Hoe Ieeee 802.3az Energie-efficiënte ethernet vermindert het energieverbruik in datacenters

De groeiende energiecrisis in datacenters

Datacenters zijn de niet-verzonnen pijlers van de digitale economie, die alles ondersteunen van streaming diensten tot enterprise cloud workloads. Toch is hun eetlust voor elektriciteit onthutsend. Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie, verbruiken datacenters ongeveer 1

Hoe IEEE 802.3az werkt: De Technische Stichting

EEE, geratificeerd als IEEE 802.3az in 2010, werkt op de fysieke laag (PHY) van het OSI-model. Het introduceert mechanismen voor ethernet apparaten om een lage vermogen inactief (LPI) toestand wanneer er geen gegevens te verzenden. De standaard is van toepassing op gedraaide-paar koper en backplane Ethernet, waaronder 100BASE-TX, 1000BASE-T, en 10GBASE-T, evenals optische vezel varianten zoals 10GBASE-SR/LR.

Onbediende LPI-modus

Tijdens LPI stopt de zender met het verzenden van normale stationaire signalen en stuurt hij in plaats daarvan periodieke refreshsignalen om de synchronisatie van de link te handhaven. De refresh rate is veel lager dan het continue stationaire patroon dat wordt gebruikt in conventionele ethernet, waardoor het vermogen dat wordt verbruikt door de PHY-zender en ontvanger drastisch wordt verminderd. Voor 10GBASE-T kan de PHY bijvoorbeeld een slaaptoestand invoeren die stroom trekt van ongeveer 4

Wake-up Timing en Latency

Een belangrijke vereiste voor het ontwerp van EEA is dat de overgang van LPI terug naar actieve modus snel genoeg moet zijn om pakketverlies of onaanvaardbare latentie te voorkomen. De standaard definieert een oponthoudtijd van minder dan 10 microseconden voor 1000BASE-T en minder dan 4 microseconden voor 10GBASE-T. In de praktijk bereikt modern switch silicium submicrosecondeovergangen. Deze snelheid zorgt ervoor dat EEA kan worden ingezet op productienetwerken zonder invloed op real-time toepassingen zoals VoIP of financiële handel, mits het netwerk goed is ontworpen.

Meting van de energiebesparing in reële-wereldwerkgelegenheid

Onafhankelijke studies en leverancierstesten hebben bevestigd dat EEA significante stroomreducties oplevert.Een onderzoeksdocument van 2021 gepubliceerd in IEEE Transactions on Green Communications and Networking heeft vastgesteld dat het mogelijk maken van EEA op een 10GbE-verbinding in een datacenter rack het gemiddelde stroomverbruik van de haven met 45.00% verminderde tijdens typische verkeerspatronen.Voor links die meer dan 80% van de tijd in gebruik nemen, is de meest voorkomende in stekelbladarchitecturen voor oost-westverkeer de besparingsbenadering.

Op schaal, deze spaarverbinding. Een middelgrote datacenter met 10.000 10GbE-poorten kan zijn netwerk energierekening met meer dan 80.000 kWh per jaar verminderen, wat neerkomt op ongeveer 60 ton CO2-uitstoot. Verschillende grote cloudproviders, waaronder Google en Microsoft, hebben publiekelijk bijgeschreven EEA om hen te helpen om interne duurzaamheidsdoelstellingen te halen.

Voor verdere lezing geeft de IEEE 802.3az-2010 norm details over het LPI-mechanisme, en de Lawrence Berkeley National Laboratory.Guide on datacenter energie-efficiëntie biedt beste praktijken voor het integreren van EEA in bredere energiebeheerstrategieën.

Implementatie Beste praktijken voor gegevenscentraoperators

Compatibiliteit van hardware en firmware-updates

EEE wordt ondersteund op vrijwel alle moderne server NIC's en datacenterschakelaars van leveranciers zoals Cisco, Arista, Juniper en Broadcom. Echter, EEE moet expliciet worden ingeschakeld op beide uiteinden van de link; als een apparaat geen ondersteuning, de link valt terug naar niet-EEE-operatie. Het is essentieel om te controleren dat alle hardware in het pad .met inbegrip van de tussenliggende patch panelen en kabeltypes kan omgaan met de refresh signalering zonder degradatie. Firmware-updates kunnen nodig zijn om de nieuwste lage-vermogen toestanden, met name voor oudere 10GBASE-T PHY's.

Configuratie en monitoring

Netwerkbeheerders moeten EEA op geaggregeerde links (LACP) zorgvuldig inschakelen. Hoewel EEA kan worden gebruikt op individuele leden van een koppelingaggregatiegroep, kan het algehele loadbalancing-algoritme ervoor zorgen dat sommige links inactief blijven terwijl andere bezig zijn. Het gebruik van EEA op alle leden maakt het mogelijk om inactieve links te laten slapen, maar de wake-up latency moet worden meegewogen in failover timing. Tools zoals SNMP MIBs en telemetriestromen (bijv. sFlow, NetFlow) kunnen per poort EEE-status en overgangstellingen rapporteren, zodat exploitanten de werkelijke energiebesparing kunnen kwantificeren en foutmeldingen kunnen detecteren.

