Transcript R D2-05
Slide 1
PREGLED RJEŠENJA ZA
UŠTEDU ENERGIJE U
TELEKOMUNIKACIONIM
MREŽAMA
M. ILIĆ, E. KOČAN, I. RADUSINOVIĆ, Z. VELJOVIĆ
Elektrotehnički fakultet Podgorica, Crna Gora
Slide 2
UVOD
Tradicionalno se pitanje uštede energije u telekomunikacionim
mrežama vezuje za smanjenje troškova telekomunikacionih
operatora
Veliki potrošači energije su i Internet korisnici (bez obzira na vrstu
telekomunikacione pristupne mreže)
Svaki od korisnika pojedinačno ne predstavlja velikog potrošača
električne energije
Penetracija broja korisnika – ukupna električna energija koja se troši je
velika
Dodatno – oprema računarskih mreža operatora je više nego energetski
neefikasna
Preliminarne analize pokazuju da na ovom polju postoji veliki prostor
za racionalnije korišćenje energije
Dosadašnji rad velikog broja naučno istraživačkih timova karakterišu
različiti pristupi koji se baziraju na: protokolima za uštedu energije,
protokolima za kontrolu potrošnje, naprednim tehnikama rutiranja,...
Slide 3
PROBLEMI
Sve veći broj Internet korisnika – postaje jedan od značajnih potrošača
električne energije, sa mjerljivim uticajem na ekonomiju i životnu
sredinu
2000. god. – samo fizička infrastruktura globalne mreže trošila preko 6
TWh/god
Pored mrežne opreme (jezgro mreže) i veliki broj desktop računara, novih
komercijalnih i rezidencijalnih uređaja, ...
Samo u SAD, 2005. god. desktop računari (Ethernet NIC kartica) su trošili
oko 5,3TWh/god
Veliki uticaj na ekonomiju (milioni dolara) i okolinu (1TWh/god – oko
0,75miliona tona CO2)
Većina računara u prosjeku provede 75%-80% vremena u idle modu
(u kome nema aktivne komunikacije)
+ Moguća ušteda energije i do 80%
- Gašenje mrežne konektivnosti – neke Internet aplikacije zahtijevaju
stalno prisustvo korisnika na mreži (često, čak i kada postoji mogućnost
uštede energije stavljanjem računara u stand-by stanje, ta opcija se
onemogućava)
Moguće rješenje – mogućnost da NIC ostane aktivna (i tako održava
mrežnu konektivnost) dok je ostatak sistema u stand-by modu
Slide 4
PRILAGOĐAVANJE BRZINE LINKOVA
Većina računara su povezana Ethernet linkovima: 10Mb/s, 100Mb/s
(standardno), 1Gb/s, pa čak i 10Gb/s
Povećanjem brzine protoka podataka povećava i potrošnja energije
u skorijoj budućnosti očekuju se i veće brzine
1Gb/s Ethernet zahtijeva oko 4W više snage od 100Mb/s
10Gb/s Ethernet zahtijeva 10-20W više snage od 1Gb/s
Djelimično i potpuno opterećeni linkovi troše približno jednaku snagu
(potrošnja energije ne zavisi od stepena iskorišćenosti linka)
Iskorišćenost LAN linkova se obično kreće od 1% do 5%
Ideja – kreirati protokol koji će omogućiti da potrošnja energije bude
proporcionalana iskorišćenosti linka
adaptivna promjena brzine linka u zavisnosti od njegovog opterećenja
ALR (Adaptive Link Rate) – već predstavlja ključni element novog
energetski efikasnog Etherneta (EEE – Energy Efficient Ethernet),
definisanog kao IEEE 802.3az
Slide 5
PROBLEM MREŽNE KONEKTIVNOSTI
U prosjeku 60% računara ostaje uključena i onda kada se aktivno
ne koriste – tokom noći ili vikenda
Sam korisnik ne želi da čeka da se računar uključi, tj. „probudi“ iz sleep
stanja
