Agenda  ネットワークにおける省電力化ネットワークにおける省電力化技術  ネットワークアーキテクチャ特論 2014.10.9  ネットワークにおける省エネ技術の研究動向  九州工業大学情報科学センターネットワークデザイン研究センター福田豊  トラヒックの増加がもたらす影響国内外における取り組みネットワークデザイン研究センターの取り組み 1 トラヒック量の増加 – 日本国内  トラヒックの推移ダウンロードトラヒック総量は推定で平均約 2.9 T  前年同月比 27.1 % 増 http://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban04_02000086.html   2 トラヒックの内訳ブロードバンドサービス契約数は頭打ちダウンロードトラヒックは急激に増加トラヒックとその消費電力量  トラフィックの急増予測  ネットワーク機器電力量も急増予測   637 Gbps@2006年 → 121.0 Tbps@2025年（国内） 80 億kWh@2006年 → 1033億kWh@2025年（国内）  ×190 637G 2006年 2025年 800 8 600 6 ×13 400 200 0 10 4 2 80 2006年 2025年 0 ) ピーク値と低値の差が年々拡大 121.0T 100 0.1 [％] 1033 総発電比率概(算トラフィック量 1000 1 消費電力量の推計増加シナリオケース [億kWh] 1000 [Tbps] 10 ネットワーク機器電力消費電力量の推計増加シナリオケース  3 出所：「情報通信機器の革新的省エネ技術への期待」経済産業省、グリーンＩＴシンポジウム、2007年を元に作成 ISP はピークに合わせて設備投資する必要がある．． 4 5 1 将来予測電力効率向上が必要過去：半導体技術の進化(微細化)により消費電力効率が向上今後：リーク電力の増加により電力効率向上の鈍化 ⇒ 技術開発による電力効率向上   (bps) 10T 消費電力効率（電力あたり転送性能） (W/Gbps) 20 転送性能 1T 電力効率向上の鈍化 15 10 100 G 10G '96 '98 '00 '02 '04 '06 '08 '10 年 5 0 '00 技術開発による電力効率向上 '02 '04 '06 年 '08 6 '10 7 ここまでのまとめ  インターネットの消費電力増    トラヒックが増加し続けている上り/下りの差が大きくなってきているネットワークにおける省エネ技術の研究動向ネットワークにおける消費電力削減   機器単体での消費電力削減だけでなくネットワークとして消費電力をどのように削減できるか？海外/国内における取り組み 8 Green 無線関係のプロジェクト    欧州 https://www.ict-earth.eu/default.html    英国 http://www.mobilevce.com/   alcatell 主導 http://www.greentouch.org/   10 The project is funded as IP project in FP7 under Contract Number: INFSO-ICT-247733 Duration: January 2010 – June 2012 Total Cost: € 14.8 m (4年約 17億) アーキテクチャ：ターゲットは LTE  GreenTouch  概要  Mobile VCE Core 5 Green Radio    The EARTH (Energy Aware Radio and neTworking tecHnologies) project   Earth Project @ EU メトリックに関する調査 Radio Resource Management (トラヒックに合わせて基地局を制御) relay やセルの配置など https://www.ict-earth.eu/news/2010/02-24_EARTHPoster_ICT4EE.pdf 11 2 Mobile VCE @ UK  Mobile VCE (The Virtual Centre of Excellence in Mobile and Personal Communications Limited   1996年に設立された非営利企業で，英国内外の移動体通信関連企業や英国有数の大学等が産学連携による研究開発事業に取り組んでいる研究の目的   The goal of this research is to secure 100x reduction in energy requirements for delivery of high data rate services, thereby reducing CO2 emissions and Opex costs whilst enabling new services. It is investigating both architectural and individual technological approaches. 12 Green Touch Where is the Energy Used?    