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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- BÙI PHÓ DUẨN SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG ĐƢỜNG TRỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- BÙI PHÓ DUẨN SỬ DỤNG ĐỊNH TUYẾN XANH ĐỂ CẢI THIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG ĐƢỜNG TRỤC KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. TRẦN THỊ NGỌC LAN Hà Nội - 2018 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 i 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 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG.. 4 1.1 Giới thiệu .............................................................................................. 4 1.2 Khí thải trong mạng .............................................................................. 8 1.3 Các biện pháp tối ƣu mạng năng lƣợng thấp ...................................... 14 1.3.1 1.3.2 Lý do ......................................................................................... 14 Năng lƣợng khí thải bên trong các nguồn thiết bị .................... 15 1.3.3 Phân loại các phƣơng pháp trong mạng năng lƣợng thấp ......... 17 1.4 Công nghệ xanh trong mạng nâng cao ............................................... 26 1.4.1 Mạng truy cập có dây ................................................................ 27 1.4.2 1.4.3 Kết nối mạng không dây/Hạ tầng mạng di động ...................... 29 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 tƣơng 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 lƣợng 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 lƣợng ENTO............................. 43 1.7.4 Các hoạt dộng Energy Star – Năng lƣợng sao .......................... 44 1.7.5 1.7.6 Các quy tắc EU và hoạt động EuP ............................................ 44 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 CHƢƠNG 2: HIỆU SUẤT THUẬT TOÁN GRIDA ..................................... 47 ii 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 lƣu lƣợng ............................................... 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 2.4.3 Hiệu suất trung bình .................................................................. 63 Các vấn đề thực hiện ................................................................. 70 2.5 Kết luận............................................................................................... 71 CHƢƠNG 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 đƣờng đi ngắn nhất ............................................ 80 3.4.1 SSPF .......................................................................................... 80 3.4.2 3.4.3 Thời gian phức .......................................................................... 86 SSPF – R ................................................................................... 87 3.5 Đánh giá .............................................................................................. 89 3.5.1 Phƣơng pháp luận...................................................................... 90 3.5.2 3.5.3 Đánh giá hiệu suất cho ............................................. 92 Tiết kiệm năng lƣợng cho các UT khác nhau ........................... 99 3.6 Kết luận............................................................................................. 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 105 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1 So sánh thuật toán: Tiết kiệm năng lƣợng 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 lƣơng 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 đƣờng dẫn trung bình (hop) cho một số biến thuật toán và ..............................................................................................98 Bảng 3. 6 : Tiết kiệm năng lƣợng trên mạng Abilene sử dụng SSPF-R .................101 Bảng 3. 