ những điểm yếu của mình như: khả năng mở rộng, chi phí đầu tư, chi phí tiêu thụ năng lượng, băng thông giữa thiết bị và sự nhanh nhạy

Để đáp ứng những thiếu sót này, các nhà thiết kế đã đề xuất những kiến trúc mới hơn

Hình 1.6: Đồ hình Fat-tree với k = 4

Đồ hình Fattree [11] là một trong nhưng kiến trúc mới được đề xuất bởi Al-Fares, được tổ chức với cấu trúc giống như cấu trúc cây Đồ hình FatTree (hình 1.6) là một kiến trúc 3 tầng (core, aggregation và edge) đang ngày càng phổ biến và thay thế dần các kiến trúc truyền thống do khả năng dự phòng và đơn giản trong việc mở rộng Trong kiến trúc FatTree, các switch ở tầng edge và tầng aggregation được phân bố thành từng nhóm, gọi là các pod Số lượng pod là một đặc trưng quan trọng của kiến trúc FatTree Trong mỗi pod, mỗi switch ở tầng edge sẽ được nối với tất cả các switch

ở tầng aggregation trong pod đó và ngược lại, mỗi switch ở tầng aggregation sẽ được nối trực tiếp với tất cả các switch ở tầng edge trong cùng pod Các switch ở tầng aggregation trong mỗi pod sẽ được lần lượt nối với các switch ở tầng core Giữa một switch bất kỳ ở tầng edge luôn tồn tại duy nhất một đường đi tới một switch bất kỳ ở

tầng core Xét kiến trúc FatTree được xây dựng từ các switch k port chứa k pod Mỗi pod có 2 lớp (aggregation và edge), mỗi lớp có k/2 switch Như vậy sẽ có k2/2 switch

aggregation và k 2 /2 switch edge Tầng core có k 2 /4 switch, mỗi switch kết nối tới tất

cả các pod Mỗi switch edge kết nối trực tiếp với k/2 máy chủ do đó số lượng máy

chủ sẽ là k 3 /4 Ưu điểm của kiến trúc Fat-Tree là chúng ta có thể sử dụng tất cả các

switch giống nhau, đều là các switch k-port 1 GigE thông thường với giá thành tương đối rẻ Ngoài ra kiến trúc Fat-Tree hỗ trợ các cặp server giao tiếp nhau ở tốc độ tối đa

1 Gbps với bất kỳ mô hình lưu lượng nào mà không bị hạn chế bởi khả năng của các core switch hiệu năng cao đắt tiền trong kiến trúc truyền thống Thông thường lưu lượng trao đổi giữa các server thuộc cùng 1 Edge switch sẽ dùng kỹ thuật chuyển mạch tầng 2 thông thường, lưu lượng trao đổi giữa các server thuộc các Edge khác nhau sẽ sử dụng định tuyến lớp 3 Một đặc điểm quan trọng nữa của kiến trúc Fat-Tree đó là khả năng chống lỗi, đặc biệt là khi hệ số k tăng lên, đồ hình kết nối trở thành một hình lưới ngày càng dày đặc, tăng độ dư thừa, cũng có nghĩa là tính chống lỗi sẽ tăng lên Lỗi của 1 hoặc 2 switch ở các tầng trên sẽ không thể cắt đứt giao tiếp của tất cả các server có đường liên kết với switch lỗi đó, tính dư thừa và chống lỗi tăng tỷ lệ với hệ số k, trong thực tế hệ số k thường rất lớn

Một ví dụ khác của mô hình phân cấp là kiến trúc VL2 được đề xuất bởi Microsoft [10] VL2 sử dụng một cơ chế địa chỉ tự động phẳng giúp cho việc đặt máy chủ ở bất

kỳ đâu trong mạng mà không cần cấu hình địa chỉ thủ công VL2 cũng sử dụng các thiết bị chuyển mạch thông thường để giảm chi phí và tăng hiệu quả về năng lượng

Nó tập trung vào giải quyết các vấn đề cấu hình địa chỉ tự động, khả năng di trú dịch

vụ trong suốt, cân bằng tải luồng lưu lượng và phân giải địa chỉ dựa trên thiết bị

