Energooszczędność w sieciach IP

Temat Green IT staje się coraz popularniejszy, ale dopiero od niedawna firmy zaczęły zwracać szczególną uwagę na jeden z jego elementów – energooszczędność. Trudno się temu dziwić. Rosnącym cenom prądu w Polsce towarzyszy intensywne rozbudowywanie sieci i dodawanie kolejnych urządzeń pracujących w trybie 24 godziny 365 dni w roku.

Ponadto należy uwzględnić koszty związane z utrzymaniem systemów chłodzenia i zasilania awaryjnego czy też bariery wynikające z nieprzystosowania serwerowni do rosnącego zapotrzebowania na energię. Zastosowanie energooszczędnych urządzeń w skali roku może przynieść oszczędności idące w tysiącach złotych.

W najczęściej spotykanej topologii sieci przełączniki LAN łączą szereg urządzeń peryferyjnych, jak komputery, kamery IP, punkty dostępowe Wi-Fi, telefony IP, drukarki, serwery różnego typu czy bramki internetowe. Zalety wynikające z możliwości zasilania terminali bezpośrednio z sieci Ethernet, powodują, że rosnąca część przełączników jest sprzedawana w konfiguracji z obsługą PoE. Przyjrzyjmy się dokładniej rozwiązaniom stosowanym w przełącznikach, terminalach PoE i serwerach komunikacyjnych, aby zorientować się, gdzie leżą potencjalne źródła strat i oszczędności.

Przełącznik bez PoE
Podstawowe logiczne elementy przełącznika z punktu widzenia zasilania:
• wejście dla zasilania prądem zmiennym,
• zasilacz (PSU) przekształcający dostarczony prąd zmienny na stały, niezbędny do pracy układów przetwarzających przełącznika,
• połączenie między zasilaczem, a jednostką logiczną (Logical Unit),
• jednostka logiczna obejmująca procesor (główny, procesor odpowiedzialny za przetwarzanie pakietów itd.) oraz sterowniki ethernetowe (Ethernet driver)
• łącza w postaci portów Ethernet.

Przełącznik Ethernet połączony z terminalem

Straty mocy (rozpraszanie)
Moc jest wykorzystywana do podtrzymywania połączeń ethernetowych i przetwarzania pakietów. Z głównego źródła zasilania podawany jest prąd zmienny dostosowywany w zasilaczu na prąd stały odpowiedni do wykorzystania przez procesor i sterowniki ethernetowe. Porcja mocy ,jaka ulega stracie w jednostce logicznej, zależy od użytych układów, ich częstotliwości taktowania i, w mniejszym stopniu, od aktualnego obciążenia przetwarzaniem. Zasilacz powinien dostarczać tyle energii, ile potrzebuje jednostka logiczna.

Strata mocy prądu zmiennego w trakcie pracy zasilacza stanowi część mocy w formie prądu stałego zużywanego przez jednostkę logiczną podzieloną przez współczynnik sprawności zasilacza. Z efektywności zasilacza wynika, ile tracimy mocy w formie ciepła przy konwersji prądu zmiennego na stały.

Straty w postaci ciepła
Straty w formie ciepła powstające w przełączniku są równe stratom mocy prądu zmiennego w zasilaczu w jednostce czasu. Do tego dochodzi kwestia ewentualnego chłodzenia. W przybliżeniu rozpraszanie ciepła można obliczyć w BTU/h, mnożąc moc rozpraszaną prądu zmiennego przez współczynnik 3,41214.

Przełącznik Ethernet – miejsca rozpraszania ciepła

Przełącznik z PoE
W tym przypadku sytuacja jest bardziej skomplikowana, ponieważ mamy kilka dodatkowych elementów w samym przełączniku oraz miejsc, gdzie mogą następować straty w postaci rozpraszania energii i ciepła. W samym przełączniku prąd z zewnętrznego źródła jest rozdzielany na dwa zasilacze – tradycyjny konwertujący prąd zmienny na stały oraz drugi zasilacz dedykowany do obsługi PoE. Z niego prąd stały jest dostarczany do kart interfejsów z portami Ethernet i dalej przez okablowanie do zasilacza obsługującego terminal ethernetowy.

Straty energii
Moc prądu stałego rozpraszana przez jednostkę logiczną zależy od rodzaju użytych podzespołów, od częstotliwości taktowania (szybkości zegara) i, w mniejszym zakresie, od samych procesów przetwarzania odbywających się w danej chwili. Moc tracona na portach Ethernet jest kombinacją strat na łączu Ethernet i w terminalach PoE. Wymogiem jest, aby zasilacz był w stanie dostarczyć taką ilość energii, jakiej potrzebują jednostka logiczna i porty PoE.

