Nghiên cứu và thực hiện phương pháp tiết kiệm năng lượng trên bộ chuyển mạch openflow (tt)

Một trong những giải pháp được đưa ra là điều khiển thông minh mức tiêu thụ năng lượng của các bộ chuyển mạch sử dụng trong trung tâm dữ liệu.Vì vậy “Nghiên cứu và thực hiện phương p

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN BỘ CHUYỂN

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Phản biện 1: TS Võ Minh Tuấn

Phản biện 2: TS Ngô Văn Sỹ

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điện tử họp tại trường Đại học Bách Khoa vào ngày

25 tháng 10 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện tử Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

Sự mở rộng không ngừng về phạm vi và quy mô của các trung tâm dữ liệu nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng, dẫn đến thực trạng mức tiêu thụ năng lượng quá lớn của thiết bị mạng Một trong những giải pháp được đưa ra là điều khiển thông minh mức tiêu thụ năng lượng của các bộ chuyển mạch sử dụng trong trung tâm dữ liệu.Vì

vậy “Nghiên cứu và thực hiện phương pháp tiết kiệm năng lượng trên bộchuyển mạch OpenFlow” là lý do luận văn tập trung nghiên

cứu

Nội dung của luận văn gồm5 chương:

Phần 1 “Tìm hiểu thực trạng và giải pháp mạng OpenFlow”

Chương 1: Vấn đề tiết kiệm năng lượng và giải pháp sử

dụng mạng OpenFlow

Chương 2:Ứng dụng mạng OpenFlow trên nền tảng

NetFPGA

Phần 2 “Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng”

Chương 3: Triển khai hệ thống mạng OpenFlow trên nền

tảng kit NetFPGA

Chương 4: Xây dựng chương trình tiết kiệm năng lượng cho

chuyển mạch OpenFlow

Phần 3 “Đo đạc và đánh giá kết quả đạt đươc”

Chương 5: Thực hiện đo đạc và kết quả

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1 VẤN ĐỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ GIẢI PHÁP SỬ

DỤNG MẠNG OPENFLOW

1.1 Giới thiệu

Cơ sở hạ tầng mạng trở nên quan trọng trong các hoạt động của các tổ chức như trường học, doanh nghiệp, nhà cung cấp dịch vụ mạng Vấn đề đặt ra cho các nhà nghiên cứu và phát triển là làm sao

có thể giảm tối đa lượng điện năng tiêu thụ của các trung tâm dữ liệu

mà khả năng xử lý thông tin vẫn được đảm bảo Nội dung chương này giới thiệu lý do tiết kiệm năng lượng và giải pháp sử dụng mạng OpenFow

1.2 Vấn đề tiết kiệm năng lượng

Các switch và router hiện tại không cho biết đầy đủ các thông số năng lượng tiêu thụ Một switch/router đặc trưng gồm một chassis chứa các khe cắm các linecard Công suất tiêu thụ của chassis chiếm phần lớn công suất tiêu thụ của switch nên đo thông số năng lượng tiêu thụ của tất cả các thành phần trong switch một cách toàn diện thì rất khó thực hiện

1.3 Giải pháp sử dụng mạng OpenFlow

1.3.1 Sự cần thiết cho một kiến trúc mạng mới

Hầu hết các mạng thông thường đều theo kiến trúc phân cấp Thiết kế này hiệu quả khi mô hình tính toán client-server chiếm ưu thế, nhưng không thích hợp với yêu cầu tính toán đa dạng, năng động

và nhu cầu lưu trữ dữ liệu

1.3.2 Mục tiêu của mạng OpenFlow

Yêu cầu thị trường hiện nay là một gánh nặng với kiến trúc mạng truyền thống Những hạn chế của mạng hiện tại bao gồm:

- Độ phức tạp cao gây tắc nghẽn

DUT.LRCC

- Chính sách không đồng nhất

- Khả năng quy mô kém

- Phụ thuộc vào nhà cung cấp thiết bị

1.3.3 Giao thức OpenFlow

Giao thức OpenFlow, cho phép trực tiếp thao tác trên phần chuyển mạch của các thiết bị mạng, có thể hỗ trợ việc chuyển tiếp các gói tin OpenFlow và gói tin truyền thống, điều này giúp cho doanh nghiệp và người sử dụng dễ dàng tiếp cận đến mạng, ngay cả trong môi trường mạng thiết lập bởi nhiều nhà cung cấp

1.4 Kết luận

Tóm lại, các xu hướng mới của người sử dụng ngày càng ưa chuộng tính di động, ảo hóa máy chủ, và yêu cầu đáp ứng một cách nhanh chóng với điều kiện kinh doanh luôn thay đổi đặt ra nhiều yêu cầu lên hệ thống mạng, rất nhiều kiến trúc mạng thông thường hiện nay không thể đảm đương được

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG MẠNG OPENFLOW TRÊN NỀN

TẢNGNETFPGA

2.1.Giới thiệu

Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL Nội dung chương này giới thiệu về ứng dụng mạng OpenFlow trên nền tảng NetFPGA

2.1.1 Ứng dụng của FPGA

FPGA được ứng dụng để chế tạo ra các thiết bị mạng máy tính như bộ định tuyến, bộ chuyển mạch Trong luận văn này là bộ chuyển mạch OpenFlow

2.1.2 Kiến trúc của FPGA

Các kiến trúc cơ bản của FPGA bao gồm ba loại thành phần: các khối logic, định tuyến, và các khối vào ra Nó bao gồm một mảng các khối logic có thể cấu hình được (CLB) có thể được kết nối với nhau cũng như các khối I/O có thể lập trình được thông qua một số loại kiến trúc định tuyến có thể lập trình được

Hình 2.1 Kiến trúc chung của FPGA

DUT.LRCC

2.2 Chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA

2.2.1 Kiến trúc bộ chuyển mạch OpenFlow

Hình 2.5 Cấu trúc của một OpenFlow Switch

Chuyển mạch OpenFlow chủ yếu bao gồm hai bảng luồng (bảng khớp chính xác và bảng ký tự đại diện) và giao diện để sửa đổi các mục trong bảng luồng Bộ điều khiển OpenFlow quyết định đường dẫn mới cho gói Hình 2.5 mô tả ngắn gọn về chuyển mạch OpenFlow

2.2.1.1 Bộ điều khiển OpenFlow

Bộ điều khiển là thiết bị chính, chịu trách nhiệm duy trì tất cả các quy tắc mạng và phân phối các hướng dẫn thích hợp cho các thiết

bị mạng

2.2.1.2 Chuyển mạch OpenFlow

Chuyển mạch OpenFlow chủ yếu bao gồm ba phần:

- Flow-table: Bảng này bao gồm các mục nhập luồng và

mỗi mục nhập luồng có một hành động đi kèm dùng để xử lý các luồng

- Secure Channel: Là phần mềm dùng để kết nối bộ chuyển

mạch với bộ điều khiển Nó cho phép lệnh và gói tin được truyền qua lại giữa bộ điều khiển và bộ chuyển mạch sử dụng giao thức OpenFlow

- Giao thức OpenFlow: Giao thức cho phép chỉnh sửa bảng

luồng từ một bộ điều khiển từ xa, tránh được việc phải lập trình cho

bộ chuyển mạch

2.2.1.3 Các thành phần của chuyển mạch OpenFlow

DUT.LRCC

a.Giao thức Openflow

Ba loại thông báo được xác định trong giao thức OpenFlow: Tin nhắn đối xứng

Tin nhắn không đối xứng

Tin nhắn điều khiển chuyển mạch

Bộ điều khiển có thể quản lý và sửa đổi trạng thái của chuyển mạch OpenFlow qua những tin nhắn đó

b Bảng luồng OpenFlow

Chuyển mạch OpenFlow có hai bảng luồng: Bảng khớp chính xác và bảng khớp ký tự đại diện Gói luồng qua xử lý đường ống (pipeline) được thể hiện trong Hình 2.10