Potreba da se neprekidno održi mrežna konektivnost, kako bi se
omogućio, npr. udaljeni pristup računaru, ili funkcionisanje nekih
aplikacija za koje je neophodna prisutnost računara na mreži
Proizvodnja sve bržih računara kojima je potrebno manje vremena da pređu
u aktivno stanje
Sve više aplikacija i protokola koji se zasnivaju na perzistentnoj Internet
konekciji
U literaturi četiri načina da se ostvari stalna TCP konekcija:
Izmjena aplikacija na strani klijenta i/ili servera koje koriste perzistentnu
TCP konekciju, tako što će koristiti neperzistentnu konekciju
Upotreba proxy-ja na strani klijenta koji odgovara na poruke za
održavanje konekcije i “budi” klijentov PC iz sleep stanja kada se
ponovo uspostavi prenos podataka kroz konekciju
Dijeljenje TCP konekcije tako da aplikacija “vidi” konekciju iako je ona
zatvorena
Izmjena samog TCP protokola tako da on omogućava energetski
efikasnije funkcionisanje hostova
Slide 6
UPOTREBA PROXY-JA
Ideja – implementirati proxy mrežne konektivnosti (NCP – Network
Connectivity Proxy), koji će trošiti manje energije
Oglašava prisustvo hosta u mreži – omogućava hostu da ode u sleep
stanje prikazujući ga ostalim hostovima kao potpuno operativan i
konektovan na mrežu
Problemi mogućnost gubitaka podataka tokom procesa buđenja
Koliko puta host može da pređe u sleep stanje
Pouzdanost mehanizma za buđenje hostova
Proxy treba da izvrši četiri osnovne funkcije:
da reaguje na pristigle zahtjeve
da generiše neke odgovore
da odredi kada je neophodno probuditi host
da ignoriše nepotrebne pakete
Gdje se može implemetirati proxy
na samoj NIC (Self proxying)
na switch-u (Switch proxying)
na nekom drugom uređaju (Third-party proxying)
Slide 7
Nezavisno od toga gdje je proxy implementiran:
Host određuje kada treba da pređe u sleep stanje (određeno trajanje
neaktivnosti OS ili eksplicitna akcija koju zadaje korisnik)
2. Odluka o promjeni stanja se prosleđuje NCP, i host prelazi u sleep stanje
3. NCP održava prisutnost na mreži (šalje odgovore i generiše potrebne pakete)
4. NCP određuje kada se zahtijevaju kompletni resursi – šalje signal buđenja
1.
5.
Host može da se probudi i na osnovu aktivnosti korisnika ili svog internog tajmera
Kada se host potpuno probudi, informacija o promjeni stanja se razmijeni
između NCP i hosta, koji prelazi u režim rada sa punim napajanjem
Slide 8
SELF PROXYING I „PAMETNE“ NIC
„pametna“ NIC (Smart NIC - SNIC) – sadrži mali procesor i
odgovarajući software
Aktivna NIC može da „probudi“ host ukoliko primi pakete za buđenje
NIC mora da pravi razliku između paketa koji zahtijevaju i onih koji ne
zahtijevaju buđenje hosta – neophodan klasifikator paketa
Tri osnovne kategorije paketa:
tradicionalni klasifikatori paketa zahtijevaju značajne resurse, koje sama NIC
ne može da obezbijedi
izazov – definisati efikasan algoritam za klasifikaciju paketa, kako bi se ovo
rješenje moglo uspješno implemetirati
koji ne zahtijevaju odgovor – broadcasting poruke protokola rutiranja,
skeniranje portova...
koji zahtijevaju minimalnu
aktivnost pri slanju odgovora
koji zahtijevaju buđenje - TCP SYN
SNMP GET zahtjevi
I do 90% saobraćaja može da
se odvija u sleep stanju!
