Modul 5 Síťové prvky a síťová zařízení

1. Modul 5Síťové prvky a síťová zařízení Verze1.06. října 2011

2. Technický a provozní rámec Sítová zařízení a spotřeba energie Základní architektura sítě a prvky

3. Současná situace • Síťová zařízení a spotřeba energie • Sítě v datovém centru: • Zodpovídají za cca 8až 12 % elektrické spotřeby IT • Běžně se používají delší dobu beze změn (4–7 let) • Jsou potenciálním úzkým hrdlem celkového výkonu a energetické účinnosti Serverovna / Datové centrum Zdroj napájení a UPS Chlazení a průtok vzduchu Monitoring a řízení Architektura a topologie Virtualizace a konfigurace Komponenty a kabeláž Datové úložiště Server Síť Infrastruktura Síť Zařízení

4. Vlastnosti sítě • Požadavky zákazníka či klienta • Základní parametry výkonu: • Velká šířka pásma, nízká latence (výběr síťové technologie) • Škálovatelnost a přizpůsobivost na změny (architektura sítě a síťový management) • Pružnost při podpoře různých služeb (konsolidace, zděděné požadavky) • Bezpečnost (její význam roste a ovlivňuje režijní výkony a náklady) • Vysoká dostupnost a redundance (požadavky na kvalitu služby – QoS) • Řiditelnost a průhlednost (toto hledisko podporují virtualizační řešení) • Dlouhodobá životnost • Optimalizace nákladů (snížení CAPEX a OPEX)

5. Cíl zlepšení / Záměr inovace: • Najít vyrovnaný stav Hledání rovnováhy mezi technickou vyspělostí a spotřebou energie Serverovna / Datové centrum Datové úložiště Server Síť Infrastruktura Síť Zařízení vysoká Technická úroveň Spotřeba energie nízká

6. Sítě v datovém centru • Funkční model Routery Jádro Agregace Přístup

7. Sítě v datovém centru • Základní architektura sítě a prvky Routery Jádro Agregace Přístup

8. Energetická spotřeba sítě • Aspekty ovlivňující energetickou spotřebu sítě: • Architektura sítě (technologie, počet vrstev, vlastnosti) • Topologie sítě (včetně topologie kabeláže a switchů) • Parametry zařízení (prvky, funkce a konfigurace) • Virtualizace, adaptabilní řízení podle velikosti zátěže (vhodné standardy, protokoly)

9. Strategie pro zlepšení a cíle • Tři hlavní cíle zlepšení jsou: • Snížení počtu fyzických prvků (počtu zařízení) • Snížení spotřeby energie zařízeními • Optimalizace systému na úrovni IT rozvaděče a sálu

10. Strategie pro zlepšení a cíle Snížení počtu fyzických prvků (počtu zařízení)

11. Snížení počtu fyzických prvků • Snížení počtu fyzických prvků (počtu zařízení): • Konsolidace routerů, switchů, portů (virtualizace, multifunkční služby) • Méně síťových vrstev díky technologiím s IP adresováním (např. optické kanály přes Ethernet, FCoE) • Vytvoření jednotné (unifikované) struktury sítě • Rozvinutí nejnovější širokopásmové technologie (10/40Gbit/s) Routery Routery Jádro Jádro Agregace Agre-gace Přístup Přístup

12. Virtualizace sítě • Virtualizace systému včetně sítě znamená: • Virtuální router (software s funkcionalitou směrování, vícenásobné systémy nebo 1 skutečný stroj) • Virtuální spoje (logické propojení virtuálních routerů) • Virtuální sítě (Virtuální routery propojené virtuálními spoji) • Výhody virtualizace sítě • Správa všech rozhraní je pružnější • Snížené pořizovací náklady díky použití softwaru • Vyšší výkon aplikací díky jednoduššímu rozšiřování a alokaci služeb • Možné snížení spotřeby energie díky konsolidaci zařízení