Hình 2.10.Xử lý đường ống

c Kênh OpenFlow

Chuyển mạch OpenFlow kết nối với bộ điều khiển thông qua kênh OpenFlow Thông qua giao diện này, bộ điều khiển có thể quản

lý và sửa đổi bảng luồng

2.2.2 Giới thiệu về NetFPGA

NetFPGA-10G là phiên bản thế hệ thứ hai.Có bốn cổng Ethernet 10 Gbps song công

DUT.LRCC

Hình 2.11 Phác thảo phần cứng

NetFPGA-10G có các đặc điểmsau:

1) Hoạt động ở tốc độ dòng 10 Gbps ngay cả vớikích thước gói nhỏ nhất (14,88 Mpps - Hàng triệugói trên giây)

2) Sử dụng bộ nhớ FPGA bên trong (Block RAM)

3) Các luồng được xóa khỏi bộ nhớ khi đã xuất hoặc hết thời gian chờ không hoạt động (15 giây)

Hình 2.13.Sơ đồ khối của FPGA

2.2.3 Xây dựng bộ chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA

NetFPGA được sử dụng là phần cứng mạng tốc độ Gigabit, bao gồm một thẻ PCI có đồ họa, bộ nhớ và bốn cổng Ethernet 1-Gig Cung cấp một kiến trúc chuyển tiếp gói linh hoạt dựa trên hoạt động đều đặn, nó cũng cho phép OpenFlow tuân thủ tiêu chuẩn chuyển mạch, có thể dễ dàng cấu hình lại thông qua mặt phẳng điều khiển của nó để hỗ trợ các loại ứng dụng khác

2.3 Kết luận chương 2

DUT.LRCC

Qua chương này, các hiểu biết chung về công nghệ FPGA và chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA đã được trình bày Nhằm cung cấp hình ảnh tổng quan về FPGA và những kiến thức về chuyển mạch OpenFlow trên nền tảng NetFPGA

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MẠNG OPENFLOW TRÊN NỀN

TẢNG KIT NETFPGATRONG THỰC TẾ

3.1 Giới thiệu mô hình thử nghiệm

Chuyển mạch OpenFlow 4 cổng 1-GigE trên NetFPGA

Hình 3.1 Mô hình thử nghiệm chuyển mạch OpenFlow 3.2 Xây dựng chuyển mạch OpenFlow

Trong thiết kế của đề tài, dữ liệu OpenFlow nhận các gói thông qua các gói tin được tạo Tất cả các thiết bị ngoại vi chia sẻ cùng một xung clock (100 MHz) và thiết lập lại

Hình 3.2 Kiến trúc hệ thống OpenFlow

Mô-đun tra cứu cổng đầu ra (Hình 3.3) là phần quan trọng nhất trong khung thiết kế chuyển mạch OpenFlow, bao gồm trình soạn thảo mục nhập bảng, bộ điều khiển bảng luồng và bộ xử lý hành động

DUT.LRCC

Hình 3.3.Mô đun tra cứu cổng đầu ra

Khi các gói mới được tạo đi vào chuyển mạch OpenFlow, thông tin tiêu đề quan trọng được trích xuất và sau đó được thiết lập thành định dạng và so sánh với các mục trong hai bảng luồng Ở đây, các gói trùng khớp và không trùng khớp được chuyển đến hàng đợi đầu ra cuối cùng

3.3.Kết luận chương 3

Trong chương này, thực hiện việc xây dựng các chuyển mạch OpenFlow dựa trên nền tảng NetFPGA theo môi trường thực tiễn Việc xây dựng hệ thống mạng là cơ sở nghiên cứu khác đặc biệt là về giải thuật tiết kiệm năng lượng cho mạng OpenFlow

