`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

«Зеленая» технология в сетях Ethernet в рамках стандарта IEEE 802.3

Статья опубликована в №23 (640) от 17 июня

0 
 

В прошлом году Ethernet Alliance объявил конкурс, на котором предложил студентам «представить решения по дальнейшему усовершенствованию технологии Ethernet и ее практическому использованию». Победила работа «PAUSE Power Cycle: A New Backwards Compatible Method to Reduce Energy Use of Ethernet Switches», сделанная в рамках дипломного проекта Франциско Бланкусе (Francisco Blankuicet) из Университета Южной Флориды. Что же он предложил?

Status quo

С учетом того, что бóльшая часть ИТ-оборудования работает в режиме 24х7, вопросы энергосбережения и по экономическим, и по экологическим причинам выходят на передний план. Несколько инициатив от консорциумов находятся сегодня в стадии разработки. В области коммерческих продуктов D-Link предлагает коммутаторы «Green Ethernet», в которых мощность, потребляемая каналом, является функцией его длины и неиспользуемые порты отключаются.

Усилия по созданию стандартов в этой области предпринимаются специальной группой IEEE 802.3az (Energy Efficient Ethernet). Сейчас она рассматривает в качестве средства сбережения энергии процедуру переключения между активным и холостым режимами с пониженным потреблением энергии в холостом (Active/Idle Toggling with Low Power Idle). Принцип, лежащий в основе этого механизма, заключается в том, чтобы передать данные как можно быстрее и затем вернуться к холостому режиму с низкими энергозатратами. Последний потребляет минимальную мощность, и в течение этого периода неиспользуемые электрические цепи отключаются. Ранее группа IEEE 802.3az рассмотрела Rapid PHY Selection (RPS) как способ согласования скорости передачи данных с уровнем утилизации канала. RPS определяет механизм переключения скорости передачи данных канала между двумя Ethernet-устройствами. Однако для своей реализации Active/Idle Toggling и RPS необходимы существенные изменения в имеющихся устройствах. Предлагаемый же метод в отличие от вышеупомянутых не требует никаких модификаций аппаратных средств и может быть использован уже сегодня.

PAUSE Power Cycle (PPC)

«Зеленая» технология в сетях Ethernet в рамках стандарта IEEE 802.3
Рис. 1. РРС в коммутаторе ЛВС

PPC представляет собой новый механизм, при котором Ethernet-коммутаторы периодически приостанавливают работу всех активных каналов, подсоединенных к ним, и отключают на время паузы их питание. Для этого может быть использован служебный пакет стандарта IEEE 802.3 PAUSE flow control, с помощью которого канал переводится в состояние паузы (т. е. по нему отправитель не передает получателю пакеты) на указанный отрезок времени. Таким образом, в течение этого периода компоненты коммутатора-получателя, такие как PHY, MAC и взаимосвязи, могут быть обесточены, за счет чего и сберегается энергия.

На рис. 1 представлена схема работы метода. Фреймы PAUSE отсылаются коммутатором по каналам всех подключенных к нему устройств. PPC определяет два состояния канала: ON (режим работы) и OFF (режим паузы), когда нисходящие интерфейсы не могут получать пакеты.

Метод PPC представляет собой компромисс между производительностью и количеством сбереженной энергии. Периодически переводя каналы в режим паузы и обесточивая на это время электронные компоненты коммутаторов, можно достичь существенной экономии, однако потерять пакеты из-за переполнения буфера.

PPC может быть описан в терминах конечного автомата, функциональная схема которого представлена на рис. 2. Текст над стрелками поясняет необходимое условие для перехода в другое состояние, а под стрелками – действия в данном состоянии. При этом, как уже отмечалось выше, имеются два состояния: ON и OFF. Вводятся также два таймера. Один, TON, отсчитывает время в ON, второй, TOFF, – в OFF. Далее определяются два отрезка времени: ton и toff – период пребывания в ON и OFF соответственно.

«Зеленая» технология в сетях Ethernet в рамках стандарта IEEE 802.3
Рис. 2. Конечный автомат для РРС

Алгоритм работы автомата следующий. При включении коммутатора в таймеры TON и TOFF записываются выбранные значения ton и toff, и после этого стартует TON-таймер. По окончании счета коммутатор посылает фреймы PAUSE (со значением toff) на все свои интерфейсы, чтобы остановить входящий трафик, и переходит в состояние OFF. При этом запускается таймер TOFF, а компоненты коммутатора (PHY, MAC и взаимосвязи) обесточиваются. После отработки TOFF-таймера на компоненты подается напряжение, каналы переходят в рабочий режим, и коммутатор возвращается в состояние ON. Затем цикл повторяется.

Значения ton и toff могут устанавливаться пользователем при начальной конфигурации устройства или подбираться адаптивно на основе степени утилизации канала. Можно предложить, к примеру, такой сценарий: если коммутатор включен, а пакетов для передачи в очереди нет, то следующее значение ton может быть меньше, а toff – больше; и наоборот, если в очереди есть пакеты.

