Luận văn: Thuật toán nhúng chuỗi mạng ảo trên Điện toán Biên - Đám mây

Luận văn nghiên cứu thuật toán nhúng chuỗi mạng ảo trên nền tảng điện toán biên - đám mây nhằm tối ưu tài nguyên và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Mạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tài Hưng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thuật toán nhúng chuỗi mạng ảo trên nền tảng điện toán biên – điện toán đám mây
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thuật toán Nhúng Chuỗi Mạng Ảo

Thuật toán nhúng chuỗi mạng ảo là một giải pháp quan trọng trong lĩnh vực điện toán biên và điện toán đám mây hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm (SDN) và ảo hóa chức năng mạng (NFV), việc triển khai các chuỗi dịch vụ mạng ảo trên cơ sở hạ tầng vật lý trở nên phức tạp nhưng cần thiết. Bài toán nhúng chuỗi mạng ảo được xem là một vấn đề tối ưu hóa không có lời giải hoàn hảo, đòi hỏi các giải thuật thông minh để tìm ra giải pháp tốt nhất. Nghiên cứu này hướng tới nâng cao tỉ lệ thành công nhúng và tiết kiệm tài nguyên mạng một cách hiệu quả nhất.

1.1. Khái niệm chuỗi dịch vụ mạng ảo

Chuỗi dịch vụ mạng ảo (VNF-SFC) là tập hợp các chức năng mạng ảo được sắp xếp theo một thứ tự cụ thể để xử lý dữ liệu. Các nút dịch vụ ảo này được triển khai trên các máy chủ vật lý trong trung tâm dữ liệu. Công nghệ này cho phép tạo ra nhiều chuỗi dịch vụ độc lập trên cùng một hạ tầng, giảm chi phí đầu tư và tăng tính linh hoạt của hệ thống.

1.2. Tầm quan trọng của bài toán nhúng

Bài toán nhúng chuỗi mạng ảo đảm bảo rằng các yêu cầu về băng thông, độ trễ và tài nguyên xử lý được thỏa mãn. Giải thuật nhúng hiệu quả giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tỉ lệ chấp nhận các yêu cầu từ người dùng, là yếu tố then chốt cho sự bền vững của hệ thống cloud.

II. Công nghệ nền tảng và Kiến trúc Hệ thống

Nền tảng điện toán biên – điện toán đám mây kết hợp lợi thế của cả hai mô hình để đạt hiệu suất tối ưu. Điện toán biên (Edge Computing) xử lý dữ liệu gần nguồn, giảm độ trễ, trong khi điện toán đám mây (Cloud Computing) cung cấp năng lực xử lý mạnh mẽ và lưu trữ dữ liệu tập trung. Kiến trúc SDN cho phép quản lý mạng linh hoạt thông qua bộ điều khiển tập trung, trong khi NFV thay thế các thiết bị mạng vật lý bằng phần mềm. Sự kết hợp này tạo điều kiện lý tưởng cho việc triển khai chuỗi mạng ảo một cách động và hiệu quả, đáp ứng các nhu cầu thay đổi của ứng dụng và người dùng.

2.1. Mạng định nghĩa bằng phần mềm SDN

Mạng SDN tách riêng lớp điều khiển khỏi lớp dữ liệu, cho phép quản lý mạng theo chương trình. Bộ điều khiển OpenFlow giao tiếp với các switch thông minh để điều phối luồng dữ liệu. Điều này tạo tính linh hoạt cao, cho phép triển khai nhanh các chuỗi dịch vụ mạng mà không cần thay đổi phần cứng.

2.2. Ảo hóa chức năng mạng NFV

NFV cho phép chạy các chức năng mạng ảo (VNF) như firewall, router trên các máy chủ tiêu chuẩn. Thay vì sử dụng thiết bị chuyên dụng đắt tiền, các VNF có thể được triển khai, di chuyển và xóa một cách linh hoạt, giảm chi phí vận hành và tăng tính mềm dẻo của hệ thống mạng.

III. Thuật toán HRE SFC và Giải pháp Tối ưu hóa

Thuật toán HRE-SFC (Heuristic Resource-Efficient Service Function Chaining) được phát triển để giải quyết bài toán nhúng chuỗi dịch vụ mạng ảo trên nền tảng biên – đám mây. Thuật toán này tập trung vào hai mục tiêu chính: tối ưu hóa sử dụng tài nguyên và giảm tiêu thụ năng lượng. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật heuristic thông minh, thuật toán có thể nhanh chóng tìm ra giải pháp gần tối ưu mà không cần thời gian tính toán quá lâu. Chiến lược nhúng động cho phép hệ thống thích ứng với các yêu cầu thay đổi, phân mảnh tài nguyên và cân bằng tải giữa các nút biên và trung tâm dữ liệu.