For the operator, 57% of electricity use is in radio access CO2 emissions per subscriber per year3 Operating electricity is the dominant energy requirement at base stations 9kg CO2 Operation For user devices, most of the energy used is due to manufacturing 4.3kg CO2 Embodied energy MTX 20% 13 Base station 2.6kg CO2 8.1kg CO2 Mobile Data Centre 6% Core 15% RBS 57% Retail 2% 3. Tomas Edler, Green Base Stations – How to Minimize CO2 Emission in Operator Networks, Ericsson, Bath Base Station Conference 2008 14 15 16 17 3 18 19 Green Touch Initiative   無線通信トラヒックの大幅な増加により，ICTにおける消費電力が増加しており，何らかの対策が必要目標  Small cell  Large scale MIMO 通信ネットワークのエネルギー効率を現在の1000倍に向上するために必要となる技術の創出  High Bandwidth  Relay    GreeNet Workshop (IEEE VTC2010 Fall)    エネルギー効率の1000倍向上は、インターネットを含む世界の通信ネットワークを、現在の1日の消費電力でおおよそ3年間動作させることが可能な水準に相当  MIMO を有効活用する新しい省電力化手法が必要となる can provide the energy efficient communication  Our goal  セルサイズを小さくする to specify by 2015 the architecture and demonstrate key components needed to dramatically increase network energy efficiency. relay communication ＜ direct one  Deployment of Antenna  Mainly focus on the L1 technology    How to distribute the antenna with micro/pico cell Stayed at the initial study Required wireless L2 solution 20 21 Green 有線関係のプロジェクト  米国     GENI IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet   Challenge 6: Mobility, environmental sustainability and energy efficiency Challenge 3 - Components, systems, engineering  CANADA  “Networks, Energy, and Energy Efficiency,” Bruce Nordman (Lawrence Berkeley National Laboratory)  EURO FP7   米国：1st GENI Engineering Conference  CANARIE Green-IT Pilot 22 Oct. 9-11, 2007 http://www.geni.net/geni-engineeringconference/geni-engineering-conference.html 現在のインターネットにおける消費電力を調査し，次世代ネットワークにおける研究課題であることを提示デバイス，リンク，アプリケーション/プロトコルなど統合的なアプローチの必要性を指摘 23 4 IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (1) IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (2) “IEEE Works on Energy-Efficient Ethernet”     IEEE Computer, Vol. 40, No.5 pp. 21- 23 An IEEE 802.3 Energy Efficient Ethernet Study Group was established in November 2006          This project addresses the increasingly critical need to improve the energy efficiency of the Internet by focusing on the primary and often neglected energy consumer, edge devices.  10 Gb/s と 1 Gb/s の電力消費量の差： 10 ～ 20 W 1 Gb/s と 100 Mb/s の電力消費量の差： 2 ～ 4 W 九工大での計測実験結果： Cisco Catalyst 2970  南フロリダ大の K. Christensen など http://www.csee.usf.edu/~christen/energy/main.html  Saving Potential (at the wall socket) by Ken Christensen  The study group is currently exploring standardization of ideas related to Adaptive Link Rate (ALR) now renamed as Rapid PHY Selection (RPS). The Energy Efficient Internet Project  概要 10 Mb/s : 0.2 [W] 100 Mb/s : 0.3 [W] 1 Gb/s : 3 [W] 帯域差と電力差の関係に注目し，適切なリンク速度を設定することで，消費電力の削減を目指す