Módulo 5 Equipos de redes

Presentación del tema: "Módulo 5 Equipos de redes"— Transcripción de la presentación:

1 Módulo 5 Equipos de redes
Versión de octubre de 2011

2 Estructura técnica y operativa
Equipos de redes y consumo de energía Arquitectura y componentes básicos de redes

3 Equipos de red y consumo de energía
Situación actual Equipos de red y consumo de energía Redes de centros de datos: Representan aproximadamente entre el 8 y 12% del consumo de energía de los equipos informáticos Se suelen utilizar sin cambios durante un período de tiempo más largo (4-7 años) Son un cuello de botella potencial para el rendimiento general y la eficiencia energética

4 Exigencias de los clientes
Atributos de red Exigencias de los clientes Parámetros básicos de rendimiento: Gran ancho de banda, baja latencia (selección de la tecnología de la red) Escalabilidad y agilidad (arquitectura y gestión de la red) Flexibilidad para soportar diferentes servicios (consolidación, requisitos de los sistemas legados) Seguridad (cada vez más importante e influye en los gastos generales) Alta disponibilidad y redundancia (requisitos de calidad del servicio) Capacidad de gestión y transparencia (este aspecto se apoya en las soluciones de virtualización) Viabilidad a largo plazo Optimización de los costes (reducción del CAPEX y el OPEX) La mejora de la infraestructura de red de energéticamente eficiente necesita un enfoque estructurado. La planificación para la mejora comienza por un análisis estratégico. El operador del centro de datos tiene que definir los atributos de la red y los requisitos de rendimiento. Esta tarea también debería incluir un análisis de mercado. Mediante la utilización de Software como servicio y de la computación en nube, las aplicaciones y el tráfico se producen en los centros de datos y en las nubes del centro de datos. Una condición necesaria para mantener esta tendencia es contar con una conectividad de banda ancha y una baja latencia. Esta tendencia general no sólo está dirigida al incremento del tráfico de datos entre cliente y servidor, sino también a un creciente flujo de datos de servidor a servidor y del almacenamiento al servidor. La arquitectura de red y la configuración deben cambiar con el fin de ayudar el creciente tráfico de servidor a servidor y de almacenamiento a servidor. Debido al hecho de que hay una gran variedad de productos y de opciones de red disponibles en el mercado, se recomienda que los operadores de los centros de datos o los administradores de los equipos informáticos desarrollen una lista de prioridades relacionada con los atributos de la red. Éstas deben incluir servicios de red, requisitos de latencia, calidad de servicio, soporte de la virtualización y otros aspectos relacionados con el rendimiento y la interoperabilidad. El mejor enfoque es una optimización del sistema.

5 Rendimiento energético
Objetivo de mejora Encontrar el balance adecuado Equilibrar el rendimiento técnico y el consumo de energía Objetivos de mejora del rendimiento técnico: Ancho de banda, alta velocidad, baja latencia y tráfico sin pérdidas La Calidad del Servicio (QoS) es un requisito adicional del rendimiento. Sin embargo, la baja latencia y las redes sin pérdidas son los requisitos básicos para el tráfico de almacenamiento. El actual desarrollo de la tecnología pone de manifiesto que con el aumento del ancho de banda mejora la latencia. Desde el punto de vista del consumo de energía es un factor necesario para equilibrar la mejora de latencia con el posible aumento del consumo de energía de la capacidad de ancho de banda alto. alto Rendimiento técnico Rendimiento energético bajo

6 Redes de centros de datos Modelo funcional
modelo funcional simplificado de los elementos relacionados con la energía describe los principales elementos para la mejora en el nivel de la red la eficiencia energética de la infraestructura de red y los equipos de red también está influida por las aplicaciones, los acuerdos a nivel de servicio, el ancho de banda y los requisitos de latencia en el rendimiento que han sido definidos por el operador del centro de datos.

