Date post: | 22-Jan-2016 |
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Módulo 5Equipos de redes
Versión 1.06 de octubre de 2011
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Estructura técnica y operativaEquipos de redes y consumo de energía
Arquitectura y componentes básicos de redes
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Situación actualEquipos de red y consumo de energía
Redes de centros de datos: Representan aproximadamente entre el 8 y 12% del consumo de energía de los
equipos informáticos
Se suelen utilizar sin cambios durante un período de tiempo más largo (4-7 años)
Son un cuello de botella potencial para el rendimiento general y la eficiencia energética
Monitoring & Control
Cooling & Air Flow
Power Supply & UPS
Server Room / Data Center
InfrastructureNetwork Equipment
Architecture & Topology
Components & Cabling
Virtualization & Configuration
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Atributos de redExigencias de los clientes
Parámetros básicos de rendimiento:
Gran ancho de banda, baja latencia (selección de la tecnología de la red)
Escalabilidad y agilidad (arquitectura y gestión de la red) Flexibilidad para soportar diferentes servicios (consolidación, requisitos
de los sistemas legados) Seguridad (cada vez más importante e influye en los gastos generales) Alta disponibilidad y redundancia (requisitos de calidad del servicio) Capacidad de gestión y transparencia (este aspecto se apoya en las
soluciones de virtualización) Viabilidad a largo plazo Optimización de los costes (reducción del CAPEX y el OPEX)
Supported by: 5www.efficient-datacenter.eu
Monitoring & Control
Cooling & Air Flow
Power Supply & UPS
Server Room / Data Center
InfrastructureNetwork Equipment
Architecture & Topology
Components & Cabling
Virtualization & Configuration
Rendimiento técnico Rendimiento energético
Objetivo de mejoraEncontrar el balance adecuado
alto
bajo
Equilibrar el rendimiento técnico y el consumo de energía
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Redes de centros de datosModelo funcional
Monitoring & Control
Cooling & Air Flow
Power Supply & UPS
Server Room / Data Center
InfrastructureNetwork Equipment
Architecture & Topology
Components & Cabling
Virtualization & Configuration
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
Routers
Firewall /Security Firewall /Security
Core Switches
LAN SAN
N
W E
S
Supported by: 7www.efficient-datacenter.eu
Redes del centro de datosArquitectura y componentes de red básicos
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
Routers
Firewall /Security Firewall /Security
Core Switches
LAN SAN
N
W E
S
Supported by: 8www.efficient-datacenter.eu
Rendimiento energético de la redes
Elementos que influyen en el rendimiento energético de la red:
Arquitectura de la red (tecnología, número de capas, atributos) Topología de la red (incluyendo topología del cableado y del
conmutador) Especificaciones del equipo (componentes, funciones y configuraciones) Virtualización, gestión de carga adaptable (normas adecuadas,
protocolos)
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Mejora de la estrategia y objetivos
Tres objetivos de mejora básicos:
1. Reducción de los componentes físicos (número de equipos)
2. Reducción del consumo energético de los equipos
3. Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala
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Mejora de la estrategia y objetivosReducción de los componentes físicos (número de equipos)
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Reducción de los componentes físicos
1. Reducción de los componentes físicos (número de equipos): Router, conmutador, consolidación de puertos (virtualización,
multifunción, servicios) Menor número de capas de red a través de tecnologías IP
integrales (por ejemplo, FCoE) Creación de una estructura de red unificada Puesta en marcha de la última tecnología de banda ancha
(10/40Gbit/s)
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
RoutersN
W E
S
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
Routers
Firewall /Security Firewall /Security
Core Switches
LAN SAN
N
W E
S
Supported by: 12www.efficient-datacenter.eu
Virtualización de la red
La virtualización del sistema, incluyendo las redes, supone: Enrutador virtual (software con funcionalidad de enrutamiento, sistemas
múltiples en una máquina real) Enlaces virtuales (interconexión lógica del router virtual) Redes virtuales (routers virtuales conectados por enlaces virtuales)
Ventajas de la virtualización de la red Las interfaces de gestión son más flexibles Reducción del coste de adquisición por el uso de software Aumento del rendimiento de la aplicación mediante la extensión y la