IEEE 802.3az で採用された ALRや，Proxy を利用した手法を提案 24 25 IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (3)  IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (4) Low Power Idle (LPI)   手法：リンクレートを変えずに、通信していない間はリンクを低エネルギーモード(Idle状態)にする    PC のNICs   ある一定の期間（Ts = time to sleep）送信した後、Idle状態に移行定期的に信号を送信し、リンクがリフレッシュを行わずに長期間休止状態に陥ることがないようにする事前定義された時間（Tw = time to wake）の経過後、リンクはアクティブに移行し、データ送信が可能  既存の auto-negotiation では 3 ～ 4 秒必要通信速度をより高速に変更可能な手法が必要 RPS (Rapid PHY Selection)   リンクで接続される両端末に RPS を実装 MAC フレームハンドシェイクを利用してリンク速度を変更参考文献：[1] IEEE802.3 az Energy Efficient Ethernet : より環境に配慮したネットワークの構築 26 http://www.cisco.com/web/JP/product/hs/switches/cat4500/prodlit/pdf/white_paper_c11-676336.pdf 27 日本国内 IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (5)  通信速度制御    グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト（グリーンＩＴプロジェクト） [NEDO]  制御方針の検討は，RPS 機構標準の範囲外 Dual-Threshold policy     低速データレートにより増加するパケット遅延をどの程度許容できるか If queue is above qHigh then switch to high rate If queue is below qLow then switch to low rate  リンク速度の変更に技術的な課題 28 1.エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発  a. データサーバの最適構成と進化するアーキテクチャーの開発  b. 最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発  c. データセンタの電源システムと最適直流化技術の開発  d. データセンタのモデル設計と総合評価 2.革新的省エネルギーネットワーク・ルータ技術の研究開発  a. IT社会を遠望した、情報の流れと情報量の調査研究独立行政法人産業技術総合研究所，名古屋大学，日本電気株式会社  b. 情報のダイナミックフロー測定と分析ツール及び省エネルギー型ルータ技術の開発アラクサラネットワークス株式会社，横河電機株式会社，株式会社日立製作所 [再委託：九州工業大学]  c. 社会インフラとしてのネットワークのモデル設計と総合評価独立行政法人産業技術総合研究所，名古屋大学，日本電気株式会社 30 5 31 32 33 34 35 36 6 37 38 九州工業大学ネットワークデザイン研究センターの取り組み 39 研究対象領域コアネットワークに注目エッジネットワーク L3 以上 Proxy コアネットワーク TE/経路制御  エッジコアリンク集約技術を利用したスイッチ省電力化手法ポートスリープ手法無線LAN の省電力手法   RPS (IEEE 802.3az) エッジネットワーク    L1, L2 41 トラヒック到着状態に応じた待機電力削除コアネットワーク  省電力化について十分な検討が行われておらず，コアネットワークにおいて有効な手法の検討が必要コアネットワークの特徴  通信品質に対する要求が厳しい Link Aggregation を利用して複数のリンクを束ねて転送性能を増強スイッチはトラヒック量に関わらず，常に最大転送能力を使用 42 7 事前調査  研究目的転送性能毎の消費電力を調査  スイッチの省電力化  SW1 logger 電力計スイッチの転送性能を，トラヒック特性に応じて動的に制御することで，省電力化を目指す  例：Intel の SpeedStep テクノロジ 48  46 転送性能の動的制御 44  42 消費電力 (W) 40 トラヒックなし LACP (Link Aggregation Control Protocol) で接続されたスイッチ間を想定 38 トラヒックあり 36 34 転送性能に応じた制御を行えば，省電力化は可能トラヒックに応じて，動的にリンク本数を決定することで，消費電力の削減を目指す 32 30 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 接続台数 (台) 43 44 Estimation Scheme LACP の改良以下のような機能を追加 Arrival Rate {b/s]  τ (3) Advertise the number of physical links LACP DU (1) Traffic Measurement time T T T T T T T T T T T T T T T T (2) Estimation Aggregator # of links Aggregator (4) Re-form a logical link 45 推定手法 (1) 提案手法 (2) 到着パケット量を 1 msec 