Przełącznik PoE współpracujący z terminalem PoE

Moc operacyjna prądu zmiennego rozpraszana przez zasilacz to wartość uzyskana w wyniku podzielenia sumy mocy prądu stałego potrzebnego jednostce logicznej oraz mocy wymaganej przez terminale zasilane z portów PoE przez współczynnik sprawności zasilacza. Sprawność zasilacza określa stratę energii (rozpraszanie ciepła) podczas konwersji prądu zmiennego na stały. Moc operacyjna zależy od liczby i rodzaju podłączonych terminali PoE.

Rozpraszanie ciepła
Rozpraszanie ciepła w przypadku przełącznika PoE różni się od rozpraszania w przełącznikach bez funkcji PoE. Ciepło rozpraszane w wyniku zużycia energii przez terminal PoE nie jest rozpraszane w samym tylko przełączniku, za wyjątkiem rozpraszania podczas konwersji prądu przemiennego na prąd stały niezbędny do zasilania samego terminala PoE.

Przełącznik PoE – miejsca rozpraszania ciepła

Terminale PoE
Zasilanie z sieci Ethernet małych terminali, takich jak telefony i punkty dostępu bezprzewodowego to rozwiązanie mające wiele zalet. Pozwala skonsolidować zasilanie rezerwowe i zminimalizować liczbę dodatkowych zasilaczy i okablowania w biurach lub w trudno dostępnych punktach, np. w sufitach.

Rozpraszanie energii

Przełącznik PoE, za pomocą którego podłączono telefon IP

Telefon IP jest zasilany z sieci Ethernet przez przełącznik PoE za pośrednictwem kabla zgodnie ze standardem IEEE 802.3af. Standard ten definiuje klasy urządzeń z uwagi na ilość energii dostarczanej przez sprzęt zasilający (PSE) do urządzenia zasilanego (PD). W poniższej tabeli przedstawiono różne klasy urządzeń oraz maksymalną moc wyjściową urządzeń PSE i maksymalną moc wejściową urządzeń PD:

Klasy urządzeń zależnie od zużycia energii/mocy wyjściowej

Moc całkowita potrzebna urządzeniom PoE jest równa sumie mocy zużywanej przez urządzenie w stanie bezczynności lub działające, plus mocy traconej w kablu do przesyłania danych oraz sprawności zasilacza PoE w przełączniku PoE.

Rozpraszanie ciepła
Rozpraszanie ciepła w przypadku urządzenia PoE jest równe mocy urządzenia. Jeśli tego nie określono, rozpraszanie ciepła można obliczyć w BTU/h, mnożąc moc rozpraszaną prądu stałego przez współczynnik 3,41214. Dodatkowe ciepło jest generowane w okablowaniu i w zasilaczu przełącznika PoE.

Klasyfikacja mocy
Dzięki klasyfikacji urządzeń PD urządzenie PSE może przydzielić moc dla portu, do którego jest podłączone urządzenie PD. Tę moc odejmuje się z kolei od całej puli mocy PoE dostępnej dla urządzenia PSE. Pomaga to nie przekroczyć całej puli mocy PoE dostępnej dla PSE podczas dokonywaniu rozdziału mocy między urządzenia PD.

Istnieją różne sposoby klasyfikacji mocy na poziomie urządzeń PSE:

• IEEE 802.3af klasa 0. Niezależnie od klasy urządzenia PD, urządzenie PSE zarezerwuje dla portu, do którego jest podłączane urządzenie PD, maksymalną moc (15,4 W). Jeśli liczba portów PoE pomnożona przez 15,4 W (klasa 0) przekracza moc PSE, wtedy część urządzeń PD nie będzie zasilana.
• IEEE 802.3af. Jeśli urządzenie PD jest w stanie przekazać informację o swojej klasie, urządzenie PSE rezerwuje wynikającą z klasy moc dla portu, do którego podłączone jest dane urządzenie PD. Analogicznie jak w poprzednim przypadku, jeśli moc wynikająca z iloczynu liczby urządzeń i niezbędnej i deklarowanej dla nich mocy przekracza moc generowaną z PSE, wtedy część urządzeń może nie otrzymać zasilania. W tym wypadku dokładniejsze określenie niezbędnej mocy pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo deficytu mocy.
• IEEE 802.1AB. Pozwala bardziej precyzyjnie określić niezbędną moc dla urządzenia PD. W tym celu IEEE określiła w swoim standardowym protokole Link Layer Discovery (LLD) specyficzny parametr TLV (type-length-value. Docelowo klasyfikacja ma być wykonywana z krokiem co 0,1 W.