Slide 9
SWITCH PROXYING
Mrežni host koji je povezan sa NCP-om mora da ispuni sledeće:
ima sleep mod u koji može ući ili izaći pomoću komande koju šalje
operativni sistem ili aplikacija
ima mogućnost da izađe iz sleep moda u kratkom vremenskom periodu
(najviše nekoliko sekundi)
ima sleep mod koji održava stanje svih lokalnih protokola i aplikacija
ima mogućnost izlaska iz sleep stanja pomoću poruke dobijene od
NCP-a
aplikacije na hostu imaju mogućnost da spriječe ulazak hosta u sleep
stanje dok aplikacija aktivno koristi CPU, mrežu ili druge resurse
NCP mora da ispuni sledeće zahtjeve:
uvijek se nalazi pod punim napajanjem i konektovan je na mrežu
nalazi se u istoj IP podmreži kao i host kojeg pokriva
ima jednake mjere zaštite kao i host čiju aktivnost nadzire
Slide 10
PODIJELJENA TCP KONEKCIJA
Da bi se izbjegle izmjene postojećih
aplikacija i/ili implementacija novog
TCP protokola moguće je koristiti
podijeljenu TCP konekciju sa shim
nivoom (SL – Shim Layer) između
socket interfejsa i aplikacije
Shim predstavlja socket interfejs za
aplikaciju, zbog čega nema potrebe za
izmjenom aplikacije, i koristi sockets
nivo (karakterističan za TCP)
Upotrebom SL se “zavarava” aplikacija
kako bi ona vidjela uspostavljenu
konekciju svo vrijeme
Klijent
Nivo
aplikacije
Server
Shim nivo Nivo socket-a Nivo socket-a Shim nivo
Zahtjev za
u
spostavljan
Nivo
aplikacije
jem konekc
ije
vljena
je usposta
Konekcija
Prenos po
da
taka po akt
ivnoj konekc
iji
data
Prenos po
iji
noj konekc
ka po aktiv
Veza postoji između nivoa
aplikacije i shim nivoa
Prelazak u stanje
male potrošnje
Zatvori kon
e
kciju
tv
za orena
Konekcija
Klijent u
sleep stanju
Šalji pakete
za buđenje
Prelazak u
aktivno stanje
Klijent se p
ro
budio
da
Prenos po
dataka
Prenos po
taka
j konekciji
po aktivno
Server šalje
podatke
Slide 11
MODIFIKACIJA TCP – GREEN TCP/IP
Softversko rješenje koje treba da omogući funkcionisanje TCP/IP i u
slučaju kada se procesor isključi
Jedna verzija TCP (razvija se na University of South Florida) – Green TCP
Dodavanje sleep opcije za konekciju – omogućava Green TCP/IP klijentu
da obavijesti Green TCP/IP server da želi da pređe u sleep stanje
Server logički održava konekciju aktivnom, ali ne šalje nikakve podatke,
niti ACK segmente klijentu koji je prešao u sleep stanje
Socket koji je bio pridružen toj konekciji se blokira na strani servera, kako
bi se spriječilo baferovanje podataka koji su spremni za slanje
Kada se Green TCP/IP klijent aktivira („probudi“), on o tome obavještava
server, tako da se tok podataka između njih automatski ponovo aktivira
Izmjene TCP/IP protokola
(implementacija sleep opcije) –
kompatibilne unazad
Moguće rješenje – polje opcije
(OPTION) sa oznakom TCP-SLEEP
Ne-Green TCP/IP uređaji – ne
razumiju značenje te opcije i
ignorišu je
Klijent
Server
AC K
Podaci+
Podaci+
AC K
(2)
(4)
AC K
LEEP+
S
_
P
C
T
AC K
Podaci+
Podaci+
AC K
.
.
.
(1)
(3)
(1) – klijent počinje gašenje slanjem TCP_SLEEP
(2) – server blokira socket i konekcija prelazi u sleep stanje
(3) – klijent se budi i šalje podatke serveru
(4) – server prima podatke i ponovo obnavlja konekciju
Između (2) i (3) klijent se može u potpunosti isključiti i
konekcija je u sleep stanju
Slide 12
ZAKLJUČAK
Postojeći mehanizmi za uštedu energije uglavnom podrazumijevaju i
prekid mrežne konekcije (i eventualni gubitak podataka), kao i
nedostupnost resursa drugim hostovima
Vrlo često korisnici ili administratori mreže onemogućavaju pomenute
funkcionalnosti
procjenjuje se da samo oko 11% računara koristi ove opcije
Veća ušteda energije – savremeni visokoperformansni računari
treba da u potpunosti isključe napajanje procesora tokom trajanja
perioda neaktivnosti, uz mogućnost da host i dalje bude dostupan
na mreži
Internet – veliki broj krajnjih korisnika, koji mogu koristiti uređaje
različitog tipa, kao i različite pristupne mreže, nije moguće sa
sigurnošću reći koje od pomenutih rješenja će da dominira u cilju
ostvarivanja energetski efikasnije mreže
Veliki izazov – intenzivna istraživanja – značajan uticaj i na
ekonomiju i životnu sredinu
PREGLED RJEŠENJA ZA
UŠTEDU ENERGIJE U
TELEKOMUNIKACIONIM
MREŽAMA
M. ILIĆ, E. KOČAN, I. RADUSINOVIĆ, Z. VELJOVIĆ
Elektrotehnički fakultet Podgorica, Crna Gora
Slide 2
UVOD
Tradicionalno se pitanje uštede energije u telekomunikacionim
mrežama vezuje za smanjenje troškova telekomunikacionih
operatora
Veliki potrošači energije su i Internet korisnici (bez obzira na vrstu
telekomunikacione pristupne mreže)
Svaki od korisnika pojedinačno ne predstavlja velikog potrošača
električne energije
Penetracija broja korisnika – ukupna električna energija koja se troši je
velika
Dodatno – oprema računarskih mreža operatora je više nego energetski
neefikasna
Preliminarne analize pokazuju da na ovom polju postoji veliki prostor
za racionalnije korišćenje energije
Dosadašnji rad velikog broja naučno istraživačkih timova karakterišu
različiti pristupi koji se baziraju na: protokolima za uštedu energije,
protokolima za kontrolu potrošnje, naprednim tehnikama rutiranja,...