7 Redes del centro de datos Arquitectura y componentes de red básicos
La arquitectura de la red normalmente está estructurada en tres niveles (tiers) Tier 1 Acceso: Incluye el equipo a nivel del suelo (LAN o SAN) y los conmutadores de acceso respectivos. Principalmente se encuentran en la parte superior del rack y al final de la hilera. Tier 2 Acumulación: Consiste en distribuir los conmutadores L2/L3 y cortafuegos que conectan al grupo de servidores individuales con otros grupos de servidores (LAN) y con el almacenamiento mediante SAN, respectivamente. Tier 3 Núcleo: Los conmutadores del núcleo de red son la columna vertebral de las conexiones LAN o SAN individuales y también conectan el extremo de la red (routers, puertas de entrada) con el centro de datos. Esta arquitectura de red actualmente está pasando de ser una estructura de tres niveles a ser una estructura de dos niveles (red hoja-columna) Al mismo tiempo, la infraestructura de las conexiones LAN y SAN está convergiendo. (este-oeste)

8 Rendimiento energético de la redes
Elementos que influyen en el rendimiento energético de la red: Arquitectura de la red (tecnología, número de capas, atributos) Topología de la red (incluyendo topología del cableado y del conmutador) Especificaciones del equipo (componentes, funciones y configuraciones) Virtualización, gestión de carga adaptable (normas adecuadas, protocolos)

9 Mejora de la estrategia y objetivos
Tres objetivos de mejora básicos: Reducción de los componentes físicos (número de equipos) Reducción del consumo energético de los equipos Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala

10 Mejora de la estrategia y objetivos
Reducción de los componentes físicos (número de equipos)

11 Reducción de los componentes físicos
Reducción de los componentes físicos (número de equipos): Router, conmutador, consolidación de puertos (virtualización, multifunción, servicios) Menor número de capas de red a través de tecnologías IP integrales (por ejemplo, FCoE) Creación de una estructura de red unificada Puesta en marcha de la última tecnología de banda ancha (10/40Gbit/s)

12 Virtualización de la red
La virtualización del sistema, incluyendo las redes, supone: Enrutador virtual (software con funcionalidad de enrutamiento, sistemas múltiples en una máquina real) Enlaces virtuales (interconexión lógica del router virtual) Redes virtuales (routers virtuales conectados por enlaces virtuales) Ventajas de la virtualización de la red Las interfaces de gestión son más flexibles Reducción del coste de adquisición por el uso de software Aumento del rendimiento de la aplicación mediante la extensión y la asignación simplificada del servicio Posible disminución del consumo de energía mediante la consolidación de equipos La virtualización es una tecnología bien establecida para consolidar un servidor físico con múltiples máquinas virtuales. Administrar recursos de red como unidades lógicas independientes de su topología física. La posibilidad de configurar las capacidades a nivel de puerto y a nivel de red al nivel de máquina virtual individual, así como el seguimiento dinámico de las máquinas virtuales a medida que se mueven a través del centro de datos son elementos importantes para una gestión eficiente de los entornos virtualizados. La eficiencia energética se archiva principalmente mediante la consolidación de los routers, de los adaptadores físicos de puertos I/O, y del hardware adicional para servicios de red específicos. La virtualización de un módulo cortafuegos o IPS, proporcionando una imagen de software a diferentes aplicaciones a través de un único hardware de red, reduciría la necesidad de contar con dispositivos independientes, utilizando el software en el mismo hardware. La plena aplicación de la virtualización de los servidores requiere un equipo de red adecuado, que esté preparado para la virtualización. Los conmutadores de red obsoletos no están preparados para las máquinas virtuales (VM) y esto supone un riesgo de interrupción del servicio y la aparición de brechas de seguridad como consecuencia de una configuración de red incorrecta.

