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インターネットの 電力消費とエネルギー効率 グループDｰ2 川原研究室 M1 稲富 祐希 はじめに • 課題論文 – “Power Consumption and Energy Efficiency in the Internet “ • K. Hinton, J. Baliga, M. Feng, R. Ayre, R. Tucker； • IEEE Network, March/April, p.6, 2011 • 紹介内容 – Network Model • 本論文で使用するネットワークモデルについて – Where Power Goes • インターネット内で電力消費の多い場所 – Improving Energy Efficiency of the Internet • エネルギー効率を改善するための方策 – Content Distribution and Data Centers • コンテンツ配信ネットワークとデータセンタの消費電力 – Conclusion 1 Network Model • 機能提供のための最小構成でのモデル • 以下のネットワークが含まれる – – – – – コアネットワーク メトロ/エッジネットワーク アクセスネットワーク データセンタ IPTVネットワーク(コンテンツ配信ネットワーク) 2 Network Model 3 Where Power Goes • 提供されるネットワークのアクセス速度 – ISP（インターネットサービスプロバイダ）が告知する速度 • メトロ/エッジ,コアネットワーク – 最悪の場合を想定し,顧客に最低限の速度を提供できる ように設計 • oversubscription ratio(過剰収容率)を定義 ISPの公称値 顧客に提供される速度 • oversubscription ratio25の場合の消費電力を算出 Where Power Goes • 無線の利用者は増加傾向 – アクセスが用意 – 移動性がある 高速な無線アクセスを求める 利用者が増加していく 消費電力の面で利用者全員への 無線アクセスの提供が困難となるため, エネルギー効率の改善が必要 無線(Wimax,UMTS)：エネルギー消費大 光ファイバ（PON）：エネルギー消費小 5 Where Power Goes • アクセス速度は40%/年増加 • エネルギー効率は10%/年改善 現状：アクセスネットワークの消費電力大 アクセス速度の向上により, コアネットワークの電力が増大する恐れ 6 Where Power Goes • アクセス速度が大きい場合 →コアルータの消費電力が支配的に 電力供給と冷却， フォワーディングエンジン →消費電力の65%を占める 負荷が最大限のルータ →10mJ/bの電力を消費 消費電力を抑えるには ルータの負荷の軽減が必要 7 Improving Energy Efficiency of the Internet • インターネットで消費電力が多い場所 – アクセスネットワーク機器 – コアネットワークルータ • EUでは電力消費に関するガイドラインを刊行 – “Code of Conduct on Power consumption of Broad- band Equipment” – ガイドラインで示されている方策の一部を紹介 • 機器のスリープ,アイドル • 機器の処理速度を抑える • コアルータのエネルギー効率改善 • その他の方策 – 機器に使用する回路の変更 – ネットワークの再構築 8 Improving Energy Efficiency of the Internet • 使用していない時に消費電力を減らす装置 – “スリープ”，”アイドル”と呼ばれる低消費電力状態 – 非通信時に，必要の内機能の一部をシャットダウン – 装置を常に利用可能にするため，少量の電力は必要とな る． 現在の機器は高速で動作できるため， 1秒よりもはるかに小さい時間で省電力効果が見込める Improving Energy Efficiency of the Internet • 負荷の低い時,機器の処理速度を減らす – 装置の多くは，必要な処理速度以上の速度で動作 – 電子回路は処理速度が低い場合，消費電力が小さくなる – トラヒックの負荷が低い時に，処理速度を低くすることで 消費電力の削減が可能 →レートアダプテーション(rate adaptation) エネルギー効率化のためのイーサネットプロトコルで適用 インターネットの多くの箇所にも適用可能 Improving Energy Efficiency of the Internet • コアルータのエネルギー効率を改善する – 信号処理技術やルータの機能変更により実現 – コアネットワークの消費電力が増大する傾向にあるため， 重要な研究テーマとなる． • もっとも効率のよいアクセスネットワーク技術の利用 – アクセスネットワーク機器の消費電力の増大は明確な課 題となっている 11 Improving Energy Efficiency of the Internet • 使用する回路の変更 – 電子回路から光回路への変更 • 光回路は電子回路よりも高速で動作が可能 – 電子回路は100Gb/s程を実現できると予測されている(2010 年時) – 光回路は10Tb/sを実現する見込みがある． 研究者による提唱 既存のルータを小数の光回路のルータに置き換え →全体の消費電力削減に繋がる Improving Energy Efficiency of the Internet • 光回路における問題点 – 光信号処理技術の消費電力 • CMOSが光回路よりも消費電力が5桁低い • 光回路の消費電力は，ほとんど改善されていない • 一方，CMOS回路の消費電力は年々改善されている ネットワーク機器に利用される回路として， 電子回路を利用するほうがエネルギー効率が良い Improving Energy Efficiency of the Internet • ネットワークの再構築も提案されている – ルータに直接接続するのではなくSDH/SONETを経由して 接続を行う • SDH/SONET：光ファイバを用いた高速デジタル通信の国際規格 – IPルータで処理されるトラヒックを減らすことが目的 • トラヒックは，エンドｰエンド間で平均して14のルータによって処理 される． • コアネットワークのルータを避けるように再構築 14 Improving Energy Efficiency of the Internet 10nJ/b 1-3nJ/b 1nJ/b SDH/SONETとWDMを用いたネットワーク構成により消費電力の削減でき， 多くのトラヒックをエネルギー面で効率的に処理できる 15 Content Distribution and Data Centers • コンテンツ配信ネットワーク – 複数のコピーをデータセンターに保存 – コンテンツ要求時に適切なデータセンタから転送 – このサービスの成長とともに機器の消費電力も増加 • 消費電力の計算 – 以下の項目からダウンロードによる消費電力を算出 • コンテンツのファイルサイズ →1.8Gbyte(2時間の標準的な映画 ) • コンテンツの要求数 →１時間毎のリクエスト数 16 Content Distribution and Data Centers コンテンツ要求数に応じて配置の 仕方の工夫が必要 人気のコンテンツ →複製を増やし,地理的に分散させる ・不人気のコンテンツ →複製を少なく,サーバに集中保存 17 Conclusions • インターネットの規模は年々成長している • 規模の拡大に伴い消費電力も増加 – インターネットで最も電力が消費される場所の把握, インターネットの消費電力の管理は重要となる ネットワークモデルに基いて電力消費が多い場所を明示 電力の消費を効率化するための方策を示した 18 インターネットの 電力消費とエネルギー効率 グループDｰ2 川原研究室 M1 稲富 祐希 補足：光回路と電子回路 • 省電力手法について – 電子回路 • 機器のスリープ • レートアダプテーション – 光回路 • 機器のスリープのみ 参考：K. Hinton , “Energy Consumption Perspective” invited paper FT1, OECC 2009 20 補足：コアルータの消費電力 • 高負荷時は10mJ/byte消費 – 1Gb/sの通信の場合 10 *10-3[J / b]*1*10 6 [b / s] =10 *103[J / s] =10KW 製品 消費電力 電子レンジ 1300W ドライヤー 600W～1200W デスクトップPC 150W～300W ノートPC 50W～120W 掃除機 1000W-1100W 洗濯機 500W-900W エアコン 45W-2000W 参考：“家電の消費電力” http://www.eco-taisaku.net/denki/denkidai_list.html 21