Riassunto analitico
Il settore dell’informatica e delle telecomunicazioni svolgerà un ruolo fondamentale nel ridurre i consumi energetici della nostra società. Tuttavia il consumo energetico dovuto al settore stesso è tuttora significativo ed aumenterà rapidamente con il proliferare di dispositivi collegati ad Internet e con l’apparizione di nuove applicazioni. Il consumo energetico del settore dell’informatica e delle telecomunicazioni è dovuto a: (i) periferiche, (ii) reti di telecomunicazione e (iii) data center. Sebbene le periferiche (es. computer, stampanti, ecc.) consumino la maggioranza dell’energia del settore, le reti di telecomunicazione e i data center consumano insieme più della metà del totale. Con l’attesa crescita del traffico Internet, il loro impatto energetico è destinato a crescere e per tale motivo risulta essenziale definire nuove architetture per reti di telecomunicazione e data center che presentino un basso impatto energetico.
Le reti di telecomunicazione possono essere suddivise in: (i) reti di accesso, (ii) reti metropolitane e (iii) reti di trasporto. Il traffico Internet viene aggregato nelle reti di accesso e metropolitane e trasmesso a grande distanza attraverso le reti di trasporto. Per questo motivo le reti di trasporto devono supportare grandi quantità di traffico e di conseguenza consumano una grande quantità di energia. Al fine di incrementare l’efficienza energetica nelle reti di trasporto, nella prima parte di questo elaborato viene proposto un nuovo meccanismo di trasmissione ottico definito Hybrid Optical Switching (HOS). HOS integra sulla stessa rete commutazione ottica di pacchetto, burst e circuito e prevede l’utilizzo di due switch in parallelo, uno switch ottico “lento” per la trasmissione di circuiti e burst lunghi ed uno “veloce” per la trasmissione di pacchetti e burst corti. Ciascuna applicazione Internet può scegliere il meccanismo di commutazione più adatto alle proprie caratteristiche e gli elementi di commutazione a più basso consumo vengono scelti ed utilizzati dinamicamente dai nodi della rete. Un architettura di rete basata su HOS viene proposta ed analizzata utilizzando un approccio analitico-simulativo. I risultati mostrano che HOS migliora notevolmente l’efficienza energetica rispetto alla soluzioni attuali.
Il consumo di energia dei data center può essere suddiviso in (i) energia consumata dai dispositivi ICT, (ii) energia consumata dal sistema di raffreddamento ed (iii) energia consumata dal sistema di alimentazione. In base alle ultime specifiche costruttive, l’energia consumata dai moderni data center è quasi interamente dovuta ai dispositivi ICT. Ne consegue che per ridurre il consumo energetico dei data center è importante definire nuove tecnologie ed architetture che consentano di ridurre il consumo dei componenti ICT ed in particolare il consumo della rete di interconnessione interna. A tale scopo, nella seconda parte di questo elaborato vengono proposte due nuove architetture di interconnessione ottiche per data center. La prima architettura si basa sul meccanismo di trasmissione HOS e viene indicata con il nome HOSDC, mentre la seconda si basa sul concetto di reti ottiche elastiche e viene indicata con il nome di EODC. L’energia consumata dalle due architetture proposte viene valutata e confrontata con quella consumata dalle soluzioni tradizionali, mostrando in entrambi i casi un notevole miglioramento. Infine, nell’ultima parte di questo elaborato viene proposta un architettura di rete interamente ottica che consente di massimizzare l’efficienza energetica sia nelle comunicazione interne ai data center che nelle comunicazioni tra data center situati in diverse posizioni geografiche.
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Abstract
Although the Information and Communications Technologies (ICT) sector can play a fundamental role in enabling a low carbon economy, the energy and carbon impact of the sector itself is significant and is expected to grow rapidly with the proliferation of devices connected to the Internet and emergence of new services. The energy consumption of the ICT sector can be divided in: (i) energy consumed by the user devices, (ii) energy consumed by the telecommunication network infrastructure, and (iii) energy consumed by the data centers. Even if end-user devices (such as computers, printers, etc.) are the major contributors, the sum of the energy consumed by the telecommunication networks and data centers is today estimated to be more than a half of the total ICT energy consumption. With the expected growth in the Internet and data center traffic the energy consumption of telecommunication networks and data centers is destined to drastically increase if the energy efficiency would not be improved. In this work energy efficient network architectures for telecommunication networks and data centers are proposed and analyzed.
Telecommunication networks can be divided into three domains: (i) access, (ii) metro, and (iii) core. Core networks are the central part of the network hierarchy, providing nationwide or global coverage, and are based on optical transmission technologies. They contribute significantly to the energy consumption of the telecommunication infrastructure since they must support very high capacities. To increase the energy-efficiency in optical core networks, in the first part of the thesis a novel core network paradigm, referred to as Hybrid Optical Switching (HOS), is presented. HOS integrates optical packet, burst, and circuit switching on the same network and envisages the use of two parallel switches, a slow optical switch for the transmission of circuits and long bursts, and a fast switch for the transmission of packets and short bursts. The most appropriate switching method is selected for the traffic generated by different applications and the less power consuming elements are utilized for transmission, ensuring flexibility, QoS differentiation, and low energy consumption. The HOS architecture is analyzed and compared with traditional solutions based on electronic switching through a combined simulation and analytical approach. Results show the effectiveness of the proposed solution.
The energy consumption of a data center is divided in (i) energy consumed by the ICT equipment, (ii) energy consumed by the cooling system and (iii) energy consumed by the power supply chain. According to the latest specifications data centers are designed in such a way that the ICT equipment consumes nearly all the energy within the data center. As a consequence, major energy savings in modern data centers can be achieved by reducing the energy consumption of the ICT equipment and in particular the energy consumption of the internal interconnection network. To this aim, in the second part of this thesis two novel optical switched data center interconnects are proposed. The first, referred to as HOS data center (HOSDC) interconnect, is based on the HOS switching paradigm while the second, referred to as Elastic Optical Data Center (EODC) interconnect, is based on the elastic optical networking concept. The energy consumption of the two architectures is evaluated in order to show the advantages with respect to existing solutions. Finally, an integrated all-optical network that provides both intra-data-center and inter-data-center connectivity together with interconnection toward legacy IP networks is proposed for achieving high overall energy improvements.
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