Umweltverschmutzer und Energiefresser Netzwerk

Das IEEE setzt Ethernet auf Diät

IT frisst Strom – und zwar viel. Allein in den USA verbrauchen digitale Geräte rund 200 Terawatt-Stunden pro Jahr. Dies entspricht einem CO2-Ausstoß von 30 Millionen Autos, etwa 150 Millionen Tonnen. Das Gros der Unternehmens-IT hängt am Netzwerk. Für eine Gruppe des Berufsverbands IEEE ist deshalb klar: Der Stromverbrauch im Ethernet muss sinken.

Trotzdem bekommen die ans Netz angeschlossenen Geräte immer ein Maximum an Leistung geboten. Dass sich die aber auch im Verbrauch der Komponenten widerspiegelt, zeigt sich an Hochgeschwindigkeits-Netzwerkkarten für Server exemplarisch, die derzeit bis zu 24 Watt Leistung kosnumieren.

Das ist eigentlich Quatsch und sorgt für einen unnötig hohen Stromverbrauch und horrende Kosten, finden einige IEEE-Mitglieder. Messungen haben gezeigt, dass bei einer Gigabit-Verbindung, die mit weniger als einem Zehntel ihrer maximalen Leistung genutzt wird, vier Watt einzusparen sind, würde ein 100-Megabit-Modus genutzt. Nun soll es neue Normen geben, die der Ineffizienz von Netzen den Garaus bereiten.

„Wenn wir erfolgreich sind, wird es 2009 einen ersten Standard geben“, überlegt Hugh Barras, Cisco-Techniker und Mitinitiator der IEEE Study Group Energy Efficient Ethernet (EEE). Im Februar dieses Jahres traf sich die Gruppe das erste Mal, um die Notwendigkeit und die Dringlichkeit des Energiesparens im Ethernet darzustellen und um für die Entwicklung entsprechender Standards zu werben.

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Das Prozedere

Laut Barras ist mit der Autorisierung eines offiziellen Request im Juli dieses Jahres zu rechnen, mit detaillierten Vorschlägen (Proposals) im Sommer des kommenden Jahres. Im Übrigen erfährt das neue IEEE-Gremium auch Unterstützung aus Europa. So war Paolo Bertoldi bei der Gründung anwesend, in der Europäischen Kommission seit Januar 2000 verantwortlich für die Aktivitäten und Maßnahmen im Bereich effiziente Energienutzung.

Das Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ist der weltweit größte technische Berufsverband. Mehr als 360.000 Ingenieuren aus den Bereichen Elektrotechnik und Informatik aus 175 Ländern bilden unterschiedliche Gremien für die Normung von Techniken, Hardware und Software. Zu den Normen gehört etwa 802.11 für Wireless LANs und 802.3ab/z für Gigabit Ethernet (Copper/Fiber).

Alarmsignale

Die Zahlen, die Bruce Nordman vom Lawrence Berkley National Lab und US Department of Energy vorlegt, um das Problem zu verdeutlichen, sind beeindruckend: Der Jahresverbrauch von Unternehmens-IT beläuft sich in den USA pro Jahr auf rund 97 Terawatt-Stunden.

Davon gehen 60 Prozent auf das Konto von Devices in einem Netzwerk: 13 Terawatt-Stunden verbraucht das Netzwerk-Equipment, 12 Terawatt-Stunden die Server, 20 Terawatt-Stunden PCs und Workstations sowie 15 Terawatt-Stunden die mit dem Netzwerk verbundenen Drucker.

Zur Erinnerung: Ein Terawatt entspricht 1.000 Gigawatt beziehungsweise einer Million Megawatt, einer Milliarde Kilowatt oder einer Billion Watt. Ein kleines Kraftwerk produziert rund 30 Megawatt; pro Jahr also rund 260 Gigawatt-Stunden.

Doch untermauern die Daten auch, dass der Energieverbrauch, den ein Netzwerk für sich beansprucht, vergleichsweise gering ist. Die daraus resultierende Fragen lauten somit: Warum sollte sich IEEE um neue Ethernet-Standards bemühen und weshalb jetzt?

Für Barras und seine Mitstreiter ist die Antwort offenkundig. Heute würden Leitungen, Netzkomponenten und Devices für maximale Leistung gebaut. Die diese wird zumeist gar nicht benötigt, beziehungsweise nicht ausgeschöpft.

