Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng trong mạng đường trục

Trong lĩnh vực: công nghệ thông tin và truyền thông đang trở thành mối quan tâm hàng đầu cụ thể trên các trang thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông; ví dụ: trong các trung tâm dữ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2018

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

-

BÙI PHÓ DUẨN

SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI

THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là chung thực và chƣa hề đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sĩ đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn bảo vệ thạc sĩ đã đƣợc nghi rõ nguồn gốc rõ ràng và đƣợc phép công bố

Hà Nội, Ngày 30 tháng 03 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Bùi Phó Duẩn

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Khí thải trong mạng 8

1.3 Các biện pháp tối ưu mạng năng lượng thấp 14

1.3.1 Lý do 14

1.3.2 Năng lượng khí thải bên trong các nguồn thiết bị 15

1.3.3 Phân loại các phương pháp trong mạng năng lượng thấp 17

1.4 Công nghệ xanh trong mạng nâng cao 26

1.4.1 Mạng truy cập có dây 27

1.4.2 Kết nối mạng không dây/Hạ tầng mạng di động 29

1.4.3 Định tuyến mạng và chuyển đổi mạng 30

1.4.4 Kiểm soát mạng và cấu hình topology 33

1.5 Các chủ đề nghiên cứu trong tương lai 35

1.6 Các dự án nghiên cứu đang phát triển 38

1.6.1 Các dự án tại các quốc gia và quốc tế 38

1.6.2 Các dự án công nghiệp 40

1.7 Các tiêu chuẩn hoạt động cho hiệu quả năng lượng trong mạng 42

1.7.1 Hoạt động ETSI 42

1.7.2 Các hoạt động sáng kiến Home Gateway 43

1.7.3 Các hoạt động nhiệm vụ năng lượng ENTO 43

1.7.4 Các hoạt dộng Energy Star – Năng lượng sao 44

1.7.5 Các quy tắc EU và hoạt động EuP 44

1.7.6 Các hoạt động IEEE 44

1.7.7 Các hoạt động ITU – T 44

1.7.8 Các chuẩn khác 45

1.8 Kết luận 45

CHƯƠNG 2: HIỆU SUẤT THUẬT TOÁN GRIDA 47

iii

TRONG MẠNG XANH 47

2.1 Giới thiệu 47

2.2 Mô tả thuật toán 49

2.2.1 Chọn nodes 50

2.2.2 Quá trình phát triển các hình phạt 52

2.2.3 Khởi tạo thuật toán 54

2.2.4 Giải pháp phức tạp 54

2.3 Mô tả kịch bản 55

2.3.1 Công suất và mô hình lưu lượng 55

2.3.2 Các kịch bản mạng 56

2.3.3 Thiết lập các tham số 57

2.4 Đánh giá hiệu suất 59

2.4.1 Thống kê tạm thời 59

2.4.2 Hiệu suất trung bình 63

2.4.3 Các vấn đề thực hiện 70

2.5 Kết luận 71

CHƯƠNG 3: HIỆU QUẢ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN XANH 72

3.1 Giới thiệu: 72

3.2 Công trình liên quan: 74

3.3 Các mô hình mạng, và vấn đề báo cáo 78

3.3.1 Các mô hình mạng 78

3.3.2 Vấn đề báo cáo 79

3.4 Hiệu quả thuật toán đường đi ngắn nhất 80

3.4.1 SSPF 80

3.4.2 Thời gian phức 86

3.4.3 SSPF – R 87

3.5 Đánh giá 89

3.5.1 Phương pháp luận 90

3.5.2 Đánh giá hiệu suất cho 92

3.5.3 Tiết kiệm năng lượng cho các UT khác nhau 99

3.6 Kết luận 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

iv

DANH MỤC BẢNG Bảng 2 1 So sánh thuật toán: Tiết kiệm năng lượng trung bình theo tỷ lệ phần trăm 49

Bảng 2 2 : Các tham số trong 3 kịch bản mô phỏng 58

Bảng 2 3: Thuật toán so sánh giữa và 67

Bảng 2 4: Biến đổi 70

Bảng 3 1 Các cấu hình topology mạng sử dụng 91

Bảng 3 2 Năng lương tiết kiệm cho mỗi biến mạng với 92

Bảng 3 4 MLU(%) và sử dụng liên kết trung bình (%) cho mỗi biến thuật toán, và 96

Bảng 3 5 Chiều dài đường dẫn trung bình (hop) cho một số biến thuật toán và 98

Bảng 3 6 : Tiết kiệm năng lượng trên mạng Abilene sử dụng SSPF-R 101

Bảng 3 7: Tiết kiệm năng lượng trên mạng Hier100 sử dụng SSPF-R 101

v

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1Sự phát triển từ năm 1993 đến năm 2010 về công suất bộ định tuyến IP cao cấp (trên mỗi rack – mỗi khung) với khối lượng truyền thông tin (Luật Moore)

và hiệu suất năng lượng trong công nghệ silicon[29] 5

Hình 1 2 Ước lượng carbon toàn cầu của công nghệ thông tin và truyền thông 6

Hình 1 3 Ước lượng tiêu thụ năng lượng cho các cơ sở hạ tầng mạng viễn thông của Châu Âu trong các mô hình 6

Hình 1 4 Dự tính OPEX tới giá thành năng lượng cho các công ty viễn thông Châu Âu và cơ sở hạ tầng mạng trong các mô hình kinh doanh 7

Hình 1 5 Ước lượng phát thải khí nhà kính theo GeSI [14] 11

Hình 1 6 Công suất tiêu thụ trung bình mỗi người dùng trên sự gia tăng trong tỷ lệ truy cập mạng theo kết quả trong [21] 12

Hình 1 7 Sự phát triển về năng lực và yêu cầu năng lượng của bộ định tuyến cao cấp từ năm 1985 đến 2010 13

Hình 1 8 Các yêu cầu về mật độ truy cập,mạng metro và các thiết bị lõi và các yêu cầu về năng lượng trong các mạng 14

Hình 1 9 Ước lượng của các nguồn tiêu thụ điện năng trong một nền tảng chung của bộ định tuyến IP cao cấp Nguồn Tucker et al [126] 16

Hình 1 10 Phân loại các phương pháp tiếp cận được thực hiện cho hiệu suất năng lượng trong mạng tương lai 18

Hình 1 11 Thời gian dịch vụ gói tin và mức tiêu hao năng lượng trong các trường hợp 23

Hình 1 12 Ví dụ Proxy kết nối mạng 25

Hình 2 1Mô hình mạng topology từ một mạng hoạt động ISP 1 [147] 55

Hình 2 2 Sự thay đổi tổng tải lưu lượng so với thời gian 57

Hình 2 3 Một cấu trúc topology mạng đang hoạt động IPS2 58

Hình 2 4 Năng lượng tiết kiệm và giá trị lũy tích trong mạng IPS [147] 60

Hình 2 5 Phần trăm tiết kiệm khi hội tụ đạt trong mạng IPS 1.[147] 61

Hình 2 6 Năng lương tiết kiệm và giá trị tích lũy của mạng Geant [147] 62

Hình 2 7 Tiết kiệm năng lượng, tải liên kết và các chế độ ngắt/mở trong mạng IPS2 [147] 63

Hình 2 8 ISP 2: Tác động của d: (a) liên kết, (b) tiết kiệm năng lượng và (c) thăm dò.[147] 66

Hình 2 9 ISP 2: tác động của : (a) tiết kiệm, (b) quá tải mạng, và (c) các lựa chọn không được chấp nhận.[147] 68

Hình 2 10 ISP 2: tác động của : (a) liên kết tắt và (b) tải liên kết tối đa.[147] 69

Hình 3 1 Thuật toán SSPF 79

Hình 3 2Hàm chức năng dòng GH() 82

Hình 3 3 Thuật toán SSPF – R 82

Hình 3 4 Một ví dụ về mạng 83

Hình 3 5 Giải pháp SSPF-1 cho mạng trong Hình 3.4 84

vi

Hình 3 6 Giải pháp SSPF – R cơ bản trên Hình 3.5 89

Hình 3 7 Tiết kiệm năng lượng và chạy thời gian Abilene cho các biến kích cỡ gói 94

Hình 3 8 Tiết kiệm năng lượng và chạy thời gian trên mạng Hier 50 cho các biến kích thước gói 94

Hình 3 9 Tiết kiệm năng lượng và chạy thời gian trên mạng Wax50 cho kích cỡ các biến gói 94