7: Tiết kiệm năng lƣợng trên mạng Hier100 sử dụng SSPF-R..................101 iv 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 lƣợng truyền thông tin (Luật Moore) và hiệu suất năng lƣợng trong công nghệ silicon[29] .................................................5 Hình 1. 2 Ƣớc lƣợng carbon toàn cầu của công nghệ thông tin và truyền thông .......6 Hình 1. 3 Ƣớc lƣợng tiêu thụ năng lƣợng 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 lƣợng cho các công ty viễn thông Châu Âu và cơ sở hạ tầng mạng trong các mô hình kinh doanh ..........................................7 Hình 1. 5 Ƣớc lƣợng phát thải khí nhà kính theo GeSI [14].....................................11 Hình 1. 6 Công suất tiêu thụ trung bình mỗi ngƣời 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 lƣợng 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 lƣợng trong các mạng............................................................................14 Hình 1. 9 Ƣớc lƣợng 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 phƣơng pháp tiếp cận đƣợc thực hiện cho hiệu suất năng lƣợng trong mạng tƣơng lai. ......................................................................................18 Hình 1. 11 Thời gian dịch vụ gói tin và mức tiêu hao năng lƣợng trong các trƣờng 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 lƣu lƣợng so với thời gian ........................................57 Hình 2. 3 Một cấu trúc topology mạng đang hoạt động IPS2 ...................................58 Hình 2. 4 Năng lƣợng 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 lƣơng tiết kiệm và giá trị tích lũy của mạng Geant [147] ...............62 Hình 2. 7 Tiết kiệm năng lƣợng, 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 lƣợng 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 đƣợc 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 v Hình 3. 6 Giải pháp SSPF – R cơ bản trên Hình 3.5.................................................89 Hình 3. 7 Tiết kiệm năng lƣợng và chạy thời gian Abilene cho các biến kích cỡ gói ...................................................................................................................................94 Hình 3. 8 Tiết kiệm năng lƣợng và chạy thời gian trên mạng Hier 50 cho các biến kích thƣớc gói ............................................................................................................94 Hình 3. 9 Tiết kiệm năng lƣợng 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 lƣu lƣợng khác nhau và UT về tiết kiệm năng lƣợng trong Hier100 ................................................................................................102 vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ALR Adaptive Link Layer Tầng liên kết dữ liệu AS Autonomous System Hệ thống tự trị ASN.1 Abstract Syntax Notation 1 Kí pháp trừu tƣợng một API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dựng ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ không đồng bộ BGP Border Gateway Protocol Giao thức định tuyến đa miền DPID Datapath ID Giải mã đƣờng dẫn dữ liệu EU European Union Hội đồng liền minh Châu Âu GHG Green House Gasses Hiệu ứng nhà kính ICT Information and Communication Technology Công nghệ thông tin và truyền thông IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các kĩ sƣ điện, điện tử IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật mạng IP Internet Protocol Giao thức mạng LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LSA Link State Advertisement Quảng bá thông tin trạng thái liên kết vii MIB Management Information Base Cơ sở quản lý thông tin MLU Maximum Link Utilization Sử dụng tối đa liên kết MPLS Multiprotocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức OS Operating System Hệ điều hành PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ TM Traffic Matrix Ma trận