Ekologiczne Algorytmy Sterujące Polem Komutacyjnym

Ekologiczne Algorytmy Sterujące Polem Komutacyjnym Mariusz Żal, Przemysław Wojtysiak Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunikacji, Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych ul. Polanka 3, 60-965 Poznań, e-mail: mariusz.zal@put.poznan.pl, http://nss.et.put.poznan.pl Streszczenie W artykule przedstawiono metody oszczędzania energii elektrycznej w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych oraz komputerowych. Prezentowany jest obecny stan wiedzy oraz możliwe przyszłe trendy zmian. Przedstawiono analizę możliwości oszczędności energii elektrycznej na przykładzie struktury pola Closa wykorzystywanego w węzłach telekomunikacyjnych. W celu porównania zużycia energii przez pole komutacyjne napisany został program symulacyjny umożliwiajacy sprawdzenie jakości działania algorytmów wyboru drogi połaczeniowej oraz ich modyfikacji zmniejszajacych zapotrzebowanie pola komutacyjnego na energię. Wykazano, że dla niektórych algorytmów wyboru drogi połaczeniowej możliwe jest zaoszczędzenie energii elektrycznej. I. WPROWADZENIE Technologie telekomunikacyjne rozwijane są nieprzerwanie od wielu lat. Rosnąca liczba użytkowników, przepustowości sieci, gwałtowny wzrost przesyłanych danych oraz rozwijanie nowych usług przez operatorów telekomunikacyjnych wymusza ciągły rozwój sprzętu sieciowego. Producenci urządzeń prześcigają się w proponowanych rozwiązaniach zwiększających możliwości urządzeń. Jednak w ostatnich latach pojawił się inny, równie ważny kierunek badań - rozwijanie technik pozwalających zaoszczędzić energię elektryczną. W celu zapewnienia nowoczesnej infrastruktury oraz licznych usług dodatkowych dla szybko wzrastającej populacji, a tym samym liczby użytkowników, operatorzy telekomunikacyjni i dostawcy usług internetowych zmuszeni są nieprzerwanie zwiększać liczbę urządzeń, jednocześnie zapewniając skalowalność swoich rozwiązań. Zgodnie z obserwowanym trendem, routery końcowe zwiększają swoją pojemność 2,5 razy w ciągu 18 miesięcy. Przekłada się to bezpośrednio na nieustanne zwiększenie zużycia energii elektrycznej, dlatego zagadnienie Green energy zyskuje na znaczeniu. Model sieci świadomych ekologii został opracowany kilka lat temu. Sieci, które można określić mianem Green energy, mogą zostać scharakteryzowane jako te, które zapewniają wymagane parametry zgodnie z zapotrzebowaniem projektowym (np. wymagana przepustowość, obsługiwana liczba użytkowników, opóźnienia), przy jednoczesnym minimalnym możliwym zużyciu energii elektrycznej [1]. Istotną kwestią jest także pełna kompatybilność tych sieci (w tym urządzeń tworzących ich infrastrukturę) z rozwiązaniami tradycyjnymi, które są nadal w użyciu. Główna energooszczędność sprzętu tworzącego obecną infrastrukturę sieciową wynika z zastosowania nowoczesnych układów półprzewodnikowych o zwiększonej wydajności przy podobnym poborze energii. Dlatego producenci uzależnieni są wdużej mierze od rozwoju technologii półprzewodnikowych. Możliwe jest również osiągnięcie zysku przez zmiany w oprogramowaniu strukturalnym. Przykładem takiego podejścia może być zaproponowana przez Alcatel-Lucent zmiana oprogramowania sterującego telekomunikacyjnymi stacjami bazowymi GSM, gdzie uzyskano zmniejszenie zużycia energii elektrycznej (według producenta) nawet o 25 %. Jednocześnie producent nie wprowadził w tej aktualizacji jakiejkolwiek zmiany sprzętowej [2]. Problem sieci świadomych energii może być analizowany na wiele sposób, a oszczędności energii mogą wynikać z pomysłów, początkowo jawiących się jako rozwiązania zwiększające jej pobór. Wiele nowoczesnych usług sieciowych (np. wideokonferencje) pozornie wprowadza odwrotny rezultat niż oszczędność energii. Usługi te posiadają stosunkowo duże zapotrzebowanie na przepustowość, co w skali globalnej znacząco zwiększa obciążenie sieci Internet. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że dzięki rozwojowi tych usług można zwiększyć ochronę środowiska przez zmniejszenie liczby podróży służbowych, gdyż duża część spotkań biznesowych może odbyć się w formie wideokonferencji. Podobne oczekiwania są obecnie stawiane dla modelu komunikacji ujednoliconej UC (ang. Unified Communications). Wciągu kilku ostatnich lat wiele dużych firm telekomunikacyjnych, jak i organizacji, opublikowało raporty dotyczące szacowanego zapotrzebowania na energię elektryczną oraz emisję dwutlenku węgla do atmosfery przez infrastrukturę sieci telekomunikacyjnych. Raporty te zaczęły prezentować niepokojące zmiany prowadzące do zwiększenia zużycia energii elektrycznej oraz, co bardziej istotne, znacznego wzrostu emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Przykładem firmy, która jako jedna z pierwszych zaprezentowała swoje dane statystyczne może być Telecom Italia, która w 2006 osiągnęła zużycie energii na poziomie 2,0 TWh (w tamtym czasie stanowiło to około 1 % całkowitej energii wykorzystywanej we Włoszech), będące około 8 % większe w stosunku do roku poprzedniego. Jednocześnie szacowana emisja CO 2 wyniosła 977 Ton ze wzrostem na poziomie 7 % [3], [4]. Późniejsze raporty grupy Telecom Italia prezentują, że technologia została znacznie bardziej dopracowana, a gwałtowny wzrost zużycia energii został opanowany i spowolniony (zużycie 2,2 TWh w 2006 roku oraz 2,06 TWh w roku 2010). Na potrzeby corocznych raportów specjaliści z Telecom Italia zaproponowali wskaźnik odzwierciedlający liczbę przesłanych bitów w ciągu roku w 44 XVII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Rysunek 1. GiSI Szacowana emisja gazów cieplarnianych przewidywana przez stosunku do zużytej energii. Wyniki te zostały zaprezentowane zostały w tabeli I i obrazują znaczny wzrost całkowitej liczby danych przesyłanych przez sieć, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii elektrycznej [5]. Tabela I WZROST ZUŻYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRZEZ TELECOM ITALIA [6] Rok Kbit/kWh bit/j % wzrostu w ciągu 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. Zużycie energii przez tego operatora było bardzo zbliżone na przestrzeni lat do prezentowanego przez Telecom Italia. Dla przykładu w roku 2008 całkowite zużycie energii przez BT wyniosło 2,6 TWh i około 0,7 % całego zużycia w Wielkiej Brytanii. W najnowszym raporcie zostały zaprezentowane również dane dotyczące emisji dwutlenku węgla. Według tych danych emisja w roku 1997 była najwyższa i wynosiła 1,627 ton. Od tego momentu operator rozpoczął realizację programu zwiększonej ochrony środowiska, co przyczyniło się sukcesywnego zmniejszania tej wartości redukując emisję o 59 % w roku 2011 do poziomu 759 ton [7]. Dane statystyczne zaprezentowane przez największego operatora w Europie Deutsche Telekom potwierdzają ogólnie panujący trend. Grupa DT w roku 2007 zużyła sumarycznie 7,2 TWh, a w kolejnych latach odpowiednio 7,7 TWh, 7,8 TWh, 8,0 TWh. Należy zwrócić jednak uwagę na fakt, że operator ten świadczy usługi w wielu krajach Europy (m.in. Niemcy, Grecja, Holandia, czy też Polska) przez co dane te są odpowiednio wyższe niż np. te przedstawione przez Telecom Italia [8]. Ostatnią istotną grupą danych statystycznych są opracowania zbiorcze wykonane przez Global e-sustainability Initiative (GeSI) i dotyczące emisji dwutlenku węgla w sektorze informatyki oraz telekomunikacji. Zaprezentowane w raporcie dane szacują, że obecnie wzrost emisji