Nowoczesny budynek bez wydajnej sieci nie może zapewnić użytkownikom niezbędnych warunków do pracy. Równocześnie poszukuje się wszelkich możliwości obniżenia kosztów eksploatacji sprzętu sieciowego. To sprawia, że energooszczędność sieci przestaje być sloganem – staje się warunkiem koniecznym.
Każdego z nas otacza w pracy coraz większa liczba urządzeń podłączonych do sieci, w której przechowywana i przetwarzana jest lawinowo rosnąca ilość informacji i aplikacji. Nowe zadania, jakie realizuje sieć, wymagają jej rozbudowy lub modernizacji. Konieczność instalacji nowych przełączników sieciowych lub serwerów jest doskonałą okazją do sprawdzenia, jakie korzyści daje większa energooszczędność.
W bilansie kosztów zakup samych urządzeń sieciowych jest jedną z wielu pozycji. Stale rośnie również cena metra odpowiednio wyposażonej serwerowni. W serwerowni, w której utrzymywane są stałe warunki w zakresie temperatury, wilgotności, należy rozwiązać problemy związane z zapewnieniem zasilania w przypadku chwilowych przerw w dostawach energii z sieci miejskiej oraz zabezpieczyć pomieszczenia przed dostępem osób niepowołanych.
Drugim istotnym elementem kosztowym są bezpośrednie wydatki na energię. Prąd zużywany jest nie tylko przez samo urządzenie sieciowe, ale także przez elementy gwarantujące redundancję na wypadek awarii któregoś z krytycznych podzespołów oraz klimatyzację. W przypadku wyspecjalizowanych data center wydatki na klimatyzację mogą nawet stanowić dominującą pozycję.
Szacunkowo przyjmuje się, że nominalny pobór energii przez urządzenia sieciowe należy pomnożyć przez współczynnik 1,58 w celu uzyskania realnego zużycia energii uwzględniającego wymienione czynniki. Coraz popularniejsza staje się także technologia Power over Ethernet (PoE). Jej podstawową zaletą w nowych budynkach jest możliwość uproszczenia budowanej instalacji elektrycznej i zasilanie wielu urządzeń IP, takich jak telefony, kamery czy punkty dostępowe sieci bezprzewodowej, bezpośrednio przez sieć Ethernet. W tym przypadku rosną także straty energii wynikające nie tylko z zamiany prądu zmiennego na stały, lecz także na łączach Ethernet i w zasilanym terminalu z obsługą PoE.
Skala kosztów
Jakie skutki ekonomiczne mogą mieć różnice w sprawności energetycznej przełączników sieciowych obsługujących sieć w budynku? Posłużę się przykładem. Sieć obsługuje budynek sześciokondygnacyjny, w którym znajduje się 600 pracowników. Każdy z nich korzysta z komputera z dostępem do sieci i telefonu IP podłączonych szeregowo. Uwzględniając dodatkowo serwery IT, drukarki sieciowe, system kamer monitorujących pomieszczenia oraz sieć bezprzewodową na jednym z pięter, nasze zapotrzebowanie wynosi około 800 portów GE plus dodatkowych 48 do zapewnienia redundancji krytycznych elementów. Mówimy na razie tylko o warstwie dostępowej.
W klasycznym modelu architektury sieci stosowane były trzy warstwy, oprócz wymienionej dostępowej – również agregacyjna i rdzeniowa. Ze względu na wzrost możliwości dużych przełączników w wielu przypadkach przełączniki rdzeniowe mogą przejąć funkcje warstwy agregacyjnej. Załóżmy, że w naszym przykładzie było to także możliwe. Zatem do obsługi przykładowej sieci potrzebujemy około 20 małych przełączników z PoE, 48-portowych, rozlokowanych na różnych piętrach oraz 2 modułowych przełączników rdzeniowych w serwerowni.
Różnica w poborze energii dla przełącznika 48-portowego pochodzącego od różnych producentów wynosi 100 W, a na dużej maszynie 1000 W, z uwzględnieniem współczynnika redundancji/chłodzenia – 1580 W. W skali roku na małych urządzeniach różnica urasta do około 42 000 kW/h, dla dużych 27 500 kW/h, co przy zastosowaniu bardziej energooszczędnych modeli oznacza oszczędności liczone w wielu dziesiątkach tysięcy złotych w skali roku.
Rodzi się przy tym pytanie, jak porównywać poszczególne urządzenia, aby wybrać te charakteryzujące się najlepszą energooszczędnością? Jeszcze do niedawna większość producentów podawała sumaryczne zużycie energii przełącznika przy maksymalnym obciążeniu. To podejście nie daje jednak pełnego obrazu sytuacji ze względu na stosowanie portów różnego typu, redundancję, dodatkowe karty itd. Obecnie coraz częściej stosowanym parametrem jest zużycie energii na poszczególne porty, co oferuje znacznie bardziej przejrzysty obraz na etapie projektowania sieci i szacowania kosztów eksploatacyjnych.
