PREGLED RJEENJA ZA UTEDU ENERGIJE U TELEKOMUNIKACIONIM MREAMA

PREGLED RJEŠENJA ZA UŠTEDU ENERGIJE U TELEKOMUNIKACIONIM MREŽAMA M. ILIĆ, E. KOČAN, I. RADUSINOVIĆ, Z. VELJOVIĆ Elektrotehnički fakultet Podgorica, Crna Gora

UVOD n n n 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 ¨ n n 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, . . .

PROBLEMI n n 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, 3 TWh/god ¨ Veliki uticaj na ekonomiju (milioni dolara) i okolinu (1 TWh/god – oko 0, 75 miliona tona CO 2) ¨ n 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 ¨ ¨

PRILAGOĐAVANJE BRZINE LINKOVA n Većina računara su povezana Ethernet linkovima: 10 Mb/s, 100 Mb/s (standardno), 1 Gb/s, pa čak i 10 Gb/s ¨ n Povećanjem brzine protoka podataka povećava i potrošnja energije ¨ ¨ n u skorijoj budućnosti očekuju se i veće brzine 1 Gb/s Ethernet zahtijeva oko 4 W više snage od 100 Mb/s 10 Gb/s Ethernet zahtijeva 10 -20 W više snage od 1 Gb/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. 3 az ¨ ¨

PROBLEM MREŽNE KONEKTIVNOSTI n 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 n ¨ 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 n n 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 ¨

UPOTREBA PROXY-JA n n 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 ¨ ¨ ¨ n Proxy treba da izvrši četiri osnovne funkcije: ¨ ¨ n Problemi mogućnost gubitaka podataka tokom procesa buđenja Koliko puta host može da pređe u sleep stanje Pouzdanost mehanizma za buđenje hostova 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)

n 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. n 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

SELF PROXYING I „PAMETNE“ NIC n n „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 n n n 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 Tri osnovne kategorije paketa: 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 ¨ n I do 90% saobraćaja može da se odvija u sleep stanju!

SWITCH PROXYING n Mrežni host koji je povezan sa NCP-om mora da ispuni sledeće: ¨ ¨ ¨ n 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

PODIJELJENA TCP KONEKCIJA n n n 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

MODIFIKACIJA TCP – GREEN TCP/IP n 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 ¨ ¨ n 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 ¨

ZAKLJUČAK n 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 n n 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