lƣu lƣợng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây NIC Network Interface Card Card mạng ( card giao thức mang) Tổ chức quản lý và nghiên CANARIE cứu phát triển các nghiên cứu và phát minh viii MỞ ĐẦU Ngày nay, khi tốc độ phát triển ngày càng cải tiến và xu hƣớng mạng Internet tƣơng lai đang dần đƣợc 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 lƣợng trong mạng Tiết kiệm năng lƣợng mạng phải đảm bảo năng lƣợng tiêu thụ đáp ứng đƣợc quá trình vận hành trong mọi thời điểm, mọi điều kiện, ngay cả những thời điểm cao điểm về mật độ lƣu lƣợng cần lƣu thông trong mạng, và cũng đảm bảo không để lãng phí dung lƣợng tại những thời điểm dung lƣợng nhàn rỗi. Và những trƣờng hợp kiến trúc hạ tầng bị phá hỏng do thời tiết hoặc một vấn đề nào đó, thì chúng ta phải có đƣợc một hệ thống dự phòng hợp lý tránh tốn kém. Thật vậy, ngày nay tốc độ mạng ngày càng cải thiện, nhƣng ngƣợc lại chi phí để làm đƣợc 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 lƣợng không cần thiết và tiết kiệm nguồn năng lƣợng mạng; bao gồm: chi phí và lƣợng khí thải phát sinh khi sử dụng các thiết bị mạng. Việc tiết kiệm năng lƣợng mạng này hay còn gọi là mạng xanh – Green networking. Một trong những đề tài, dự án đƣợc rất nhiều các công ty, các tập đoàn lớn nhƣ: tập đoàn Samsung, tập đoàn Google,… và rất nhiều các nhà nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và các trƣờng đại học nổi tiếng trên thế giới nhƣ 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 lƣợng trong mạng là một thách thức vô cùng to lớn. Một số công trình đã đƣợc thực hiện, đƣợc khái quát trong các nghiên cứu trên các tạp chí lớn mặc dù mạng xanh vẫn còn đang đƣợc phát triển trong tƣơng lai đầy hứa hẹn 1 Chính vì vậy, em xin lựa chọn luận văn: ―Sử dụng định tuyến xanh để cải thiện sử dụng năng lƣợng trong mạng đƣờng 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 trƣờng 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 lƣợng trong mạng đƣờng trục – Using green routing for improving energy usage in backbone networks‖. 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn có một cơ sở khoa học và thực tiễn rất quan trọng. Cụ thể, năng lƣợng trở thành một vấn đề quan trọng trong các ngành công nghiệp, cũng nhƣ 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 lƣợng đặt ra một dấu hỏi. Để thực hiện biện pháp cân bằng giữa các giải pháp cho hiệu suất sử dụng mạng nhƣ ―tốc độ đƣờng truyền, chất lƣợng gói tin‖ và tiết kiệm năng lƣợng mạng nhƣ ―chi phí và khí thải gây ra trong mạng‖. Các nhà nghiên cứu đã nỗ lực nghiên cứu và đƣa ra các thiết kế nhằm giảm chi phí không cần thiết trong mạng mà vẫn duy trì đƣợc hiệu suất sử dụng mạng ―dung lƣợng cũng nhƣ tốc độ truyền trong mang‖. Các thiết kế này đƣợc gọi là định tuyến xanh Nội dung của đề tài cần giải quyết các vấn đề nhƣ sau:  Tổng quan sử dụng năng lƣợng trong mạng đƣờng trục  Giới thiệu về mạng xanh  Xác định các nguyên nhân, các biện pháp, các công trình nghiên cứu và thực hiện về sử dụng định tuyến xanh để năng lƣợng trong mạng đƣờng trục Cụ thể chi tiết nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan sử dụng năng lƣợng trong mạng Chƣơng 2: Hiệu suất thuật toán GRiDA trong mạng xanh. Chƣơng 3: Hiệu quả thuật toán định tuyến xanh 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG 1.1 Giới thiệu Khi Internet tƣơng lai đang hình thành, có vẻ nhƣ 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 đƣợc một mục tiêu chung. Một khía cạnh nhƣ vậy là hiệu suất năng lƣợng. Các lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) đã đƣợc xem xét trong lịch sử và đƣợc 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 lƣợng của bên thứ 3 và đạt đƣợc mức độ hiệu quả cao[2]. Trong bối cảnh đó, các dự án khác nhau đã đƣợc xem xét và/hoặc phát triển các công nghệ mạng trong xây dựng môi trƣờng thông mình (ví dụ: nhà, tòa nhà…) cũng nhƣ ý thức về năng lƣợng mạng. Hiện nay, vai trò ICT đang trở nên có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề hiệu suất năng lƣợng trong sản xuất năng lƣợng và phân bố các mục, cũng nhƣ 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 tƣơng tự với chính nó.[3] Chỉ trong thời gian gần đây, do sự gia tăng về giá năng lƣợng, sự gia tăng liên tục của số lƣợng khách hàng, sự truyền thông tin của truy cập băng thông rộng, và số lƣợng các dịch vụ đƣợc mở rộng bởi các công ty cung cấp dịch vụ viễn thông (ISP), vấn đề hiệu suất năng lƣợng đã trở thành một mục tiêu ƣu tiên cao đối với mạng có dây và cơ sở hạ tầng dịch vụ. Những xu hƣớng tăng liên tục trong tiêu thụ năng lƣợng mạng chủ yếu phụ thuộc vào các dịch vụ mới đang đƣợc cung cấp, cũng nhƣ tăng khối lƣợng lƣu lƣợng 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 lƣợng 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 4 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, nhƣ 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 lƣợng với tỷ lệ thấp hơn đối với vị trí của các bộ định tuyến và khối lƣợng 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 lƣợng truyền thông tin (Luật Moore) và hiệu suất năng lƣợng trong công nghệ silicon[29] Việc giới thiệu duy nhất về công nghệ tiêu thụ năng lƣợng thấp silicon không thể làm rõ đối phó với những xu hƣớng nhƣ vậy, và đủ để kéo các thiết bị mạng hiện tại lên mạng Internet xanh trong tƣơng lai. Do đó, nhiều khả năng nhƣ ở các lĩnh vực khác mà hiệu quả năng lƣợng là một mối quan tâm, có hai động lực chính thúc đẩy việc nghiên cứu mạng xanh: - Thứ nhất là môi trƣờng, có liên quan đến việc giảm chất thải do sự tác động của sự phát thải - (Hình 1.2) Thứ 2 là kinh tế, bắt nguồn từ việc giảm chi phí duy trì bởi các nhà khai thác để giữ cho mạng hoạt động ở mức độ dịch vụ mong muốn và nhu cầu của họ để cân bằng chi phí năng lƣợng 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 đƣợc tỷ lệ hiêu suất tốt hơn so với tiêu thụ năng lƣợng. Điều 5 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 tƣởng khác nhau nhằm phát triển hiệu quả hơn các trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng mạng. Hình 1. 2 Ƣớc lƣợng 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 Ƣớc lƣợng tiêu thụ năng lƣợng cho các cơ sở hạ tầng mạng viễn thông của Châu Âu trong các mô hình. 6 Trong mô Hình kinh doanh nhƣ thƣờng lệ (BAU – Business As Usuall) và trong mô Hình bền vững hệ sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lƣợng tích lũy giữa 2 mô Hình. Nguồn: Ủy ban Châu Âu DG INFSO báo cáo trong [3] Mục tiêu chính đầu tiên của chƣơng 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 lƣợng 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 đƣa 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 lƣợng 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 thƣờng lệ BAU và trong mô Hình bền vững hệ sinh thái ECO, và tiết kiệm năng lƣợng giữa 2 mô Hình. Nguồn: Báo cáo của Ủy ban Châu Âu DG INFSO trong [13] và ƣớc lƣợng U.S.EIA về chi phí năng lƣợng [14]. Hơn nữa, do tính không đồng nhất và sự phức tạp của công nghệ nhận thức năng lƣợng, tôi quyết định giới hạn cuộc khảo sát của tôi với giới hạn về cơ sở hạ tầng mạng cố định. Theo nghĩa này, chƣơng này không đề cập đến phƣơng pháp 7 tiếp cận và công nghệ tiếp kiệm năng lƣợng trong các lĩnh vực liên quan đến mạng, chẳng hạn nhƣ các trung tâm dữ liệu xanh. Vì cùng một lý do, hiệu suất năng lƣợng trong các mô hình mạng không dây (bao gồm mạng tùy biến không dây và mạng cảm biến) sẽ không đƣợc tính đến. Thực tế, trong bối cảnh các thiết bị di động và các mạng không dây, hiệu suất năng lƣợng 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 đƣợc thực hiện [32][31]. Chúng ta sẽ tiếp xúc với các khía cạnh liên quan đến năng lƣợng của mục truy cập cố định của mạng di động