asignación simplificada del servicio Posible disminución del consumo de energía mediante la consolidación
de equipos
Supported by: 13www.efficient-datacenter.eu
Virtualicación de la redLas mejores prácticas
Virtualización de la red combinada con la consolidación
Router: Reducción en más de un 50% de los routers físicos Descenso del consumo de energía de hasta aproximadamente un 60%
Firewall: Los cortafuegos centralizados basados en mallas de red lógicas reducen el
consumo de energía del cortafuegos relacionado en hasta un 60%
Classic Environment
Untrusted Network
Cortafuegos centralizado con máquinas virtuales
Red no fiable
VM
VM
VM
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Consolidación a nivel de equiposFusión de las clases de tráfico
Processor Memory
HCA NIC HBA
Processor Memory
Storage Network(SAN)
Inter Processor
(IPC)
Local Area Network (LAN)
IPC LANSAN
Fiber Channel / InfinibandEthernet 10G/40G/100G Ethernet
CNA
FC SwitchEN Switch EN Switch
Server
La aplicación de tecnología de banda ancha alta y de gran velocidad y del Adaptador de Red convergente (CAN) conduce a :
Reducción del equipo de red, del cableado y de las puertas de entrada Da como resultado un consumo de energía general más bajo
Supported by: 15www.efficient-datacenter.eu
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
Routers
Firewall /Security Firewall /Security
Core Switches
LAN SAN
N
W E
SInitial Situation: Two separate network technologies with respective hardware (switches)
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
Routers
Firewall /Security Firewall /Security
Core Switches
LAN SAN
N
W E
SMejora: tecnología de red unificada (basada en IP) con hardware reducido (conmutadores)
Consolidación de LAN y SANProtocolo unificado
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Situación inicial:SAN (FC o IB) clásico
Fiber Channel (FC) Infiniband (IB) (lossy) Ethernet
FCP (FC Protocol)
SRP(SCSI RDMA Protocol)
IP (Internet Protocol)
TCP (Transmission Control)
FCIP (FC over IP)
FCP (FC Protocol)
Small Computer System Interface (SCSI)
Application
• Posible caída del paquete• Gastos generales elevados Eficiencia de transmisión más baja
• Sin pérdidas• Gastos generales reducidos Eficiencia de transmisión elevada
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Lossless EthernetFiber Channel (FC) Infiniband (IB) (lossy) Ethernet
FCP (FC Protocol)
SRP(SCSI RDMA Protocol)
FCP (FC Protocol)
FCoE (FC over Ethernet)
IP (Internet Protocol)
TCP (Transmission Control)
iSCSI (internet SCSI)
Small Computer System Interface (SCSI)
Application
Opción de mejora:Consolidación de la red (basada en IP)
Basada en IP (Ethernet)
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Arquitectura de red plenamente consolidada
Ethernet Switch Fiber Channel Switch
Access
Aggregation
Core
RoutersN
W E
S
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Mejora de la estrategia y objetivosReducción del consumo de energía del equipo
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Consumo de energía del equipo
2. Reducción del consumo de energía del equipo: Consumo medio de energía (Ley de Moore) Gestión de la energía (todavía no disponible) Fuente de alimentación (eficiencia, redundancia) Refrigeración pasiva y activa (sumideros de calor de cobre,
ventiladores de velocidad variable)
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Efectos positivos de la dinámica de alta tecnología Micro/Nanoelectrónica (Moore), tecnología de la comunicación
(Shannon), ... Pero: costes y brechas tecnológicas Implementar interfaces (AVT / MST), materiales valiosos (poco
frecuente) …
0
20
40
60
80
100
2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020
Inte
rcon
nect
Siz
e (A
tom
s)
Roadmap der Halbleiter-Technologie (phyiskalischen und ökonomische Grenzen)
45 nm Technologie
32 nm
22 nm
16 nm
11 nm
Mapa de la tecnología de semiconductores
Leyes de Moore
Supported by: 22www.efficient-datacenter.eu
175
150
125
100
75
50
25
Initial Boot
Idle no Link
Idle w / Link
70% Load
100% Load
Uplink Modules
35.1
56.9
104.3 107.4 108.5
136.5
58.8 60.3 60.9
88.9
Power (W)
3Com Switch4800G 48-Port
3Com Switch4800G 24-Port
Transceptor 10G XFP de enlaces 2x y 1x
Comparación entre el perfil de energía 3Com Switch 4800G 24 y 48-Port
Selección del equipoTopología y dimensionamiento adecuado del conmutador
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Características: 8 W por interfaz de 10GE, Solución de baja energía para 10GE Mejorar la eficiencia del enfriamiento
mediante el uso de ventiladores redundantes de velocidad variable que ajustan automáticamente la velocidad según las condiciones existentes.
Divulgación de informaciónAdquisición de equipos (Eficiencia Energética)
Juniper Switch-EX4500Fuente: Juniper 2011
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Eficiencia del PSU
Situación inicial:– La mayoría de las fuentes de alimentación de los
equipos de red operan con una eficiencia inferior al 80%– 90% de eficiencia de las fuentes de alimentación ya
existentes
Energy Star y 80 Plus– Energy Star para fuentes de alimentación con
requisitos fijados por encima del 90%– 80 Plus Program fija requisitos superiores– Recomendación de 80 Plus Gold/Plantinum
Efectos– Consumo de energía reducido– Menos trabajo de refrigeración – Menor TCO
% of Rated Load
20% 50% 100%
80 PLUS Bronze
81% 85% 81%
80 PLUS Silver
85% 89% 85%
80 PLUS Gold
88% 92% 88%
80 PLUS Platinum
90% 94% 91%
Source: Cisco 2011
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Gestión de la energía Ethernet energéticamente eficiente
Apague los transceptores Ethernet (FIT) en periodos de baja velocidad de datos
Se han definido nuevos modos LPI para transceptores 1000BASE-T y 10GBASE-T
Sus características fundamentales son : Permiten apagar los transmisores y tres de los cuatro receptores Incluyen un ciclo de actualización Definición de una señal de alerta para activarlos rápidamente
Actualmente no disponibles para los equipos de red de centros de datos
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Mejores prácticasComparación de equipos de red EE
Fuente: (Lippis 2011)
IBM BNT RackSwitch
G8264
IBM BNT RackSwitch
G8124
Force 10 Voltaire Vantage 6048
Apresia 15k0
1
2
3
4
5
6
WattsATIS /10GbE Port
IBM BNT RackSwitch
G8264
IBM BNT RackSwitch
G8124
Force 10 Voltaire Vantage 6048
Apresia 15k0
50
100
150
200
250
300
TEER
bette
rbe
tter
Supported by: 27www.efficient-datacenter.eu
Mejora de la estrategia y objetivosOptimización del sistema a nivel del rack y de la sala
Supported by: 28www.efficient-datacenter.eu
Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala
3. Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala: Topología del conmutador (ToR, EoR) Cableado adecuado (flujo del aire, tipo de cable, interfaz) Posición en el Rack (concepto de refrigeración) Virtualización y control
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Topología del conmutador al final de la hilera Utilización de recursos
10 Server
Rack #1
14 Server
Rack #2
16 Server
Rack #3
8 Server
Rack #4
Suboptimal EoR utilization
Rack #1 Rack #2
Optimal End-of-Row switching
large amount of cabling
Line
Car
d
EoRSwitch
good scalability & flexibility
Supported by: 30www.efficient-datacenter.eu
48 Port Switch
10 Server
Rack #1
48 Port Switch
14 Server
Rack #2
48 Port Switch
16 Server
Rack #3
48 Port Switch
8 Server
Rack #4
Optimal ToR switching
48 Port
Rack #1
suboptimal server configuration
Unused ports
Suboptimal ToR utilization
all ports used
Simple cabling
48 Port
Rack #2
Topología del conmutador en la parte superior del rack Utilización de recursos
Supported by: 31www.efficient-datacenter.eu
Topología del conmutador ToR Ventaja y desventaja
En la parte superior del rack (TdR): cada rack tiene un interruptor especializado
Ventaja: un conmutador descentralizado para entornos de servidores densos (consolidación I / O ) que reduce el esfuerzo de cableado. La distancia más corta del cableado entre el servidor y el conmutador mejora la velocidad de transmisión y reduce el consumo de energía de esta transmisión.
Desventaja: Si el ToR se utiliza en una computación menos densa (pocos servidores en un rack), el sistema estará sobredimensionado. La eficiencia energética es baja debido a la utilización subóptima de los puertos disponibles.
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Cableado adecuadiMejora el flujo del aire y la refrigeración
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CableadoCobre
Par de cobre trenzado: Menores costes en comparación con la fibra Un alcance limitado: por ejemplo, la distancia práctica, para 10GE
es de unos 10 metros Menor consumo de energía: por ejemplo, 10GE conectable de
tamaño reducido (SFP), sólo 0,1 W (a 10 m) 10 GbE cable de cobre PHY consume hoy en día 10 W por puerto Menos resistentes: por ejemplo, durante la instalación, el cable se
puede romper (abolladuras) con más facilidad en comparación con la fibra
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Cableado Fibra óptica
Fibra óptica: OPEX (gastos iniciales) elevado: componentes activos (fotónica) Mayor rendimiento: velocidad, ancho de banda a larga distancia
(300 m) Consumo de energía: con fibras de puerto óptico de 10 GbE
consume 1-2W Muy accidentado: sin embargo, debe considerar el aislamiento, el
radio de curvatura, los equipos de red Aplicable a capas de conmutación centrales, aunque el cobre
sigue siendo la primera opción para conectar el servidor con los conmutadores de la parte superior del rack
Supported by: 35www.efficient-datacenter.eu
Cableado Comparación entre la fibra y el cobre
10 GbE Media Fibra (SR/LRM) Cobre (Base-T)
Consumo de energía (PHY + Adaptador)
1 - 3 vatios 14 - 17 vatios
Distancia 300 metros 100 metros
Índice de datos futuro 40 - 100 Gb/seg 10 Gb/seg
Densidad por unidad de rack
32 24
Densidad del cable 10% 100%
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Proceso de mejora
Supported by: 37www.efficient-datacenter.eu
Proceso de mejoraPaso a paso
Pasos: Establecimiento de objetivos de mejora (eficiente, convergente e
inteligente) Planificación de la arquitectura de la red (tecnología) Adquisición de equipos eficientes (administración de energía) Funcionamiento y cableado adecuados (impacto en el flujo de aire y
refrigeración) Equilibrio de carga y virtualización
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Proceso de mejoraEstablecimiento de objetivos de mejora
Tareas: Medición / supervisión del consumo de energía específico (condición
previa): Componentes individuales Parámetros térmicos y técnicos respectivos (flujo del aire,
temperatura, velocidad del ventilador) Definir los valores objetivo:
Eficiencia energética (objetivo TEER/ECR) Gestión de la energía(no disponible todavía, objetivo a largo plazo) Umbral de temperatura (p. ej. Fijar un límite según la ASHRAE)
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Proceso de mejoraPlanificación de la arquitectura de red
Tareas: Definir una lista de parámetros objetivo para:
Rendimiento técnico (la interoperatibidad y las cuestiones legales son muy importantes)
Rendimiento de la energía (ecológico) Proyección de estos parámetros de rendimiento en las
especificaciones técnicas orientadas al equipo: En este punto, debe tomarse una decisión sobre la tecnología de
red básica de las redes individuales (SAN, LAN, Access) Tipo y número de puertos de red Transmisión de datos Funcionabilidad y servicios adicionales (virtualización y control)
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Proceso de mejora Adquisición de equipos eficientes
Tareas: Estudio del mercado según las especificaciones identificadas Orientación sobre contratación pública (Fraunhofer CC LAN) Solicitar una prueba relacionada con la energía / datos de referencia
(TEER) Comparar las ofertas (si hay una guía de evaluación / selección)
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Perspectiva
Ejemplos específicos de las mejores prácticas (datos reales / casos prácticos)
Ejemplos para la reducción de hardware (virtualización) Gestión de la energía de la red (modo de espera e inactividad baja) Más allá de la vanguardia (íntegramente óptico, tunelización) Clasificación de opciones de mejora
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DebateCuestiones relacionadas con el módulo
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Cuestiones/debates relacionados con el módulo
¿Cuál cree usted que son los principales obstáculos para alcanzar una eficiencia energética en los equipos de red?
¿Cuáles son los principales aspectos que influyen en la eficiencia energética de los equipos de red?
¿Cuáles son los tres objetivos de mejora básicos en la eficiencia energética de los equipos de red?
¿Cuál es la principal ventaja y desventaja del uso de la topología del conmutador Top-of-Rack?
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Sugerencias de lecturas complementariasLibros blancos
Publicaciones en línea
Etc.
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Sugerencias de lecturas complementarias
Energy Consumption Rating Initiative– www.ecrinitiative.org
Cisco Efficiency Assurance Program– www.cisco.com/assets/cdc_content_elements/flash/dataCenter/eap
IBM, Network solutions– http://www-03.ibm.com/systems/networking/
Energy Proportional Datacenter NetworksAbts D. y otros (2010), Proceedings of the International Symposium on Computer Architecture, Saint-Malo– http://static.googleusercontent.com/external_content/untrusted_dlcp/research.go
ogle.com/de//pubs/archive/36462.pdf
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Sugerencias de lecturas complementarias
Government Data Center Network Reference Architecture, Using a High-Performance Network Backbone to Meet the Requirements of the Modern Government Data Center, Juniper (2010) – http://www.buynetscreen.com/us/en/local/pdf
/reference-architectures/8030004-en.pdf
ElasticTree: Saving Energy in Data Center NetworksHeller B. y otros (2010)– http://www.usenix.org/event/nsdi10/tech/full_papers/heller.pdf