毎に計測しスループットを算出    τ毎に計測したスループットの内，ピーク値を記録リンク制御間隔ごとにピークスループットのヒストグラムを作成 Arrival Rate [b/s]  1 msec. 46 作成したヒストグラムについて，予め定めておく閾値に基づいてリンク本数を決定 τ 閾値 90 % W 次のリンク帯域は7本に決定 time 制御間隔 T Gb/s ヒストグラムに 1 47 2 3 4 5 6 7 8 48 8 提案手法 (3) Arrival Rate [b/s] 任意に定めるリンク制御周期T毎にリンク数を動的に切り替え  過去の履歴を利用できるよう既存手法を改良推定した値と前回利用した値の指数加重平均を計算  τ Xｔ’ = ( 1 – α) Xｔ-１ + αXｔ α = 0.2 time  T T T T T T T T MAXEL (Maximum of EWMA and Latest estimate) EDCL (EWMA or Drastically Changed Latest estimate)  T T T T T T T T 49 50 シミュレーション環境提案手法： EDCL  推定した値と指数加重平均の差をとる    一定の値β以上推定した値一定の値β以下指数加重平均 β ＝ 1 Gb/s Ｘｔ：既存手法での推定値Ｘｔ-1 ：前回利用した値Ｘｔ’ ：加重平均値 0≦α≦1 推定した値と指数加重平均の取り扱いについて，以下の 2 手法を検討  # of links  改良手法の概要 Xt = Xt Xt’  実トラヒックを用いて有効性を調査 tcpdumpによりトレースしたトラヒックを用いてシミュレーションを行う EDCL を用いる  (|Xt ー Xt|’ ＞ β) (|Xt ー Xt|’ ≦ β)  Ｘｔ：既存手法での推定値Ｘｔ：利用する値Ｘｔ’ ：加重平均値  シミュレーションパラメータ微小な変化には追随せず平均的なリンク数に設定できるシミュレーション時間 240 秒物理リンク1本あたりの速度 100 Mb/s リンク制御期間 0.8 秒 α (指数加重平均のおもみ) 0.2 β (Diff手法での閾値) 100 Mb/s リンク変更回数を減少させ安定した通信性能が期待できる 51 52 Demonstration System シミュレーション結果（トラヒックトレース） bond0 平均トラヒック量 130.69 Mb/s 平均使用リンク数 3.48 本リンク変更回数 5 回パケット廃棄率 0 %   eth2～ eth9 bond0 GREEN2 GREEN1 リンク本数が8本と想定した場合リンクの削減率は約56.5％ Traffic by Iperf パケット廃棄を抑えつつ省電力化を達成できる GREEN4 EDCL は実環境でも有効である 53 GREEN3 Dynamic Link Control with Chaging Traffic for Power Saving, Y. Fukuda, T, Ikenaga, H. Tamura, M. Uchida, 54 K. Kawahara, Y. Oie, The 34th IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN) 9 Demonstration (1) Demonstration (2) 55 56 まとめ Power Consumption of the Demo. system The power consumption of GREEN1.  81  80 Power [W] 動的な転送性能制御によるスイッチの省電力化既存スイッチの事前調査 79  78  Power rises with the increase of the transmission rate 77 76  トラヒック特性の計測と推定  75  74 0 200 400 600 800   This result shows the possibility of power conservation with a network itself by adapting the transmission capacity to arrival traffic ピークスループットから推定十分な性能を達成可能デモシステム Transmission Rate [Mb/s]  転送容量毎に消費電力が異なるトラヒック特性に応じて，転送性能を動的に制御すれば，スイッチにおける消費電力を削減できる十分な可用性を持つ 57 58 無駄な消費電力量を削減するRadio On Demand Networksの研究開発研究目的無線機器の"つけっぱなし"やリソースの" 無駄づかい"による無線ネットワークの無駄なCO2排出量を大幅に削減する無線LAN における省電力化手法研究開発の概要～無線ネットワークのつけっぱなしや無駄づかいをなくす～スリープ制御の対象範囲 LAN Power Supply Host CPU System WLAN ウェイクアップ制御 Wake-up Receiver Wake-up Signal オンデマンド無線基地局 •超低消費電力なWake-up Receiver で待機するスリープ状態を持ったオンデマンド無線基地局による、オンデマンドネットワーク制御技術 Wake-up Signalを識別し基地局機能を稼働 Wake-up Signal 必要に応じて、端末が基地局をウェイクアップ Wakeup! •ウェイクアップ機能とスリープスケジューリング機能による、無線機器の消費電力量削減技術 •ネットワーク機器間連携機能と、通信パラメーター制御による、用途や好みに応じた省電力ネットワーク運用技術 Wakeup! 