Hình 3 10 Sử dụng kết nối CDF và độ trễ gói trên mạng Abilene 97

Hình 3 11 Sử dụng kết nối CDF và độ trễ gói trên mạng Wax50 97

Hình 3 12 Sử dụng liên kết CDF và độ trễ gói trên mạng Hier100 98

Hình 3 13 Tác động của các mức lưu lượng khác nhau và UT về tiết kiệm năng lượng trong Hier100 102

vii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

dựng

BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến đa

ICT Information and Communication

Technology

Công nghệ thông tin và truyền thông IEEE Institute of Electrical and

ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

Internet LSA Link State Advertisement Quảng bá thông tin

trạng thái liên kết

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

thức mang)

cứu phát triển các nghiên cứu và phát minh

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi tốc độ phát triển ngày càng cải tiến và xu hướng mạng Internet tương lai đang dần được hình thành, một số khái niệm cơ bản về các khía cạnh quan trọng bao trùm toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng, trở thành những tiêu chí thiết kế mạng

và các tiêu chuẩn mạng trong thực tế Một khía cạnh rất quan trọng chính là tiết kiệm năng lượng trong mạng

Tiết kiệm năng lượng mạng phải đảm bảo năng lượng tiêu thụ đáp ứng được quá trình vận hành trong mọi thời điểm, mọi điều kiện, ngay cả những thời điểm cao điểm về mật độ lưu lượng cần lưu thông trong mạng, và cũng đảm bảo không

để lãng phí dung lượng tại những thời điểm dung lượng nhàn rỗi Và những trường hợp kiến trúc hạ tầng bị phá hỏng do thời tiết hoặc một vấn đề nào đó, thì chúng ta phải có được một hệ thống dự phòng hợp lý tránh tốn kém Thật vậy, ngày nay tốc

độ mạng ngày càng cải thiện, nhưng ngược lại chi phí để làm được các công nghệ mới thì rất đắt đỏ, và việc sản xuất và sử dụng các thiết bị điện tử nói chung và thiết

bị mạng nói riêng gây ra những nguy cơ về khí thải

Những vấn đề trên, yêu cầu chúng ta phải biết làm giảm chi phí năng lượng không cần thiết và tiết kiệm nguồn năng lượng mạng; bao gồm: chi phí và lượng khí thải phát sinh khi sử dụng các thiết bị mạng Việc tiết kiệm năng lượng mạng này hay còn gọi là mạng xanh – Green networking Một trong những đề tài, dự án được rất nhiều các công ty, các tập đoàn lớn như: tập đoàn Samsung, tập đoàn Google,…

và rất nhiều các nhà nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và các trường đại học nổi tiếng trên thế giới như MIT – Masachusetts Institute of Technology, NASA – the National Aeronautics and Space Administration, Politecnico di Torino, Télécom ParisTech, University of Genoa, University of Wollongong…Các đề tài, dự án, công trình cho ta xác định lựa chọn giữa hiệu suất mạng và tiết kiệm năng lượng trong mạng là một thách thức vô cùng to lớn Một số công trình đã được thực hiện, được khái quát trong các nghiên cứu trên các tạp chí lớn mặc dù mạng xanh vẫn còn đang được phát triển trong tương lai đầy hứa hẹn

2

Chính vì vậy, em xin lựa chọn luận văn: ―Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục – Using green routing for

improving energy usage in backbone networks‖

Để nghiên cứu và thực hiện luận văn này, em cảm ơn cô giáo Ts Trần Thị Ngọc Lan và đồng cảm ơn các thầy (cô) giáo trong Viện Điện tử viễn thông thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em thực hiện đề tài: ―Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lượng trong mạng đường trục – Using green routing for improving energy usage in backbone networks‖

3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn có một cơ sở khoa học và thực tiễn rất quan trọng Cụ thể, năng lượng trở thành một vấn đề quan trọng trong các ngành công nghiệp, cũng như các ngành hiện nay Trong lĩnh vực: công nghệ thông tin và truyền thông đang trở thành mối quan tâm hàng đầu cụ thể trên các trang thiết bị công nghệ thông tin và truyền thông; ví dụ: trong các trung tâm dữ liệu, các cơ sở hạ tầng mạng đòi hỏi hiệu suất

sử dụng và các tiện ích mạng ngày càng nâng cao, làm cho nhu cầu về tiết kiệm năng lượng đặt ra một dấu hỏi Để thực hiện biện pháp cân bằng giữa các giải pháp cho hiệu suất sử dụng mạng như ―tốc độ đường truyền, chất lượng gói tin‖ và tiết kiệm năng lượng mạng như ―chi phí và khí thải gây ra trong mạng‖ Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực nghiên cứu và đưa ra các thiết kế nhằm giảm chi phí không cần thiết trong mạng mà vẫn duy trì được hiệu suất sử dụng mạng ―dung lượng cũng như tốc

độ truyền trong mang‖ Các thiết kế này được gọi là định tuyến xanh

Nội dung của đề tài cần giải quyết các vấn đề như sau:

 Xác định các nguyên nhân, các biện pháp, các công trình nghiên cứu và thực hiện về sử dụng định tuyến xanh để năng lượng trong mạng đường trục

Cụ thể chi tiết như sau:

Chương 1: Tổng quan sử dụng năng lượng trong mạng

Chương 2: Hiệu suất thuật toán GRiDA trong mạng xanh

Chương 3: Hiệu quả thuật toán định tuyến xanh

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

TRONG MẠNG 1.1 Giới thiệu

Khi Internet tương lai đang hình thành, có vẻ như một số khái niệm cơ bản

và các khía cạnh quan trọng có thể bao trùm toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng, đến mức trở thành một mục của các tiêu chí thiết kế mạng và thực hiện trên nhiều tên miền –domain để đạt được một mục tiêu chung Một khía cạnh như vậy là hiệu suất năng lượng

Các lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) đã được xem xét trong lịch sử và được coi là một yếu tố quan trọng để phát triển các hệ thống quản

lý các sáng chế và dịch vụ, nó có thể giúp giảm và giám sát chất thải năng lượng của bên thứ 3 và đạt được mức độ hiệu quả cao[2] Trong bối cảnh đó, các dự án khác nhau đã được xem xét và/hoặc phát triển các công nghệ mạng trong xây dựng môi trường thông mình (ví dụ: nhà, tòa nhà…) cũng như ý thức về năng lượng mạng Hiện nay, vai trò ICT đang trở nên có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề hiệu suất năng lượng trong sản xuất năng lượng và phân bố các mục, cũng như việc thúc đẩy tính năng động trong tất cả các khía cảnh của sản xuất và dịch vụ Có thể kỳ lạ là ICT – công nghệ thông tin và truyền thông sẽ không áp dụng các khái niệm tương tự với chính nó.[3]

Chỉ trong thời gian gần đây, do sự gia tăng về giá năng lượng, sự gia tăng liên tục của số lượng khách hàng, sự truyền thông tin của truy cập băng thông rộng,

và số lượng các dịch vụ được mở rộng bởi các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông (ISP), vấn đề hiệu suất năng lượng đã trở thành một mục tiêu ưu tiên cao đối với mạng có dây và cơ sở hạ tầng dịch vụ Những xu hướng tăng liên tục trong tiêu thụ năng lượng mạng chủ yếu phụ thuộc vào các dịch vụ mới đang được cung cấp, cũng như tăng khối lượng lưu lượng dữ liệu theo luật Moore, bằng cách tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng [4]

Hỗ trợ các cơ sở hạ tầng mạng thế hệ mới và liên quan đến các dịch vụ khách hàng đang phát triển nhanh chóng, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và ISP cần một số lượng lớn các thiết bị, với kiến trúc tinh vi có thể thực hiện ngày càng nhiều các hoạt động phức tạp theo một cách có thể mở rộng Ví dụ: Bộ định tuyến IP cao

5

cấp thậm chí còn dựa nhiều vào các trúc đa tầng phức tạp, cung cấp nhiều hơn và nhiều hơn nữa các chức năng mạng và tiếp tục tăng khả năng của nó với một yếu tố tăng 2,5 lần sau 18 tháng [29] Cùng một lúc, như thể hiện trong Hình 1 và theo gợi

ý của định luật tỷ lệ của Dennard [30], các công nghệ silicon (ví dụ CMOS) cải thiện hiệu quả năng lượng với tỷ lệ thấp hơn đối với vị trí của các bộ định tuyến và khối lượng truyền thông tin, bằng cách tăng 1.65 lần sau 18 tháng

Hình 1 1Sự phát triển từ năm 1993 đến năm 2010 về công suất bộ định tuyến

IP cao cấp (trên mỗi rack – mỗi khung) với khối lượng truyền thông tin (Luật

Moore) và hiệu suất năng lượng trong công nghệ silicon[29]

Việc giới thiệu duy nhất về công nghệ tiêu thụ năng lượng thấp silicon không thể làm rõ đối phó với những xu hướng như vậy, và đủ để kéo các thiết bị mạng hiện tại lên mạng Internet xanh trong tương lai

Do đó, nhiều khả năng như ở các lĩnh vực khác mà hiệu quả năng lượng là một mối quan tâm, có hai động lực chính thúc đẩy việc nghiên cứu mạng xanh:

để giữ cho mạng hoạt động ở mức độ dịch vụ mong muốn và nhu cầu của họ để cân bằng chi phí năng lượng ngày càng tăng (Hình 1.3 và 1.4)