CO 2 zostanie utrzymany i w roku 2020 całkowita emisja wyniesie 320 MTon. Zgodnie z informacjami zawartymi w raporcie, największy wpływ na taką sytuację ma mieć 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 bezpośrednio ze wzrostu zapotrzebowania urządzeń telekomunikacyjnych na energię elektryczną, lecz z dynamicznego rozwoju i wzrostu ilości używanego sprzętu tworzących globalną infrastrukturę. Z przytoczonych danych statystycznych wynika, że proces zmian w nowoczesnych sieciach telekomunikacyjnych został zapoczątkowany już w roku 2007 i trwa nieprzerwanie do dzisiaj. Najistotniejszymi zmianami obecnie obserwowanymi i mający wymierny wpływ na możliwe zmiany ekologiczne są: zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej do transmisji elementarnych danych (bitów), zwiększenie możliwości transmisyjnych (przepustowości) nowoczesnych sieci, zwiększenie pojemności sieci (liczba użytkowników), globalny rozrost infrastruktury, dążenie do redukcji emisji gazów cieplarnianych, a w szczególności CO 2. Jak pokazują zmiany ostatnich lat, obecny stan rozwiązań pozwala jeszcze na dopracowanie wielu elementów, a tym samym może przyczynić się do poprawy panującej sytuacji. Pozostała cześć artykułu została przygotowana w następujący sposób. W rozdziale II przedstawiono metody oszczędności energii elektrycznej w systemach telekomunikacyjnych. Kolejny rozdział zawiera opis trybów pracy programu symulacyjnego, który pozwolił ocenić oszczędności w zużyciu energii elektrycznej, przy zastosowaniu zaproponowanych algorytmów wyłączania niewykorzystanych elementów komutacyjnych sekcji środkowej w polu Closa. Rozdział IV prezentuje wyniki uzyskane za pomocą programu symulacyjnego. Ostatnim rozdziałem jest podsumowanie. II. METODY OSZCZEDNOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ Od momentu rozpoczęcia prac nad zagadnieniem Green energy producenci proponowali liczne rozwiązania zwiększające oszczędność energii elektrycznej. Ponieważ rozwiązania te dotyczyły różnych elementów architektury danego urządzenia (np. oprogramowanie, sprzęt), co tym samym powodowało trudności z ich porównaniem, wprowadzony został ogólny model obejmujący obszary, w których możliwy jest do osiągnięcia potencjalny zysk [10]. Opracowany model został zaczerpnięty z mechanizmów oszczędności i zarządzania energią, który był już wykorzystywany w komputerach, przedstawia on trzy podstawowe koncepcje mające na celu poprawę wydajności energetycznej. Koncepcje te zostały sklasyfikowane jako: przebudowy urządzenia, adaptacja dynamiczna, usypianie i czuwanie. Wymienione modele zostały przedstawione na rys. 2. PWT 2013 - Poznań - 13 grudnia 2013 45

Rysunek 2. Sposoby zmniejszenia zużycia energii w sieciach telekomunikacyjnych 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 umożliwia zbadanie licznych przypadków zużycia energii elektrycznej przez strukturę pola komutacyjnego Closa. Struktura pola Closa została przedstawiona na rys. 3. W programie zaimplementowane zostały algorytmy poprawiające zużycie energii elektrycznej, a poszczególne modele odpowiadają trybom symulacji. W badaniu wykorzystano istniejące, niezmodyfikowane algorytmy wyboru drogi połączeniowej: algorytm kolejnościowy, algorytm quasi-przypadkowy, algorytm Bene sa. Algorytm losowy, dążący do równomiernego obciążenia wszystkich elementów komutacyjnych pola, a tym samym uniemożliwiający wyłączenie części zasobów, został tutaj pominięty. Dla każdego z przedstawionych algorytmów przygotowane zostały dwie modyfikacje działania, dzięki czemu możliwe jest oszacowanie, która z metod jest najwydajniejsza. Zaimplementowane zostały następujące tryby pracy: tryb bez wyłączania zasobów pola komutacyjnego, wyłączanie nieużywanych komutatorów sekcji środkowej, wyłączanie nieużywanych komutatorów sekcji środkowej zapewniając dostępny zawsze jeden zespół funkcyjny. Należy zaznaczyć, że pierwszy wymieniony tryb nie wprowadza jakichkolwiek zmian w działaniu pola komutacyjnego sterowanego wymienionymi wcześniej algorytmami wyboru drogi połączeniowej. 