3.1. Nguyên tắc hoạt động của thuật toán

Thuật toán HRE-SFC sử dụng chiến lược tham lam (greedy) để chọn máy chủ vật lý tối ưu nhất cho mỗi VNF trong chuỗi dịch vụ. Nó tính toán chi phí nhúng dựa trên độ trễ mạng, h带thông sẵn có và năng lượng tiêu thụ. Quá trình lặp lại cho tới khi tất cả VNF được nhúng thành công hoặc xác định không khả thi.

3.2. Tối ưu hóa năng lượng và tài nguyên

Thuật toán giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách hợp nhất máy chủ vật lý và dịch chuyển máy ảo tới các nút có năng lượng thấp hơn. Nó cân bằng phân mảnh tài nguyên để tăng hiệu quả sử dụng CPU, bộ nhớ và băng thông mạng, từ đó nâng cao tỉ lệ chấp nhận các yêu cầu chuỗi dịch vụ mạng ảo mới.

IV. Kết quả Mô phỏng và Ứng dụng Thực tế

Các kết quả mô phỏng của thuật toán HRE-SFC trên nền tảng trung tâm dữ liệu phân tán và tập trung cho thấy hiệu quả đáng kể so với các giải pháp truyền thống. Tỉ lệ chấp nhận chuỗi dịch vụ mạng ảo tăng lên 20-30% nhờ chiến lược nhúng động thông minh. Tiêu thụ năng lượng giảm 15-25% thông qua hợp nhất máy chủ vật lý và tối ưu hóa bố trí VNF. Độ phức tạp tính toán của thuật toán là O(n²), cho phép xử lý thời gian thực các yêu cầu nhúng trong các hệ thống quy mô lớn. Kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp trong triển khai thực tế.

4.1. Hiệu suất sử dụng tài nguyên

Mô phỏng cho thấy thuật toán HRE-SFC đạt tỉ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn so với các phương pháp cơ sở. Khả năng sử dụng máy chủ vật lý tăng lên 35-40%, trong khi tỉ lệ từ chối yêu cầu giảm xuống dưới 10%. Điều này cho thấy thuật toán phân bổ tài nguyên hiệu quả, giảm lãng phí và chi phí vận hành.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống thực tế

Thuật toán nhúng chuỗi mạng ảo có ứng dụng rộng rãi trong các dịch vụ cloud hiện đại, mạng 5G, IoT và các ứng dụng thời gian thực. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng giải pháp này để giảm chi phí đầu tư, tối ưu hiệu suất mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho người dùng cuối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Ảo hóa chuỗi dịch vụ mạng dụng nền tảng mạng định nghĩa bằng phần mềm Chương 2: Triển khai giải pháp tiết kiệm tài nguyên trong ảo hóa chuỗi dịch vụ mạng Chương 3: Mô phỏng và đánh giá 3 CHƯƠNG 2. ẢO HÓA CHUỖI DỊCH VỤ MẠNG Trong chương này, em tập trung nêu lên thời cơ của phát triển của công nghệ mạng mới mà Mạng Định Nghĩa Bằng Phần Mềm được sử dụng và ngày càng trở nên thiết thực. Cùng với đó là lý thuyết, kiến trúc, giao thức trong công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm. Ngoài ra, chương cũng đề cập tới thách thức bài toán ảo hóa trung tâm dữ liệu.

Mô hình những trung tâm dữ liệu vật lý và ưu nhược điểm của chúng.1 Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng Internet hiện nay 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.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 tiền năng vô cùng to lớn của Internet. 1 Số lượng người sử dụng Internet trên toàn thế giới [6] Năm Số lượng người sử dụng Chiếu phần trăm trên thế giới Tháng 12, 2013 2,802 tỉ người 39.0% Tháng 12, 2014 3,079 tỉ người 42,4% Tháng 12, 2015 3,366 tỉ người 46,4% Tháng 12, 2016 3,696 tỉ người 49,5% Tháng 12, 2017 4,156 tỉ người 54,5% Mặc dù với những lợi ích không thể phủ nhận của Internet, nhưng để đáp ứng một lượng lớn người sử dụng cùng với đó là sự bùng nổ của các dịch vụ mạng như IaaS, NaaS, SaaS, điện toán đám mây được triển khai với những trung tâm dữ liệu khổng lồ. Điều này đòi hỏi một lượng lớn các máy chủ và các thiết bị mạng.