Để thực hiện mục tiêu này, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và ISP đã bắt đầu đòi hỏi nhiều giải pháp kiến trúc phân chia, các giao thức và thiết bị tiên tiến sẽ cho phép đạt được tỷ lệ hiêu suất tốt hơn so với tiêu thụ năng lượng Điều

6

này đã thúc đẩy các công ty công nghệ thông tin và các cơ quan nghiên cứu công nghệ thông tin và truyền thông lớn thực hiện các ý tưởng khác nhau nhằm phát triển hiệu quả hơn các trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng mạng

Hình 1 2 Ước lượng carbon toàn cầu của công nghệ thông tin và truyền thông

(Bao gồm máy tính, mạng truyền thông và các thiết bị, máy in và các trung tâm dữ liệu) Nguồn Báo cáo thông minh 2020 bởi GeSI [15]

Hình 1 3 Ước lượng tiêu thụ năng lượng cho các cơ sở hạ tầng mạng viễn

thông của Châu Âu trong các mô hình

7

Trong mô Hình kinh doanh như thường lệ (BAU – Business As Usuall) và trong mô Hình bền vững hệ sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lượng tích lũy giữa 2 mô Hình Nguồn: Ủy ban Châu Âu DG INFSO báo cáo trong [3]

Mục tiêu chính đầu tiên của chương 1 là cung cấp một cuộc khảo sát đầy đủ

và chi tiết về những lý do chính và nguyên nhân mà gần đây đã đặt ra rất nhiều sự quan tâm về mạng xanh từ nghiên cứu và cộng đồng công nghiệp

Bắt đầu từ phân tích này, chúng ta sẽ tập trung vào các công nghệ hiệu quả năng lượng mạng, các giao thức, và các tiêu chuẩn đã nổi lên trong vài năm gần đây Về mặt này, ngoài một cuộc khảo sát chi tiết về các bài báo trên toàn thế giới

từ các tạp chí quốc tế và các cuộc họp hội nghị, chúng ta đã quyết định đưa ra một đánh giá thêm về các dự án tiêu biểu nhất và các hoạt động tiêu chuẩn hóa đang thực hiện trong lĩnh vực này

Hình 1 4 Dự tính OPEX tới giá thành năng lượng cho các công ty viễn thông

Châu Âu và cơ sở hạ tầng mạng trong các mô hình kinh doanh

Trong mô hình kinh doanh thường lệ BAU và trong mô Hình bền vững hệ sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lượng giữa 2 mô Hình Nguồn: Báo cáo của Ủy ban Châu Âu DG INFSO trong [13] và ước lượng U.S.EIA về chi phí năng lượng [14]

Hơn nữa, do tính không đồng nhất và sự phức tạp của công nghệ nhận thức năng lượng, tôi quyết định giới hạn cuộc khảo sát của tôi với giới hạn về cơ sở hạ tầng mạng cố định Theo nghĩa này, chương này không đề cập đến phương pháp

8

tiếp cận và công nghệ tiếp kiệm năng lượng trong các lĩnh vực liên quan đến mạng, chẳng hạn như các trung tâm dữ liệu xanh Vì cùng một lý do, hiệu suất năng lượng trong các mô hình mạng không dây (bao gồm mạng tùy biến không dây và mạng cảm biến) sẽ không được tính đến Thực tế, trong bối cảnh các thiết bị di động và các mạng không dây, hiệu suất năng lượng có các mục đích khác nhau (ví dụ để tăng tuổi thọ giới hạn của pin của các thiết bị), và các nghiên cứu cụ thể đáng kể đã được thực hiện [32][31] Chúng ta sẽ tiếp xúc với các khía cạnh liên quan đến năng lượng của mục truy cập cố định của mạng di động và cơ sở hạ tầng mạng WLAN

Chương 1 được viết như sau:

mạng hiện nay của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và các nhà cung cấp dịch

vụ Internet, và khảo sát các nghiên cứu quan điểm về nhu cầu năng lượng sẽ phát triển như thế nào trong những năm tới

- Mục 1.3 là dành để giới thiệu các phương pháp tiếp cận đại diện nhất, đã được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu mạng trong những năm qua, để tăng hiệu suất năng lượng trong mạng, các thiết bị cụ thể và các thiết bị đầu cuối

thực hiện mục đích này, mục 1.4 sẽ giới thiệu và tổ chức các đóng góp khoa học liên quan đến hiệu quả năng lượng trên cơ ở từng kịch bản Bắt đầu từ các khái niệm chính và những đóng góp trong mục 1.3 và 1.4, mục 1.5 sẽ thảo luận các vấn

đề mở và các vấn đề tương lai cho một mạng hiệu quả trong tương lai Các sáng kiến riêng, đã thúc đẩy khám phá công nghệ mạng xanh, trong khi mục 1.7 thảo luận các tiêu chuẩn hoạt động hiệu suất năng lượng mạng Cuối cùng kết luận trong chương 1.8

và các sáng kiến doanh nghiệp

1.2 Khí thải trong mạng

Trong những năm gần đây, một tập hợp lớn các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, các nhà cung cấp dịch vụ Internet và các tổ chức công cộng trên thế giới đã báo cáo số liệu thống kê về các yêu cầu năng lượng mạng và lượng khí do chúng gây ra, cho thấy một xu hướng đáng báo động và đang phát triển Ví dụ: Tiêu

9

tổng nhu cầu năng lượng của Ý), tăng so với năm 2005 và đến năm

2014 ([7][5],[6]) Tiêu thụ năng lượng này đặc biệt tăng từ cơ sở hạ tầng mạng, đóng góp trong tổng nhu cầu năng lượng Các trung tâm dữ liệu được trong số trong khi còn lại là do các nguồn giả mạo khác (ví dụ: văn phòng, cửa hang….) Chú ý rằng sự suy hao tương tự của năng lượng có thể được khái quát hóa đối với mục lớn các nhà khai thác viễn thông

Một ví dụ điển hình khác đến từ viễn thông Anh, báo cáo yêu cầu về năng lượng tương tự như viễn thông Ý; tổng tiêu thụ năng lương cho mạng và bất động sản trong tài chính năm 2008 là [6] Hơn nữa, nó chiếm khoảng tổng tiêu thụ của Anh vào mùa động năm 2007, làm cho nó trở thành khách tiêu dùng

Anh năm 2007 liên quan đến việc vận hành các thiết bị công nghệ thông tin [9] Tại Đức, Deutsche Telekom báo cáo một lượng tiêu thụ năng lượng tổng thể khoảng 3 TWh trong năm 2007 [10], tăng khoảng so với dữ liệu năm 2006, Deutsche Telekom đã chứng minh sự gia tăng tiêu thụ năng lượng này là kết quả của sự phát triển công nghệ (DSL), tăng khối lượng truyền tải và mở rộng mạng lưới, mặc dù con số này cũng bao gồm một lượng nhỏ các dữ liệu giả mạo, họ đã vạch ra rằng gần 20% chất thải năng lượng như vậy là do hệ thống làm mát Hơn nữa, điện năng tiêu thụ của Verizon trong năm 2006 là 8,9 TWh ( khoảng 0,26 nhu cầu năng lượng của Hoa Kì), trong khi yêu cầu của Telecom France – viễn thông Pháp là khoảng 2 TWh [11] Nhóm NTT báo cáo số lượng điện năng trong tài chính năm 2004 cần cho viễn thông của Nhật là 4,2TWh [11]

Những con số trên đề cập đến toàn bộ sự tiêu dùng của các tập đoàn Do đó, chúng chiếm nhiều tài nguyên, ngoại trừ khả năng hấp thụ hoạt động của thiết bị mạng (ví dụ: sưởi ấm văn phòng và đèn chiếu sáng) Tuy nhiên, chúng ta đã bao gồm họ để đưa ra một ý tưởng về xu hướng chung

Các xu hướng tương tự có thể được tổng quan hóa cho mục lớn các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và dịch vụ khác Báo cáo của Ủy Ban Châu Âu DG INFSO báo cáo trong 12 nhà khai thác viễn thông và nhà khai thác Châu Âu ước tính có nhu cầu về năng lượng mạng lưới tổng thể là 14,2 TWh trong năm 2005, sẽ tăng lên

10

21,4 TWh vào năm 2010 và 35,8 TWh vào năm 2020 nếu không có công nghệ mạng xanh được thông qua ( Hình 1.3)

Sáng kiến bền vững toàn cầu GeSI - Global e-Sustainability Initiative đã báo

hạ tầng ở khoảng phát thải trong năm 2020 Như trong Hình 1.5, GeSI báo cáo tằng, trong năm 2002, cơ sở hạ tầng mạng cho truyền thông di động

và truy cập hẹp có dây đã gây ra những đóng góp đáng kể của hiệu ứng nhà kính, vì mỗi người trong số họ năng hơn so với tổng lượng carbon toàn cầu Ước tính năm 2020 cho thấy cơ sở hạ tầng truyền thông di động sẽ chiếm hơn khí thải

(ví dụ như bộ định tuyến, thiết bị chuyển mạch,…vv) và thiết bị truy cập băng thông rộng sẽ làm cho đóng góp ngày càng tăng và không đáng kể lần lượt là

và

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Carnegie –Mellon điều tra trong năm

2003 mức tiêu thụ điện của mạng viễn thông ở Hoa Kỳ [15] Phạm vi nghiên cứu bao gồm mạng thoại, bao gồm các thiết bị sử dụng bởi các mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN – Public Switched Telephone Network – được sử dụng bởi các công ty điện thoại truyền thống – và mạng di động – được sử dụng bởi các công

ty mạng không dây Trên cơ sở các kết quả từ một nghiên cứu trước, ước tính tổng lượng điện tiêu thụ của mạng viễn thông Hoa Kì đã được tìm thấy là 29-34 TWh/năm hoặc khoảng 0,8 hoặc 0,9 tổng tiêu thụ điện của Hoa Kỳ Bài báo đã phân tích sự có về điện năng tiêu thụ giữa mạng PSTN và mạng di động, và cho thấy mạng di động có hiệu suất năng lượng gấp 2 lần về năng lượng được sử dụng cho mỗi kết nối thuê bao, PSTN có hiệu suất năng lương cao hơn về điện năng tiêu thụ trên mỗi phút gọi

11

Hình 1 5 Ước lượng phát thải khí nhà kính theo GeSI [14]

Về các mạng di động không dây, trong năm 2008, các nhà nghiên cứu tại NTT DoCoMo khảo sát các vấn đề tiêu thụ năng lượng mạng di động hiện tại, lấy mạng các nhà điều hành di động của Nhật làm ví dụ [17] Các tác giả báo cáo rằng mục chiếm ưu thế là do các mạng truy cập vô tuyến, và trong năm 2016, mỗi người dùng duy nhất trong mạng NTT DocoMo tiêu thụ, trung bình 120Wh mỗi ngày cho phía mạng và 0,83 Wh cho phía đầu cuối Kết quả của cuộc điều tra khẳng định răng tiêu thụ hiện tại có thể giảm bằng cách giới thiệu thêm các trạm thu phát sóng

cơ sở IP – BTS – Base Station và kĩ thuật Radio – over – Fiber (RoF)

Tập chung sâu hơn vào tiệu thụ năng lượng trong mạng có dây ngày nay và sau này có thể tìm thấy trong [18] và [19], ở đây Tucker et al đưa ra một quan điểm về thiết kế mạng bằng cách tập trung vào các khía cạnh chi phí và năng lượng Quan điểm này dựa trên một mô hình đơn giản cho sự phát triển của các công nghệ mạng trong những năm tới và nó sử dụng các bảng dữ liệu của các thiết bị thương mại hiện đại, cũng như các dự báo về các công nghệ băng thông rộng trong tương lai Bằng cách tuyên bố rằng mạng ngày nay phụ thuộc rất nhiều vào điện tử, mặc

dù những tiến bộ to lớn trong truyền dẫn và chuyển mạch, các tác giả nêu ra cách thức tiêu thụ năng lượng của thiết bị mạng là một yếu tố quan trọng dóng vai trò quan trọng Theo nghĩa này, họ cho rằng Internet cuối cùng có thể bị hạn chế bởi các mật độ năng lượng và những quan ngại về tản nhiệt, chứ không phải bởi băng thông [20].Các tác giả chỉ ra rằng các dữ liệu trình bày trong báo cáo của họ dựa

Hình 1 6 Công suất tiêu thụ trung bình mỗi người dùng trên sự gia tăng trong

tỷ lệ truy cập mạng theo kết quả trong [21]

Ước tính trong Hình 1.6 cũng được xác nhận bởi một báo cáo nối bộ từ Alcatel –Lucent , ước tính rằng, trong một cấu hình mạng điển hình ISP/telco, năng lượng tiêu thụ của mạng lưới vận chuyển và mạng lõi chiếu 30% yêu cầu mạng, và các thiết bị truy cập có trọng lượng là 70% (Hình 1.8)

Trong mạng truy cập băng thông rộng ngày nay, tiêu thụ năng lượng bị chi phối bởi năng lượng trong modem người dùng Mạng quang thụ động (PON –Passive Optical Network) cung cấp giải pháp năng lượng thấp nhất cho mạng truy

13

cập băng thông rộng đối với công nghệ Ethernet điểm – điểm, cáp quang – node (FTTN – Fiber – To – The – Node) và kĩ thuật Wi – Max Tính năng này của PON

có thể trở thành động lực thúc đẩy triển khai PON trong tương lai để đáp ứng những

lo ngại về tác động của hiệu ứng khí thải nhà kính của Internet Hơn nữa các tác giả

đã cho thấy ở nơi khác [22] các tốc độ tiêu thụ truy cập thấp trong mạng DSL cũng tương tự như của PON

Tucker et al cuối cùng chứng minh rằng mức tiêu thụ năng lượng trong các

bộ định tuyến – đặc biệt là trong lõi – sẽ trở nên quan trọng hơn khi tỷ lệ truy cập của người dùng tăng lên Năng lượng tiêu hao trong các liên kết WDM tương đối nhỏ Có rất ít bằng chứng cho thấy chuyển mạch quang – the optical burst switching hoặc chuyển mạch gói quang – optical packet switching sẽ làm giảm đáng kể chi phí hoặc tiêu thụ năng lượng trong các mạng công suất cao trong tương lai

Về mặt này, kết luận của Tucker được xác nhận bởi xu hướng thể hiện trong Hình 1.7, báo cáo rằng năng lực và tiệu thụ công suất của router cao cấp phát triển theo một hàm số mũ, bằng một yếu tố là 2,5 và 1,65 sau mỗi tháng trên mỗi rank cơ sở

Cụ thể hơn dữ liệu trong Hình 1.7 đã được thu thập bởi [28] và hoàn thành các thông số kĩ thuật của bộ định tuyến hàng đầu hiện nay ( ví dụ: Cisco CRS -1[22], Juniper T1600[24], Huawei Quidway 500E[25], Brocade Netlron XMR160000 và 320000[26]….)

Hình 1 7 Sự phát triển về năng lực và yêu cầu năng lượng của bộ định tuyến

cao cấp từ năm 1985 đến 2010

14

―Ước tính trên mỗi rack cơ sở [26][23][24][25][29].‖

Hình 1 8 Các yêu cầu về mật độ truy cập,mạng metro và các thiết bị lõi và các

yêu cầu về năng lượng trong các mạng

―Hình hiện nay do công ty viễn thông triển khai, và các yêu cầu về năng lượng nói chung của mạng truy nhập và mạng lõi/mạng metro.‖

1.3 Các biện pháp tối ưu mạng năng lượng thấp

Mục này nhằm giới thiệu các khái niệm và phương pháp tiếp cận quan trọng nhất hiện đang được tiến hành bởi các cộng đồng nghiên cứu và cộng đồng công nghiệp nhằm giảm nhu cầu năng lượng mạng Để thực hiện mục đích này, các mục được tổ chức như sau Lý do sử dụng hiệu quả năng lương trong thông tin truyền thông ICT và cách tiếp cận hiện tại có thể áp dụng cho các mạng có dây được thảo luận trong mục 1.3.1 Mục 1.3.2 cố gắng mô tả các nguồn tiêu thụ năng lượng quan trọng nhất trong các thiết bị mạng ngày nay Cuối cùng, mục 1.3.3 giới thiệu phân loại các phương pháp tiếp cận mạng xanh, gần đây đã được thực hiện nhằm giảm chất thải năng lượng trong các thiết bị viễn thông

ít hơn và hiệu quả hơn

15

Về các giải pháp cụ thể của mạng, một mục lớn các thiết bị mạng hiện đại (gói) có nguồn gốc từ công nghệ máy tính; ở đây, sự tiến triển đã được tiến hành bằng cách bao gồm mỗi lần phương pháp mới HW và các yếu tố silicon tùy biến để giảm phức tạp nhất và các hoạt động xử lý thời gian truyền thông tin quan trọng

Do đó, việc giới thiệu các công nghệ và tiêu chí tiết kiệm năng lượng cụ thể đòi hỏi phải mở đường dẫn mới trong nghiên cứu và phát triển công nghiệp để vượt qua những hạn chế do các bộ phận bên trong của thiết bị mạng có những đặc điểm

và yêu cầu khác nhau đối với mục đích chung HW

Công việc đột phá về tiêu thụ năng lượng trên Internet được thực hiện bởi Gupta et al.[60] đã có trong năm 2003, và bởi Christensen et al trong năm 2014[92], cho thấy đây là một vấn đề bắt buộc để nâng cao hiệu suất năng lượng của toàn bộ mạng Internet Tuy nhiên, gần đây (2008 – 2009) các nhà nghiên cứu, các nhà điều hành, và các nhà sản xuất thiết bị đã bắt đầu nỗ lực của mình theo hướng này một cách ồ ạt

Cho đến nay, tất cả những nỗ lực đầu tiên này chủ yếu dẫn đến các công nghệ và giải pháp khôn ngoan, đề cập đến các môi trường cụ thể và/hoặc các giao thức, và không cho phép phát triển nhanh và hiệu quả và truyền thông tin rộng rãi nhận thức về năng lượng trong các thiết bị viễn thông và cơ sở hạ tầng Hơn nữa, việc thiếu một phương pháp tiếp cận chuẩn hóa và hỗ trợ các công nghệ kế thừa cho hiệu suất năng lượng trong mạng làm cho các sáng kiến công nghiệp liên quan trở nên cựu kì tốn kém và không hiệu quả về mặt kinh tế (cần phải có các hoạt động phát triển đa dạng để giảm nhu cầu năng lượng của các thiết bị khác nhau và các bộ phận của chúng)

1.3.2 Năng lượng khí thải bên trong các nguồn thiết bị

Để đối mặt với vấn đề hiệu suất năng lượng trong các mạng đường dây ngày nay và ngày mai, trước hết chúng ta phải hiểu và mô tả chính xác các nguồn chất thải thực sự Như đã trình bày trong mục 1.2 (xem Hình 1.5, Hình 1.6, Hình 1.8) các thiết bị mạng làm việc trong các mục mạng khác nhau đóng một vai trò trung tâm,

vì mức tiêu thụ năng lượng tổng thể trong các mạng phát sinh từ yêu cầu công suất hoạt động và mật độ của chúng

16

Cụ thể hơn, các yêu cầu về công suất vận hành phát sinh từ tất cả các thành mục HW nhận được các chức năng mạng cụ thể, giống như các chức năng liên quan đến dữ liệu và điều khiển mặt phẳng, như các yếu tố dành cho các hàm chức năng phụ (chẳng hạn như làm mát không khí, cấp nguồn…) Về mặt này, mặt phẳng dữ liệu chắc chắn thể hiện mục tử thiếu năng lượng và quan trọng nhất mục lớn các kiến trúc thiết bị mạng vì nó thường bao gồm các thành mục HW đặc biệt (các máy

xử lý gói tin, các giao diện mạng….) có để thực hiện các hoạt động chuyển tiếp gói tin ở tốc độ cao

Tucker et al [18] và Neilson [29] tập trung vào các bộ định tuyến IP cao cấp

và ước tính rằng mặt phẳng dữ liệu có trọng lượng 54% trên tổng thể kiến trúc thiết

bị, so với 11% đối với mặt phẳng điều khiển và 35% cho quản lý điện và nhiệt xem Hình 1.9 Các tác giả tương tự tiếp tục phát ra các nguồn tiêu thụ năng lượng tại mặt phẳng dữ liệu trên mỗi cơ sở hàm chức năng Các công cụ xử lý gói tin nội bộ đòi hỏi khoảng 60% điện năng tiêu thụ ở mặt phẳng dữ liệu của định tuyến cao cấp, các giao diện mạng chiếm 13% , chuyển mạch cho 18,5% và quản lý bộ đệm cho 8,5%

Mặc dù nghiên cứu này đặc biệt đề cập đến các nền tảng định tuyến cao cấp

và sự phân bố của chất thải năng lượng không thể được duy trì rõ ràng cho tất cả các loại hình và kiến trúc của các thiết bị mạng, các ước tính kết quả cung cấp một chỉ dẫn thích hợp và rõ ràng về cách thức và địa điểm các nỗ lực nghiên cứu trong tương lai cần được tập trung để xây dựng các thiết bị xanh thế hệ tiếp theo

Hình 1 9 Ước lượng của các nguồn tiêu thụ điện năng trong một nền tảng chung của bộ định tuyến IP cao cấp Nguồn Tucker et al [126]

Mặt khác, Bộ ghép kênh truy nhập đường dây thuê bao số (Digital Subscriber Line Access Multiplexers – DSLAMs thường bao gồm chức năng xử lý gói tin ít hơn và đơn giản hơn đối với các bộ định tuyến, nhưng cũng có một số lượng lớn các giao diện mạng Các yêu cầu năng lượng hiện tại của DSLAMs ngày nay chủ yếu là từ các liên kết giao diện (I/O đối với Hình 1.9) Do đó, các công nghệ xanh trong tương lại và các giải pháp cho truy cập mạng sẽ đặc biệt tập trung vào hiệu suất năng lượng tại lớp liên kết/giao diện mạng

Theo những ý tưởng cơ bản này, mục lớn những đóng góp nghiên cứu hiện nay thường tập trung vào việc giới thiệu các mở rộng mới và các giải pháp để giảm

lý bên trong lõi và các node mạng, và của giao diện mạng và/hoặc liên kết các giao thức truy cập và thiết bị gia đình

1.3.3 Phân loại các phương pháp trong mạng năng lượng thấp

Từ quan điểm chung, mục lớn nhất của các cách tiếp cận được thực hiện cung cấp một sô khái niệm cơ bản, vốn đã được lấy cảm hứng từ các cơ chế tiết kiệm năng lượng và các tiêu chí quản lý công suất đã có sẵn một mục trong hệ thống máy tính Những khái niệm cơ bản này có thể được phân loại như sau:

18

Hình 1 10 Phân loại các phương pháp tiếp cận được thực hiện cho hiệu suất

năng lượng trong mạng tương lai

Sự thích ứng năng động của các tài nguyên mạng/thiết bị được thiết kế điều chỉnh khả năng của các phương thức xử lý gói tin và các giao diện mạng, để đáp ứng tải trọng thức tế và yêu cầu Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hai khả năng nhận dạng điện năng, cụ thể là quy mô điện áp động và không giá trị logic, cho phép tính hiệu quả giữa dịch vụ gói tin và điện năng tiêu thụ

Cuối cùng, các phương pháp ngủ/ chờ được sử dụng để phân chia các thành mục mạng/thiết bị không dùng đến các chế độ chờ thấp và chỉ cần đánh thức chúng nếu cần thiết Tuy nhiên, vì các mạng hiện tại và các dịch vụ và ứng dụng liên quan được thiết kế liên tục và luôn có sẵn, các chế độ chờ phải được hỗ trợ rõ ràng với các kỹ thuật proxy đặc biệt có thể duy trì sự hiện diện mạng của các nodes ngủ / các thành mục

Cần lưu ý rằng tất cả các phương pháp tiếp cận này không phải là độc nhất,

và, theo quan điểm của các tác giả hiện nay, cần phải có những nỗ lực nghiên cứu trong tất cả các hướng như vậy để phát triển có hiệu quả các thiết bị xanh thế hệ mới

Các phân loại của các khái niệm cơ bản cho hiệu suất năng lượng trong các mạng lưới đường dây được mô tả trong Hình 1.10, trong khi đó một phân tích chi tiết hơn về các phương pháp tiếp cận này được thảo luận dưới đây.Các phân loại của các khái niệm cơ bản cho hiệu suất năng lượng trong các mạng đường truyền

19

được mô tả trong Hình 1.10, trong khi đó một phân tích chi tiết hơn về các phương pháp tiếp cận này được thảo luận dưới đây

a Đổi mới kĩ thuật

Như đã nêu trên, các phương pháp đổi mới kĩ thuật được dành để giới thiệu nhiều công nghệ tiết kiệm năng lượng hơn, và để khai thác chúng một cách tối ưu bên trong kiến trúc thiết bị mạng, các công nghệ hiệu quả về năng lượng mới chủ yếu bao gồm silicon mới (ví dụ như ASIC, FPGA, bộ xử lý mạng / gói ) và công nghệ bộ nhớ (Ternary Content – Nội dung địa chỉ - Addressable Memory – Bộ nhớ địa chỉ, TCAM) ) cho các phương thức xử lý gói tin và các công nghệ truyền thông/giao diện mới cho các liên kết mạng (laser hiệu suất năng lượng cho các kênh quang, vv)

Về mặt này, giải pháp đầy thách thức nhất bao gồm việc áp dụng các kiến trúc chuyển đổi quang học tinh khiết [20], vốn được coi là thành mục chính để thay thế các thiết bị điện tử hiện tại Họ có thể cung cấp các terabits băng thông ở mức tiêu hao năng lượng thấp hơn nhiều so với các thiết bị mạng hiện tại, nhưng sự chấp nhận của họ vẫn còn xa thực tế Các vấn đề công nghệ hiện tại chủ yếu tập trung vào số lượng cổng hạn chế (dưới 100) và tính khả thi của các chương trình đệm thích hợp

Tập trung vào các công cụ xử lý gói tin, giảm kích thước tính năng trong công nghệ bán dẫn đã góp mục nâng cao hiệu suất bằng cách cho phép tần số xung clock cao hơn và cải tiến thiết kế như tăng tính song song Các xu hướng công nghệ tương tự cũng cho phép giảm điện áp đã làm giảm sức mạnh mỗi byte truyền qua nửa năm một lần hai năm một lần, theo gợi ý của luật mở rộng của Dennard [30]

Cố định công nghệ silicon, tiêu thụ năng lượng chủ yếu phụ thuộc vào số cổng của mục cứng chuyển tiếp Nói chung, mỗi cell, block và cổng đều đòi hỏi điện năng, tạo ra một trường hợp mạnh mẽ để tối ưu hóa cấu trúc bên trong phương thức chuyển tiếp Số cửa thông thường tỷ lệ thuận với độ linh hoạt và mức độ lập trình của phương thức HW Đơn giản hơn và nhanh hơn chuyển tiếp gói silicon đạt được chi phí năng lượng tốt nhất cho mỗi gigabit, nhưng chuyên môn hóa mục cứng nhiều quá có thể dẫn đến những hạn chế trong bộ tính năng và khả năng cập nhật của các chức năng thiết bị mạng

20

Về mặt này, các CPU mục đích chung điển hình là trường hợp xấu nhất đối với hiệu quả sử dụng năng lượng và hiệu quả nhất cho độ linh hoạt Các CPU đa nhân gần đây được thiết kế với công nghệ CMOS từ 45 đến 65 và có thể có hơn hai tỷ transistor Chúng có thể lập trình được đầy đủ và có thể thực hiện bất kỳ hoạt động tra cứu gói tin nào tồn tại, nhưng điều này đòi hỏi chi phí tiêu thụ điện năng tương đối cao Họ có thể chuyển tiếp một vài gigabit / giây trong phạm vi công suất cho một CPU cao cấp

Mặt khác, silicon tùy biến hoàn toàn cho việc chuyển tiếp gói tin cung cấp hiệu suất năng lượng tốt nhất, nhưng có mức độ lập trình hoặc độ linh hoạt thấp Tuy nhiên, chi phí phát triển cao có thể được bù lại với việc nâng cao tỷ lệ và hiệu suất năng lượng cao hơn Silicon tùy biến có thể đạt được mức hiệu quả năng lượng tương đương khoảng 100 W Điều này gần như là mức độ lớn hơn so với nền tảng CPU

Giữa các bộ vi xử lý ngoài kệ và silicon tùy biến hoàn toàn, có rất nhiều giải pháp trung gian với tỷ lệ giá / hiệu suất rộng và từ các bộ xử lý mạng được tối ưu hoá gói tin đến các mảng CPU hoàn toàn có thể cấu hình Các tính năng và hướng dẫn có thể được thêm vào hoặc gỡ bỏ theo ý thích

Bắt đầu từ những cân nhắc này, các nhà nghiên cứu khác nhau gần đây đã phải đối mặt với vấn đề phức tạp trong kiến trúc thiết bị mạng (và đặc biệt là trong

bộ định tuyến IP) bằng cách đưa ra các giải pháp mới và các kiến trúc mạng mới cho Internet trong tương lai Ở đây, ý tưởng chính bao gồm giảm đáng kể các chức năng của các thiết bị làm việc tại mạng lõi và mạng truyền tải, vì vậy các bộ định tuyến và thiết bị chuyển mạch cao cấp có thể được sản xuất với số cổng HW thấp hơn

Về mặt này, Roberts đã đưa ra một trong những cách tiếp cận hứa hẹn nhất [33] Ông đề xuất một khái niệm mới cơ bản cho tra cứu lưu lượng, cho phép các bộ định tuyến thế hệ tiếp theo chuyển tiếp lưu lượng truy cập các mức giới hạn lưu lượng Cách tiếp cận này chắc chắn dẫn đến một kiến trúc thiết bị mạng đơn giản và

có thể mở rộng hơn so với các thiết bị hiện tại, chuyển tiếp lưu lượng truy cập ở các mức giới hạn gói tin

21

Với mục đích tương tự, Baldi và Ofek [86] đề xuất một phương pháp chuyển đổi IP theo thời gian đồng bộ, cho phép đồng bộ hóa hoạt động của các bộ định tuyến và lên kế hoạch lưu lượng truy cập trước Cách tiếp cận này dựa trên các khái niệm chuyển tiếp đường ống, và đặc biệt chuyển mạch theo thời gian và chuyển đổi lambda phân đoạn Điều này sẽ cho phép giảm sự phức tạp của thiết bị trong việc

xử lý đoạn đầu, kích thước bộ đệm, chuyển mạch tốc độ lưới và tăng tốc độ truy nhập băng thông bộ nhớ Họ cũng đề xuất để áp dụng các nguồn thời gian khác nhau toàn cầu, tự do sẵn có trên trái đất và trong không gian, cho các hoạt động đồng bộ

b Thích ứng động

Phương pháp tiếp cận thích ứng động nhằm mục đích điều chỉnh khả năng của tài nguyên thiết bị mạng (ví dụ: băng thông đường truyền, khả năng tính toán của phương thức xử lý gói, v.v.) theo tải lưu lượng hiện tại và yêu cầu dịch vụ Những cách tiếp cận này thường được thành lập dựa trên hai loại năng lực quản lý năng lượng chính được cung cấp bởi mức HW, cụ thể là việc mở rộng quy mô năng lượng và không có hiệu quả logic

Ngày nay, mục lớn các thiết bị mạng hiện tại không bao gồm các tính năng

HW như vậy, nhưng quản lý năng lượng là một tính năng quan trọng trong các bộ vi

xử lý hiện nay trên tất cả các phân đoạn thị trường và nhanh chóng phát triển trong các công nghệ HW khác [35] [34] Cụ thể, khả năng mở rộng quy mô công suất cho phép giảm tốc độ phương thức xử lý hoặc các giao diện liên kết Điều này thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh tần số đồng hồ và / hoặc điện áp của bộ vi xử

lý hoặc bằng cách điều chỉnh các xung clock CPU (tức là, tín hiệu xung clock được chọn qua cổng hoặc bị nhàn rỗi cho một số chu kỳ ở các khoảng thông thường) Ví

dụ, công suất tiêu thụ của silicon dựa trên CMOS có thể được mô tả sơ bộ như sau:

Trong đó là năng lượng hoạt động bị lãng phí, C điện dung của CMOS, và

V và f là điện áp hoạt động và tần số các giá trị, tương ứng Cần lưu ý rằng V và f

là cần thiết để tỷ lệ thuận với việc làm việc chính xác của silicon CMOS Giảm tần

số hoạt động và điện áp của bộ vi xử lý, hoặc điều chỉnh xung clock của nó, rõ ràng

là cho phép giảm công suất tiêu thụ và tản nhiệt ở mức giá hiệu suất chậm hơn

22

Mặt khác, logic nhàn rỗi cho phép giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách nhanh chóng tắt các thành mục phụ khi không có hoạt động nào được thực hiện và bằng cách đánh thức lại chúng khi hệ thống nhận các hoạt động mới Cụ thể, các tình huống đánh thức có thể được kích hoạt bởi các sự kiện bên ngoài trong một chế độ

ưu tiên (ví dụ như -wake-on-packet), và / hoặc bằng một tiến trình lập kế hoạch nội

bộ của hệ thống (ví dụ, hệ thống tự tỉnh dậy mỗi một thời gian và kiểm soát nếu có các hoạt động mới để xử lý)

Như trong các hệ thống máy tính mục đích chung (xem mục phụ lục), việc thực hiện cả hai logic nhàn rỗi và các giải pháp hiệu suất rộng thường được thực hiện bằng cách chọn trước một bộ cấu hình HW khả thi và ổn định, cung cấp sự cân bằng khác nhau giữa tiêu thụ năng lượng và hiệu suất các trạng thái Ví dụ, các trạng thái nhàn rỗi khác nhau thường được thiết kế bằng cách lựa chọn tắt một số lượng lớn các mục tử HW Một mặt, điều này dẫn đến giảm tiêu thụ năng lượng trong thời gian nhàn rỗi; Mặt khác, cần phải có thời gian lớn hơn để đánh thức tất cả các yếu tố phụ HW

Tương tự như vậy, hỗ trợ HW nâng cấp hiệu suất được thiết kế bằng cách chọn trước một tập hợp các tần số clock hoạt động, có giá trị nhỏ hơn nhiều so với mức tối đa và cung cấp độ ổn định silicon

Cả hai khả năng nhận thức về năng lượng này đều có thể được áp dụng chung để thích ứng với hiệu quả của hệ thống đối với các yêu cầu về khối lượng công việc hiện tại và dẫn đến sự khác biệt giữa mức tiêu thụ năng lượng và hiệu năng mạng

Như thể hiện trong hình 1.11, hiệu suất nhân rộng (Hình 1.11-c) rõ ràng gây

ra sự kéo dài thời gian dịch vụ gói tin (tức là thời gian xử lý tiêu đề trong một công

cụ xử lý, hoặc thời gian truyền gói trong một giao diện liên kết), trong khi chấp nhận duy nhất của nhàn rỗi logic (Hình 1.11-b) giới thiệu sự chậm trễ bổ sung trong gói dịch vụ, do thời gian thức dậy