Typisch

Typischerweise liegt die die LAN-Link-Nutzungsrate gerade einmal zwischen 1 bis 5 Prozent. Der fleißigste LAN-Nutzer beansprucht in etwa vier Prozent von 100 Megabit pro Sekunde (siehe Grafik 1 und 2)

Im Umkehrschluss heißt das: Wird die Link-Rate gesenkt, kann Energie gespart werden.

Tatsächlich gibt es bereits Modelle, da senken Network Interface Cards (NICs) ihre Link-Rate, wenn die Laptop-Battery geladen wird, oder wenn der PC in einen Schlafmodus verfällt oder es wird die physische Verbindung gekappt, wenn Verbindungssignale ausbleiben.

Weitergedacht bestünde die generelle Anforderung darin, die Link-Rate an die tatsächlichen aktuellen Bedürfnisse von Usern und Anwendungen an die Leistung des Netzes anzupassen und umgekehrt. Das aber erfordert eine Verständigung zwischen Applikation und untersten Netzwerkschichten.

Einwände

Hartmut Kell, Chef-Berater im Bereich Netzwerk-Technik bei ComConsult, äußert grundsätzliche Bedenken: „Die Überlegungen hinsichtlich EEE sind interessant, es mag technisch auch funktionieren, doch das Problem besteht im Austausch der Informationen zwischen den Netzwerkschichten. Auf der unteren Ebenen müsste eine Art Sensor sitzen, der über diverse Zwischenschichten hinweg, der Applikation mitteilt: hier kommt nichts mehr. Und umgekehrt müssten die Applikationen ihren tatsächlichen Bedarf bis an die physische Schicht melden. Das aber kostet Zeit.“

Auch EEE-Inititator Barras kennt das Problem. „Der Einwand von Kell trifft es genau.“ Derzeit dauere es etwa 100 Millisekunden, bis die Energiezufuhr automatisch geregelt werden könne. „Die magische Zahl aber“, so der Cisco-Techniker, „beträgt eine Millisekunde.“ .Er fügt hinzu: „Wir glauben, dass es sogar möglich ist, die Reaktionszeit noch weiter zu senken.“

Allerdings räumt er auch ein: „Es ist noch zu früh, um sagen zu können, ob wir erfolgreich sein werden.“ Derzeit drehe sich die Arbeit der EEE-Study Group im Wesentlichen darum, Möglichkeiten ausfindig zu machen, die es erlauben, die Link-Geschwindigkeiten bedarfsabhängig zu regeln.

Ausgeguckt

Das klingt nach recht vagen Vorstellungen. Tatsächlich aber sind die Überlegungen bereits wesentlich konkreter, sogar erste geeignete Protokoll-Kandidaten wurden identifiziert.

Im Prinzip müssten Switch und Desktop über Regeln für „Rapid Phy Selection“ (RPS) verfügen, etwa als MAC-Frame (MAC = Media Access Control). Der Desktop fragt beim Switch an, dieser bestätigt die Anforderung, der Desktop synchronisiert die Datenrate (Bild 3 und 4)

Für den Transport der Anforderungen identifiziert Howard Frazier, Techniker bei Broadcom, folgende Protokolle neben dem MAC Control Frame:

• LLDP (801.1AB) – mit antizipierten Veränderungen

• OAM (802.3ah) und

• Physical Layer Signale

Wie auch Barras verhehlt er die anstehenden Schwierigkeiten nicht. Abgesehen davon würde es mindestens drei bis vier Jahre dauern, bis die Industrie neue Standards umsetzen würde. Doch die Aussichten, sollte die Standardisierung erfolgreich sein, sind für alle Initiatoren ein starkes Argument, sich an die Arbeit zu machen.

Das wäre schön

Unter der Voraussetzung, der neue Standard würde zu 100 Prozent assimiliert, würde die Energieersparnis in US-Büros rund 1,47 bis 2,21 Terawatt-Stunden pro Jahr bedeuten. Weitere Einsparungen bei Servern, Storage-Geräten, Switches, Router und weiterem Rechenzentrums-Equipment machten zusätzlich 0,53 bis 1,05 Terawatt-Stunden pro Jahr aus.

Nebenbei bemerkt, führt Cisco-Techniker Barras aus, würde die Anpassung der Linkgeschwindigkeit auch eine bessere Auslastung der Leitungskapazitäten bedeuten. Und schließlich ließe sich zusätzlich Energie sparen, indem weniger für das Kühlen der Rechner notwendig wäre.