„Ekologiczne” Algorytmy Steruj ˛ace Polem Komutacyjnym

(1)

„Ekologiczne” Algorytmy Steruj ˛

ace Polem

Komutacyjnym

Mariusz ˙

Zal, Przemysław Wojtysiak

Politechnika Pozna´nska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych ul. Polanka 3, 60-965 Pozna´n, e-mail: mariusz.zal@put.poznan.pl, http://nss.et.put.poznan.pl

Streszczenie—W artykule przedstawiono metody oszcz˛edzania

energii elektrycznej w nowoczesnych sieciach telekomunikacyj-nych oraz komputerowych. Prezentowany jest obecny stan wiedzy oraz mo˙zliwe przyszłe trendy zmian. Przedstawiono analiz˛e mo˙z-liwo´sci oszcz˛edno´sci energii elektrycznej na przykładzie struktury pola Closa wykorzystywanego w w˛ezłach telekomunikacyjnych. W celu porównania zu˙zycia energii przez pole komutacyjne na-pisany został program symulacyjny umo˙zliwiaj ˛acy sprawdzenie jako´sci działania algorytmów wyboru drogi poł ˛aczeniowej oraz ich modyﬁkacji zmniejszaj ˛acych zapotrzebowanie pola komuta-cyjnego na energi˛e. Wykazano, ˙ze dla niektórych algorytmów wyboru drogi poł ˛aczeniowej mo˙zliwe jest zaoszcz˛edzenie energii elektrycznej.

I. WPROWADZENIE

Technologie telekomunikacyjne rozwijane s ˛a nieprzerwanie od wielu lat. Rosn ˛aca liczba u˙zytkowników, przepustowo´sci sieci, gwałtowny wzrost przesyłanych danych oraz rozwijanie nowych usług przez operatorów telekomunikacyjnych wymu-sza ci ˛agły rozwój sprz˛etu sieciowego. Producenci urz ˛adzeń prze´scigaj ˛a si˛e w proponowanych rozwi ˛azaniach zwi˛ekszaj ˛ a-cych mo˙zliwo´sci urz ˛adzeń. Jednak w ostatnich latach pojawił si˛e inny, równie wa˙zny kierunek badań - rozwijanie technik pozwalaj ˛acych zaoszcz˛edzić energi˛e elektryczn ˛a.

W celu zapewnienia nowoczesnej infrastruktury oraz licz-nych usług dodatkowych dla szybko wzrastaj ˛acej populacji, a tym samym liczby u˙zytkowników, operatorzy telekomuni-kacyjni i dostawcy usług internetowych zmuszeni s ˛a nieprze-rwanie zwi˛ekszać liczb˛e urz ˛adzeń, jednocze´snie zapewniaj ˛ac skalowalno´sć swoich rozwi ˛azań. Zgodnie z obserwowanym trendem, routery końcowe zwi˛ekszaj ˛a swoj ˛a pojemno´sć 2,5 razy w ci ˛agu 18 miesi˛ecy. Przekłada si˛e to bezpo´srednio na nieustanne zwi˛ekszenie zu˙zycia energii elektrycznej, dlatego zagadnienie „Green energy” zyskuje na znaczeniu.

Model sieci ´swiadomych ekologii został opracowany kilka lat temu. Sieci, które mo˙zna okre´slić mianem „Green energy”, mog ˛a zostać scharakteryzowane jako te, które zapewniaj ˛a wymagane parametry zgodnie z zapotrzebowaniem projek-towym (np. wymagana przepustowo´sć, obsługiwana liczba u˙zytkowników, opó´znienia), przy jednoczesnym minimalnym mo˙zliwym zu˙zyciu energii elektrycznej [1]. Istotn ˛a kwesti ˛a jest tak˙ze pełna kompatybilno´sć tych sieci (w tym urz ˛adzeń tworz ˛acych ich infrastruktur˛e) z rozwi ˛azaniami tradycyjnymi, które s ˛a nadal w u˙zyciu.

Główna energooszcz˛edno´s´c sprz˛etu tworz ˛acego obecn ˛a in-frastruktur˛e sieciow ˛a wynika z zastosowania nowoczesnych układów półprzewodnikowych o zwi˛ekszonej wydajno´sci przy

podobnym poborze energii. Dlatego producenci uzale˙znieni s ˛a w du˙zej mierze od rozwoju technologii półprzewodnikowych. Mo˙zliwe jest równie˙z osi ˛agni˛ecie zysku przez zmiany w oprogramowaniu strukturalnym. Przykładem takiego podej-´scia mo˙ze by´c zaproponowana przez Alcatel-Lucent zmiana oprogramowania steruj ˛acego telekomunikacyjnymi stacjami bazowymi GSM, gdzie uzyskano zmniejszenie zu˙zycia energii elektrycznej (według producenta) nawet o 25%. Jednocze´snie producent nie wprowadził w tej aktualizacji jakiejkolwiek zmiany sprz˛etowej [2].

Problem sieci ´swiadomych energii mo˙ze być analizowany na wiele sposób, a oszcz˛edno´sci energii mog ˛a wynikać z pomysłów, pocz ˛atkowo jawi ˛acych si˛e jako rozwi ˛azania zwi˛ek-szaj ˛ace jej pobór. Wiele nowoczesnych usług sieciowych (np. wideokonferencje) pozornie wprowadza odwrotny rezultat ni˙z oszcz˛edno´sć energii. Usługi te posiadaj ˛a stosunkowo du˙ze za-potrzebowanie na przepustowo´sć, co w skali globalnej znacz ˛ a-co zwi˛eksza obci ˛a˙zenie sieci Internet. Nale˙zy jednak zwrócić uwag˛e na to, ˙ze dzi˛eki rozwojowi tych usług mo˙zna zwi˛ekszyć ochron˛e ´srodowiska przez zmniejszenie liczby podró˙zy słu˙zbo-wych, gdy˙z du˙za cz˛e´sć spotkań biznesowych mo˙ze odbyć si˛e w formie wideokonferencji. Podobne oczekiwania s ˛a obecnie stawiane dla modelu komunikacji ujednoliconej UC (ang. Unified Communications).

W ci ˛agu kilku ostatnich lat wiele du˙zych firm telekomuni-kacyjnych, jak i organizacji, opublikowało raporty dotycz ˛ace szacowanego zapotrzebowania na energi˛e elektryczn ˛a oraz emisj˛e dwutlenku w˛egla do atmosfery przez infrastruktur˛e sieci telekomunikacyjnych. Raporty te zacz˛eły prezentować niepokoj ˛ace zmiany prowadz ˛ace do zwi˛ekszenia zu˙zycia ener-gii elektrycznej oraz, co bardziej istotne, znacznego wzrostu emisji dwutlenku w˛egla do atmosfery. Przykładem firmy, która jako jedna z pierwszych zaprezentowała swoje dane statystycz-ne mo˙ze być Telecom Italia, która w 2006 osi ˛agn˛eła zu˙zycie energii na poziomie 2,0 TWh (w tamtym czasie stanowiło to około 1% całkowitej energii wykorzystywanej we Włoszech), b˛ed ˛ace około 8% wi˛eksze w stosunku do roku poprzedniego. Jednocze´snie szacowana emisja CO2 wyniosła 977 Ton ze wzrostem na poziomie 7 % [3], [4]. Pó´zniejsze raporty grupy Telecom Italia prezentuj ˛a, ˙ze technologia została znacznie bardziej dopracowana, a gwałtowny wzrost zu˙zycia energii został opanowany i spowolniony (zu˙zycie 2,2 TWh w 2006 roku oraz 2,06 TWh w roku 2010). Na potrzeby corocznych raportów specjali´sci z Telecom Italia zaproponowali wska´znik odzwierciedlaj ˛acy liczb˛e przesłanych bitów w ci ˛agu roku w

(2)

(PLVMD&2>0WRQURN@ 5RN ,QIUDVWUXNWXUDPRELOQD 8U]ąG]HQLDWHOHNRPXQLNDF\MQH 6LHFLZąVNRSDVPRZH 6LHFLV]HURNRSDVPRZH

Rysunek 1. Szacowana emisja gazów cieplarnianych przewidywana przez GiSI

stosunku do zu˙zytej energii. Wyniki te zostały zaprezentowane zostały w tabeli I i obrazuj ˛a znaczny wzrost całkowitej liczby danych przesyłanych przez sie´c, przy jednoczesnym zmniej-szeniu zu˙zycia energii elektrycznej [5].

Tabela I

WZROST ZU ˙ZYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRZEZTELECOMITALIA[6] Rok Kbit/kWh bit/J % wzrostu w ci ˛agu roku

2004 777248 216 58 % 2005 1311676 364 70 % 2006 2175006 596 63 % 2007 3144283 873 45 % 2008 4237038 1777 35 % 2009 4739570 1317 12 % 2010 6116728 1669 29 % 2011 bd 2204 30 % 2012 bd 2524 15 % 2013 bd 2800 11 %

Analogiczne dane zostały zaprezentowane przez British Telecom. Zu˙zycie energii przez tego operatora było bardzo zbli˙zone na przestrzeni lat do prezentowanego przez Telecom Italia. Dla przykładu w roku 2008 całkowite zu˙zycie energii przez BT wyniosło 2,6 TWh i około 0,7% całego zu˙zycia w Wielkiej Brytanii. W najnowszym raporcie zostały zaprezento-wane równie˙z dane dotycz ˛ace emisji dwutlenku w˛egla. Według tych danych emisja w roku 1997 była najwy˙zsza i wynosiła 1,627 ton. Od tego momentu operator rozpocz ˛ał realizacj˛e programu zwi˛ekszonej ochrony ´srodowiska, co przyczyniło si˛e sukcesywnego zmniejszania tej warto´sci redukuj ˛ac emisj˛e o 59% w roku 2011 do poziomu 759 ton [7].

Dane statystyczne zaprezentowane przez najwi˛ekszego ope-ratora w Europie – Deutsche Telekom potwierdzaj ˛a ogólnie panuj ˛acy trend. Grupa DT w roku 2007 zu˙zyła sumarycz-nie 7,2 TWh, a w kolejnych latach odpowiednio 7,7 TWh, 7,8 TWh, 8,0 TWh. Nale˙zy zwróci´c jednak uwag˛e na fakt, ˙ze operator ten ´swiadczy usługi w wielu krajach Europy (m.in. Niemcy, Grecja, Holandia, czy te˙z Polska) przez co dane te s ˛a odpowiednio wy˙zsze ni˙z np. te przedstawione przez Telecom Italia [8].

Ostatni ˛a istotn ˛a grup ˛a danych statystycznych s ˛a

opracowa-nia zbiorcze wykonane przez Global e-Sustainability Initiative (GeSI) i dotycz ˛ace emisji dwutlenku w˛egla w sektorze infor-matyki oraz telekomunikacji. Zaprezentowane w raporcie dane szacuj ˛a, ˙ze obecnie wzrost emisji CO₂zostanie utrzymany i w roku 2020 całkowita emisja wyniesie 320 MTon. Zgodnie z in-formacjami zawartymi w raporcie, najwi˛ekszy wpływ na tak ˛a sytuacj˛e ma mie´c infrastruktura sieci mobilnych, w których szacowany jest wzrost na poziomie 40 % [9]. Szczegółowe dane zostały przedstawione na rys. 1. Zgodnie z informacjami zawartymi w raporcie wzrost emisji gazów cieplarnianych nie wynika bezpo´srednio ze wzrostu zapotrzebowania urz ˛adze´n telekomunikacyjnych na energi˛e elektryczn ˛a, lecz z dynamicz-nego rozwoju i wzrostu ilo´sci u˙zywadynamicz-nego sprz˛etu tworz ˛acych globaln ˛a infrastruktur˛e.

Z przytoczonych danych statystycznych wynika, ˙ze proces zmian w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych został zapocz ˛atkowany ju˙z w roku 2007 i trwa nieprzerwanie do dzisiaj. Najistotniejszymi zmianami obecnie obserwowanymi i maj ˛acy wymierny wpływ na mo˙zliwe zmiany ekologiczne s ˛a: zmniejszenie zu˙zycia energii elektrycznej potrzebnej do transmisji elementarnych danych (bitów), zwi˛ekszenie mo˙z-liwo´sci transmisyjnych (przepustowo´sci) nowoczesnych sieci, zwi˛ekszenie pojemno´sci sieci (liczba u˙zytkowników), global-ny rozrost infrastruktury, d ˛a˙zenie do redukcji emisji gazów cieplarnianych, a w szczególno´sci CO₂. Jak pokazuj ˛a zmiany ostatnich lat, obecny stan rozwi ˛aza´n pozwala jeszcze na do-pracowanie wielu elementów, a tym samym mo˙ze przyczyni´c si˛e do poprawy panuj ˛acej sytuacji.

Pozostała cze´s´c artykułu została przygotowana w nast˛epu-j ˛acy sposób. W rozdziale II przedstawiono metody oszcz˛ed-no´sci energii elektrycznej w systemach telekomunikacyjnych. Kolejny rozdział zawiera opis trybów pracy programu sy-mulacyjnego, który pozwolił oceni´c oszcz˛edno´sci w zu˙zyciu energii elektrycznej, przy zastosowaniu zaproponowanych al-gorytmów wył ˛aczania niewykorzystanych elementów komuta-cyjnych sekcji ´srodkowej w polu Closa. Rozdział IV prezen-tuje wyniki uzyskane za pomoc ˛a programu symulacyjnego. Ostatnim rozdziałem jest podsumowanie.

II. METODY OSZCZ ˛EDNO ´SCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ Od momentu rozpocz˛ecia prac nad zagadnieniem „Green energy” producenci proponowali liczne rozwi ˛azania zwi˛eksza-j ˛ace oszcz˛edno´s´c energii elektrycznej. Poniewa˙z rozwi ˛azania te dotyczyły ró˙znych elementów architektury danego urz ˛ adze-nia (np. oprogramowanie, sprz˛et), co tym samym powodowało trudno´sci z ich porównaniem, wprowadzony został ogólny mo-del obejmuj ˛acy obszary, w których mo˙zliwy jest do osi ˛agni˛ecia potencjalny zysk [10]. Opracowany model został zaczerpni˛ety z mechanizmów oszcz˛edno´sci i zarz ˛adzania energi ˛a, który był ju˙z wykorzystywany w komputerach, przedstawia on trzy podstawowe koncepcje maj ˛ace na celu popraw˛e wydajno´sci energetycznej. Koncepcje te zostały sklasyﬁkowane jako:

• przebudowy urz ˛adzenia,

• adaptacja dynamiczna,

• usypianie i czuwanie.

(3)

=PLDQ\NRQVWUXNF\MQH $GDSWDFMDG\QDPLF]QD 8V\SLDQLHLF]XZDQLH 6SUDZQHHQHUJHW\F]QLH XNáDG\NU]HPRZH 5HGXNFMD]áRĪRQRĞFL 6NDORZDQLHZ\GDMQRĞFL %H]F]\QQDORJLND 3UR[\REHFQRĞFLZVLHFL

Rysunek 2. Sposoby zmniejszenia zu˙zycia energii w sieciach telekomunika-cyjnych P U P ϭ Ŷ ϭ Ŷ ϭ Ŷ ϭ Ŷ

Rysunek 3. Struktura pola Closa

ν

(n,m,r)

III. PROGRAM SYMULACYJNY A. Modele symulacyjne

Opracowany w ramach pracy magisterskiej prowadzonej w Katedrze Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych [11] program symulacyjny umo˙zliwia zbadanie licznych przypad-ków zu˙zycia energii elektrycznej przez struktur˛e pola komu-tacyjnego Closa. Struktura pola Closa została przedstawiona na rys. 3. W programie zaimplementowane zostały algorytmy poprawiaj ˛ace zu˙zycie energii elektrycznej, a poszczególne modele odpowiadaj ˛a trybom symulacji. W badaniu wykorzy-stano istniej ˛ace, niezmodyﬁkowane algorytmy wyboru drogi poł ˛aczeniowej:

• algorytm kolejno´sciowy,

• algorytm quasi-przypadkowy,

• algorytm Bene˘sa.

Algorytm losowy, d ˛a˙z ˛acy do równomiernego obci ˛a˙zenia wszystkich elementów komutacyjnych pola, a tym samym uniemo˙zliwiaj ˛acy wył ˛aczenie cz˛e´sci zasobów, został tutaj po-mini˛ety.

Dla ka˙zdego z przedstawionych algorytmów przygotowane zostały dwie modyﬁkacje działania, dzi˛eki czemu mo˙zliwe jest oszacowanie, która z metod jest najwydajniejsza. Zaimplemen-towane zostały nast˛epuj ˛ace tryby pracy:

• tryb bez wył ˛aczania zasobów pola komutacyjnego,

• wył ˛aczanie nieu˙zywanych komutatorów sekcji ´srodko-wej,

• wył ˛aczanie nieu˙zywanych komutatorów sekcji ´srodkowej zapewniaj ˛ac dost˛epny zawsze jeden zespół funkcyjny. Nale˙zy zaznaczy´c, ˙ze pierwszy wymieniony tryb nie wpro-wadza jakichkolwiek zmian w działaniu pola komutacyjnego sterowanego wymienionymi wcze´sniej algorytmami wyboru drogi poł ˛aczeniowej.

1) Tryb bez wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej: Pierwszy z trybów pracy programu symulacyjnego pozwala na sprawdzenie teoretycznych mo˙zliwo´sci oszcz˛edno´sci energii elektrycznej. W tym trybie działania symulacji komutatory sekcji ´srodkowej nie s ˛a wył ˛aczane, natomiast zliczany jest czas braku aktywno´sci poszczególnych elementów sekcji. Dzi˛eki temu, po zako´nczeniu eksperymentu otrzymywany jest wynik, w którym zawarte jest w jakim stopniu u˙zytkowana jest struktura i jakie s ˛a maksymalne warto´sci do osi ˛agni˛ecia dla poszczególnych algorytmów wyboru drogi poł ˛aczenia. Wyni-ki z tego trybu zostały wykorzystane jako referencyjne dla pó´zniejszych eksperymentów.

Proces zliczania braku aktywno´sci poszczególnych komu-tatorów polega na sprawdzeniu w ka˙zdej jednostce czasu, czy ró˙znica czasu pomi˛edzy aktualnym zegarem systemowym a ostatnim u˙zyciem komutatora jest wi˛eksza ni˙z warto´sć zdeklarowana w konfiguracji symulacji. Je´sli warunek ten jest spełniony zwi˛ekszany jest globalny licznik oszcz˛edno´sci energii elektrycznej. Na koniec symulacji warto´sć ta jest przeliczona dla pojedynczego komutatora sekcji ´srodowej. Parametry symulacji, w tym rozwa˙zane przedziały czasowe, s ˛a w pełni konfigurowalne.

Dzi˛eki opracowaniu przedstawionego algorytmu mo˙zliwe jest zweryﬁkowanie teoretycznych mo˙zliwo´sci poszczegól-nych algorytmów wyboru drogi poł ˛aczenia oraz porównaniu ich. Dodatkowo ten tryb działania stanowi baz˛e dla pozosta-łych modeli symulacji i umo˙zliwia równie˙z przyszłe rozsze-rzenie mo˙zliwo´sci wykorzystywanego programu.

2) Tryb z wył ˛aczaniem komutatorów sekcji ´srodkowej: Tryb ten umo˙zliwia zweryﬁkowanie mo˙zliwych do osi ˛ agni˛e-cia oszcz˛edno´sci energii, je´sli do sterowania struktur ˛a pola komutacyjnego zastosowany zostanie algorytm wyboru drogi poł ˛aczeniowej zapewniaj ˛acy wył ˛aczanie komutatorów sekcji ´srodkowej.

Zasada wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej, podob-nie jak w poprzednim trybie pracy, zale˙zna jest od warto´sci przedziału czasu po jakim dany komutator mo˙ze zosta´c uznany za nieu˙zytkowany. Poniewa˙z rzeczywisty proces wył ˛aczania i wł ˛aczania danego komutatora nie nast˛epuje natychmiast, dlatego w symulacji przyj˛ete zostały dwa okresy ochronne, które nie s ˛a zaliczane do całkowitego wyniku oszcz˛edno´sci energii elektrycznej, jak równie˙z nie umo˙zliwiaj ˛a zestawienia poł ˛aczenia przez ten komutator:

• okres po ustaleniu, ˙ze komutator zostanie wył ˛aczony trwaj ˛acy 1 jednostk˛e czasu,

• okres po ustaleniu, ˙ze komutator zostanie wł ˛aczony trwa-j ˛acy równie˙z 1 jednostk˛e czasu.

(4)

3) Tryb z „inteligentnym” wył ˛aczaniem komutatorów sekcji ´srodkowej: Tryb pracy z wył ˛aczaniem komutatorów sekcji ´srodkowej posiada dobre wła´sciwo´sci w przypadku kiedy struktura jest nieprzerwanie u˙zytkowana i nie nast˛epuj ˛a dłu˙z-sze przerwy. Je´sli jednak cz˛estotliwo´sć napływu zgłodłu˙z-szeń zostanie drastycznie obni˙zona mo˙ze nast ˛apić przypadek, w którym wył ˛aczone zostan ˛a wszystkie komutatory sekcji ´srod-kowej, przez co ka˙zde kolejne zgłoszenie, zanim nast ˛api ˛a po-nowne wł ˛aczenia, zostanie odrzucone. Kolejnym problemem jest takie wył ˛aczenie komutatorów sekcji ´srodkowej, ˙ze mimo dost˛epno´sci okre´slonej pary, wej´scie-wyj´scie poł ˛aczenie nie b˛edzie mogło zostać zrealizowane z uwagi na brak zasobów w sekcji ´srodkowej. Sytuacje takie s ˛a niedopuszczalne, dlatego opracowana została modyfikacja algorytmu.

Tryb pracy z „inteligentnym” wył ˛aczaniem komutatorów sekcji ´srodkowej całkowicie rozwi ˛azuje przedstawiony pro-blem. Ogólna koncepcja działania tego algorytmu sprowadza si˛e do zapewnienia zawsze co najmniej jednego funkcjonalnie pełnego zespołu poł ˛aczeniowego. Dzi˛eki temu zminimalizo-wana zostaje liczba blokad wyst˛epuj ˛acych w polu komutacyj-nym kosztem zmniejszenia oszcz˛edno´sci energii elektrycznej. Podczas okre´slania, czy dany komutator mo˙ze zostać wył ˛ a-czony, weryfikowana jest mo˙zliwo´sć zrealizowania poł ˛aczeń pomi˛edzy komutatorami z sekcji pierwszej do trzeciej. Je´sli wszystkie poł ˛aczenia mog ˛a zostać zrealizowane, wówczas we-ryfikowany komutator mo˙ze zostać oznaczony do wył ˛aczenia. W przeciwnym wypadku mimo spełnienia warunku na jego nieu˙zytkowanie pozostanie on w stanie aktywno´sci i umo˙zliwi zestawienie poł ˛aczenia.

IV. WYNIKI SYMULACJI

Do okre´slenia mo˙zliwo´sci oszcz˛edno´sci energii elektrycznej prezentowanych metod wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srod-kowej konieczne jest zbadanie maksymalnego zysku, jaki mo˙z-na osi ˛agn ˛a´c bez stosowania ogranicze´n w sposobie wył ˛aczania komutatorów. W tym celu wykorzystany został pierwszy z trybów symulacji, a uzyskane wyniki wskazuj ˛a teoretyczne mo˙zliwo´sci poszczególnych algorytmów.

W tym trybie symulacji, wszystkie komutatory s ˛a wł ˛aczone przez cały czas trwania symulacji, zliczany jest natomiast czas przez jaki poszczególne komutatory zostały uznane jako nieu˙zywane. Eksperyment symulacyjny został powtórzony po pi˛etna´scie razy dla ka˙zdego algorytmu, a otrzymane wyniki zostały u´srednione w celu zapewnienia wiarygodno´sci staty-stycznej (zało˙zony 95%. przedział ufno´sci został osi ˛agni˛ety). Czas trwania symulacji został przyj˛ety jako 50 tys. jednostek czasu, natomiast okres po jakim komutator zostanie uznany za nieu˙zywany to 2 jednostki czasu symulacji. Dodatkowo pakiet mo˙ze zaj ˛a´c dan ˛a drog˛e w polu na co najwy˙zej 4 jednostki czasu. Testowanym polem komutacyjnym jest pole Closa o parametrach v(3,2,3), czyli jest to pole nieblokowalne w w ˛askim sensie. W tabeli II przedstawiono zbiorcze zestawienie wyników symulacji. Zerowa liczba pakietów odrzuconych na skutek blokady pola komutacyjnego wynika z odpowiedniego dobrania paramentów pola Closa.

Na podstawie analizy uzyskanych wyników najbardziej wy-dajne pod wzgl˛edem energetycznym s ˛a algorytmy

kolejno´scio-wy oraz Bene˘sa, a rezultaty otrzymane podczas ich u˙zycia ró˙zni ˛a si˛e nieznacznie (około 3,5 %). Odpowiednio mniejszy wynik (około 45 %) zanotowany został dla algorytmu quasi-przypadkowego. Algorytm ten realizuje wybór komutatora sekcji ´srodkowej odpowiadaj ˛acego za poł ˛aczenie na podstawie poprzednio wybranego, przez co nie jest mo˙zliwe zapewnienie dłu˙zszego okresu czasu braku aktywno´sci poszczególnych elementów sekcji.

W trakcie badań zaproponowane zostały algorytmy wył ˛ a-czania elementów komutacyjnych sekcji ´srodkowej. Sam mo-ment wył ˛aczania oraz ponownego uruchamiania komutatora jest stosunkowo skomplikowanym procesem, w którym wyst˛e-puj ˛a okresy przej´sciowe pomi˛edzy jednym a drugim stanem. W okresach tych nie jest mo˙zliwe zestawienie poł ˛aczenia przez dany komutator, jak równie˙z nie mo˙zna go zaliczyć do zysku wynikaj ˛acego z braku jego aktywno´sci. Wa˙znym czynnikiem jest równie˙z zapewnienie mo˙zliwie małych strat pakietów wynikaj ˛acych z potencjalnej blokady wewn˛etrznej pola komutacyjnego. W tym eksperymencie symulacyjnym zaprezentowane zostały mo˙zliwo´sci oszcz˛edno´sci energii, gdy algorytm umo˙zliwia wył ˛aczenie nieu˙zywanych komutatorów ´srodkowej sekcji pola Closa. Eksperyment został przygotowa-ny dla pola Closa o parametrach v(9,5,5), dla 50 tys. jednostek czasu. Okresem, po którym komutator zostanie uznany jako nieu˙zywany s ˛a 2 jednostki czasu, natomiast pakiet mo˙ze zaj ˛ać dan ˛a ´scie˙zk˛e poł ˛aczenia na maksymalnie 4 jednostki czasu symulacji. Ze wzgl˛edu na wyst˛epowanie procesu wył ˛aczania oraz ponownego uruchamiania komutatora, zachowany został okres przej´sciowy pomi˛edzy stanami trwaj ˛acy 1 jednostk˛e czasu.

Na podstawie danych zebranych z eksperymentów symula-cyjnych potwierdzone zostało, ˙ze w przypadku realizacji prak-tycznej, w której wył ˛aczane s ˛a komutatory sekcji ´srodkowej, nie jest mo˙zliwe osi ˛agni˛ecie lepszego rezultatu oszcz˛edno´sci energii elektrycznej, ni˙z ten otrzymany w rozwa˙zaniach teore-tycznych z poprzedniego rozdziału. Wyniki zaprezentowane w tabli III s ˛a ´srednio około 2% gorsze od wyników teoretycz-nych. Powodem tego jest wprowadzenie czasu zmiany stanów komutatorów z wł ˛aczonego na wył ˛aczony i z wył ˛aczonego na wł ˛aczony.

Poza parametrami elektrycznymi wa˙zne s ˛a równie˙z wła´sci-wo´sci kombinatoryczne wyst˛epuj ˛ace w polu komutacyjnym. Po wył ˛aczeniu komutatorów sekcji ´srodkowej przestaje być spełniony warunek na blokowalno´sć pola Closa, przez co cze´sć pakietów b˛edzie tracona wewn ˛atrz struktury. Pod tym wzgl˛edem najkorzystniejszy jest algorytm quasi-przypadkowy, jednak ze wzgl˛edu na wła´sciwo´sci zysku energetycznego jego rzeczywiste zastosowanie jest ograniczone. Znacznie korzyst-niejsze w tym przypadku jest zrezygnowanie z wył ˛aczania sekcji pola zapewniaj ˛ac tym samym ci ˛agło´sć braku blokad wewn˛etrznych.

Porównuj ˛ac wła´sciwo´sci kombinatoryczne pola Closa, po wył ˛aczeniu cz˛e´sci elementów tworz ˛acych ´srodkow ˛a sekcj˛e pola przez algorytmy kolejno´sciowy oraz Bene˘sa, znacznie korzystniejszy stosunek pakietów odrzuconych ze wzgl˛edu

(5)

Tabela II

MAKSYMALNE WARTO ´SCI OSZCZ ˛EDNO ´SCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ,KTÓRE MO ˙ZNA UZYSKA ´C BEZ DODATKOWYCH OGRANICZE ´N NA WYŁ ˛ACZANIE ELEMENTÓW SEKCJI ´SRODKOWEJ

Algorytm Pole Zaoszcz˛edzona Ilo´s´c pakietów

Closa energia przesłanych odrzuconych odrzuconych (blokada wewn˛etrzna)

Kolejno´sciowy

ν

(3,2,3) 15,46 % 67,16 % 32,84 % 0 % Quasi- przypadkowy

ν

(3,2,3) 9,00 % 67,16 % 32,84 % 0 % Bene˘sa

ν

(3,2,3) 14,91 % 67,16 % 32,84 % 0 % Kolejno´sciowy

ν

(9,5,5) 22,58 % 64,02 % 35,98 % 0 % Quasi- przypadkowy

ν

(9,5,5) 5,38 % 64,02 % 35,98 % 0 % Bene˘sa

ν

(9,5,5) 22,07 % 64,02 % 35,98 % 0 % Tabela III

OSZCZ ˛EDNO ´SCI ENERGII ELEKTRYCZNE W PRZYPADKU ZASTOSOWANIA ALGORYTMU WYŁ ˛ACZAJ ˛ACEGO KOMUTATORY ´SRODKOWEJ SEKCJI

Kolejno´sciowy

ν

(9,5,5) 22,20 % 61,85 % 38,15 % 3,14 %

Quasi- przypadkowy

ν

(9,5,5) 1,62 % 63,99 % 36,01 % 0,07 %

Bene˘sa

ν

(9,5,5) 22,00 % 62,58 % 37,42 % 2,09 %

na blokad˛e wewn˛etrzn ˛a wykazuje algorytm Bene˘sa. Liczba tych pakietów wynosi 2 % i jest o około 36 % mniejsza ni˙z w przypadku algorytmu kolejno´sciowego. Nale˙zy zwróci´c równie˙z uwag˛e na fakt, i˙z algorytm Bene˘sa jest bardziej zło˙zony obliczeniowo, przez co jego realizacja wymaga wi˛ek-szych nakładów sprz˛etowych jak równie˙z nale˙zy si˛e spo-dziewa´c wi˛ekszego poboru energii przez element steruj ˛acy polem komutacyjnym. Poniewa˙z faktyczny wzrost zale˙zy od implementacji algorytmu i jest trudny do oszacowania, został on w badaniach pomini˛ety. W tabeli III przedstawiono pełne zestawienie algorytmów wraz z parametrami statystycznymi wykonanych symulacji.

Analizuj ˛ac działanie metody polegaj ˛acej na wył ˛aczaniu komutatorów sekcji ´srodkowej mo˙zna zauwa˙zy´c, ˙ze metoda ta nie sprawdza dost˛epno´sci pola komutacyjnego podczas wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej. Takie podej´scie mo˙ze skutkowa´c w skrajnym przypadku tym, ˙ze po wył ˛ a-czeniu komutatora nie b˛edzie mo˙zliwe zestawienie ˙zadnego kolejnego poł ˛aczenia wewn ˛atrz struktury, przez co wzro´snie liczba traconych pakietów. Rozwi ˛azanie tego problemu zostało zaproponowane w metodzie polegaj ˛acej na „inteligentnym” wył ˛aczaniu komutatorów sekcji ´srodkowej.

Pod poj˛eciem „inteligentnego” wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej mo˙zna zrozumie´c zapewnienie zawsze jedne-go funkcjonalnie pełnejedne-go zespołu sekcji ´srodkowej umo˙zliwia-j ˛acego zestawienie poł ˛aczenia. Dzi˛eki temu zminimalizowana zostanie liczba traconych pakietów, kosztem nieco gorszych parametrów energetycznych.

W celu potwierdzenia tezy, wykonany został zbiór symulacji dla pola komutacyjnego v(9,5,5) przy zastosowaniu tego same-go zestawu j ˛ader inicjalizuj ˛acych generatory pseudolosowe, co w przypadku symulacji dla metody wył ˛aczaj ˛acej komutatory sekcji ´srodkowej. Zebrane wyniki eksperymentów symula-cyjnych potwierdzaj ˛a, i˙z dzi˛eki zastosowaniu „inteligentne-go” wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej zredukowana

została liczba pakietów traconych ze wzgl˛edu na blokad˛e pola komutacyjnego odpowiednio o 35 % dla algorytmu kolejno´sciowego, 65,7 % dla quasi-przypadkowego i 43 % dla algorytmu Bene˘sa. Jednocze´snie zachowany został dobry współczynnik oszcz˛edno´sci energii elektrycznej algorytmów kolejno´sciowego oraz Bene˘sa. Zestawienie wyników działania „inteligentnego” algorytmów wył ˛aczania komutatorów sekcji ´srodkowej przedstawiono w tabeli IV.

V. WNIOSKI

W artykule przedstawione zostały nowoczesne metody zwi˛ekszenia oszcz˛edno´sci energii elektrycznej w urz ˛adzeniach sieciowych. Przedstawione mechanizmy s ˛a obecnie wykorzy-stywane przez licz ˛acych si˛e na rynku producentów sprz˛e-tu sieciowego, a wypracowane modele słu˙z ˛a, jako szkielet podstawowy do dalszych bada´n nad zagadnieniem. Kluczow ˛a kwesti ˛a bada´n było przygotowanie programu symulacyjnego umo˙zliwiaj ˛acego okre´slenie mo˙zliwych do uzyskania oszcz˛ed-no´sci energii elektrycznej w strukturach pola komutacyjne-go Closa. Implementacja programu zakładała wykorzystanie nast˛epuj ˛acych algorytmów wyboru drogi poł ˛aczenia w polu komutacyjnym:

• algorytm kolejno´sciowy,

• algorytm quasi-przypadkowy,

• algorytm Bene˘sa.

Do ka˙zdego z przedstawionych algorytmów zrealizowane zostały dwie metody pozwalaj ˛ace zmniejszy´c zu˙zycie energii elektrycznej przez struktur˛e:

• wył ˛aczanie komutatorów sekcji ´srodkowej,

• „inteligentne” wył ˛aczanie komutatorów sekcji ´srodkowej zapewniaj ˛ace zawsze wł ˛aczony jeden pełen zespół funk-cyjny.

W celu porównania algorytmów oraz sprawdzenia poten-cjalnych mo˙zliwo´sci technicznych zysku energetycznego opra-cowany został mechanizm pozwalaj ˛acy sprawdzi´c czas przez

(6)

Tabela IV

OSZCZ ˛EDNO ´SCI ENERGII ELEKTRYCZNE W PRZYPADKU ZASTOSOWANIA ALGORYTMU„INTELIENTNEGO”WYŁ ˛ACZANIA KOMUTATORÓW ´SRODKOWEJ SEKCJI

Kolejno´sciowy

ν

(9,5,5) 20,70 % 63,25 % 36,75 % 1,11 %

Quasi- przypadkowy

ν

(9,5,5) 1,59 % 63,98 % 36,02 % 0,04 %

Bene˘sa

ν

(9,5,5) 21,00 % 63,41 % 36,59 % 0,88 %

jaki komutatory sekcji ´srodkowej pola Closa s ˛a nieu˙zywa-ne. Mechanizm ten posłu˙zył jako wyznacznik maksymalnych mo˙zliwo´sci oszcz˛edno´sci energii w polu komutacyjnym Closa dla algorytmów wyboru drogi poł ˛aczenia.

Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzaj ˛a realne mo˙z-liwo´sci oszcz˛edno´sci energii elektrycznej w polu komuta-cyjnym wynikaj ˛ace z optymalnego wyboru drogi poł ˛aczenia oraz zastosowania metod pozwalaj ˛acych wył ˛aczyć komutatory ´srodkowej sekcji. Pod tym wzgl˛edem najkorzystniejsze s ˛a algorytmy kolejno´sciowy oraz Bene˘sa, które dla przykłado-wej zbadanej struktury v(9,5,5) potrafi ˛a zapewnić zysk na poziomie 20–22 % zale˙znie od metody wył ˛aczania komu-tatorów sekcji ´srodkowej pola. Ponadto, przy zastosowaniu algorytmu wył ˛aczania zapewniaj ˛acego zawsze dost˛epny jeden funkcjonalnie pełen zespół sekcji ´srodkowej, udało si˛e uzyskać nieznacznie małe straty pakietów (poni˙zej 1%) wynikaj ˛ace z blokady wewn˛etrznej pola komutacyjnego.

PODZI ˛EKOWANIA

Projekt został sﬁnansowany ze ´srodków Narodowego Cen-trum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST7/03959.

LITERATURA

[1] IEEE 802.3 Working Group, “Energy efﬁcient ethernet call for interest presentation material,” Dallas, TX, USA, Tech. Rep., 2006.

[2] W. Pawłowicz, “Green it w telekomunikacji,” Networld, czerwiec 2009. [3] Telecom Italia, “Sustainability report 2006,” http://77.238.10.124/sostenibilita2006/English/B05.html, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2006.

[4] ——, “Sustainability report 2008,” http://telecom-italia-

sustainability-report-2008.production.investis.com/external-stakeholders/environment/energy.aspx, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2006.

[5] ——, “Sustainability report 2010,” http://2010annualreport.telecomitalia.com

/sren/Externalstakeholders/TheEnvironment.html, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2008.

[6] ——, “Sustainability reports,” http://www.telecomitalia.com/tit/en/ sustainability/sustainability-report/sustainability-reports.html, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2013.

[7] British Telecom, “Better future our 2011 sustainability review,” http://www.btplc.com/betterfuture/betterbusiness/betterfuturereport/pdf/ 2011/Better_Future_BT_sustainability_review_2011.pdﬂ, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2011.

[8] Deutche Telekom, “The 2010/2011 corporate responsibility report,” http://www.cr-report.telekom.com/site11/en/kennzahlen/oekologisch/ energie-emissionen/index.php, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2011. [9] “Global e-sustiainibility initiative (gesi). smart 2020

ena-bling the low carbon economy in the information age.” http://www.smart2020.org/_assets/ﬁles/02_Smart2020Report.pdf, Stan: 2013-11-15, Tech. Rep., 2008.

[10] F. C. R. B. Roberto Bruschi, Franco Davoli, “Energy efﬁciency in the future internet: A survey of existing approaches an trends in energy-aware ﬁxed network infrastructures,” IEEE COMMUNICATIONS

SURVEYS & TUTORIALS, vol. 13, no. 2, 2011.

[11] P. Wojtysiak, “„Ekologiczne” algorytmy steruja¸ce polem komutacyj-nym,” Praca Dyplomowa Magisterska, Politechnika Pozna´nska, Wydział Elektroniki i Telekomunmikacji, Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych, 2012.