Cuối cùng, như được mô tả trong hình 1.11-d, việc áp dụng chung cả năng lực nhận biết năng lượng có thể không dẫn đến lợi ích năng lượng nổi bật, vì việc tăng hiệu năng làm cho thời gian dịch vụ gói lớn hơn, và do đó rút ngắn thời gian nhàn rỗi

Tuy nhiên, tính hiệu quả về năng lượng và mạng của logic rảnh rỗi và hiệu suất hoạt động (và sự chấp nhận chung của họ) phải được đánh giá chính xác bằng cách xem xét các tính năng và các yêu cầu về lưu lượng truy cập Về mặt này, cần lưu ý rằng việc tiết kiệm năng lượng tổng thể và hiệu suất mạng phụ thuộc chặt chẽ vào khối lượng lưu lượng truy cập và các tính năng thống kê (tức là, thời gian liên đới, mức độ bùng nổ, v.v.) Ví dụ, logic nhàn rỗi cung cấp năng lượng và hiệu năng mạng hàng đầu khi lưu lượng truy cập đến có mức độ bùng nổ cao Điều này là do cần phải có quá trình chuyển đổi nhàn rỗi không hoạt động ít (và thời gian thức dậy)

và HW có thể duy trì thời gian dài hơn ở trạng thái tiêu thụ thấp

Một chính sách tối ưu hóa nói chung là cần thiết để cấu hình và kiểm soát việc sử dụng các khả năng và trạng thái nhận biết năng lượng liên quan đến yêu cầu

về khối lượng công việc ước tính và dịch vụ Ngoài khe các hệ thống máy tính chính sách tối ưu hóa như vậy thường được phát triển như là một ứng dụng SW, được gọi là "điều tiết"

Về chính sách tối ưu hóa, một số phương pháp đã được đề xuất để ước tính khối lượng công việc hiện tại và tối ưu để kiểm soát sự cân bằng giữa hiệu suất và tiêu thụ năng lượng trong lĩnh vực hệ thống máy tính Các phương pháp này nằm trong số các kỹ thuật dự đoán [36] và các chương trình động [40] [37] [38] [39], được nghiên cứu cho các ổ đĩa [41], bộ vi xử lý [44] [42] [43] và các thành mục khác Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi tính toán quan trọng để có được chính sách tối ưu và ước tính khối lượng công việc hiện tại, có thể không khả thi trong mọi trường hợp

c Chế độ ngủ/ Chờ

Chế độ ngủ và chờ được thiết lập dựa trên nguyên lý quản lý năng lượng, cho phép các thiết bị hoặc một mục của chúng tự chuyển đổi gần như hoàn toàn, và bước vào các trạng thái năng lượng rất thấp, trong khi tất cả các chức năng của chúng bị đông lạnh Do đó, chế độ ngủ và chờ có thể được coi là trạng thái nhàn rỗi sâu hơn, được đặc trưng bởi tiết kiệm năng lượng cao hơn và thời gian thức dậy lớn hơn nhiều

Việc áp dụng rộng rãi các khả năng nhận biết năng lượng nói chung bị cản trở bởi mục đích chung và thiết kế các ứng dụng và dịch vụ mạng ngày nay, thường được cho là có đầy đủ mọi lúc Cụ thể hơn, khi thiết bị (hoặc một mục của nó) trong chế độ ngủ, các ứng dụng và dịch vụ của nó ngừng hoạt động và mất kết nối mạng

Do đó, thiết bị trong chế độ ngủ mất đi khả năng hiển thị mạng của nó, vì nó không thể duy trì kết nối mạng và trả lời các thông báo ứng dụng / dịch vụ cụ thể Hơn

độ ngủ của họ mà không bị mất kết nối TCP, dịch vụ mạng LAN truyền thông tin,

…Đây là lý do chính khiến số lượng máy tính để bàn và máy chủ được nối mạng ngày càng tăng lên, mặc dù có là hầu như không có nhu cầu người dùng về tài nguyên của họ Điều này mục lớn là do các nguồn lực ngày càng được chia sẻ và do

xu hướng này chắc chắn sẽ được củng cố bởi mục lớn các thiết bị điện tử tiêu dùng,

và thậm chí còn được "làm việc mạng" hơn so với các máy tính cá nhân của họ

Christensen và Nordman trực tiếp đối mặt với các cải tiến hiệu suất năng lượng trong kịch bản như vậy [102] [101] Cụ thể hơn, giải pháp của họ để duy trì

sự hiện diện của mạng liên tục bao gồm sự hiện diện của mạng chuyển mạch máy chủ đến một -proxy‖, tức là NCP (Network Connectivity Proxy), khi vào chế độ nghỉ [104] [103]

Như thể hiện trong Hình 1.9, một NCP được cho là xử lý ARP, ICMP, DHCP, và các nhiệm vụ hiện diện mạng cấp thấp khác cho một máy chủ lưu trữ mạng Một NCP cũng phải có thể duy trì kết nối TCP và luồng dữ liệu UDP và để đáp ứng các thông báo ứng dụng Do đó, mục tiêu chính của proxy là để đáp ứng với lưu lượng mạng – đầu tư khi thiết bị ngủ, và để đánh thức thiết bị khi nào và chỉ khi nào nó thực sự cần thiết

Hình 1 12 Ví dụ Proxy kết nối mạng

26

Cụ thể hơn, NPC và thiết bị ngủ phải trao đổi hai loại thông điệp:

và dịch vụ của máy chủ chế độ ngủ với NPC Các thông báo này chứa mô tả các kết nối ứng dụng, và các thông điệp triển khai ứng dụng

host đang ngủ, hoặc để đánh thức chủ nhà khi NPC nhận được một thông báo, người đang xử lý trực tiếp yêu cầu host

Như được mô tả trong mục 1.4.7 chi tiết hơn, một NPC có thể được thực hiện như một khối chức năng bổ sung của một giao diện mạng, của một bộ chuyển đổi Ethernet, của một máy chủ của bên thứ ba, hoặc của bất kỳ thiết bị gần chế độ ngủ

1.4 Công nghệ xanh trong mạng nâng cao

Bắt đầu từ các phương pháp nghiên cứu cấp cao đã được xác định trong mục trước, mục tiêu chính của mục này là cho thấy chúng có thể được áp dụng có hiệu quả như thế nào trong các kịch bản và công nghệ mạng trong thực tế

Tất cả các phương pháp tiếp cận hiện tại đối với mạng lưới xanh, một mục ngoại trừ các kỹ thuật tái cấu trúc, hứa hẹn tiết kiệm năng lượng cao với chi phí giảm hiệu suất mạng Do các chỉ số hiệu suất mạng đã là thước đo duy nhất cho các nhà điều hành và nhà sản xuất, đề xuất của việc đánh đổi như vậy có vẻ khó chấp nhận

Do đó, thách thức hiện nay của một mục lớn các nhà nghiên cứu tham gia vào lĩnh vực này là tìm ra các giải pháp / cơ chế cụ thể, làm việc với một tác động không đáng kể đến hiệu suất cấp mạng

Do tính không đồng nhất cao của các tính năng, kiến trúc và các ràng buộc

về hoạt động của các giao thức và thiết bị hoạt động ở các tầng kiến trúc khác nhau, cách để phát triển các cơ chế tiết kiệm năng lượng mới đã và sẽ có thể hoàn toàn phụ thuộc vào kịch bản mạng lưới tham chiếu Do đó, và để thảo luận tốt hơn về các vấn đề chính trong từng lĩnh vực, chúng ta đã quyết định tổ chức mô tả các đóng góp nghiên cứu đại diện nhất trong các tiểu mục khác nhau, mỗi liên quan đến một loại mạng hoặc một mục khác

27

Chi tiết hơn, mục 1.4.1 báo cáo một số công trình đại diện về việc giảm nhu cầu công suất tiêu thụ trong mạng có dây truy cập và các công nghệ liên quan Mục 1.4.2 giới thiệu các cải tiến xanh cho các cơ sở hạ tầng truy cập cố định (ví dụ: điểm truy cập, trạm cơ sở, v.v.) của mạng không dây và mạng di động Mục 1.4.3 trình bày một cuộc khảo sát liên quan đến kiến trúc và cơ chế tiết kiệm năng lượng cho các bộ định tuyến và thiết bị chuyển mạch thế hệ tiếp theo Mục 1.4.4 báo cáo một

số tiêu chí kiểm soát mạng và kỹ thuật truyền thông tin thú vị có thể được áp dụng

để tắt các tập hợp các đường kết nối và node mạng phù hợp khi mạng được sử dụng nhẹ Mục 1.4.5 dành cho các mục mở rộng nhận thức về năng lượng đề xuất cho các giao thức liên kết dữ liệu Ethernet Mục 1.4.6 giới thiệu một số công việc sơ bộ liên quan đến việc sử dụng các giao diện SNMP để quản lý cấu hình năng lượng trong các máy chủ mạng Cuối cùng, Mục 1.4.7 khám phá các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng tiên tiến có thể được sử dụng cho các thiết bị đầu cuối nối mạng