Slide 3
PROBLEMI
Sve veći broj Internet korisnika – postaje jedan od značajnih potrošača
električne energije, sa mjerljivim uticajem na ekonomiju i životnu
sredinu
2000. god. – samo fizička infrastruktura globalne mreže trošila preko 6
TWh/god
Pored mrežne opreme (jezgro mreže) i veliki broj desktop računara, novih
komercijalnih i rezidencijalnih uređaja, ...
Samo u SAD, 2005. god. desktop računari (Ethernet NIC kartica) su trošili
oko 5,3TWh/god
Veliki uticaj na ekonomiju (milioni dolara) i okolinu (1TWh/god – oko
0,75miliona tona CO2)
Većina računara u prosjeku provede 75%-80% vremena u idle modu
(u kome nema aktivne komunikacije)
+ Moguća ušteda energije i do 80%
- Gašenje mrežne konektivnosti – neke Internet aplikacije zahtijevaju
stalno prisustvo korisnika na mreži (često, čak i kada postoji mogućnost
uštede energije stavljanjem računara u stand-by stanje, ta opcija se
onemogućava)
Moguće rješenje – mogućnost da NIC ostane aktivna (i tako održava
mrežnu konektivnost) dok je ostatak sistema u stand-by modu
Slide 4
PRILAGOĐAVANJE BRZINE LINKOVA
Većina računara su povezana Ethernet linkovima: 10Mb/s, 100Mb/s
(standardno), 1Gb/s, pa čak i 10Gb/s
Povećanjem brzine protoka podataka povećava i potrošnja energije
u skorijoj budućnosti očekuju se i veće brzine
1Gb/s Ethernet zahtijeva oko 4W više snage od 100Mb/s
10Gb/s Ethernet zahtijeva 10-20W više snage od 1Gb/s
Djelimično i potpuno opterećeni linkovi troše približno jednaku snagu
(potrošnja energije ne zavisi od stepena iskorišćenosti linka)
Iskorišćenost LAN linkova se obično kreće od 1% do 5%
Ideja – kreirati protokol koji će omogućiti da potrošnja energije bude
proporcionalana iskorišćenosti linka
adaptivna promjena brzine linka u zavisnosti od njegovog opterećenja
ALR (Adaptive Link Rate) – već predstavlja ključni element novog
energetski efikasnog Etherneta (EEE – Energy Efficient Ethernet),
definisanog kao IEEE 802.3az
Slide 5
PROBLEM MREŽNE KONEKTIVNOSTI
U prosjeku 60% računara ostaje uključena i onda kada se aktivno
ne koriste – tokom noći ili vikenda
Sam korisnik ne želi da čeka da se računar uključi, tj. „probudi“ iz sleep
stanja
Potreba da se neprekidno održi mrežna konektivnost, kako bi se
omogućio, npr. udaljeni pristup računaru, ili funkcionisanje nekih
aplikacija za koje je neophodna prisutnost računara na mreži
Proizvodnja sve bržih računara kojima je potrebno manje vremena da pređu
u aktivno stanje
Sve više aplikacija i protokola koji se zasnivaju na perzistentnoj Internet
konekciji
U literaturi četiri načina da se ostvari stalna TCP konekcija:
Izmjena aplikacija na strani klijenta i/ili servera koje koriste perzistentnu
TCP konekciju, tako što će koristiti neperzistentnu konekciju
Upotreba proxy-ja na strani klijenta koji odgovara na poruke za
održavanje konekcije i “budi” klijentov PC iz sleep stanja kada se
ponovo uspostavi prenos podataka kroz konekciju
Dijeljenje TCP konekcije tako da aplikacija “vidi” konekciju iako je ona
zatvorena
Izmjena samog TCP protokola tako da on omogućava energetski
efikasnije funkcionisanje hostova
Slide 6
UPOTREBA PROXY-JA
Ideja – implementirati proxy mrežne konektivnosti (NCP – Network
Connectivity Proxy), koji će trošiti manje energije
Oglašava prisustvo hosta u mreži – omogućava hostu da ode u sleep
stanje prikazujući ga ostalim hostovima kao potpuno operativan i
konektovan na mrežu
Problemi mogućnost gubitaka podataka tokom procesa buđenja
Koliko puta host može da pređe u sleep stanje
Pouzdanost mehanizma za buđenje hostova
Proxy treba da izvrši četiri osnovne funkcije:
da reaguje na pristigle zahtjeve
da generiše neke odgovore
da odredi kada je neophodno probuditi host
da ignoriše nepotrebne pakete
Gdje se može implemetirati proxy
na samoj NIC (Self proxying)
na switch-u (Switch proxying)
na nekom drugom uređaju (Third-party proxying)
Slide 7
Nezavisno od toga gdje je proxy implementiran:
Host određuje kada treba da pređe u sleep stanje (određeno trajanje
neaktivnosti OS ili eksplicitna akcija koju zadaje korisnik)
2. Odluka o promjeni stanja se prosleđuje NCP, i host prelazi u sleep stanje
3. NCP održava prisutnost na mreži (šalje odgovore i generiše potrebne pakete)
4. NCP određuje kada se zahtijevaju kompletni resursi – šalje signal buđenja
1.
5.
Host može da se probudi i na osnovu aktivnosti korisnika ili svog internog tajmera
Kada se host potpuno probudi, informacija o promjeni stanja se razmijeni
između NCP i hosta, koji prelazi u režim rada sa punim napajanjem
Slide 8
SELF PROXYING I „PAMETNE“ NIC
„pametna“ NIC (Smart NIC - SNIC) – sadrži mali procesor i
odgovarajući software
Aktivna NIC može da „probudi“ host ukoliko primi pakete za buđenje
NIC mora da pravi razliku između paketa koji zahtijevaju i onih koji ne
zahtijevaju buđenje hosta – neophodan klasifikator paketa
Tri osnovne kategorije paketa:
tradicionalni klasifikatori paketa zahtijevaju značajne resurse, koje sama NIC
ne može da obezbijedi
izazov – definisati efikasan algoritam za klasifikaciju paketa, kako bi se ovo
rješenje moglo uspješno implemetirati
koji ne zahtijevaju odgovor – broadcasting poruke protokola rutiranja,
skeniranje portova...
koji zahtijevaju minimalnu
aktivnost pri slanju odgovora
koji zahtijevaju buđenje - TCP SYN
SNMP GET zahtjevi
I do 90% saobraćaja može da
se odvija u sleep stanju!