13. Virtualizace sítě • Nejlepší praxe • Virtualizace sítě kombinovaná s konsolidací • Routery: • Snížení počtu fyzických routerů o více než 50% • Snížení spotřeby energie až o 60% • Firewally: • Centralizované firewally založené na logické struktuře sítě snižují energetickou spotřebu související s firewally až o 60% VM VM VM Centralizovaný Firewall svirtuálními stroji Klasické prostředí nedůvěryhodná síť nedůvěryhodná síť

14. Konsolidace na úrovni zařízení • Slučování tříd provozu • Implementace širokopásmové/vysokorychlostní technologie a konvergovaných síťových adapterů (CNA) vede ke: • Snížení počtu síťových zařízení, kabeláže a bran • Snížení celkové spotřeby elektrické energie

15. Konsolidace LAN a SAN • Unifikovaný protokol Routery Jádro Počáteční situace: Dvě samostatné sítě se specifickým hardwarem (různá technologie switchů) Zlepšení: Jednotná síťová technologie (založená na IP) se sníženým počtem HW zařízení (switchů) Agregace Přístup

16. Počáteční situace:Klasický SAN (FC neboIB) Aplikace (ztrátový) Ethernet • Bezeztrátová síť • Malý rezervní výkon •  vysoká účinnost přenosu • Odhození paketů možné • Velký rezervní výkon •  nízká účinnost přenosu

17. Možnost zlepšení: • Konsolidace sítí (na základě IP) Aplikace FCoE (FC přes Ethernet) Bezeztrátový Ethernet (ztrátový) Ethernet Přenosy založené na IP(Ethernet) Nově včetně bezeztrátového Ethernetu !

18. Plně konsolidovaná • síťová architektura Routery Jádro Agregace Přístup

19. Strategie pro zlepšení a cíle Snížení spotřeby elektrické energie zařízeními

20. Spotřeba energie zařízeními • Snížení spotřeby elektrické energie zařízeními: • Průměrná spotřeba energie (Mooreův zákon) • Správa napájení (zatím není k dispozici) • Napájecí zdroje (účinnost, redundance) • Pasivní a aktivní chlazení (měděné chladiče, variabilní rychlost ventilátorů)

21. Mooreův zákon • Pozitivní vlivy vysoké dynamikytechnologického vývoje • mikro- a nanotechnologie (Moore), komunikační technika (Shannon), … • Avšak také: vysoké náklady a technologické mezery • potřeba rozhraní (AVT/MST), cenné (vzácné) suroviny… Cestovní mapa polovodičové techniky Velikost propojení (atomy)

22. Výběr zařízení • Topologie switchů a vhodné dimenzování Porovnání výkonnostních profilů switchů 3Com, typ 4800G 24 a 48 portů Zátěž 100% Uplink moduly Zátěž 70% Běh naprázdno bez spojení Běh naprázdno se spojením Počáteční náběh Příkon (W) 3Com Switch 4800G 48-Port 3Com Switch 4800G 24-Port 2x uplink a1x transceiver 10G XFP

23. Odkrytí informací • Nákup zařízení (Energetická účinnost) Vlastnosti: • 8 W na jedno rozhraní 10GE, • Energeticky úsporné řešení pro 10GE • Zlepšete účinnost chlazení použitím redundantních ventilátorů s variabilní rychlostí, které automaticky upraví svoji rychlost podle aktuálních podmínek. KONFIGURACE PŘÍKON Juniper Switch-EX4500 Zdroj: Juniper 2011

24. Účinnost napájecích zdrojů • Počáteční situace: • Většina napájecích zdrojů v síťových zařízeních pracuje s účinností nižší než 80% • Napájecí zdroje s účinností 90% již existují • Požadavky Energy Star a 80 Plus • Energy Star pro napájecí zdroje serverů stanoví, že účinnost má být více než 80% • Program 80 Plus stanoví vyšší požadavky • Doporučuje se 80 Plus Gold/Plantinum • Přínosy • Snížená spotřeba energie • Nižší intenzita chlazení • Nižší celkové náklady na vlastnictví (TCO) Zdroj: Cisco 2011 % nominální zátěže