Mô hình Hierarchical thường được dùng trong hệ thống mạng trung tâm dữ liệu

và được thể hiện qua nhiều kết quả đánh giá thực tiễn Ngày nay, nhiều công ty lớn

sử dụng kiến trúc này trong thương mại hóa Điển hình có thể kể tới Facebook và Google đã sử dụng mô hình Hierarchical trong hệ thống mạng trung tâm dữ liệu, đặc biệt cả hai đều sử dụng đồ hình Fat-tree

Mô hình đệ quy

Một mạng trung tâm dữ liệu theo mô hình đệ quy bao gồm các cell riêng lẻ, mỗi cell sẽ chứa một switch và một số lượng server nhất định Những server này được sử dụng làm cầu kết nối tới cell khác Trong mô hình Recursive, Dcell và Bcube là những

ví dụ điển hình và được triển khai trong nhiều hệ thống mạng của trung tâm dữ liệu

Trong Dcell [12] một máy chủ được kết nối trực tiếp tới các máy chủ khác (hình 1.7) Dcell thực hiện theo một hệ thống phân cấp đệ quy của các cell và mỗi máy chủ trong mạng có nhiều card mạng NIC Trong Dcell một máy chủ được kết nối với một số máy chủ và thiết bị chuyển mạch khác thông qua các liên kết truyền thông

Hình 1.7: Kiến trúc Dcell [12]

Mặc dù hầu hết các kiến trúc mạng trung tâm dữ liệu theo mô hình đệ quy có khả năng mở rộng cao và có tính hiệu quả về chi phí do sử dụng các switch có giá thành thấp, nhưng chúng lại không hay được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu Đặc biệt, hầu hết các kiến trúc theo mô hình đệ quy đều sử dụng máy chủ tính toán như một thiết bị mạng làm giảm hiệu năng của các máy chủ và các thiết kế chưa được kiểm thử thực địa

Mô hình rack-to-rack

Do sự xuất hiện của hiện tượng “thắt cổ chai - bottelneck” trong các liên kết backbone của hai mô hình trước, các nghiên cứu gần đây về kiến trúc hệ thống mạng trong trung tâm dữ liệu tập trung tạo liên kết trực tiếp giữa các tủ rack khác nhau Trong [13], một đồ hình hệ thống mạng trong trung tâm dữ liệu được gọi là Jellyfish,

sử dụng một mô hình đồ thị ngẫu nhiên để xây dựng kiến trúc truyền thông đầu-cuối

Thay vì việc cố định đồ hình, mạng Jellfish đảm bảo mỗi switch có port kết nối tới switch khác trong khi vẫn duy trì các port được sử dụng để kết nối tới máy chủ

1.2.2.2 Ảo hóa trung tâm dữ liệu

Trung tâm dữ liệu được ảo hóa là một trung tâm dữ liệu trong đó một vài thành phần hoặc toàn bộ phần cứng (máy chủ, switch, router) được ảo hóa Thông thường, phần cứng vật lý được ảo hóa sử dụng phần mềm hoặc firmware được gọi là

hypervisor, nó chia thiết bị thành nhiều phần ảo riêng biệt và độc lập Ví dụ, máy chủ

vật lý được ảo hóa tạo ra các máy ảo có dung lượng khác nhau (CPU, RAM, bộ nhớ lưu trữ) và chạy các hệ điều hành và ứng dụng khác nhau

Hình 1.8: Ảo hóa trung tâm dữ liệu Một trung tâm dữ liệu ảo (VDC) là một tập hợp các tài nguyên ảo (các máy ảo, các switch ảo, router ảo) được kết nối thông qua các liên kết ảo Trong khi một trung tâm dữ liệu được ảo hóa là một trung tâm dữ liệu vật lý được triển khai các kỹ thuật

ảo hóa, một trung tâm dữ liệu ảo là một instance logic của trung tâm dữ liệu được ảo hóa bao gồm một tập con các tài nguyên của trung tâm dữ liệu vật lý Một mạng ảo

là tập hợp các tài nguyên mạng ảo: nút ảo (máy chủ, switch, router) và liên kết ảo, do