Slide 9
SWITCH PROXYING
Mrežni host koji je povezan sa NCP-om mora da ispuni sledeće:
ima sleep mod u koji može ući ili izaći pomoću komande koju šalje
operativni sistem ili aplikacija
ima mogućnost da izađe iz sleep moda u kratkom vremenskom periodu
(najviše nekoliko sekundi)
ima sleep mod koji održava stanje svih lokalnih protokola i aplikacija
ima mogućnost izlaska iz sleep stanja pomoću poruke dobijene od
NCP-a
aplikacije na hostu imaju mogućnost da spriječe ulazak hosta u sleep
stanje dok aplikacija aktivno koristi CPU, mrežu ili druge resurse
NCP mora da ispuni sledeće zahtjeve:
uvijek se nalazi pod punim napajanjem i konektovan je na mrežu
nalazi se u istoj IP podmreži kao i host kojeg pokriva
ima jednake mjere zaštite kao i host čiju aktivnost nadzire
Slide 10
PODIJELJENA TCP KONEKCIJA
Da bi se izbjegle izmjene postojećih
aplikacija i/ili implementacija novog
TCP protokola moguće je koristiti
podijeljenu TCP konekciju sa shim
nivoom (SL – Shim Layer) između
socket interfejsa i aplikacije
Shim predstavlja socket interfejs za
aplikaciju, zbog čega nema potrebe za
izmjenom aplikacije, i koristi sockets
nivo (karakterističan za TCP)
Upotrebom SL se “zavarava” aplikacija
kako bi ona vidjela uspostavljenu
konekciju svo vrijeme
Klijent
Nivo
aplikacije
Server
Shim nivo Nivo socket-a Nivo socket-a Shim nivo
Zahtjev za
u
spostavljan
Nivo
aplikacije
jem konekc
ije
vljena
je usposta
Konekcija
Prenos po
da
taka po akt
ivnoj konekc
iji
data
Prenos po
iji
noj konekc
ka po aktiv
Veza postoji između nivoa
aplikacije i shim nivoa
Prelazak u stanje
male potrošnje
Zatvori kon
e
kciju
tv
za orena
Konekcija
Klijent u
sleep stanju
Šalji pakete
za buđenje
Prelazak u
aktivno stanje
Klijent se p
ro
budio
da
Prenos po
dataka
Prenos po
taka
j konekciji
po aktivno
Server šalje
podatke
Slide 11
MODIFIKACIJA TCP – GREEN TCP/IP
Softversko rješenje koje treba da omogući funkcionisanje TCP/IP i u
slučaju kada se procesor isključi
Jedna verzija TCP (razvija se na University of South Florida) – Green TCP
Dodavanje sleep opcije za konekciju – omogućava Green TCP/IP klijentu
da obavijesti Green TCP/IP server da želi da pređe u sleep stanje
Server logički održava konekciju aktivnom, ali ne šalje nikakve podatke,
niti ACK segmente klijentu koji je prešao u sleep stanje
Socket koji je bio pridružen toj konekciji se blokira na strani servera, kako
bi se spriječilo baferovanje podataka koji su spremni za slanje
Kada se Green TCP/IP klijent aktivira („probudi“), on o tome obavještava
server, tako da se tok podataka između njih automatski ponovo aktivira
Izmjene TCP/IP protokola
(implementacija sleep opcije) –
kompatibilne unazad
Moguće rješenje – polje opcije
(OPTION) sa oznakom TCP-SLEEP
Ne-Green TCP/IP uređaji – ne
razumiju značenje te opcije i
ignorišu je
Klijent
Server
AC K
Podaci+
Podaci+
AC K
(2)
(4)
AC K
LEEP+
S
_
P
C
T
AC K
Podaci+
Podaci+
AC K
.
.
.
(1)
(3)
(1) – klijent počinje gašenje slanjem TCP_SLEEP
(2) – server blokira socket i konekcija prelazi u sleep stanje
(3) – klijent se budi i šalje podatke serveru
(4) – server prima podatke i ponovo obnavlja konekciju
Između (2) i (3) klijent se može u potpunosti isključiti i
konekcija je u sleep stanju
Slide 12
ZAKLJUČAK
Postojeći mehanizmi za uštedu energije uglavnom podrazumijevaju i
prekid mrežne konekcije (i eventualni gubitak podataka), kao i
nedostupnost resursa drugim hostovima
Vrlo često korisnici ili administratori mreže onemogućavaju pomenute
funkcionalnosti
procjenjuje se da samo oko 11% računara koristi ove opcije
Veća ušteda energije – savremeni visokoperformansni računari
treba da u potpunosti isključe napajanje procesora tokom trajanja
perioda neaktivnosti, uz mogućnost da host i dalje bude dostupan
na mreži
Internet – veliki broj krajnjih korisnika, koji mogu koristiti uređaje
različitog tipa, kao i različite pristupne mreže, nije moguće sa
sigurnošću reći koje od pomenutih rješenja će da dominira u cilju
ostvarivanja energetski efikasnije mreže
Veliki izazov – intenzivna istraživanja – značajan uticaj i na
ekonomiju i životnu sredinu