25. Správa napájeníEnergeticky účinný Ethernet • Vypínání transceiverů Ethernetu(PHY) v časových intervalech s nízkým tokem dat • Pro transceivery 1000BASE-T a 10GBASE-T byly definovány nové úsporné režimy běhu naprázdno (LPI, low power idle modes) • Klíčové vlastnosti jsou: • Povolení vypnutí transmiterů (zařízení pro obousměrný provoz, obsahují vysílač i přijímač) a tří ze čtyř přijímačů • Zahrnují obnovovací cyklus • Definice pohotovostního signálu (alert) pro rychlé probuzení • V současnosti není k dispozici pro síťová zařízení datových center

26. Nejlepší praxe • Porovnání účinnosti síťových zařízení lepší lepší Zdroj: (Lippis 2011)

27. Strategie pro zlepšení a cíle Optimalizace systému na úrovni IT rozvaděče a sálu

28. Optimalizace systému na úrovni • IT rozvaděče a sálu • Optimalizace systému na úrovni IT rozvaděče a sálu: • Topologie switchů– nahoře v rozvaděči (ToR), na konci řady (EoR) • Správná kabeláž (proudění vzduchu, typy kabelů, rozhraní) • Umístění v rozvaděči (koncepce chlazení) • Virtualizace a řízení

29. Umístění switchů na konci řady (EoR)Využití zdrojů velké množství kabeláže dobrá škálovatelnost a flexibilita Suboptimální využití topologie End-of-Row Optimální využití EoR switchů

30. Umístění switchů v rozvaděčích (ToR)Využití zdrojů Suboptimální konfigurace serverů Nevyužité porty Všechny porty využity Jednoduchá kabeláž Optimální využití topologie Top-of-Rack Suboptimální využití ToR switchů

31. Umístění switchů nahoře v rozvaděči(ToR)Výhoda a nevýhoda • Top-of-Rack (ToR): každý rozvaděč má dedikovaný switch; • Výhoda:Decentralizovaný switching pro hustá serverová prostředí (konsolidace vstupů/výstupů), který snižuje intenzitu kabeláže. Kratší délky kabelů mezi serverem a switchem zlepšují přenosovou rychlost a snižují energetickou náročnost tohoto přenosu; • Nevýhoda:Je-li ToRpoužito v méně hustém výpočetním prostředí (je-li méně serverů v IT rozvaděči), pak je systém naddimenzovaný. Energetická účinnost takového systému je nízká z důvodu nižšího než optimálního využití dostupných portů.

32. Správně vedená kabeláž • Zlepšete proudění vzduchu a chlazení

33. Metalická kabeláž • Měděná kroucená dvojlinka: • Nižší cena v porovnání s optickým kabelem • Omezený rozsah: napříkladpraktická vzdálenost pro 10GE je kolem 10m • Nižší příkon: například 10GE se zástrčkami malého formátu (SFP) má jen 0,1W (při délce 10m) • Měděný kabel 10GbE (PHY) dnes typicky spotřebuje 10W na port • Méně mechanicky pevný: například během instalace se kabel může snáze zlomit (promáčknout) oproti optickému kabelu

34. Optická kabeláž • Optická vlákna: • Vysoké počáteční investice: aktivní prvky (fotonika) • Vyšší výkonnost: rychlost, šířka pásma na dlouhé vzdálenosti (300m) • Spotřeba energie: optický port 10GbE spotřebuje 1-2W • Velmi mechanicky pevný: je však třeba vzít v úvahu izolaci, poloměr ohybu, síťová zařízení • Použitelný pro páteřní přepínací vrstvu, zatímco metalická kabeláž zůstane primární volbou pro připojení serverů ke switchům umístěným v horních pozicích IT rozvaděčů.