đó mạng ảo là một phần của trung tâm dữ liệu ảo Hình 1.8 thể hiện một vài trung tâm dữ liệu ảo được triển khai trên một DC được ảo hóa

Cả ảo hóa mạng và ảo hóa trung tâm dữ liệu đều dựa vào các kỹ thuật ảo hóa để phân chia tài nguyên sẵn có và chia sẻ chúng giữa những người dùng khác nhau, tuy nhiên chúng khác nhau ở một vài khía cạnh Trong khi ảo hóa mạng tập trung vào ảo hóa các phân tử chuyển tiếp gói tin (switch, router), ảo hóa trung tâm dữ liệu lại liên quan đến nhiều thành phần khác nhau bao gồm máy chủ, router, switch và nút lưu trữ Do đó, không giống như một mạng ảo, trung tâm dữ liệu ảo được tổ hợp từ nhiều loại nút ảo khác nhau với tài nguyên khác nhau Thêm vào đó, trong ảo hóa mạng, các liên kết ảo được đặc trưng hóa bởi băng thông của chúng Trễ truyền lan là một yếu tố metric quan trọng khi các nút nằm phân tán về mặt địa lý Tuy nhiên, mạng

DC nằm trong một khu vực địa lý nhỏ, trễ truyền lan giữa các nút có thể bỏ qua nên trễ luôn được bỏ qua khi định nghĩa các liên kết ảo của trung tâm dữ liệu ảo [14,15] Một sự khác nhau chính khác giữa mạng DC và mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet Service Provider – ISP) là về số lượng nút Số lượng nút trên mạng trục ISP chỉ khoảng vài trăm nút, nhưng số lượng nút trong mạng DC có thể lên tới hàng nghìn Điều này làm phát sinh những vấn đề mở rộng và làm tăng độ phức tạp của việc quản lý Xa hơn nữa, khác với mạng ISP, các mạng DC được xây dựng từ các đồ hình cây như Fat-tree với những thuộc tính được định nghĩa cụ thể, cho phép phát triển các thuật toán nhúng tối ưu cho các đồ hình cụ thể [15]

1.2.3 Một số dự án ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu

Ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu hiện nay vẫn đang ở giai đoạn đầu và các nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu vào giải quyết vấn đề làm thế nào để cung cấp các chức năng và đặc tính cơ bản bao gồm phân vùng tài nguyên của trung tâm dữ liệu,

cơ chế chuyển tiếp gói tin và cô lập hiệu năng mạng Cụ thể như sau:

- Các cơ chế chuyển tiếp gói tin: chỉ rõ các luật chuyển tiếp gói tin từ một cổng

vào tới một cổng ra Một thực thể trong bảng cơ sở thông tin định tuyến FIB

cho phép ánh xạ địa chỉ MAC với một cổng trên switch khi đưa ra quyết định chuyển tiếp gói tin

- Cơ chế đảm bảo băng thông (sự cô lập về hiệu năng): Một trong các kỹ thuật

đảm bảo băng thông là sử dụng bộ hạn chế tốc độ [14, 15] Đặc biệt, bộ hạn chế tốc độ được kết hợp vào hypervisor của mỗi máy chủ vật lý, vai trò của nó

là đảm bảo mọi VM không sử dụng vượt quá băng thông được phân bổ

- Cơ chế chia sẻ băng thông tương đối (hiệu quả chia sẻ tài nguyên mạng): để

thực hiện chia sẻ băng thông tương đối, các tunnel kiểm soát tắc nghẽn được

sử dụng Mỗi tunnel hoạt động như một bộ hạn chế tốc độ và có một tốc độ gửi tối đa Phương pháp khác là phân bổ nhóm xử lý lưu lượng TCP, điều chỉnh tốc độ để kiểm soát lưu lượng UDP

- Kỹ thuật đa đường: được sử dụng để chia lưu lượng giữa các đường khác nhau,

cải thiện cân bằng tải và khả năng chịu lỗi Cơ chế đa đường được sử dụng trong DC là ECMP (Equal Cost Multipathing) [16] và VLB (Valiant Load Balancing) [17] Để thực hiện cân bằng tải, ECMP chia lưu lượng vào nhiều đường có cùng metric (metric được tính bởi giao thức định tuyến) VLB lựa chọn ngẫu nhiên một switch trung gian chịu trách nhiệm chuyển tiếp luồng dữ liệu đến tới đích tương ứng ECMP và VLB được thực hiện tại switch layer 3

1.2.3.1 Trung tâm dữ liệu truyền thống

Ảo hóa trong các kiến trúc trung tâm dữ liệu hiện nay thường đạt được bằng cách

ảo hóa máy chủ Mỗi người thuê làm chủ một nhóm các máy chủ ảo và sự cô lập giữa những người thuê được thực hiện nhờ VLAN Thiết kế DC này có thể được thực hiện

sử dụng các switch và các kỹ thuật hypervisor phổ biến Ngoài ra, tenant có thể định nghĩa không gian địa chỉ lớp 2 và lớp 3 của họ

Hạn chế chính của các kiến trúc DC hiện tại là khả năng mở rộng vì các switch không được thiết kế để xử lý một lượng lớn VM và lưu lượng Đặc biệt, các switch phải duy trì một entry trong bảng FIB cho mọi VM, điều này làm tăng đáng kể kích thước của bảng FIB Thêm vào đó, các VLAN được sử dụng để tạo ra sự cô lập giữa

các tenant mà số lượng VLAN được phép là 4096 (theo 802.1q) làm cho số lượng tenant bị giới hạn là 4096 [18]

1.2.3.2 Diverter [19]

Diverter là một hướng tiếp cận sử dụng phần mềm để ảo hóa mạng DC và giả thiết không cần cấu hình cho switch và router Diverter được thực hiện trong module phần mềm VNET và được cài đặt trên mọi máy chủ vật lý Khi một VM gửi khung Ethernet, VNET thay địa chỉ MAC nguồn và MAC đích bởi địa chỉ MAC của máy chủ vật lý chứa các VM nguồn và đích Sau đó các switch thực hiện chuyển tiếp gói tin sử dụng các địa chỉ MAC của máy chủ vật lý VNET sử dụng một phiên bản được tùy chỉnh của giao thức ARP để tìm một máy chủ vật lý đang chứa một VM cụ thể Diverter gán địa chỉ IP cho mọi VM với định dạng mã hóa theo định danh tenant, mạng con và địa chỉ máy ảo (ví dụ 10.tenant.subnet.vm) VNET thực hiện định tuyến giữa các mạng con sử dụng địa chỉ MAC Tóm lại, Diverter cung cấp ảo hóa mạng lớp 3 cho phép mọi tenant kiểm soát các mạng con IP và địa chỉ VM Hạn chế chính của Diverter là không cung cấp bất kỳ sự đảm bảo nào về QoS

1.2.3.3 NetLord [20]

Hình 1.9: Kiến trúc NetLord NetLord là một kiến trúc mạng được thiết kế để cố gắng tăng số lượng tenant trong các DC Ý tưởng chính của NetLord được trình bày trong Hình 1.9 NetLord đóng gói các gói tin L2 và phát chúng thông qua mạng DC Header gói tin L2 chỉ rõ địa chỉ MAC của VM nguồn và đích NetLord Agent (NLA) được triển khai tại mỗi máy chủ vật lý có nhiệm vụ kiểm soát các máy ảo trên máy chủ đó NLA đóng gói

gói tin L2 bằng cách thêm vào header L2 và L3 Với địa chỉ L2 là địa chỉ MAC của các switch kết nối với các máy chủ vật lý chứa VM nguồn và VM đích Địa chỉ IP nguồn cho biết ID không gian địa chỉ MAC của tenant, cho phép tenant sử dụng nhiều không gian địa chỉ MAC Địa chỉ IP đích chỉ rõ port trên switch kết nối máy chủ đích

