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数据中心日益增长的能源危机
数据中心是数字经济的无人知晓的支柱,支持从流线服务到企业云量的一切。 然而,它们对于电力的胃口却惊人。 据美国能源部统计,数据中心消耗全球电力的1%至2%,而这一份额随着人工智能、5G和边缘计算驱动器需求的上升而上升。 在典型设施中,联网设备占总电力使用量的10至20%,大部分在连接活跃但无数据流动的闲置期间浪费。 IEEEE 802.3az 能源-富含以太网(EEE)标准直接解决了这一废物,使得网络接口能够在低活动时降低电力消耗,同时不损害连接的完整性或引起明显的紧张性。
IEEE 802.3az如何运作:技术基金会
EEE,2010年被批准为IEEE 802.3az,运行于OSI模型的物理层(PHY),它引入了以太网设备在没有数据传输时进入低功率闲置状态(LPI)的机制,标准适用于扭曲的铜和后飞机以太网,包括100BASE-TX,1000BASE-T,10GBASE-T,以及10GBASE-T等光纤变体.
低功率离子( LPI) 模式
在LPI期间,发射机停止发送正常的闲置信号,而是定期发送更新信号以保持链接同步。 刷新率远远低于常规以太网所使用的连续闲置模式,从而大幅降低了PHY发射机和接收机消耗的功率。 例如,对于10GBASE-T来说,PHY可以进入一个睡眠状态,将功率从大约4-6瓦降至不到1瓦。
醒来时间和时间
EEE的关键设计要求是,从LPI返回活动模式的过渡必须足够快,以避免包丢失或不可接受的延迟. 标准定义了1000BASE-T的醒悟时间不到10微秒,10GBASE-T的醒悟时间不到4微秒. 在实践中,现代的开关硅实现次微秒的过渡,这种速度确保EEE能够部署在生产网络上,而不会影响VoIP或金融交易等实时应用,条件是网络是适当的工程.
衡量实际世界部署的节能情况
独立的研究和供应商测试证实EEE能显著降低电力。 在的2021年研究论文中发表的EEEE关于绿色通信和联网的交易[ 发现,在数据中心架上10GbE链接上使EEE在典型交通模式下的平均港口电力消耗减少了45-60%。 对于闲置时间超过80%的线路来说 — — 东西交通的脊叶结构中常见的 — — 节约方式为90%。
规模上,这些节约复合物。 拥有10,000个10GbE端口的中型数据中心可以将其网络能源账单每年减少80,000千瓦时,相当于大约60公吨二氧化碳排放量。 包括Google和微软在内的几个主要云端供应商都公开信用于EEE,帮助其实现内部可持续性目标。
供进一步阅读,IEEEE 802.3az-2010标准详细介绍了LPI机制,Lawrence Berkeley国家实验室关于数据中心能效的指南[提供了将EEE纳入更广泛的电力管理战略的最佳做法.
数据中心操作员最佳做法的实施
硬件兼容性和固件更新
EEE几乎在所有现代服务器NICs和数据中心交换机上都得到支持,这些交换机来自思科、阿里斯塔、朱尼珀和Broadcom等供应商。然而,EEEE必须在链接的两端明确启用;如果一个设备缺乏支持,链接会回到非EEE操作。必须核实路径中的所有硬件——包括中间补丁面板和电缆类型——能够处理更新信号而不退化。可能需要固件更新,以便能实现最新的低功率状态,特别是对于较老的10GBASE-T PHYs而言。
配置和监测
网络管理员应该让 EEE在聚合链接(LACP)上谨慎地使用. EEE虽然可以用于链接集合组的单个成员,但总体负载平衡算法可能会在其他人忙的时候导致一些链接仍然闲置. 在所有成员上使用 EEE允许闲置链接睡眠,但醒悟时滞必须计入故障时滞. SNMP MIBs和遥测流(如sFlow,NetFlow)等工具可以报告每端 EEEE状态和过渡计数,使操作者能够量化实际的功率节约并检测错位.
应用程序敏感性
低频敏感的工作量——如高频交易、实时分析或某些工业控制应用——可能需要在关键环节上取消EEE。然而,低微秒醒的现代EEE执行为大多数企业应用带来了可忽略不计的焦虑。在广泛推出之前建议进行控制交通测试。
挑战和限制
电子电子设备不是万能药。 一个限制是随着连接利用率的提高,节能减少。 在大量使用的连接(例如平均超过70%)上,PHY在LPI上花费的时间很少,因此总体的减电量是有限的。 此外,一些老开关和NIC执行EE的方式很差,导致连接的产生或过度的醒悟事件实际上增加了电耗。 标准也没有解决开关织件本身的功耗问题 — — 仅是港口PHY。
另一个挑战是10GBASE-T和SFP+直接端插铜(DAC)电缆之间的互操作性. 10GBASE-T完全支持EE,而SFP+ DAC则经常完全绕过PHY,因此无法利用EEE. 数据中心管理者计划将功率最小化,应该更偏爱10GBASE-T或具有EEE支持的光学收发器,而更偏爱DAC更长时间的传输.
超越铜,EEE用于光学以太网(如25GbE,40GbE,100GbE)在后来的修改中被标准化(IEEE 802.3bj,802.3bm),这些修改使用了一种不同的机制,叫做“PHY低功率模式”而不是LPI,但节能原理是一样的.
环境教育在绿色数据中心倡议中的作用
能源-有效以太网是更大的绿色信息技术框架的关键组成部分,如欧盟数据中心行为守则和美国EPA ENERGY STAR 数据中心设备方案。 EEE通过减少网络基础设施的电源管理,让运营商分配更多的信息技术负荷进行计算和存储,提高整体的电源使用效能(PUE ) 。 此外,由于EEEE减少热散热,可以降低冷却要求,从而对节能产生复合效应。
对于追求净零碳目标的组织来说,整合EEE是一个低效,高影响的步骤。 与替换服务器或升级冷却系统不同,启用EEEE常常是一种软件或固件更改,没有资本支出。 多个云端服务提供商提供EEEE作为虚拟NICs和裸金属实例的默认设置,默默地惠及所有租户。
802.3az:未来用IEEE 802.3bz和802.3cd进行校验
工业继续发展节能技术. IEEE 802.3bz(2.5GbE和5GbE)和IEEE 802.3cd(50GbE,100GbE,200GbE)包含基于EEE原理但因速度更高和距离更短而优化的节能机制. 例如,25GbE和50GbE使用“低功率训练”模式来减少闲置时的功率,而醒悟时间不到1微秒. 这些较新的标准也支持子线路关闭,在不需要时多条线路连接的个别物理车道可以停电.
随着数据中心向25GbE/100GbE地形迁移,运营商应该为EEE启用的光学和PHY进行规划。 IEEE 802.3工作组继续在每个新修正案中提高能效,确保带宽要求的节能规模。 2023年的工业报告项目,广泛采用下一代EEE可以到2030年将全球数据中心网络能源削减30—40 % 。
结论
以太网是经过验证的、基于标准的、在不牺牲性能的情况下削减数据中心网络中电力消耗的机制。 以太网通过明智地将闲置的港口置于低电能状态,并在需要时才将其唤醒,可以实现可计量的电力使用、碳排放和冷却成本的降低。 以太网的标准在现代硬件中得到广泛支持,易于启用,并且与几乎所有现有的以太网基础设施兼容。 对于致力于操作效率和环境责任的组织来说,以太网应该是其网络电力管理战略的基础要素。 随着下一代速度的到来,802.3az背后的原则将继续演变,确保以太网保持快速和节俭。