35. Kabeláž • Porovnání optické a metalické trasy

36. Inovace / Zlepšovací proces

37. Inovace • krok za krokem • Kroky: • Stanovení cílů (pro citlivé, konvergované a inteligentní zlepšení) • Plánování architekturysítě (technologií) • Pořízení účinných zařízení (správa napájení) • Rozvinutí a správné vedení kabeláže (vliv na proudění vzduchu a chlazení) • Vyvažování zátěže a virtualizace

38. Inovace • Stanovení cílů • Úkoly: • Měření/Monitoring konkrétní spotřeby energie (výchozí podmínka): • Jednotlivé prvky • Poměrné/Individuální tepelné a technické parametry (průtok vzduchu, teplota, rychlost ventilátoru) • Definice cílových hodnot: • Energetická účinnost (cílového TEER nebo ECR) • Správa napájení (není zatím k dispozici, dlouhodobý cíl) • Prahová teplota (například nastavení limitů v souladu s ASHRAE) TEER = Telecommunications Energy Efficiency Ratio ECR = Energy Consumption Rating

39. Inovace • Plánování architektury sítě • Úkoly: • Definice seznamu cílových parametrů pro: • Technickou úroveň (velmi důležitá je součinnost se zděděnou technologií) • Energetická úspornost (eko-parametry) • Promítnout tyto výkonnostní parametry do technických specifikací zaměřených na výběr vhodných zařízení: • V tomto bodě se musí učinit rozhodnutí o základní síťové technologii pro jednotlivé sítě (SAN, LAN, Access) • Typ / počet síťových portů • Datová propustnost • Funkcionalita a přídavné služby (virtualizace a řízení)

40. Inovace • Nákup energeticky účinných zařízení • Úkoly: • Podrobná prohlídka trhu podle zjištěných specifikací • Veřejné pokyny pro pořizování (Fraunhofer CC LAN) • Konzultace • Vyžádejte si výsledky testů orientovaných na spotřebu energie / výsledky hodnocení výkonnosti (TEER) • Porovnejte nabídky (je tam návod na vyhodnocení/výběr)

41. Vyhledávejte • Příklady konkrétní nejlepší praxe (skutečná data/praktické případy) • Příklady na snížení množství hardwaru (virtualizace) • Správa napájení v síti - pohotovostní režim (standby), úsporný běh naprázdno (low idle) • Mimořádná špičková zařízení a postupy (různá optická zařízení, síťové tunelování) • Klasifikace/Hodnocení možných zlepšení

42. Diskuze Otázky související s modulem

43. Otázky / diskuze související s modulem • Jaké jsou, podle vašeho názoru, hlavní překážky pro vyšší energetickou účinnost síťových prvků a zařízení? • Jaké jsou hlavní aspekty ovlivňující úsporný provoz síťových zařízení? • Jaké jsou tři základní cíle při zlepšování energetické účinnosti síťových zařízení? • Jaká je hlavní výhoda a nevýhoda při používání switchů umístěných v horních pozicích IT rozvaděčů, tj. při topologii switchů ToR?

44. Další návrhy na čtení Bílé knihy Publikace on-line atd.

45. Další návrhy na čtení • Iniciativa pro klasifikaci energetické spotřeby • www.ecrinitiative.org • Program společnosti Cisco pro zajištění účinnosti • www.cisco.com/assets/cdc_content_elements/flash/dataCenter/eap • IBM, Síťová řešení • http://www-03.ibm.com/systems/networking/ • Energeticky přiměřené sítě datových centerAbts D. a kol. (2010), Sborník prací Mezinárodního sympozia o architektuře počítačů, Saint-Malo • http://static.googleusercontent.com/external_content/untrusted_dlcp/research.google.com/de//pubs/archive/36462.pdf

46. Další návrhy na čtení • Referenční architektura sítě pro vládní datová centra,s využitím vysoce výkonné páteřní sítě pro splnění požadavků kladených na moderní vládní datové centrum, Juniper (2010) • http://www.buynetscreen.com/us/en/local/pdf/reference-architectures/8030004-en.pdf • Pružný strom: Spoříme energii v sítích datového centraHeller B. a kol. (2010) • http://www.usenix.org/event/nsdi10/tech/full_papers/heller.pdf