và ID của tenant Gói tin được chuyển tiếp qua mạng DC từ switch nguồn (nối với máy chủ chứa VM nguồn) tới switch đích (nối với máy chủ chứa VM đích) Khi tới switch đích, gói tin được chuyển tiếp tới server đích dựa trên địa chỉ L3 được thêm vào gói tin NLA trên server đích chuyển tiếp gói tin đến VM đích sử dụng ID không gian địa chỉ MAC của tenant và địa chỉ MAC của VM NetLord giả sử rằng các switch biên có khả năng chuyển tiếp gói tin dựa trên IP, tuy nhiên hiện nay chưa có switch thương mại nào làm được điều đó Cơ chế đóng gói đề xuất làm cho kích thước gói tin lớn, tăng khả năng drop và phân mảnh Kiến trúc NetLord cũng không cung cấp

sự cô lập giữa các tenant và không hỗ trợ đảm bảo băng thông

1.2.3.4 VICTOR [21]

Tenant cần di chuyển các dịch vụ trong DC để cân bằng tải trong DC hoặc để tối

ưu hiệu năng các dịch vụ của họ Nói một cách khác, người dùng muốn việc truyền

dữ liệu và dịch vụ được thực hiện nhanh và hiệu quả Một cách tiếp cận để đạt được mục tiêu trên là di chuyển máy ảo Để tránh việc dịch vụ bị gián đoạn, một VM nên giữ nguyên địa chỉ IP trong thời gian di chuyển Điều này hoàn toàn đơn giản khi thực hiện di chuyển VM trong cùng một mạng IP, tuy nhiên việc cung cấp cơ chế di chuyển giữa các mạng IP khác nhau thì không hề đơn giản VICTOR (Virtually Clustered Open Router) là một kiến trúc mạng hỗ trợ di chuyển máy ảo giữa các mạng

mà vẫn giữ được địa chỉ IP của máy ảo trong quá trình di chuyển

Ý tưởng chính của VICTOR là tạo ra một cụm phần tử chuyển tiếp (FE) gồm các thiết bị layer 3, phục vụ như các card ảo với nhiều port ảo của một router được ảo hóa Do đó, các FE thực hiện chuyển tiếp dữ liệu trong mạng và được phân bố trong một vài mạng và hỗ trợ di chuyển VM giữa các mạng Mặt phẳng điều khiển được hỗ trợ bởi một hoặc một số bộ điều khiển tập trung (CC) Một VM được triển khai trên một máy chủ được kết nối tới một FE biên Một CC duy trì bảng đồ hình chỉ rõ kết

nối giữa các FE và bảng địa chỉ xác định kết nối giữa mỗi VM và một FE (FE kết nối tới máy chủ chứa VM) CC tính toán tuyến đường từ mỗi FE tới các VM và gửi thông tin này tới các FE phục vụ cho việc chuyển tiếp gói tin Hạn chế của VICTOR là nó yêu cầu FE phải hỗ trợ bảng FIB với kích thước lớn, khó khăn trong việc mở rộng

1.2.3.5 VL2 [22]

VL2 là kiến trúc mạng DC được thiết kế nhằm mục đích đạt được sự linh động trong phân bổ tài nguyên Trong VL2, tất cả các máy chủ thuộc tenant chia sẻ một không gian địa chỉ riêng lẻ không liên quan tới vị trí của chúng

VL2 dựa trên kiến trúc phân cấp (Hình 1.5) cho phép định tuyến dễ dàng Các gói tin được chuyển tiếp sử dụng 2 địa chỉ IP: địa chỉ vị trí cụ thể (Location-specific Address – LA) sử dụng cho các switch và địa chỉ ứng dụng cụ thể (Application-specific Address – AA) được sử dụng cho các máy chủ VL2 dựa vào một hệ thống chỉ dẫn để ánh xạ AA tới LA Trước khi gửi một gói tin, máy chủ đóng gói bản tin với địa chỉ LA của switch ToR phía đích Các switch không nhận thức được địa chỉ

AA vì thế chúng chuyển tiếp gói tin sử dụng địa chỉ LA Tại switch ToR đích, gói tin được bóc tách và chuyển tới máy chủ có địa chỉ AA Để triển khai đa đường, VL2 sử dụng 2 cơ chế VLB và ECMP để chia lưu lượng tới nhiều đường Việc phân tách 2 không gian địa chỉ của switch và máy chủ nhằm cải thiện khả năng mở rộng của VL2

vì các switch ToR không phải lưu trữ bảng thông tin chuyển tiếp cho một lượng lớn các máy chủ Hơn nữa, khi sử dụng hệ thống chỉ dẫn của VL2, các bản tin yêu cầu ARP và DHCP cũng không còn cần thiết

Một hạn chế của VL2 là không có cơ chế đảm bảo băng thông tuyệt đối giữa các máy chủ - một yếu tố quan trọng được yêu cầu bởi nhiều ứng dụng như các ứng dụng

đa phương tiện Kiến trúc này cũng yêu cầu các switch hỗ trợ OSPF, ECMP và đóng gói IP-in-IP, điều này có thể hạn chế việc triển khai kiến trúc này

Ngoài ra còn một số dự án nghiên cứu ảo hóa mạng trung tâm dữ liệu khác được

so sánh, đánh giá trong [7] Cũng theo [7], khả năng phục vụ các trung tâm dữ liệu

ảo phụ thuộc vào hiệu quả ánh xạ tài nguyên ảo tới tài nguyên vật lý hay còn được gọi là “bài toán nhúng” Một số dự án nghiên cứu như SecondNet [14] và Optokus

[23] cũng đã đề xuất các thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo tuy nhiên vẫn còn một

số vấn đề liên quan đến việc thiết kế thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo, đặc biệt

là bài toán nhúng động và đảm bảo hiệu quả về năng lượng Bài toán nhúng VDC đảm bảo hiệu quả về năng lượng cũng như hiệu quả về tài nguyên được trình bày chi tiết trong Chương 2

CHƯƠNG 2 VẤN ĐỀ NHÚNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU ẢO ĐẢM BẢO HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG

Trong chương này tác giả sẽ trình bày về vấn đề hiệu quả năng lượng trong các trung tâm dữ liệu và điện toán đám mây, giới thiệu một số giải pháp tiết kiệm năng lượng hiện nay Sau đó trình bày tổng quan về nhúng trung tâm dữ liệu ảo, đánh giá một số thuật toán nhúng trung tâm dữ liệu ảo và cuối cùng thảo luận về một số vấn

đề trong việc cung cấp trung tâm dữ liệu ảo có cảm nhận về năng lượng

2.1 Hiệu quả năng lượng trong các trung tâm dữ liệu và điện toán đám mây 2.1.1 Hiện trạng sử dụng Internet và vấn đề hiệu quả năng lượng

Trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển về khoa học công nghệ mà điển hình là mạng Internet đã mang lại những lợi ích vô cùng to lớn Dịch vụ Internet cũng như Cloud Computing đang phát triển từng ngày và đóng góp một phần lớn trong giáo dục, kinh tế và giải trí Bảng 2.1 thể hiện số lượng người sử dụng Internet trong

4 năm gần đây, với số lượng tăng một cách nhanh chóng (khoảng 1,3 tỉ người trong

4 năm) cho thấy tiềm năng vô cùng to lớn của Internet

Bảng 2.1 Số lượng người sử dụng Internet trên toàn thế giới [24]