DUT.LRCC

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHO CHUYỂN MẠCH OPENFLOW

4.1 Giải pháp tiết kiệm năng lượng

Để tiết kiệm năng lượng luận văn đưa ra giải pháp sử dụng tùy

chọn “LOCAL”t rong Openflow specification tích hợp một

“Microprocessor” bên trong chuyển mạch OpenFlow để phân tích các hành động và các luồng dữ liệu đến/đi để bật và tắt các cổng tương ứng Phân tích lưu lượng thực của các cổng để thiết lập các chế độ hoạt động các cổng cụ thể gồm các mục tiêu như sau:

- Phân tích các “Action” của các luồng, hệ thống chỉ kích hoạt các cổng nào mà luồng có nhu cầu trao đổi dữ liệu Còn các cổng khác thì sẽ tắt

- Phân tích băng thông luồng dữ liệu đến của các End-User đến Port, hệ thống sẽ thiết lập chế độ hoạt động cho cổng đó phù hợp

Các giải pháp này xuất phát từ việc chuyển trạng thái của chuyển mạch về trạng thái tiết kiệm năng lượng Với mỗi cổng của chuyển mạch OpenFlow được ngắt sẽ tiết kiệm được xấp xỉ 1W và với mỗi chuyển mạch 4 port được tắt đi sẽ tiết kiệm được xấp xỉ 10W (4W cho 4 port và 6W cho phần lõi)

4.2 Thiết kế các mô đun

4.2.1 Mô đun thiết lập mục nhập bảng luồng

Mô đun thiết lập mục nhập bảng luồng là để trích xuất các tiêu đề gói và tổ chức chúng như một định dạng cố định của mục nhập bảng luồng

DUT.LRCC

Hình 4.1 Mô đun thiết lập mục nhập luồng

DUT.LRCC

Field Bits

Bảng 4.1 cho thấy các trường tiêu đề được trích xuất từ gói trong thiết kế của đề tài theo các trường khớp được mô tả trong OpenFlow specification v1.1 Hình 4.2 minh họa cấu trúc của khung Ethernet có, và không có thẻ Vlan (0x8100) hoặc thẻ QinQ (0x8a88) Hình 4.3 minh họa quá trình nhận L2 trường tiêu đề Các loại Ethernet khác nhau (xem bảng 4.2) được phát hiện thông qua các câu lệnh

Hình 4.2.Cấu trúc gói tin Ethernet

Hình 4.3.Máy trạng thái trình phân tích cú pháp L2

DUT.LRCC

Bảng 4.3 Loại giao thức IP

Hình 4.5 Máy trạng thái trình phân tích cú pháp L3/L4 (Ipv4)

Nếu loại Ethernet là ARP, arp_parser (hình 4.7) bắt đầu hoạt động Mã ARP, địa chỉ IP của người gửi và địa chỉ IP đích trong các trường tiêu đề ARP (hình 4.6) được trích xuất

Hình 4.6 Cấu trúc tiêu đề ARP

Hình 4.7 Máy trạng thái trình phân tích cú pháp ARP

Có thể thấy từ hình 4.8, chiều dài nhãn MPLS là 20 bits và lưu lượng MPLS lớp là 3 bit trong các trường tiêu đề MPLS Nếu loại Ethernet là MPLS, máy trạng thái mpls_parser (hình 4.13) bắt đầu

DUT.LRCC

trích xuất nhãn MPLS và lớp lưu lượng MPLS

Hình 4.8 Cấu trúc tiêu đề MPLS

Hình 4.13 Máy trạng thái phân tích cú pháp MPLS

4.2.1.3 Tra cứu thiết lập mục nhập luồng

Khối tra cứu thiết lập mục nhập luồng sẵn sàng để thiết lập khi khối phân tích cú pháp tiêu đề bắt đầu hoạt động

4.2.1.4 Mô phỏng kiểm tra

Testbench trong VHDL được viết để kiểm tra các chức năng của khối phân tích cú pháp tiêu đề, khối tra cứu thiết lập mục nhập và toàn bộ mô đun thiết lập mục nhập bảng luồng Kết quả kiểm tra mô phỏng được thể hiện trong hình 4.15 Thuật toán 4.5 cho thấy ví dụ về testbench Hình 4.15 cho thấy các trường tiêu đề quan trọng được trích xuất chính xác