1) Tryb bez wyłaczania komutatorów sekcji środkowej: Pierwszy z trybów pracy programu symulacyjnego pozwala na sprawdzenie teoretycznych możliwości oszczędności energii elektrycznej. W tym trybie działania symulacji komutatory sekcji środkowej nie są wyłączane, natomiast zliczany jest czas braku aktywności poszczególnych elementów sekcji. Dzięki temu, po zakończeniu eksperymentu otrzymywany jest wynik, w którym zawarte jest w jakim stopniu użytkowana jest struktura i jakie są maksymalne wartości do osiągnięcia dla poszczególnych algorytmów wyboru drogi połączenia. Wyniki z tego trybu zostały wykorzystane jako referencyjne dla późniejszych eksperymentów. Proces zliczania braku aktywności poszczególnych komutatorów polega na sprawdzeniu w każdej jednostce czasu, czy różnica czasu pomiędzy aktualnym zegarem systemowym a ostatnim użyciem komutatora jest większa niż wartość zdeklarowana w konfiguracji symulacji. Jeśli warunek ten jest spełniony zwiększany jest globalny licznik oszczędności energii elektrycznej. Na koniec symulacji wartość ta jest przeliczona dla pojedynczego komutatora sekcji środowej. Parametry symulacji, w tym rozważane przedziały czasowe, są w pełni konfigurowalne. Dzięki opracowaniu przedstawionego algorytmu możliwe jest zweryfikowanie teoretycznych możliwości poszczególnych algorytmów wyboru drogi połączenia oraz porównaniu ich. Dodatkowo ten tryb działania stanowi bazę dla pozostałych modeli symulacji i umożliwia również przyszłe rozszerzenie możliwości wykorzystywanego programu. 2) Tryb z wyłaczaniem komutatorów sekcji środkowej: Tryb ten umożliwia zweryfikowanie możliwych do osiągnięcia oszczędności energii, jeśli do sterowania strukturą pola komutacyjnego zastosowany zostanie algorytm wyboru drogi połączeniowej zapewniający wyłączanie komutatorów sekcji środkowej. Zasada wyłączania komutatorów sekcji środkowej, podobnie jak w poprzednim trybie pracy, zależna jest od wartości przedziału czasu po jakim dany komutator może zostać uznany za nieużytkowany. Ponieważ rzeczywisty proces wyłączania i włączania danego komutatora nie następuje natychmiast, dlatego w symulacji przyjęte zostały dwa okresy ochronne, które nie są zaliczane do całkowitego wyniku oszczędności energii elektrycznej, jak również nie umożliwiają zestawienia połączenia przez ten komutator: okres po ustaleniu, że komutator zostanie wyłączony trwający 1 jednostkę czasu, okres po ustaleniu, że komutator zostanie włączony trwający również 1 jednostkę czasu. 46 XVII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

3) Tryb z inteligentnym wyłaczaniem komutatorów sekcji środkowej: Tryb pracy z wyłączaniem komutatorów sekcji środkowej posiada dobre właściwości w przypadku kiedy struktura jest nieprzerwanie użytkowana i nie następują dłuższe przerwy. Jeśli jednak częstotliwość napływu zgłoszeń zostanie drastycznie obniżona może nastąpić przypadek, w którym wyłączone zostaną wszystkie komutatory sekcji środkowej, przez co każde kolejne zgłoszenie, zanim nastąpią ponowne włączenia, zostanie odrzucone. Kolejnym problemem jest takie wyłączenie komutatorów sekcji środkowej, że mimo dostępności określonej pary, wejście-wyjście połączenie nie będzie mogło zostać zrealizowane z uwagi na brak zasobów w sekcji środkowej. Sytuacje takie są niedopuszczalne, dlatego opracowana została modyfikacja algorytmu. Tryb