và cơ sở hạ tầng mạng WLAN . Chƣơng 1 đƣợc viết nhƣ sau: - Mục 1.2 bao gồm phân tích mức tiêu thụ năng lƣợng trong các cơ sở hạ tầng 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 lƣợng sẽ phát triển nhƣ thế nào trong những năm tới. - Mục 1.3 là dành để giới thiệu các phƣơng pháp tiếp cận đại diện nhất, đã đƣợc thực hiện bởi các nhà nghiên cứu mạng trong những năm qua, để tăng hiệu suất năng lƣợng trong mạng, các thiết bị cụ thể và các thiết bị đầu cuối. - Mục 1.4 Đƣa ra một cái nhìn tổng quan về những đóng góp của khoa học. Để 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 lƣợng 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 tƣơng lai cho một mạng hiệu quả trong tƣơng 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 lƣợng mạng. Cuối cùng kết luận trong chƣơng 1.8. - Mục 1.6 cung cấp một cuộc khảo sát về các dự án nghiên cứu đang triển khai 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 lƣợng mạng và lƣợng khí do chúng gây ra, cho thấy một xu hƣớng đáng báo động và đang phát triển. Ví dụ: Tiêu 8 thụ năng lƣợng của viễn thông Ý năm 2016 đã đạt tới hơn tổng nhu cầu năng lƣợng của Ý), tăng (khoảng so với năm 2005 và của đến năm 2014 ([7][5],[6]). Tiêu thụ năng lƣợng này đặc biệt tăng từ cơ sở hạ tầng mạng, đóng góp trong khi trong tổng nhu cầu năng lƣợng. Các trung tâm dữ liệu đƣợc trong số còn lại là do các nguồn giả mạo khác (ví dụ: văn phòng, cửa hang….). Chú ý rằng sự suy hao tƣơng tự của năng lƣợng có thể đƣợc 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 lƣợng tƣơng tự nhƣ viễn thông Ý; tổng tiêu thụ năng lƣơng 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 điện năng lớn nhất trong cả quốc gia [8]. Trong tổng tiêu thụ điện năng của Anh năm 2007 liên quan đến việc vận hành các thiết bị công nghệ thông tin [9]. Tại Đức, Deutsche Telekom báo cáo một lƣợng tiêu thụ năng lƣợng 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 lƣợng này là kết quả của sự phát triển công nghệ (DSL), tăng khối lƣợng truyền tải và mở rộng mạng lƣới, mặc dù con số này cũng bao gồm một lƣợng nhỏ các dữ liệu giả mạo, họ đã vạch ra rằng gần 20% chất thải năng lƣợng nhƣ 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 lƣợng của Hoa Kì), trong khi yêu cầu của Telecom France – viễn thông Pháp là khoảng 2 TWh [11]. Nhóm NTT báo cáo số lƣợng 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: sƣởi ấm văn phòng và đèn chiếu sáng). Tuy nhiên, chúng ta đã bao gồm họ để đƣa ra một ý tƣởng về xu hƣớng chung. Các xu hƣớng tƣơng tự có thể đƣợc 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 ƣớc tính có nhu cầu về năng lƣợng mạng lƣới tổng thể là 14,2 TWh trong năm 2005, sẽ tăng lên 9 21,4 TWh vào năm 2010 và 35,8 TWh vào năm 2020 nếu không có công nghệ mạng xanh đƣợc thông qua ( Hình 1.3) Sáng kiến bền vững toàn cầu GeSI - Global e-Sustainability Initiative đã báo cáo ƣớc tính tƣơng tự [15] và đánh giá các hạ tầng ở khoảng thải ra liên quan tới mạng và cơ sở trong năm 2020. Nhƣ trong Hình 1.5, phát thải 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 ngƣời trong số họ năng hơn so với tổng lƣợng carbon toàn cầu. Ƣớc tính năm 2020 cho thấy cơ sở hạ tầng truyền thông di động sẽ chiếm hơn khí thải trong mạng lƣới, trong khi các mạng có dây có liên quan, cả thiết bị viễn thông (ví dụ nhƣ 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 lƣợt 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 – đƣợc sử dụng bởi các công ty điện thoại truyền thống – và mạng di động – đƣợc sử dụng bởi các công ty mạng không dây. Trên cơ sở các kết quả từ một nghiên cứu trƣớc, ƣớc tính tổng lƣợng điện tiêu thụ của mạng viễn thông Hoa Kì đã đƣợc 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 lƣợng gấp 2 lần về năng lƣợng đƣợc sử dụng cho mỗi kết nối thuê bao, PSTN có hiệu suất năng lƣơng cao hơn về điện năng tiêu thụ trên mỗi phút gọi. 10