13 Cortafuegos centralizado con máquinas virtuales
Virtualicación de la red Las mejores prácticas Virtualización de la red combinada con la consolidación Router: Reducción en más de un 50% de los routers físicos Descenso del consumo de energía de hasta aproximadamente un 60% Firewall: Los cortafuegos centralizados basados en mallas de red lógicas reducen el consumo de energía del cortafuegos relacionado en hasta un 60% Cortafuegos centralizado con máquinas virtuales Red no fiable VM A través de la virtualización de redes, los casos prácticos reales han demostrado que se podrían reducir los routers físicos en más del 50%. Esto equivale a un posible ahorro energético de aproximadamente el 60% en comparación con la situación inicial. Classic Environment Untrusted Network

14 Consolidación a nivel de equipos Fusión de las clases de tráfico
La aplicación de tecnología de banda ancha alta y de gran velocidad y del Adaptador de Red convergente (CAN) conduce a : Reducción del equipo de red, del cableado y de las puertas de entrada Da como resultado un consumo de energía general más bajo

15 Consolidación de LAN y SAN Protocolo unificado
Mejora: tecnología de red unificada (basada en IP) con hardware reducido (conmutadores) Initial Situation: Two separate network technologies with respective hardware (switches)

16 Situación inicial: SAN (FC o IB) clásico
La Consolidación de la SAN y LAN se encuentra limitada por el uso de protocolos de red específicos: SAN: Canal de Fibra (FC) e Inifiniband (IB) LAN: Ethernet clásica (pérdida de datos) Esta diapositiva muestra tres protocolos diferentes: Canal de fibra, InfiniBand y Ethernet. Los dos primeros protocolos se utilizan para las redes del área de almacenamiento (SAN) y el último para las redes de área local (LAN). El FC y el IB se han optimizado para conseguir una transmisión eficaz y sin pérdida de grandes bloques de datos en redes SAN. Sin pérdidas Gastos generales reducidos  Eficiencia de transmisión elevada Posible caída del paquete Gastos generales elevados  Eficiencia de transmisión más baja

17 Basada en IP (Ethernet)
Opción de mejora: Consolidación de la red (basada en IP) El Canal de Fibra sobre Ethernet (FCoE) es el estándar de la industria que tiene como objetivo impulsar la convergencia de la red en los centros de datos. La tecnología FCoE permite una infraestructura Ethernet sin pérdidas para transportar el tráfico nativo de Canal de Fibra sobre Ethernet. Con el ancho de banda de 10 GbE es posible transportar redes de datos y el tráfico de la red de almacenamiento a través de una estructura de red unificada, con la subsiguiente reducción del número de cables, puertos de conmutadores y adaptadores, lo cual se traduce en una disminución de las necesidades de potencia y de refrigeración. El transporte del tráfico de Canal de fibra y Ethernet sobre un cable físico ofrece las siguientes ventajas: Acceso a un almacenamiento de alto rendimiento a través de mallas de Ethernet de 10G sin pérdidas Acceso transparente a los dispositivos de almacenamiento mediante el uso de los actuales métodos de gestión de SAN Menor gastos de capital, energía y refrigeración con menos adaptadores, cables y conmutadores Reducción de los gastos generales de gestión mediante el uso de una única estructura Aumento de la disponibilidad de las aplicaciones mediante una red y una configuración del servidor simplificadas Basada en IP (Ethernet)

18 Arquitectura de red plenamente consolidada
Imagen grande: Esta diapositiva describe una arquitectura de red plana y los elementos superpuestos vistos de norte a sur y de oeste a este. Los DC más pequeños no tienen necesariamente una capa de agregación. El lado izquierdo de la capa de acceso muestra una LAN y una SAN a la izquierda. La convergencia de las redes del servidor (LAN) y de almacenamiento (SAN) es una tendencia general que ofrece un potencial ahorro de energía. El mantenimiento de dos redes separadas aumenta los costes generales de operación y el consumo de energía, multiplicando el número de adaptadores, cables y puertos de conmutación necesarios para conectar todos los servidores directamente con redes LAN y SAN. Para simplificar o aplanar la estructura de red del centro de datos, en los centros de datos se están aplicando actualmente tecnologías de red convergente, tales como iSCSI, Canal de Fibra sobre Ethernet (FCoE), y Puentes de Centros de Datos (DCB) .