pracy z inteligentnym wyłączaniem komutatorów sekcji środkowej całkowicie rozwiązuje przedstawiony problem. Ogólna koncepcja działania tego algorytmu sprowadza się do zapewnienia zawsze co najmniej jednego funkcjonalnie pełnego zespołu połączeniowego. Dzięki temu zminimalizowana zostaje liczba blokad występujących w polu komutacyjnym kosztem zmniejszenia oszczędności energii elektrycznej. Podczas określania, czy dany komutator może zostać wyłączony, weryfikowana jest możliwość zrealizowania połączeń pomiędzy komutatorami z sekcji pierwszej do trzeciej. Jeśli wszystkie połączenia mogą zostać zrealizowane, wówczas weryfikowany komutator może zostać oznaczony do wyłączenia. W przeciwnym wypadku mimo spełnienia warunku na jego nieużytkowanie pozostanie on w stanie aktywności i umożliwi zestawienie połączenia. IV. WYNIKI SYMULACJI Do określenia możliwości oszczędności energii elektrycznej prezentowanych metod wyłączania komutatorów sekcji środkowej konieczne jest zbadanie maksymalnego zysku, jaki można osiągnąć bez stosowania ograniczeń w sposobie wyłączania komutatorów. W tym celu wykorzystany został pierwszy z trybów symulacji, a uzyskane wyniki wskazują teoretyczne możliwości poszczególnych algorytmów. W tym trybie symulacji, wszystkie komutatory są włączone przez cały czas trwania symulacji, zliczany jest natomiast czas przez jaki poszczególne komutatory zostały uznane jako nieużywane. Eksperyment symulacyjny został powtórzony po piętnaście razy dla każdego algorytmu, a otrzymane wyniki zostały uśrednione w celu zapewnienia wiarygodności statystycznej (założony 95 %. przedział ufności został osiągnięty). Czas trwania symulacji został przyjęty jako 50 tys. jednostek czasu, natomiast okres po jakim komutator zostanie uznany za nieużywany to 2 jednostki czasu symulacji. Dodatkowo pakiet może zająć daną drogę w polu na co najwyżej 4 jednostki czasu. Testowanym polem komutacyjnym jest pole Closa o parametrach v(3,2,3), czyli jest to pole nieblokowalne w wąskim 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 wydajne pod względem energetycznym są algorytmy kolejnościowy oraz Bene sa, a rezultaty otrzymane podczas ich użycia różnią się nieznacznie (około 3,5 %). Odpowiednio mniejszy wynik (około 45 %) zanotowany został dla algorytmu quasiprzypadkowego. Algorytm ten realizuje wybór komutatora sekcji środkowej odpowiadającego za połączenie na podstawie poprzednio wybranego, przez co nie jest możliwe zapewnienie dłuższego okresu czasu braku aktywności poszczególnych elementów sekcji. W trakcie badań zaproponowane zostały algorytmy wyłączania elementów komutacyjnych sekcji środkowej. Sam moment wyłączania oraz ponownego uruchamiania komutatora jest stosunkowo skomplikowanym procesem, w którym występują okresy przejściowe pomiędzy jednym a drugim stanem. W okresach tych nie jest możliwe zestawienie połączenia przez dany komutator, jak również nie można go zaliczyć do zysku wynikającego z braku jego aktywności. Ważnym czynnikiem jest również zapewnienie możliwie małych strat pakietów wynikających z potencjalnej blokady wewnętrznej pola komutacyjnego. W tym eksperymencie symulacyjnym zaprezentowane zostały możliwości oszczędności energii, gdy algorytm umożliwia wyłączenie nieużywanych komutatorów środkowej sekcji pola Closa. Eksperyment został przygotowany dla pola Closa o parametrach v(9,5,5), dla 50 tys. jednostek czasu. Okresem, po którym komutator zostanie uznany jako nieużywany są 2 jednostki czasu, natomiast pakiet może zająć daną ścieżkę połączenia na maksymalnie 4 jednostki czasu symulacji. Ze względu na występowanie procesu wyłączania oraz ponownego uruchamiania komutatora, zachowany został okres przejściowy pomiędzy