未使用時は自動的にスリープ機器連携と通信パラメータ制御で、無駄の少ないネットワーク運用 60 10  無線LAN における帰属集約を利用した省電力化手法目的   提案手法（MELU: Minimizing Expected Local Utilization）  APのスリープ機会を増加させ，消費電力を削減 U  手法      i APに帰属している端末が存在する場合であっても負荷が低い場合には帰属している端末を近隣のAPへ帰属先変更し AP(a) AP(b) その後，APはスリープ STA(a)  AP(a) U=20% STA 61 i  Di 100  0.44  R  6   Ri   D : データ送信レート   R : 接続レート i STA AP(b) STA(b) (48 Mb/s)  STA STA 63 i  Di 100  0.44  R  6   Ri   D : データ送信レート   R : 接続レート   STA AP(b) STA(b) (24 Mb/s) STA 64 トラヒックの発生／停止端末の離脱  STA(b) (48 Mb/s) AP(c) U=50% U=77% U=27%  Sleep AP(b)  D : データ送信レート   R : 接続レートランダムな端末配置網内の状態が時間と共に変化  端末の帰属先を変更した後のAPの利用率 U が最小となるAPを選択 AP(a) U=20% U=35% 62 一般的な環境を想定した評価 APのチャネル利用率（ U ）を算出 U  STA Di 100  0.44  R  6   Ri AP(a) U=20% 提案手法（MELU: Minimizing Expected Local Utilization）  STA(b) (54 Mb/s) 端末の帰属先を変更した後のAPの利用率 U が最小となるAPを選択 AP(c) U=50% U=15% AP(c) U=50% APのチャネル利用率（ U ）を算出 U  端末の帰属先を変更した後のAPの利用率 U が最小となるAPを選択 AP(a) U=20% U=35% AP(b) U=10% 提案手法（MELU: Minimizing Expected Local Utilization） APのチャネル利用率（ U ）を算出 U   D : データ送信レート   R : 接続レート Di 100  0.44  R  6   Ri 端末の帰属先を変更した後のAPの利用率 U が最小となるAPを選択提案手法（MELU: Minimizing Expected Local Utilization）  APのチャネル利用率（ U ）を算出  AP(c) U=50% 徐々に稼働端末数（＝トラヒック量）を減らす徐々にAPがSleep 帰属集約手法を用いることで Sleepが加速されることを確認するソサイエティ大会へ STA 65 67 11 シミュレーションモデル     STA: 10 – 50 台 AP: 4 台 IEEE 802.11a 初期状態： STAはRSSIに従いAPに接続 ROD 50 m  AP1 AP2 AP3  STAs  100 s AP4 トラヒック    STA から Node へ CBRを発生発生時間：sim 開始から1 s 後継続時間：平均 50 s の指数分布に従う 5 7 9 20 54 48 36 24 25 40 50 68 60 18 12 9 6 68 69 1.3 2 1 0  結果：消費電力量 ROD with MELU ROD 3 1.1  0.8 0.7  50 ＊香川翔一，阿部憲一，伊藤哲也，小室信喜，阪田史郎，「無線 LAN アクセスポイントにおける起動時間を考慮したスリープ制御」，電子情報通信学会技術研究報告，Vol. 111, no. 196, NS2011-76, pp. 97-102, 2011年 9月 71 Conclusion  チャネル利用率を指標とした端末帰属集約手法 MELU (Minimum Expected Local Utilization) トラヒック増加と消費電力の上昇   提案手法を用いることで，より長い時間APがスリープでき，APの消費電力削減に寄与できることを明らかにした  今後の課題  20 30 40 The number of STA APの総消費電力を大きく削減可能シミュレーション評価  10 % 削減 0.6 10 端末帰属集約手法の有効性について調査  ・アクティブ： 8.0 Wh * ・スリープ： 1.2 Wh * 0.9 まとめ  APの消費電力量 40 % 削減 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Elapased time [s] 帰属集約を行うことにより，早い段階でのAPのスリープを実現  ROD with MELU ROD without ROD 1.2 70  通信しているSTAが1台になると APはMELU方式によって端末集約を実施 Table 1. ノード間距離に応じた伝送レート距離伝送レート距離 [m] 伝送レート [m] [Mb/s] [Mb/s] 結果：スリープAP台数の変化（STA10台） 4 通信しているSTAが0台になるとAPがスリープ ROD with MELU シミュレーション時間    Node ネットワーク構成   wired QualNet 4.5.1 Power Consumption [Wh]  評価対象シミュレータ The number of sleeping AP  国内外の研究動向  複数端末の帰属先変更方式について帰属先変更アルゴリズムの改良   72 72 ICTの普及に伴い，トラヒック量はさらに増大し，結果として消費電力も増えると予測される既存の取り組みに加えて，ネットワーク側での省エネ技術への取り組みが必要無線/有線 IEEE 802.3az，The Energy Efficient Internet Project 九州工業大学ネットワークデザイン研究センターの取り組みの紹介 74 12