Toepassingsgevoeligheid

Latency-gevoelige werkbelasting . zoals high-frequency trading, real-time analytics, of bepaalde industriële controle toepassingen .Misschien moet EEA uitgeschakeld op kritieke links . Echter , moderne EEE implementaties met sub-microseconde wake-up introduceert verwaarloosbare jitter voor de meeste bedrijfstoepassingen . Het uitvoeren van gecontroleerde verkeerstests wordt aanbevolen voordat brede uitrol .

Uitdagingen en beperkingen

EEE is geen wondermiddel. Een beperking is dat de energiebesparing afneemt als de koppeling het gebruik toeneemt. Op zwaar gebruikte links (bijv. boven 70% gemiddelde), de PHY besteedt weinig tijd in LPI, zodat de totale energiereductie is bescheiden. Bovendien, sommige oudere schakelaars en NIC's implementeren EEE slecht, waardoor link flapping of buitensporige wake-up gebeurtenissen die daadwerkelijk het energieverbruik verhogen. De standaard ook niet gericht op het energieverbruik in de switch stof zelf alleen de poort PHY's.

Een andere uitdaging is de interoperabiliteit tussen 10GBASE-T en SFP+ direct-attach koper (DAC) kabels. Terwijl 10GBASE-T volledig ondersteunt EEA, omzeilen SFP+ DAC's vaak de PHY volledig en kunnen dus geen gebruik maken van EEE. Datacenter managers die van plan zijn om de stroom te minimaliseren zouden 10GBASE-T of optische transceivers met EEE-ondersteuning boven DAC moeten verkiezen voor langere reikwijdtes.

EEE voor optische ethernet (bijv. 25GbE, 40GbE, 100GbE) werd gestandaardiseerd in latere wijzigingen (IEEE 802.3bj, 802.3bm). Deze gebruiken een ander mechanisme genaamd

De rol van EEA in initiatieven voor groene datacenters

Energy-Efficient Ethernet is een belangrijk onderdeel van grotere groene IT-kaders zoals de EU-gedragscode voor datacenters en het U.S. EPA ENERGIE STAR-programma voor datacenterapparatuur. Door de stroomoverhead van netwerkinfrastructuur te verminderen, stelt EEE exploitanten in staat om meer van hun IT-belasting toe te wijzen aan het berekenen en opslaan, waardoor de totale efficiëntie van het stroomgebruik (PUE) wordt verbeterd. Bovendien kan EEE, omdat warmteverlies door warmte wordt verminderd, de koelvereisten verlagen, waardoor een compounderend effect op energiebesparing ontstaat.

Voor organisaties die net-nul koolstofdoelstellingen nastreven, is het integreren van EEA een stap met weinig comfort, hoge impact. In tegenstelling tot het vervangen van servers of het upgraden van koelsystemen, is het mogelijk om EEA te vervangen door software of firmware zonder kapitaalverdiening. Verschillende cloud service providers bieden EEA als standaardinstelling op virtuele NIC's en blote metalen instanties, waarbij alle huurders in stilte profiteren.

Voorbij 802.3az: Toekomstbewijzen met IEEE 802.3bz en 802.3cd

De industrie blijft energiebesparende technieken ontwikkelen. IEEE 802.3bz (2.5GbE en 5GbE) en IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) bevatten energie-efficiëntiemechanismen die voortbouwen op de EEE-beginselen maar geoptimaliseerd zijn voor hogere snelheden en kortere afstanden. Bijvoorbeeld, 25GbE en 50GbE gebruiken een ..low-power trainingsmodus om het vermogen tijdens inactief te verminderen, met wakkere tijden onder 1 microseconde. Deze nieuwere normen ondersteunen ook sub-lane uitschakeling, waar individuele fysieke banen van een multi-lane link kunnen worden uitgeschakeld wanneer niet nodig.

Als datacenters migreren naar 25GbE/100GbE topologieën, moeten exploitanten plannen voor met EEA uitgeruste optica en PHY's.De IEEE 802.3 werkgroep[] blijft energie-efficiëntie verfijnen in elke nieuwe wijziging, waardoor energiebesparing schaal met bandbreedte eisen. Een Twenty industrie rapport projecten dat wijdverbreide goedkeuring van de volgende generatie EEA zou kunnen verminderen wereldwijde datacenter netwerk energie met 30.40% tegen 2030.

Conclusie

IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet is een bewezen, op normen gebaseerd mechanisme voor het verminderen van het energieverbruik in datacenternetwerken zonder opoffering van prestaties. Door het intelligent plaatsen van stationaire poorten in lage vermogenstoestanden en ze alleen te wekken wanneer nodig, levert EEA meetbare verminderingen in elektriciteitsverbruik, koolstofemissies en koelkosten. De standaard wordt breed ondersteund in moderne hardware, gemakkelijk in te schakelen en compatibel met bijna alle bestaande ethernetinfrastructuur. Voor elke organisatie die zich inzet voor operationele efficiëntie en milieuverantwoordelijkheid, moet EEA een fundamenteel element van zijn netstroombeheerstrategie zijn. Naarmate de volgende generatie snelheden aanbreekt, zullen de principes achter 802.3az blijven evolueren, zodat Ethernet zowel snel als zuinig blijft.

Aanvullende middelen: V.S. Department of Energy Data Center Energy Efficiency en Een uitgebreide beoordeling van energie-efficiënte ethernet in datacenters (ScienceDirect, 2021) .