stanami trwający 1 jednostkę czasu. Na podstawie danych zebranych z eksperymentów symulacyjnych potwierdzone zostało, że w przypadku realizacji praktycznej, w której wyłączane są komutatory sekcji środkowej, nie jest możliwe osiągnięcie lepszego rezultatu oszczędności energii elektrycznej, niż ten otrzymany w rozważaniach teoretycznych z poprzedniego rozdziału. Wyniki zaprezentowane w tabli III są średnio około 2 % gorsze od wyników teoretycznych. Powodem tego jest wprowadzenie czasu zmiany stanów komutatorów z włączonego na wyłączony i z wyłączonego na włączony. Poza parametrami elektrycznymi ważne są również właściwości kombinatoryczne występujące w polu komutacyjnym. Po wyłączeniu komutatorów sekcji środkowej przestaje być spełniony warunek na blokowalność pola Closa, przez co cześć pakietów będzie tracona wewnątrz struktury. Pod tym względem najkorzystniejszy jest algorytm quasi-przypadkowy, jednak ze względu na właściwości zysku energetycznego jego rzeczywiste zastosowanie jest ograniczone. Znacznie korzystniejsze w tym przypadku jest zrezygnowanie z wyłączania sekcji pola zapewniając tym samym ciągłość braku blokad wewnętrznych. Porównując właściwości kombinatoryczne pola Closa, po wyłączeniu części elementów tworzących środkową sekcję pola przez algorytmy kolejnościowy oraz Bene sa, znacznie korzystniejszy stosunek pakietów odrzuconych ze względu PWT 2013 - Poznań - 13 grudnia 2013 47

Tabela II MAKSYMALNE WARTOŚCI OSZCZEDNOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ, KTÓRE MOŻNA UZYSKAĆ BEZ DODATKOWYCH OGRANICZEŃ NAWYŁACZANIE ELEMENTÓW SEKCJI ŚRODKOWEJ Algorytm Pole Zaoszczędzona Ilość pakietów Closa energia przesłanych odrzuconych odrzuconych (blokada wewnętrzna) Kolejnościowy 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% Kolejnościowy 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 OSZCZEDNOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNE W PRZYPADKU ZASTOSOWANIA ALGORYTMU WYŁACZAJ ACEGO KOMUTATORY ŚRODKOWEJ SEKCJI Algorytm Pole Zaoszczędzona Ilość pakietów Closa energia przesłanych odrzuconych odrzuconych (blokada wewnętrzna) Kolejnościowy 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 blokadę wewnętrzną wykazuje algorytm Bene sa. Liczba tych pakietów wynosi 2 % i jest o około 36 % mniejsza niż w przypadku algorytmu kolejnościowego. Należy zwrócić również uwagę na fakt, iż algorytm Bene sa jest bardziej złożony obliczeniowo, przez co jego realizacja wymaga większych nakładów sprzętowych jak również należy się spodziewać większego poboru energii przez element sterujący polem komutacyjnym. Ponieważ faktyczny wzrost zależy od implementacji algorytmu i jest trudny do oszacowania, został on w badaniach pominięty. W tabeli III przedstawiono pełne zestawienie algorytmów wraz z parametrami statystycznymi wykonanych symulacji. Analizując działanie metody polegającej na wyłączaniu komutatorów sekcji środkowej można zauważyć, że metoda ta nie sprawdza dostępności pola komutacyjnego podczas wyłączania komutatorów sekcji środkowej. Takie podejście może skutkować w skrajnym przypadku tym, że po wyłączeniu komutatora nie będzie możliwe zestawienie żadnego kolejnego połączenia wewnątrz struktury, przez co wzrośnie liczba traconych pakietów. Rozwiązanie tego problemu zostało zaproponowane w metodzie polegającej na inteligentnym wyłączaniu komutatorów sekcji środkowej. Pod pojęciem inteligentnego wyłączania komutatorów sekcji środkowej można zrozumieć zapewnienie zawsze jednego funkcjonalnie pełnego zespołu sekcji środkowej umożliwiającego zestawienie połączenia. Dzięki 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 samego zestawu jąder inicjalizujących generatory pseudolosowe, co