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng phân tích tiều đề gói tin

DUT.LRCC

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng tra cứu mục nhập bảng lưu lượng

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng thiết lập mục nhập bảng luồng

4.2.2 Mô đun điều khiển bảng luồng

Mục tra cứu được tra cứu trong mô đun điều khiển bảng luồng sau khi được phân tích cú pháp và được trích xuất

4.2.2.1 Các thành phần của mô đun điều khiển bảng luồng

Hình 4.18 Mô đun điều khiển bảng luồng

Hình 4.18 minh họa các thành phần chính của mô đun điều khiển bảng luồng bao gồm lựa chọn yêu cầu, bảng khớp chính xác, bảng khớp ký tự đại diện, hành động, bộ so sánh và chính sách điều khiển

4.2.2.2 Các dạng tín hiệu

Tín hiệu truy vấnvà trả lời của mô đun thiết lập mục nhập luồng

DUT.LRCC

Tín hiệu cho mô đun chính sách điều khiển

Tín hiệu cho mô đun bộ xử lý hành động

4.2.2.3.Mô phỏng kiểm tra

Hình 4.20 Kết quả mô phỏng tra cứu bảng luồng

Hình 4.21 Kết quả mô phỏng viết mục nhập luồng

4.2.3.Mô đun xử lý hành động

Vai trò của mô đun xử lý hành động (hình 4.22) là chỉ định chuyển tiếp các cổng, cập nhật các trường tiêu đề và độ dài của các gói theo chuyển mạch OpenFlow

4.2.3.1 Các thành của mô đun xử lý hành động

Hình 4.22 Mô đun xử lý hành động

DUT.LRCC

Hành động bao gồm các thông tin như cổng đầu ra, cờ hành động, Vlan ID… Cờ hành động là đểhướng dẫn thực thi chính xác các hành động

4.2.3.2 Các dạng tín hiệu

Tín hiệu từ mô đun thiết lập bảng luồng

Tín hiệu từ bộ điều khiển bảng luồng

4.2.3.3 Mô phỏng kiểm tra

Hình 4.23 Kết quả mô phỏng xử lý hành động

4.2.4 Mô đun chính sách điều khiển

Mô-đun chính sách điều khiển được thực hiện trong cùng một FPGA Nếu không tìm thấy trường phù hợp, mô-đun chính sách điều khiển bắt đầu hoạt động để đưa ra quyết định về cách đối phó với gói chưa từng có

4.2.4.1 Chính sách điều khiển

Hình 4.24 và hình 4.25 minh họa mô đun chính sách điều khiển và các xử lý để viết các luồng mới tương ứng

DUT.LRCC

Hình 4.24 Mô đun chính sách điều khiển

4.2.4.2 Các dạng tín hiệu

Tín hiệuđến từ mô đun điều khiển bảng luồng

Tín hiệu gửi cho mô đun bộ điều khiển bảng luồng

4.2.4.3 Mô phỏng kiểm tra

Chức năng của mô-đun này là để tạo thông tin nhập luồng và

viết chúng vào các bảng luồng sau khi nhận được yêu cầu không

trùng khớp

Hình 4.26 Kết quả mô phỏng chính sách điều khiển

4.3 Kết luận chương 4

Chương này đã đưa ra giải pháp xây dựng các chuyển mạch

OpenFlow sang trạng thái năng lượng thấp; đồng thời quan trọng hơn

là đã tạo ra các bản tin mới theo chuẩn giao thức OpenFlow mang

thông tin về các chế độ tiết kiệm năng lượng được gửi từ bộ điều

khiển Các bản tin này để thiết lập các trạng thái hoạt động của các

bộ chuyển mạch OpenFlow tại từng thời điểm dựa theo các thuật toán

tìm đường được các nhà phát triển thử nghiệm

DUT.LRCC