1.4.1 Mạng truy cập có dây

Các mạng truy nhập có dây là một viễn cảnh rất quan trọng để giảm lượng carbon thải ra toàn bộ cơ sở hạ tầng viễn thông, vì chúng chiếm một mục lớn các yêu cầu về năng lượng mạng (xem Hình 2.1và Hình 2.4) Các phương pháp tiếp cận mạng lưới xanh hiện tại trong lĩnh vực này bao gồm tái cấu trúc các công nghệ hiện tại (ví dụ bằng cách thay thế các công nghệ bằng đồng với sợi quang đến mức tối đa) cũng như thiết kế các cơ chế mở rộng quy mô (chủ yếu dành cho thiết kế công suất thấp chế độ nhàn rỗi để tiết kiệm năng lượng khi truy cập mạng không được sử dụng)

a Tiếp cận lại kĩ thuật

Gần đây, Telecom Italia – viễn thông Ý đã cho thấy trong một phân tích về

xu hướng tiêu thụ năng lượng cho các mạng truy nhập có dây thế hệ tiếp theo, có tính đến việc triển khai VDSL2 trong các kiến trúc FTTx Bài báo cũng tập trung vào các khía cạnh khác như nhu cầu về các lớp môi trường được chuẩn hóa mới cho các thiết bị hoạt động được lưu trữ trong các tủ ngoài trời, và các nguồn dự phòng

có sẵn để có dịch vụ

Dựa trên mô hình mạng lưới các nhà khai thác điển hình, [47] và [46] đã so sánh mức tiêu thụ năng lượng của các công nghệ và kiến trúc truy cập băng thông

28

rộng khác nhau, đặc biệt là DSL, FTTN + VDSL và FTTH Mặc dù quản lý năng lượng VDSL cải thiện hiệu suất, các tác giả cho rằng vẫn còn một lợi thế rõ ràng của FTTH đối với hiệu suất năng lượng

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalborg đã khám phá quy hoạch đường đi nhận biết năng lượng trong các mạng truy nhập, trong việc lựa chọn các đường ranh nên được đào lên để kết nối cáp với khách hàng bằng các node truy cập Cụ thể hơn,

họ đã đánh giá tiềm năng sử dụng CTP Cable trong việc lập kế hoạch các mạng truy nhập ICT, đặc biệt tập trung vào công nghệ FTTH Đóng góp đã được gấp đôi; đầu tiên các tác giả phân tích các khoản tiết kiệm chi phí có thể có trong một nghiên cứu trường hợp quy mô lớn, và thứ hai họ xem xét tính khả thi của việc giải quyết chính xác CTP Các tác giả kết luận rằng các khoản tiết kiệm cụ thể phụ thuộc vào chi phí của cáp và hào; từ kết quả thu được và tỷ lệ thực tế giữa hai chi phí này nằm trong khoảng 100, CTP có thể tiết kiệm được khoảng 7% và 20% đối với cây Tuyến đường ngắn nhất – Shortest Path Spanning Tree và Cây nhỏ nhất Steiner – Steiner Minimal Tree

b Cách tiếp cận nhân rộng công suất

Các nhà nghiên cứu Alcatel-Lucent [49] phải đối mặt với vấn đề tối ưu hóa năng lượng trong các hệ thống DSL Với mục tiêu này, họ đã xem xét lại sự cân bằng giữa quản lý phổ năng động và tỷ lệ tối đa hóa tỷ lệ số thuê bao kỹ thuật số theo một hạn chế sức mạnh truyền tải nhất định của modem Đề xuất cải tiến vấn đề cho phép giảm thiểu tiêu thụ năng lượng đối với mục tiêu tỷ lệ tối thiểu Áp dụng khuôn khổ tối ưu này có thể làm giảm tổng công suất tiêu thụ bởi một DSLAM bằng một con số từ 10% đến 20% trong ADSL2 +

Shing-Wa et al trình bày các triển khai có thể của các chế độ nhàn rỗi không hoạt động ở các mạng quang học (ONUs) để tiết kiệm năng lượng trong các mạng quang thụ động [PON] [50] Hai kiến trúc ONU mới được đề xuất có thể làm giảm đáng kể thu hồi xung clock so với các cấu trúc ONU hiện tại khi thức dậy từ chế độ ngủ Kết quả thu được từ các mô hình phân tích cho thấy các ONU hiện tại không đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng theo lưu lượng TDM-PON thực tế Mặt khác, việc tiết kiệm năng lượng đáng kể - hơn 50% - được quan sát khi sử dụng hai kiến trúc được đề xuất

1.4.2 Kết nối mạng không dây/Hạ tầng mạng di động

Tương tự như vùng truy cập có dây, các phương pháp tiếp cận nghiên cứu trong cơ sở hạ tầng mạng không dây / cellular cũng chủ yếu dành cho việc tái thiết

kế nền tảng thiết bị hiện tại (ví dụ như các điểm truy cập, trạm cơ sở, vv) và bao gồm hỗ trợ cho việc thích ứng năng động của các tài nguyên mạng (và sau đó là yêu cầu về công suất) với tải truyền thông tin thực tế

a Tiếp cận lại kĩ thuật

Trong những năm qua, các hoạt động nghiên cứu cụ thể đã được thực hiện nhằm giảm chất thải năng lượng của các cơ sở hạ tầng cố định của mạng di động (ví

dụ, trạm cơ sở [52] [51]) và các điểm truy cập WLAN [54] [53] Ericsson đã đề xuất các phương pháp cải tiến để tiết kiệm năng lượng từ góc độ môi trường, và mô tả các ý tưởng cụ thể trong việc nâng cao hiệu suất của đài vô tuyến điện và giảm chi phí làm mát vị trí

b Phương pháp tiếp cận thích ứng động

Để quản lý công suất linh hoạt, cần phải có các giải pháp cho khả năng tương tác của mạng có dây với các giao thức và thiết bị kế thừa Không thể trông đợi một cách rộng rãi các giải pháp mới nếu không Một yếu tố khác cần lưu ý là các mạng không dây chủ yếu hoạt động ở tốc độ dữ liệu thấp hơn đáng kể so với các mạng có dây Tương ứng, nhu cầu dung lượng đệm có thể là thấp hơn và chấp nhận được độ trễ có thể cao hơn

Jardosh et al [54] [53] đề xuất việc áp dụng các chiến lược theo yêu cầu nguồn lực cho mạng WLAN Các chiến lược như vậy cho phép bật hoặc tắt các điểm truy cập WLAN tự động, dựa trên khối lượng và vị trí của nhu cầu người sử dụng Cụ thể hơn, các tác giả điều tra và thực hiện một chiến lược cụ thể cho mạng

Louhi cho thấy rằng tiêu thụ năng lượng của các mạng di động có thể được giảm bằng cách nâng cao hiệu quả của trạm cơ sở và thiết bị Cụ thể hơn, ông đề nghị tắt các mục của trạm gốc trong thời gian lưu lượng truy cập thấp

1.4.3 Định tuyến mạng và chuyển đổi mạng

Về cấu trúc bộ định tuyến và chuyển đổi năng lượng có liên quan, các phương pháp tiếp cận lại kỹ thuật chủ yếu tập trung vào việc làm giảm sự phức tạp của kiến trúc nội bộ và sử dụng các công nghệ mục cứng hiệu quả hơn Ở đây, vấn

đề chính về công nghệ bao gồm việc duy trì sự linh hoạt và mức độ hoạt động giống như các thiết bị mạng ngày nay

Các nghiên cứu về cơ chế thích ứng năng động đề xuất các giải pháp khác nhau (dựa trên cả hai phương pháp hiệu suất và kỹ thuật logic nhàn rỗi) để giảm nhu cầu năng lượng của các yếu tố nội bộ khác nhau, từ giao diện mạng đến phương thức xử lý gói

a Tiếp cận lại kĩ thuật

Một cuộc điều tra về những khoản tiết kiệm tiềm năng có thể đạt được thông qua thiết kế và định tuyến mạng có thể nhận biết điện năng có thể được tìm thấy trong [64] Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu đo lường điện năng tiêu thụ của các cấu hình khác nhau của các bộ định tuyến lõi và mặt nạ sử dụng rộng rãi Sau đó, họ

sử dụng các kết quả này để tạo ra một mô hình chung cho việc tiêu thụ điện năng của router để khám phá những tác động tiềm ẩn của nhận thức về điện trong một tập hợp các mạng ví dụ Các kết quả đạt được chỉ ra rằng điện năng tiêu thụ có thể thay đổi theo mức độ của một mức độ, và rằng có thể có cơ hội đáng kể để giảm nó trong ngắn hạn

Trong một cách tương tự, các nhà nghiên cứu Juniper đã xác định và mô tả một số cải tiến màu xanh có thể cho các bộ định tuyến thế hệ mới trong [65]