Các trung tâm này được vận hành trong thời gian dài nhằm đảm bảo chất lượng của dịch 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 [7]. Lượng khí thải này là rất 4 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 [8]. Từ những ảnh hưởng có thể nhận thấy, nhiều nghiên cứu được đề xuất nhằm giảm năng lượng tiêu thụ trong ngành công nghệ thông tin nói chung và trong các trung tâm dữ liệu nói riêng. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, công nghệ ảo hóa trung tâm dữ liệu sử dụng nền tảng là công nghệ SDN được ra đời như một xu thế tất yếu. Với những yêu điểu của mình, công nghệ này hứa hẹn sẽ giải quyết được nhiều vấn đề gặp phải không chỉ trong bài toán về tiết kiệm năng lượng, chi phí mà còn hiệu quả cao khi cung cấp khả năng mềm dẻo.

Chuỗi dịch vụ mạng ảo có thể thay đổi dựa trên yêu cầu của dịch vụ, đổng thời thay đổi kích thước về mặt tài nguyên.2 Công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm Những năm gần đây, công nghệ mạng mới trong môi trường cloud như Software-defined Networking [9], Network Virtualization (NV) [10] [11], Network Function Virtualization (NFV) [12], Virtual Data Center (VDC) [13] bùng nổ và được ứng dụng mạnh mẽ trong môi trường điện toán đám mây. Công nghệ SDN với khả năng có thể dễ dàng tái cấu hình, quản lý tập trung sẽ đóng vai trong quan trọng trong hỗ trợ công nghệ khác.1 Tổng quan công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm Thuật ngữ (Software-defined Networking) SDN được sử dụng đầu tiên tại Đại học Stanford xung quanh các nghiên cứu về OpenFlow [14]. Công nghệ SDN là mô hình với hy vọng sẽ khắc phục những hạn chế của hệ thống mạng truyền thống. SDN phá vỡ kiến trúc bằng việc tách rời bộ điều khiển logic ra khỏi các thiết bị mạng truyền thống như switch hay router [15].

Với việc tách rời bộ điều khiển này, các thiết bị switch hay router trở nên đơn giản và chỉ có trách nhiệm chuyển tiếp các gói tin. Bộ điều khiển logic được tách rời và được đưa lên một bộ điểu khiển tập trung, điều này giúp cho việc tái cáu hình hay phát triển hệ thống mạng được cải thiện rất nhiều. Qua đó, SDN có thể cung cấp một giao diện mở cho phép phần mềm có thể kiểm soát kết nối, lưu lượng và tài nguyên trong mạng. 5 Lớp Ứng Dụng Ứng dụng thương mại API Phần Lớp Điều Khiển mềm điều Dịch vụ mạng khiển Giao thức điều khiển VD: OpenFlow Lớp Cơ Sở Hạ Tầng Thiết bị mạng Thiết bị mạng Thiết bị mạng Thiết bị mạng Thiết bị mạng Hình 1.

1 Kiến trúc mạng SDN Hình 1.1 chỉ ra được cụ thể về kiến trúc của SDN, chức năng điều khiển trên các thiết bị thông thường được tập trung hóa trong bộ điều khiển SDN. Qua việc sử dụng SDN, các doanh nghiệp hoặc nhà cung cấp dịch vụ có thể kiểm soát độc lập, dễ dàng thiết kế và vận hành toàn bộ hệ thống mạng. SDN mang lại khả năng đơn giản hóa cho các thiết bị mạng, do các thiết bị không còn phải xử lý hàng ngàn các chuẩn giao thức. Thay vào đó, khi gặp một gói tin, các thiết bị tại hạ tầng mạng sẽ gửi lên bộ điều khiển tập trung, bộ điều khiển này sẽ xử lý để quyết địch hành động cho gói tin.

Với mô hình mạng truyền thống, việc tái cấu hình mạng trở nên rất khó khăn. Khi muốn tái cấu hình, kỹ thuật viên phải cấu hình trực tiếp từ thiết bị mạng. Với những hạ tầng lên tới hàng trăm hay hàng nghìn thiết bị, 6 điều này dường như bất khả thi. Tuy nhiên, các nhà khai thác và quản trị mạng có thể lập trình giúp cấu hình lại mạng một cách đơn giản ngay tại bộ điều khiển.

Điều này giúp mạng trở lên cực kỳ linh hoạt, giúp việc triển khai các dịch vụ và ứng dụng mới nhanh chóng, thuận tiện. SDN hỗ trợ các API giúp thực hiện các dịch vụ mạng phổ biến như: định tuyến, kiểm soát truy cập, quản lý băng thông, bảo mật, chát lượng dịch vụ, xử lý và tối ưu hóa lưu trữ để đáp ứng các mục tiêu kinh doanh. Với các API mở hoạt động giữa tầng ứng dụng và tầng điều khiển, doanh nghiệp có thể sử dụng các dịch vụ mạng mà không bị ràng buộc. Với xu hướng phần mềm hóa hệ thống mạng, nhà quản trị và cung cấp giúp kết hợp với những công nghệ ảo hóa khác nhau như ảo hóa mạng, ảo hóa trung tâm dữ liệu, điện toán đám mây.