Serwery
Serwery komunikacyjne są platformą sprzętową dla aplikacji realizujących połączenia głosowe. Można na nich uruchamiać szereg dodatkowych aplikacji, m.in.: contact/call center, zunifikowaną komunikację czy programy do zarządzania. Wirtualizacja serwerów pomaga obniżyć całkowite zużycie energii.

Rozpraszanie energii
Serwer składa się z następujących logicznych elementów:

• wejścia prądu zmiennego,
• zasilacza konwertującego prąd przemienny na stały na potrzeby płyty głównej i dysku twardego,
• połączenia między zasilaczem, a płytą główną i dyskiem twardym
• systemu operacyjnego, pod kontrolą którego działają aplikacje,
• aplikacji zoptymalizowanych pod kątem systemu operacyjnego.

Architektura serwera z miejscami wyjść i wejść zasilania

Płyta główna i dyski wymagają zasilania, aby serwer mógł pracować. Pomimo tego, że aplikacje nie wykorzystują w pełni mocy obliczeniowej procesora, wciąż jednak „zużywają” dużo energii – podobnie jak dysk twardy, który musi się obracać niezależnie od wykonywanych operacji. Oczywiście na jednym serwerze może być uruchomionych więcej aplikacji, jeśli są zoptymalizowane do pracy w tym samym systemie operacyjnym i nie zakłócają swojego działania.

Zoptymalizowane rozpraszanie energii
Wirtualizacja to znakomity sposób na optymalizację rozpraszania energii.

Architektura serwera z miejscami wyjść i wejść zasilania po zastosowaniu wirtualizacji

Dzięki dobraniu sprzętu serwerowego o odpowiedniej mocy obliczeniowej i dodaniu warstwy wirtualizacji, na jednej platformie sprzętowej można zainstalować kilka różnych systemów operacyjnych, a to pozwala zużywać znacznie mniej energii niż w przypadku wykorzystywania oddzielnych platform.
Koszty chłodzenia i zasilania awaryjnego
Temperatura w centrach przetwarzania danych ze sprzętem sieciowym i w pomieszczeniach z głównym sprzętem nie może przekraczać określonego poziomu. Sprzęt taki wymaga również zasilania awaryjnego, aby zapewnić jego pełną dostępność na potrzeby aplikacji o znaczeniu krytycznym. Rozpraszanie energii związane z chłodzeniem i zasilaniem rezerwowym jest określone przez stały współczynnik powiązany z rozpraszaniem energii przez sprzęt sieciowy. Im niższe jest rozpraszanie energii, tym mniej energii potrzeba na chłodzenie i zasilanie rezerwowe, co pozwala obniżyć zarówno koszty zużycia energii, jak i koszty sprzętu.

Kalkulacja kosztów chłodzenia i zasilania awaryjnego

Skala wydatków
Podstawowe pytanie, jakie można sobie zadać to: czy zmniejszenie energochłonności urządzeń działających w sieci firmowej rzeczywiście może przynieść znaczące oszczędności? Przyjrzyjmy się przykładowi. W badaniach przeprowadzonych na popularnych przełącznikach 10 GE wykorzystywanych nie tylko w centrach danych, ale również w wielu firmach, zbadano różnice w poziomie zużycia prądu zarówno przy pełnym obciążeniu, jak i w stanie czuwania. Różnice w wynikach sięgały kilkudziesięciu i więcej procent. Jakie są z tego oszczędności?

Jeśli przełącznik w konfiguracji 4x10GE; 24xSFP; 96xRJ45 z redundancją przeciętnie zamiast 1000W zużywa 620W, każdego dnia oszczędzamy 380Wx24=9,12 kW/h. W skali roku to 3329 kW/h. Ceny prądu dla podmiotów prawnych od stycznia bieżącego roku zdrożały o kilkadziesiąt procent. Korzystając z kalkulatora na stronie verivox.pl przy zastosowaniu taryfy C11, otrzymana różnica w kosztach zużycia energii w skali roku wynosi ponad 2600 PLN. Biorąc pod uwagę kwestię chłodzenia i zasilania awaryjnego i stosując współczynnik 1,58, kwota oszczędności wzrasta do ponad 4000 PLN na jednym urządzeniu.

Autor: Roman Sadowski, Marketing Manager Enterprise Solutions z firmy Alcatel-Lucent Polska