Năm Số lượng người sử dụng Tỷ lệ so với dân số thế giới

vụ tốt nhất tới khách hàng Tuy nhiên, với nhu cầu gia tăng không ngừng, các trung

tâm dữ liệu ngày càng tiêu tốn tài nguyên và gây những áp lực nhất định tới môi trường và kinh tế Ước tính, ngành công nghệ thông tin tiêu thụ và chiếm tới 2% lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới Lượng khí thải này là rất lớn, có tỉ lệ ngang bằng với ngành hàng không Không những vậy, năng lượng tiêu thụ của thiết bị mạng chiếm khoảng 37% lượng khí thải CO2 của ngành công nghệ thông tin Cùng với sự gia tăng của các ứng dụng điện toán đám mây và gia tăng về lưu lượng trong mạng Internet cũng như trong các trung tâm dữ liệu, năng lượng tiêu tốn cần thiết để vận hành cơ sở hạ tầng mạng lõi và hệ thống trung tâm dữ liệu cũng tăng lên đáng kể Các nghiên cứu gần đây cho thấy năng lượng tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu tác động đáng kể tới chi phí vận hành trung tâm dữ liệu Một phần nguyên nhân dẫn đến năng lượng lớn được tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu ngày nay là do các tài nguyên mạng như switch, đường truyền kết nối và máy chủ được cung cấp nhiều hơn so với yêu cầu để đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt về độ tin cậy Theo [25], các thiết

bị tính toán (bao gồm các bộ xử lý, cấp nguồn máy chủ và các thành phần khác của máy chủ, bộ lưu trữ, thiết bị truyền thông) của một DC đặc trưng có diện tích 5000

m2 tiêu thụ 52% tổng năng lượng tiêu thụ của toàn DC, phần còn lại là các hệ thống khác như hệ thống cấp nguồn dự phòng, hệ thống phân phối nguồn, làm mát, chiếu sáng Do đó nhiều nhà nghiên cứu đang đặc biệt quan tâm đến việc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong trung tâm dữ liệu

2.1.2 Khó khăn trong bài toán tiết kiệm năng lượng trong ảo hóa mạng

Mặc dù khái niệm về hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng Internet là không mới, nhưng vẫn tồn tại nhiều vấn đề trong quá trình hiện thực hóa bài toán này do mạng truyền thống không có khả năng mềm dẻo cao nhằm tối ưu hóa năng lượng Những khó khăn được mô tả như sau:

- Thiếu tính mềm dẻo của mạng: Vấn đề đầu tiên có thể nhắc tới như sau, dịch

vụ điện toán đám mây ngày càng phát triển và dẫn tới những sự thay đổi của

cơ sở hạ tầng Trái lại, một vấn đề quan trọng của mạng ngày nay là vấn đề về khả năng mềm dẻo Nhà quản trị mạng cần chuẩn bị những kế hoạch cụ thể và chuẩn bị thật tốt cho bất kỳ một sự thay đổi nào của mạng, những vấn đề này

yêu cầu sự tái thiết kế, tái cấu hình và dịch chuyển khá lớn Trong nhiều trường hợp, có nhiều vấn đề lớn trong ứng dụng những cách tiếp cận mới và phát triển chúng Điều này dẫn đến sự phát triển của một mạng có tính chất mềm dẻo hơn Có nhiều vấn đề khó khăn trong việc đánh giá mức năng lượng tiết kiệm của những phương pháp tiếp cận nâng cao hiệu suất năng lượng mới trong mạng do mạng truyền thống không có khả năng điều khiển năng lượng tiêu thụ của hệ thống Những phát triển và cải tiến khi đề xuất phải đánh giá được những phương pháp tiết kiệm năng lượng mới

- Công nghệ điện toán đám mây đang bùng nổ trong những năng gần đây và hứa hẹn những mô hình cung cấp dịch vụ mới như Infrastructure-as-a-Service (IaaS), Platform-as-a-Service (PaaS), Network-as-a-Service (NaaS) Trong môi trường điện toán đám mây, công nghệ ảo hóa như ảo hóa mạng và ảo hóa trung tâm dữ liệu có sự phát triển vượt bậc và thu hút những sự chú ý từ nhà phát triển Hiện nay, công việc ảo hóa chủ yếu tập trung vào phương pháp tối