19 Mejora de la estrategia y objetivos
Reducción del consumo de energía del equipo

20 Consumo de energía del equipo
Reducción del consumo de energía del equipo: Consumo medio de energía (Ley de Moore) Gestión de la energía (todavía no disponible) Fuente de alimentación (eficiencia, redundancia) Refrigeración pasiva y activa (sumideros de calor de cobre, ventiladores de velocidad variable)

21 Mapa de la tecnología de semiconductores
Leyes de Moore Efectos positivos de la dinámica de alta tecnología Micro/Nanoelectrónica (Moore), tecnología de la comunicación (Shannon), ... Pero: costes y brechas tecnológicas Implementar interfaces (AVT / MST), materiales valiosos (poco frecuente) … Mapa de la tecnología de semiconductores

22 Selección del equipo Topología y dimensionamiento adecuado del conmutador Comparación entre el perfil de energía 3Com Switch 4800G 24 y 48-Port 3Com Switch 4800G 48-Port 3Com Switch 4800G 24-Port El consumo de energía con efecto de escala. Los equipos más grandes tienen un mejor rendimiento con una utilización elevada. Transceptor 10G XFP de enlaces 2x y 1x

23 Divulgación de información
Adquisición de equipos (Eficiencia Energética) Juniper Switch-EX4500 Fuente: Juniper 2011 Características: 8 W por interfaz de 10GE, Solución de baja energía para 10GE Mejorar la eficiencia del enfriamiento mediante el uso de ventiladores redundantes de velocidad variable que ajustan automáticamente la velocidad según las condiciones existentes.

24 Eficiencia del PSU Situación inicial: Energy Star y 80 Plus Efectos
La mayoría de las fuentes de alimentación de los equipos de red operan con una eficiencia inferior al 80% 90% de eficiencia de las fuentes de alimentación ya existentes Energy Star y 80 Plus Energy Star para fuentes de alimentación con requisitos fijados por encima del 90% 80 Plus Program fija requisitos superiores Recomendación de 80 Plus Gold/Plantinum Efectos Consumo de energía reducido Menos trabajo de refrigeración Menor TCO Source: Cisco 2011 Cisco 2011:

25 Gestión de la energía Ethernet energéticamente eficiente
Apague los transceptores Ethernet (FIT) en periodos de baja velocidad de datos Se han definido nuevos modos LPI para transceptores 1000BASE-T y 10GBASE-T Sus características fundamentales son : Permiten apagar los transmisores y tres de los cuatro receptores Incluyen un ciclo de actualización Definición de una señal de alerta para activarlos rápidamente Actualmente no disponibles para los equipos de red de centros de datos

26 Comparación de equipos de red EE
Mejores prácticas Comparación de equipos de red EE better Consumo de energía medido por diferentes puntos de carga (en espera de 0%, 30% y 100%) VATIOS = 0,1 * (Potencia absorbida en carga 0%) + 0,8 * (Potencia absorbida al 30% de carga) + 0,1 * (Potencia absorbida al 100% de carga) VATIOS = número medio / total de puertos medidos Índice de Eficiencia Energética de las Telecomunicaciones (TEER) TEER = trabajo realizado / consumo de energía por unidad de tiempo Los valores TEER más elevados son mejores porque se lleva a cabo más trabajo con menor consumo de energía. better Fuente: (Lippis 2011)

27 Mejora de la estrategia y objetivos
Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala

28 Optimización del sistema a nivel del rack y de la sala
Topología del conmutador (ToR, EoR) Cableado adecuado (flujo del aire, tipo de cable, interfaz) Posición en el Rack (concepto de refrigeración) Virtualización y control

29 Topología del conmutador al final de la hilera Utilización de recursos

30 Topología del conmutador en la parte superior del rack Utilización de recursos
La conmutación en la parte superior del rack (TdR) es una nueva estrategia de red que se ha desarrollado conjuntamente con servidores blade densamente poblados, una computación de alto rendimiento (HPC), una virtualización y una computación en nube. El concepto ToR se reduce gracias a la descentralización y da como resultado un enlace ascendente del cableado en la capa de agregación. Esto ofrece la ventaja de una rápida conmutación de puerto a puerto entre los servidores que hay en el rack. Con este excelente rendimiento de la red, la conmutación ToR no sólo es compatible con una computación de alto rendimiento, sino también con el Puente del Centro de Datos (DCB) y, por tanto, con una migración (sin pérdidas) hacia la Ethernet Mejorada Convergida (CEE) o hacia un centro de datos completamente integrado. En la parte superior del rack (TdR): cada rack tiene un interruptor especializado Ventaja: un conmutador descentralizado para entornos de servidores densos (consolidación I / O ) que reduce el esfuerzo de cableado. La distancia más corta del cableado entre el servidor y el conmutador mejora la velocidad de transmisión y reduce el consumo de energía para esta transmisión. Desventaja: Si el ToR se utiliza en una computación menos densa (pocos servidores en un rack), el sistema estará sobredimensionado. La eficiencia energética es baja debido a la utilización subóptima de los puertos disponibles.

31 Topología del conmutador ToR Ventaja y desventaja
En la parte superior del rack (TdR): cada rack tiene un interruptor especializado Ventaja: un conmutador descentralizado para entornos de servidores densos (consolidación I / O ) que reduce el esfuerzo de cableado. La distancia más corta del cableado entre el servidor y el conmutador mejora la velocidad de transmisión y reduce el consumo de energía de esta transmisión. Desventaja: Si el ToR se utiliza en una computación menos densa (pocos servidores en un rack), el sistema estará sobredimensionado. La eficiencia energética es baja debido a la utilización subóptima de los puertos disponibles.

32 Cableado adecuadi Mejora el flujo del aire y la refrigeración

33 Cableado Cobre Par de cobre trenzado:
Menores costes en comparación con la fibra Un alcance limitado: por ejemplo, la distancia práctica, para 10GE es de unos 10 metros Menor consumo de energía: por ejemplo, 10GE conectable de tamaño reducido (SFP), sólo 0,1 W (a 10 m) 10 GbE cable de cobre PHY consume hoy en día 10 W por puerto Menos resistentes: por ejemplo, durante la instalación, el cable se puede romper (abolladuras) con más facilidad en comparación con la fibra

34 Cableado Fibra óptica Fibra óptica:
OPEX (gastos iniciales) elevado: componentes activos (fotónica) Mayor rendimiento: velocidad, ancho de banda a larga distancia (300 m) Consumo de energía: con fibras de puerto óptico de 10 GbE consume 1-2W Muy accidentado: sin embargo, debe considerar el aislamiento, el radio de curvatura, los equipos de red Aplicable a capas de conmutación centrales, aunque el cobre sigue siendo la primera opción para conectar el servidor con los conmutadores de la parte superior del rack

35 Comparación entre la fibra y el cobre
Cableado Comparación entre la fibra y el cobre 10 GbE Media Fibra (SR/LRM) Cobre (Base-T) Consumo de energía (PHY + Adaptador) 1 - 3 vatios vatios Distancia 300 metros 100 metros Índice de datos futuro Gb/seg 10 Gb/seg Densidad por unidad de rack 32 24 Densidad del cable 10% 100%

36 Proceso de mejora

37 Proceso de mejora Paso a paso Pasos:
Establecimiento de objetivos de mejora (eficiente, convergente e inteligente) Planificación de la arquitectura de la red (tecnología) Adquisición de equipos eficientes (administración de energía) Funcionamiento y cableado adecuados (impacto en el flujo de aire y refrigeración) Equilibrio de carga y virtualización Establecimiento de objetivos de mejora: según el concepto global de Centro de Datos y sala de servidores (por ejemplo, refrigeración, ubicación de racks, alimentación, SLAs ¿Cuál es la situación general? Simple actualización de los equipos / Cambios amplios en la infraestructura o centro de datos completamente nuevo acumulación La planificación de la arquitectura de red: según los parámetros de rendimiento futuro y de la situación general (véase también la diapositiva 3 atributos de red) el parámetro de rendimiento tiene que transferirse a los parámetros técnicos (por ejemplo, puertos de red, transmisión de datos ...) En este punto, la decisión tiene que tomarse en base a la tecnología de red básica en redes individuales (SAN, LAN, Access) y sus parámetros de rendimiento. Adquisición de EEE: Crear una lista de especificaciones técnicas del equipo que se necesita adquirir. Cuestiones relacionadas como: ¿Qué tipo de tecnología de red es el estándar elegido para las LAN y SAN? Equipos y cableado.