w przypadku symulacji dla metody wyłączającej komutatory sekcji środkowej. Zebrane wyniki eksperymentów symulacyjnych potwierdzają, iż dzięki zastosowaniu inteligentnego wyłączania komutatorów sekcji środkowej zredukowana została liczba pakietów traconych ze względu na blokadę pola komutacyjnego odpowiednio o 35 % dla algorytmu kolejnościowego, 65,7 % dla quasi-przypadkowego i 43 % dla algorytmu Bene sa. Jednocześnie zachowany został dobry współczynnik oszczędności energii elektrycznej algorytmów kolejnościowego oraz Bene sa. Zestawienie wyników działania inteligentnego algorytmów wyłączania komutatorów sekcji środkowej przedstawiono w tabeli IV. V. WNIOSKI W artykule przedstawione zostały nowoczesne metody zwiększenia oszczędności energii elektrycznej w urządzeniach sieciowych. Przedstawione mechanizmy są obecnie wykorzystywane przez liczących się na rynku producentów sprzętu sieciowego, a wypracowane modele służą, jako szkielet podstawowy do dalszych badań nad zagadnieniem. Kluczową kwestią badań było przygotowanie programu symulacyjnego umożliwiającego określenie możliwych do uzyskania oszczędności energii elektrycznej w strukturach pola komutacyjnego Closa. Implementacja programu zakładała wykorzystanie następujących algorytmów wyboru drogi połączenia w polu komutacyjnym: algorytm kolejnościowy, algorytm quasi-przypadkowy, algorytm Bene sa. Do każdego z przedstawionych algorytmów zrealizowane zostały dwie metody pozwalające zmniejszyć zużycie energii elektrycznej przez strukturę: wyłączanie komutatorów sekcji środkowej, inteligentne wyłączanie komutatorów sekcji środkowej zapewniające zawsze włączony jeden pełen zespół funkcyjny. W celu porównania algorytmów oraz sprawdzenia potencjalnych możliwości technicznych zysku energetycznego opracowany został mechanizm pozwalający sprawdzić czas przez 48 XVII Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Tabela IV OSZCZEDNOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNE W PRZYPADKU ZASTOSOWANIA ALGORYTMU INTELIENTNEGO WYŁACZANIA KOMUTATORÓW ŚRODKOWEJ SEKCJI Algorytm Pole Zaoszczędzona Ilość pakietów Closa energia przesłanych odrzuconych odrzuconych (blokada wewnętrzna) Kolejnościowy 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 środkowej pola Closa są nieużywane. Mechanizm ten posłużył jako wyznacznik maksymalnych możliwości oszczędności energii w polu komutacyjnym Closa dla algorytmów wyboru drogi połączenia. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają realne możliwości oszczędności energii elektrycznej w polu komutacyjnym wynikające z optymalnego wyboru drogi połączenia oraz zastosowania metod pozwalających wyłączyć komutatory środkowej sekcji. Pod tym względem najkorzystniejsze są algorytmy kolejnościowy oraz Bene sa, które dla przykładowej zbadanej struktury v(9,5,5) potrafią zapewnić zysk na poziomie 20 22 % zależnie od metody wyłączania komutatorów sekcji środkowej pola. Ponadto, przy zastosowaniu algorytmu wyłączania zapewniającego zawsze dostępny jeden funkcjonalnie pełen zespół sekcji środkowej, udało się uzyskać nieznacznie małe straty pakietów (poniżej 1 %) wynikające z blokady wewnętrznej pola komutacyjnego. PODZIEKOWANIA Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum 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-italiasustainability-report-2008.production.investis.com/externalstakeholders/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 enabling 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 komutacyjnym, Praca Dyplomowa Magisterska, Politechnika Poznańska, Wydział Elektroniki i Telekomunmikacji, Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych, 2012. PWT 2013 - Poznań - 13 grudnia 2013 49