ưu hóa tài nguyên và khả năng thay đổi tài nguyên, trong khi cũng có nhiều đề tài tập trung vào tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ Vấn đề khó khăn chính trong

sử dụng hiệu quả năng lượng của cơ sở hạ tầng mạng trong công nghệ ảo hóa

là thiếu những phương pháp tính toán năng lượng tiêu thụ của cơ sở hạ tầng trong môi trường điện toán đám mây Điều này dẫn tới sự phát triển của những ứng dụng nhận thức về mạng, những ứng dụng hoạt động tốt cho ảo hóa mạng

và ảo hóa trung tâm dữ liệu, điều này là cần thiết và hứa hẹn những phương pháp tiếp cận trong lĩnh vực hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng Internet

2.1.3 Một số giải pháp tiết kiệm năng lượng hiện nay

Có một vài khái niệm về hiệu quả năng lượng trong mạng máy tính Về cơ bản, phần lớn các phương pháp tiếp cận được thực hiện dựa trên một vài khái niệm được

phân loại như sau [2]: (1) tái cấu trúc, tái thiết kế - re-engineering; (2) thích nghi

động – dynamic adaptation; (3) ngủ/chờ thông minh – smart sleeping/standby

Các giải pháp tái cấu trúc nhằm khai thác và áp dụng nhiều hơn các công nghệ

có hiệu quả về mặt năng lượng trong các kiến trúc thiết bị mạng vật lý, bao gồm các

công nghệ bộ nhớ mới, công nghệ vật liệu mới cho chip xử lý gói tin hay các công nghệ giao diện mạng tiên tiến [26] Các phương pháp tiếp cận này có thể được chia

thành 2 nhóm nhỏ: (1) silicon hiệu quả năng lượng (energy-efficient silicon) tập trung vào phát triển các công nghệ silicon mới, (2) giảm độ phức tạp (complexity reduction)

tập trung vào việc giảm độ phức tạp của thiết bị trong việc xử lý header, kích thước

bộ đệm, tăng tốc chuyển mạch và truy cập bộ nhớ

Các giải pháp thích nghi động [27] được thiết kế để điều chỉnh khả năng xử lý gói tin và dung lượng của giao diện mạng cho phù hợp với lưu lượng tải thực tế Giải pháp này được thực hiện bởi hai phương pháp: (1) hiệu chỉnh linh động năng lượng

(power scaling) và (2) chế độ rỗi (idle logic) Hiệu chỉnh linh động năng lượng cho

phép giảm tốc độ làm việc của các bộ xử lý hoặc giao diện mạng bằng cách thực hiện điều chỉnh xung đồng hồ và/hoặc điện áp của bộ vi xử lý Chế độ rỗi cho phép giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách tắt nhanh các thành phần linh kiện thứ cấp khi không có hoạt động nào cần thực hiện và đánh thức các thành phần này khi hệ thống nhận những hoạt động mới

Giải pháp ngủ chờ thông minh tập trung vào các giải pháp cho phép các thiết bị đầu cuối và thiết bị mạng chuyển sang các trạng thái sử dụng năng lượng thấp khi chúng ở chế độ rỗi mà vẫn có thể đáp ứng lại các yêu cầu dịch vụ từ mạng và có thể đánh thức chúng khi cần thiết [28] Cụ thể, các ứng dụng và dịch vụ của một thiết bị dừng làm việc và không kết nối tới mạng khi chúng ở trạng thái “sleeping” – trạng thái có mức tiết kiệm năng lượng cao hơn và cần nhiều thời gian để đánh thức hơn trạng thái rỗi Kết quả là các thiết bị này sẽ không còn “xuất hiện” trên mạng vì chúng không còn duy trì kết nối tới mạng và trả lời các bản tin ứng dụng/dịch vụ Khi thiết

bị được đánh thức, nó khởi tạo lại các ứng dụng và dịch vụ bằng cách gửi một lượng lưu lượng nhỏ

Thuật toán được đề xuất trong đề tài thuộc nhóm các giải pháp ngủ/chờ thông minh, kết giữa ảo hóa mạng và hợp nhất máy chủ trong trung tâm dữ liệu Ảo hóa mạng và hợp nhất máy chủ sẽ cố gắng để làm tăng số lượng các thành phần hoạt động

ở chế độ ngủ nhiều nhất có thể bằng việc cung cấp các máy chủ ảo linh động và hiệu