Qua đó có thể tính toán, lưu trữ và quản lý các nguồn tài nguyên mạng một cách hiệu quả.2 Kiến trúc công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm Trong phần trước đã trình bày khái niệm về SDN, tổng quan và những lợi ích mà SDN đem lại. Phần này tập trung nêu rõ kiến trúc của SDN, thành phần và từng chức năng. Giúp người đọc có một cái nhìn rõ hơn về các thành phần và chức năng trong kiến trúc này. Kiến trúc SDN được thể hiện trong Hình 1.2 với nhiều thành phần thuộc các lớp khác nhau.

Kiến trúc SDN bao gồm ba thành phần chính: tầng quản lý, tầng dữ liệu và tầng điều khiển. Tầng dữ liệu Là lớp chứa các thiết bị mạng SDN, bao gồm các thiết bị mạng như Open Flow Switch, Open VSwitch. Những thiết bị mạng này khá đơn giản, chỉ đảm nhiệm khả năng chuyển tiếp gói tin. Với thành phần gói tin không có khả năng xử lý, những thiết bị này chuyển phần mào đâu lên bộ điều khiển.

Các thiết bị mạng này được cung cấp một giao diện mở, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính linh hoạt và khả năng giao tiếp giữa các thiết bị của các hãng sản xuất khác với nhau của tầng dữ liệu và tầng điều khiển. Điều này hoàn toàn mới so với các thiết bị truyền thống, khi mà giữa các hãng sản xuất không tồn tại một chuẩn giao tiếp chung. Khiến người dùng gần như chỉ phục thuộc vào một hãng sản xuất duy nhất. 7 Ứng dụng mạng Giao diện phía nam (VD: RestAPI) Bộ điều khiển Controller (VD: Pox, Floodlight, ODL) Điều khiển Định tuyến Giám sát tập trung Hệ điều hành Giao diện phía bắc (VD: OpenFlow) Thiết bị mạng SDN (VD: OF Switch, OVS) Hình 1.

2 Kiến trúc SDN Lớp giao diện phía nam – Giao thức OpenFlow OpenFlow [16] [17] là giao thức trong mạng định nghĩa bằng phần mềm đầu tiên và được biết đến rộng rãi nhất cho lớp giao diện phía nam, nó cung cấp giao thức truyền thống giữa lớp dữ liệu và bộ điều khiển mạng. OpenFlow có khả năng chỉ định những lớp dữ liệu nào có khả năng kết nối với nhau trong quá trình trao đổi dữ liệu. Giao thức OpenFlow được xếp vào nhóm những giao thức điều khiển trong chuyển tiếp gói tin. Cổng kết nối mặc định của giao thức này là 6653 đối với các OpenFlow Switch ở tầng dữ liệu khi có nhu cầu kết nối.

OpenFlow switch có chưa một hoặc nhiều bảng chứa các thuộc tính của luồng dữ liệu. Mỗi quy tắc phù hợp với một phần của lưu lượng và thực hiện những hành động cần thiết đối với mỗi gói tin tại những thiết bị này (bỏ gói tin, chuyển tiếp, chỉnh sửa,…) đối với 8 mỗi lưu lượng. Phụ thuộc vào những quy tắc đã được thiết lập bởi khối điều khiển, một OpenFlow switch có chuyển tiếp gói tin dựa vào quyết định của bộ điều khiển giống như một router, switch, tường lửa hoặc thực hiện những quy tắc khác (cân bằng tải, ghép gói tin và đơn giản nhất như những thiết bị chuyển tiếp trung gian). Một bảng thuộc tính luồng dữ liệu bao gồm một số thuộc tính, mỗi thuộc tính bao gồm ba phần chính: Bộ điều khiển Bộ quản lý tập SDN trung OpenFlow Switch OpenFlow Switch OpenFlow Switch CONTROL PATH Secure Channel DATA PATH (Flow Tables, Meter Table) Hình 1.

3 Bộ điều khiển OpenFlow và switch - Quy tắc phù hợp với gói tin: trong thuộc tính này bao gồm một số trường con nhằm khớp gói tin đến với: địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích, địa chỉ MAC nguồn, địa chỉ MAC đích. Một trường có thể để trống, điều này có nghĩa là bất kì gói tin nào cũng có thể phù hợp với trường này.