38 Proceso de mejora Establecimiento de objetivos de mejora
Tareas: Medición / supervisión del consumo de energía específico (condición previa): Componentes individuales Parámetros térmicos y técnicos respectivos (flujo del aire, temperatura, velocidad del ventilador) Definir los valores objetivo: Eficiencia energética (objetivo TEER/ECR) Gestión de la energía(no disponible todavía, objetivo a largo plazo) Umbral de temperatura (p. ej. Fijar un límite según la ASHRAE) Supervisión de referencia: Economía de costes (CAPEX / OPEP) de los equipos de vigilancia Precisión y frecuencia (precisión relativa de los resultados de la medición) Ubicación y número de puntos de medición (cuantos más datos del sensor haya más diversa es la evaluación) Establecimiento de objetivos de mejora: según el concepto global de sala de servidores / centro de datos (por ejemplo, refrigeración, ubicación de racks, alimentación, SLAs ¿Cuál es la situación general? Actualización sencilla de los equipos / cambios importantes en la infraestructura o en el centro de datos completamente nuevo acumulación

39 Planificación de la arquitectura de red
Proceso de mejora Planificación de la arquitectura de red Tareas: Definir una lista de parámetros objetivo para: Rendimiento técnico (la interoperatibidad y las cuestiones legales son muy importantes) Rendimiento de la energía (ecológico) Proyección de estos parámetros de rendimiento en las especificaciones técnicas orientadas al equipo: En este punto, debe tomarse una decisión sobre la tecnología de red básica de las redes individuales (SAN, LAN, Access) Tipo y número de puertos de red Transmisión de datos Funcionabilidad y servicios adicionales (virtualización y control)

40 Adquisición de equipos eficientes
Proceso de mejora Adquisición de equipos eficientes Tareas: Estudio del mercado según las especificaciones identificadas Orientación sobre contratación pública (Fraunhofer CC LAN) Solicitar una prueba relacionada con la energía / datos de referencia (TEER) Comparar las ofertas (si hay una guía de evaluación / selección)

41 Perspectiva Ejemplos específicos de las mejores prácticas (datos reales / casos prácticos) Ejemplos para la reducción de hardware (virtualización) Gestión de la energía de la red (modo de espera e inactividad baja) Más allá de la vanguardia (íntegramente óptico, tunelización) Clasificación de opciones de mejora Arquitectura de router completamente nueva dentro del dispositivo (procesando siempre las señales eléctricas) ¿Cuánto dinero ...

42 Debate Cuestiones relacionadas con el módulo

43 Cuestiones/debates relacionados con el módulo
¿Cuál cree usted que son los principales obstáculos para alcanzar una eficiencia energética en los equipos de red? ¿Cuáles son los principales aspectos que influyen en la eficiencia energética de los equipos de red? ¿Cuáles son los tres objetivos de mejora básicos en la eficiencia energética de los equipos de red? ¿Cuál es la principal ventaja y desventaja del uso de la topología del conmutador Top-of-Rack?

44 Sugerencias de lecturas complementarias
Libros blancos Publicaciones en línea Etc.

45 Sugerencias de lecturas complementarias
Energy Consumption Rating Initiative Cisco Efficiency Assurance Program elements/flash/dataCenter/eap IBM, Network solutions Energy Proportional Datacenter Networks Abts D. y otros (2010), Proceedings of the International Symposium on Computer Architecture, Saint-Malo

46 Sugerencias de lecturas complementarias
Government Data Center Network Reference Architecture, Using a High-Performance Network Backbone to Meet the Requirements of the Modern Government Data Center, Juniper (2010) /en/local/pdf/reference-architectures/ en.pdf ElasticTree: Saving Energy in Data Center Networks Heller B. y otros (2010)