Diseño de una red de datos flexible utilizando SDN para reducir el consumo de energía en un centro de datos

Abstract

La eficiencia energética de un centro de datos está en razón de la energía consumida total por el centro de datos y la energía consumida por los sistemas de cómputo, conocido como PUE. En el presente proyecto se desarrolla una alternativa para reducir el consumo de energía en un centro de datos, manteniendo encendidos solo los recursos de red que se utilizan para cursar el tráfico que atraviesa la red en un momento dado. Para esto, nos enfocamos específicamente en los dispositivos de conectividad: conmutadores, sus puertos y los enlaces que los conectan; y no el resto de la infraestructura. Actualmente las tecnologías de red están adoptando un nuevo paradigma: las redes definidas por software. Con ellas se abre la posibilidad de controlar, de manera centralizada, dispositivos de red a través de aplicaciones que pueden ser desarrolladas por los administradores de red, automatizar tareas y personalizar el comportamiento de la red. En este proyecto aprovecharemos la flexibilidad y programabilidad que nos ofrecen las SDN para gestionar el encendido y apagado de algunos recursos de la red del centro de datos con el fin de disminuir el consumo de energía de este. El uso de un algoritmo de búsqueda de rutas es necesario para identificar el camino posible que se le puede asignar a un flujo de tráfico y garantizar que los recursos de red en ese camino estén disponibles. El algoritmo A* es el seleccionado para proyecto, es un algoritmo de búsqueda informada, heurístico que no solo utiliza el coto como una función heurística del camino por recorrer sino también considera el costo del camino ya recorrido. Por lo tanto, se ha desarrollado una solución ElasticTree basada en SDN, programando una aplicación en Python que utiliza el algoritmo A* para seleccionar una ruta para el tráfico entrante nuevo. Una vez seleccionada la ruta el controlador actualiza, a través del protocolo OpenFlow, las tablas de flujo de los conmutadores que formaran parte de la ruta seleccionada. Utilizando una herramienta de cálculo como OCTAVE, aplicamos un modelo energético para calcular la variación del consumo de energía al mantener solamente encendidos los equipos necesarios, consiguiendo ahorros hasta de un 30% frente a una infraestructura rígida tradicional.

The energy efficiency of a data center is a ratio of the total energy consumed by the data center and the energy consumed by the computer systems, known as PUE. In this project, an alternative is developed to reduce energy consumption in a data center, keeping on only the network resources that are used to carry the traffic that crosses the network at any given time. To accomplish this task, we focus specifically on connectivity devices: like switches, their ports and the links that connect them; and not the rest of the infrastructure. Today network technologies are embracing a new paradigm: software-defined networks. With them, the possibility of centrally controlling network devices is opened through applications that can be developed by network administrators, automate tasks, and customize network behavior. In this project, we will take advantage of the flexibility and programmability that SDNs offer us to manage and keep on or off network resources of the data center, in order to reduce its energy consumption. The use of a route search algorithm is necessary to identify the possible route that can be assigned to a traffic flow and to ensure that the network resources on that route are available. A * is the algorithm selected for the project, it is an informed heuristic search algorithm that not only uses the limit as a heuristic function of the way to go but also considers the cost of the way already traveled. Therefore, an ElasticTree solution based on SDN has been developed, programming a Python application that uses the A * algorithm to select a route for new incoming traffic. Once the route is selected, the controller updates, through the OpenFlow protocol, the flow tables of the switches that will be part of the selected route. Using a calculation tool such as OCTAVE, we apply an energy model to calculate the variation in energy consumption, keeping only the necessary equipment on, achieving savings of up to 30% compared to a traditional rigid infrastructure.