Jak obniżyć koszty?
Producenci urządzeń sieciowych, mając na uwadze wymienione postulaty, od wielu lat wprowadzają innowacje do swoich produktów. Kierunki tych usprawnień koncentrują się wokół:
- wykorzystania jak najmniejszej liczby urządzeń do realizacji tych samych zadań,
- obniżenia zużycia energii poszczególnych urządzeń.
Pierwszy kierunek charakteryzuje się ogromną różnorodnością podejść do rozwiązania problemu. Ze względu na ograniczone miejsce wymienię jedynie kilka najistotniejszych.
Wirtualizacja – zarówno serwer, jak i przełącznik sieciowy dzięki zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania mogą emulować pracę wielu urządzeń w warstwie logicznej, wykorzystując do tego celu pojedyncze urządzenie fizyczne. W efekcie współczynnik efektywności wykorzystania sprzętu rośnie. Z funkcji Virtual Switching and Routing jest jeszcze jedna korzyść w przypadku przełącznika – to samo urządzenie w budynku może całkowicie niezależnie realizować zadania związane z obsługą sieci dla kilku firm jednocześnie. Z zachowaniem indywidualnych ustawień i separacją ruchu.
Przejście z architektury sieci trójwarstwowej do dwuwarstwowej – przykład wcześniej podany. Eliminacja w niektórych przypadkach jednej warstwy sieci obniża koszt zakupu urządzeń i koszty eksploatacyjne.
Efekt skali – zastosowanie jednej dużej serwerowni jest efektywniejsze niż rozbijanie jej na kilka mniejszych.
Większe upakowanie portów – dzięki postępowi w dziedzinie sprawności układów scalonych można w jednej obudowie umieścić większą liczbę portów sieciowych o wyższych przepływnościach. Podstawowa korzyść to oszczędność miejsca w serwerowni.
Projektowanie bardziej niezawodnych urządzeń, aby w efekcie minimalizować potrzebę stosowania pełnej redundancji wszystkich urządzeń sieciowych.
Drugi obszar działań polega na obniżeniu zużycia energii na poziomie indywidualnym każdego przełącznika, co przede wszystkim wymaga ograniczania strat w formie ciepła. Ich największym źródłem są zasilacze o zbyt niskiej sprawności, ale również swój udział mają układy elektroniki w przełączniku. Emitowanie ciepła to nie tylko mała efektywność wykorzystania dostarczanej energii, ale również problem z jego odprowadzaniem. Bez odprowadzania ciepła nie można zapewnić optymalnych warunków pracy urządzeń sieciowych.
Naukowcy pracują obecnie nad wieloma innowacyjnymi metodami chłodzenia. Na przykład w Bell Labs prowadzi się testy zastosowania:
- radiatora żeberkowo-komórkowego – dwukrotnie skuteczniejszego od dostępnych obecnie na rynku pasywnych elementów rozpraszających ciepło,
- chłodzenia cieczą – unikatowej metody pozwalającej odprowadzać na zewnątrz wytworzone ciepło, przy ułamku kosztów podobnych systemów chłodzenia powietrzem,
- dielektrycznego chłodzenia mgłą – wykorzystanie rozpylonych w strumieniu powietrza kropli cieczy dielektrycznej pozwala rozproszyć 7 razy więcej ciepła przy zmniejszonym poborze prądu,
- modułu termoelektrycznego i komory parowej – układ zawierający oba te elementy jest w stanie przekształcać efektywnie energię cieplną w elektryczną. Można w ten sposób odzyskać nawet 20% zużywanej energii elektrycznej.
Innym pomysłem na ograniczenie zużycia energii jest inteligentne zarządzanie pracą przełącznika. Mimo że urządzenia te są aktywne 24 godziny na dobę, nie są w jednakowy sposób obciążone pracą przez cały czas. Wykorzystanie inteligentnych algorytmów zarządzających poszczególnymi modułami przełącznika zapewnia, zachowując pełną gotowość jego pracy, czasowe wprowadzanie w stan uśpienia niewykorzystywanych podzespołów.
Czy energooszczędność jest ważna? Z pewnością błędem byłoby zapominanie o niej i to na każdym etapie eksploatacji sieci. Małe różnice w cenie zakupu i spore w kosztach eksploatacji mogą w bardzo krótkim czasie zweryfikować słuszność decyzji o wyborze konkretnych przełączników. W dłuższej perspektywie bezpośrednio przekładają się na duże oszczędności dla zarządzającego budynkiem, co oczywiście zwiększa konkurencyjność świadczonych przez niego usług i jego własny zysk.
Autor: Roman Sadowski