Значения ton и toff определяют рабочий цикл D канала Ethernet, подсоединенного к коммутатору, который выражается формулой:

D = (ton + toff )/ ton .

Следовательно, для рабочего цикла 50% ton = toff. Очевидно, что оптимальное значение рабочего цикла по количеству сэкономленной энергии при условии удовлетворительной эффективной полосы пропускания зависит как от приложения, так и от технических особенностей сети.

«Зеленая» технология в сетях Ethernet в рамках стандарта IEEE 802.3
Рис. 3. Тестовый полигон для эмуляции РРС

Для эмуляции РРС и экспериментальной оценки автор построил тестовый полигон, его схема представлена на рис. 3. Он состоял из пяти ПК, IP-видеокамеры и концентратора. Компьютер, обозначенный «PAUSE Controller», посылает фреймы PAUSE, которые концентратор передает на все свои интерфейсы, эмулируя тем самым коммутатор, где реализован РРС. Использовалась эмуляция, поскольку коммутатора с реализованной технологией РРС не было. Значения ton и toff изменялись с помощью контроллера пауз, и таким образом определялся рабочий цикл. Видеокамера передавала 10 кадров в секунду, а все каналы были дуплексными с пропускной способностью 100 Мб/с.

Для того чтобы узнать эффект, производимый РРС на различных пользователей популярных интернет-приложений, была проведена серия экспериментов. Он определялся по уровню раздражения участника при работе в режиме РРС. Количественно уровень оценивался следующим образом: 1 – плохо, 2 – низкое качество, 3 – неплохо, 4 – хорошо и 5 – отлично. Чем выше балл, тем ниже уровень раздражения. Тестирование выполнялось на следующих приложениях: веб-браузер, копирование файла объемом 512 МБ, видео в режиме реального времени (велось наблюдение за двумя людьми, ходящими перед видеокамерой), воспроизведение видеоклипа (например, с сайта YouTube).

Входными данными для всех экспериментов являлись toff и рабочий цикл. Устанавливались последовательно следующие значения toff: 0 (базовое), 300, 100 и 50 мс. Рабочий цикл принимал значения 50 и 30 %, что соответствовало пропускной способности 50 и 30 Мб/с. Все установки приведены в таблице.

В качестве выходных данных служили эффективная пропускная способность управляемых РРС каналов, которая измерялась с помощью эталонного теста Netperf, и уровень раздражения пользователей при работе типичных приложений. Каждый из участников начинал работать с приложением при базовом значении toff с тем, чтобы оценить скорость канала без РРС. Затем контроллер РРС подставлял приведенные выше значения toff случайным образом, так что никто из них не знал, при каком значении toff работает то или иное приложение.

Экспериментальные установки
Рабочий цикл 50 % 30 %
Скорость передачи 50 Мб/с 30 Мб/с
Параметры РРС ton (мс) toff (мс) ton (мс) toff (мс)
Установка 1 50 50 22 50
Установка 2 100 100 43 100
Установка 3 300 300 129 300

Результаты эксперимента

«Зеленая» технология в сетях Ethernet в рамках стандарта IEEE 802.3
Рис. 4. Результаты тестирования веб-просмотра и копирования файлов

На рис. 4 показаны усредненные по семи измерениям результаты для веб-просмотра и копирования файлов. Как видно из соответствующих гистограмм, веб-просмотр с максимальным разбиением (время паузы 50 мс) получил наивысший рейтинг. С другой стороны, этот эксперимент со временем паузы 300 мс имеет самую низкую оценку. При одинаковой скорости передачи данных во всех трех установках значение toff = 50 мс обеспечивало наименьшее время пребывания в состоянии OFF. Установку 300 мс воспринимали как более низкую скорость при веб-просмотре. Веб-сайты с графикой и изображениями объемом более 50 МБ загружались медленнее, указывая тем самым на снижение скорости канала. В случае копирования файлов наблюдались слегка измененные результаты. Даже хотя во всех трех установках время копирования было одинаковым, пользователи оценивали производительность со временем паузы 100 мс как несколько лучшую, чем при установке 50 мс.

В экспериментах с просмотром видео в реальном режиме времени при рабочем цикле 50 % и паузе 300 мс наблюдались незначительные артефакты, если направления движения объекта изменялись быстро. Другие установки РРС не выявили больших расхождений в качестве по сравнению с базовой установкой. При воспроизведении видео пользователи не отметили заметной разницы. Возможное объяснение этому – локальная буферизация видео с последующим проигрыванием.

Пока не ясно, как отнесется индустрия к предложенному методу сохранения энергии в Ethernet-сетях, поскольку разрабатывается еще ряд других. Преимущество РРС заключается в том, что он не требует ни новых МАС-фреймов, ни изменений в топологии и архитектуре сетей и может быть использован в существующих коммутаторах.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

На геймерах надо было потестировать, они бы очень "обрадовались" такой технологии :)))

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT