Diseño energéticamente eficiente de tarjetas de línea y grupos de agregación de enlaces en redes de comunicaciones cableadas

Abstract

Durante los últimos años, el incremento del consumo de energía derivado del uso de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones (TIC) ha atraído la atención desde dos puntos de vista distintos: el medioambiental y el económico. Por un lado, son responsables de la generación de alrededor de un 2-4% de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera a nivel mundial, mientras que por el otro, su consumo de energía se acerca al 10% de la energía eléctrica mundial y presenta una tendencia al alza, lo que se traduce en un elevado coste económico.

Las redes de comunicaciones representan un gran porcentaje de estos valores. Sin embargo, son una de las áreas más prometedoras en las que conseguir una reducción significativa del consumo de energía global y, por ende, de las emisiones de CO2 para preservar el entorno contra el temido cambio climático.

Aunque tradicionalmente los fabricantes e ingenieros de red se han centrado en maximizar el rendimiento de las redes comunicaciones, en la actualidad se propone una aproximación diferente que consiste en considerar criterios de eficiencia energética. De entre las distintas estrategias que existen para reducir el consumo de energía de las redes de comunicaciones, el trabajo realizado en esta tesis se centra en proponer un diseño de enlaces y de grupos de agregación de enlaces o “Link Aggregation Groups” (LAG) energéticamente eficientes que se traduzca en un ahorro de energía significativo en las redes que los incorporen.

Inicialmente se definen una serie de conceptos que permiten caracterizar de forma genérica el consumo de energía de un determinado enlace: nivel de energía, función de energía y distribución de energía. Mediante la aplicación de dos técnicas que se basan en la desactivación temporal de componentes y en la adaptación de la velocidad a la que éstos trabajan, se ha realizado una propuesta en la que se utilizan meta-heurísticas basadas en la computación bio-inspirada para evaluar la posible reducción del consumo de energía de la red.

Tras un conjunto de simulaciones sobre topologías de red reales de distinto tamaño para las que se explota la variación de la carga de tráfico a lo largo del día, se obtienen una serie de resultados que demuestran que no es necesario que los fabricantes construyan tarjetas de línea que soporten un elevado número de modos de operación distintos para conseguir un ahorro significativo de energía. En concreto, basta con que dispongan de 4 modos de operación como máximo para lograr mejorar en gran medida la eficiencia energética de una red.

Una vez evaluada la propuesta relacionada con el diseño de tarjetas de línea energéticamente eficientes, el problema se generaliza y extiende su ámbito de aplicación a los LAG. Partiendo de las definiciones iniciales que caracterizan el consumo energético de un determinado enlace, se define el concepto de función de energía equivalente de un LAG y se procede a su cálculo mediante la utilización de programación lineal. Esta función permite, dada una carga de tráfico concreta, configurar un LAG de modo que su consumo de energía sea el mínimo necesario para poder satisfacerla.

En base a la evaluación realizada, se realizan una serie de recomendaciones por un lado a los fabricantes de tarjetas de línea para que puedan construir tarjetas que sean a la vez energéticamente eficientes y dispongan de un compromiso con respecto a la complejidad de su fabricación y, por otro, a los administradores de red en relación a la formación y configuración de LAG cuando sus diseños de red así lo requieran para que éstos sean energéticamente eficientes y el consumo de la red se vea reducido. Los resultados obtenidos sobre un enlace real para el que también se explota la variación de la carga de tráfico a lo largo del día demuestran que desde el punto de vista de la eficiencia energética es más interesante considerar LAG con un número mayor de enlaces agregados antes que disponer de LAG cuyos enlaces implementen distinta tecnología.

La información extraída de las conclusiones de esta tesis puede resultar de interés a fabricantes de tarjetas de línea y a administradores de red que deseen incorporar características de eficiencia energética en sus respectivos ámbitos de aplicación.

During recent years, the increase in energy consumption associated to Information and Communications Technology (ICT) equipment has gained attention from two points of view: the environmental and the economic one. On the one hand, energy consumption of ICT equipment accounts for 2-4% of worldwide Carbon Dioxide (CO2) emissions. On the other hand, energy consumption of ICT equipment is around 10% of the global electric consumption and shows a tendency on the rise, which implies increasing economic costs.

Communication networks represent a high proportion of those figures. Nevertheless, these are one of the most promising areas for reducing global energy consumption, and consequently, reducing CO2 emissions and thus being an aid in climate change.

Traditionally, network equipment vendors and network engineers have focused on maximizing the performance of network communications. A current trend, the one in which this work resides, includes an approximation to explore criteria of energy efficiency. Among the various existing strategies for reducing energy consumption in communication networks, the work in this thesis concentrates in proposing a design for links and Link Aggregation Groups (LAG) that would be efficient in terms of energy consumption and that would translate into significant energy savings in the networks which incorporate them.

The model proposed in this thesis builds on three concepts that allowed for the characterization of a link´s energy consumption: energy level, energy function and energy distribution. The model uses meta-heuristics based on bio-inspired algorithms to evaluate potential savings in energy consumption of a network. Two techniques were used to develop the proposed model, one based in the temporary deactivation of the components, and another one based in the adaptation of their operational rate.

The work consisted on conducting simulations on various real network topologies of various sizes, to obtain the variation of network traffic throughout a common daily period. Results from these simulations indicate that it is not necessary that vendors make line cards that would allow for a high number of operation modes in order to obtain significant energy savings. Specifically, results indicate that a maximum of 4 operation modes is needed to improve the energy efficiency of a network.

Once the proposal for energy efficient line cards design has been achieved, it was necessary to account for its impact on LAGs. Based on the initial definitions that characterize energy consumption for a determined link, the concept of equivalent energy function to a LAG is defined and calculated through lineal programming. This function allows for, given a network load, the configuration of a LAG in a way that it properly works with the minimum energy requirements.

Based on the experiments conducted, recommendations will be provided in two main directions. Firstly, recommended guidelines for the design of energy efficient line cards will be provided to their vendors. Secondly, recommendations for the formation and configuration of energy efficient and low network consumption LAGs will be provided to network administrators. The results obtained for a real link, for which variation in the network traffic throughout the day is also accounted for, suggest that a higher number of aggregated links in a LAG would be more energy efficient than utilizing LAGs with different line cards technologies.

The conclusions derived from this thesis could be of interest to network equipment vendors, and to network administrators who would like to incorporate energy efficient characteristics into the networks they are responsible for.