Green Computing Green IT

GREEN CLOUD

COMPUTING

Computação em Nuvem Verde

Baseado no artigo “PRINCÍPIOS E TENDÊNCIAS EM GREEN CLOUD COMPUTING” Carlos B. Westphall, Sergio R. Villarreal.

Revista Eletrônica de Sistemas de Informação, v. 12, n. 1, 2013

Eng. SERGIO ROBERTO VILLARREAL

3

Utility Computing

Computação como utilidade

4

5

Cloud Computing

Computação em Nuvem

Abordagem que supera o conceito tradicional de Utiity Computing

INTRODUÇÃO

Green Computing

Green IT

INTRODUÇÃO

7

Green IT

8

9

Green Cloud

Computing

Computação em Nuvem Verde

CONTEÚDO

1.

Introdução

2.

Cloud Computing

3.

Green IT ou TI Verde

4.

Datacenter

Objetivo

11

− Oferecer uma visão geral do estado e dos rumos da TI.

− Conscientizar sobre a necessidade de tornar a TI mais eficiente.

− Conversar sobre temas de interesse da platéia.

CLOUD

COMPUTING

Computação em Nuvem

13

The NIST Cloud Definition Framework

Community Cloud Private

Cloud Public Cloud

Hybrid Clouds Deployment Models Service Models Essential Characteristics Common Characteristics

Software as a Service (SaaS)

Platform as a Service (PaaS)

Infrastructure as a Service (IaaS)

Resource Pooling

Broad Network Access Rapid Elasticity Measured Service On Demand Self-Service

Low Cost Software

Virtualization Service Orientation Advanced Security Homogeneity

Massive Scale Resilient Computing Geographic Distribution

Based upon original chart created by Alex Dowbor

Definição

• Abordagem que permite entregar os aplicativos, a plataforma de desenvolvimento ou a própria

infraestrutura, na forma de serviços: – Contratados de forma dinâmica

– Acessados através da rede

Características

15

Características

16

• Compartilhamento dos recursos que servem a múltiplos usuários e são fornecidos dinamicamente

segundo a capacidade contratada por cada um e

cobrados conforme o uso;

• Entrega dos serviços pela rede, que ocorre na forma de web services implementados mediante a arquitetura

orientada a serviços (SOA);

Modelos de Serviço

17

Modelos de Serviço

Infraestrutura como Serviço (IaaS)

− Entrega de servidores, storage e comunicação na forma de serviços.

− O usuário pode administrar estes recursos instalando software, acrescentando discos virtuais, configurando usuários e permissões etc.

Modelos de Serviço

19

Plataforma como Serviço (PaaS)

− Entrega do ambiente de desenvolvimento

para que o usuário possa criar e hospedar

suas próprias aplicações e distribuí-las como serviço sem preocupação a respeito da

infraestrutura necessária.

− Este ambiente inclui também componentes que podem ser utilizados nos aplicativos e serviços para monitorá-los e gerenciá-los

− Windows Azure da Microsoft.

Modelos de Serviço

20

Software como Serviço (SaaS)

− Aplicativos entregues como serviços e acessados por

demanda.

− Os usuários não precisam manter infraestrutura própria nem instalar software, já que o aplicativo e seus dados associados são acessados pela Internet mediante um navegador.

− Além de liberar o usuário de toda complexidade, permite diminuir consideravelmente os preços, visto que o

fornecedor pode diluir os custos compartilhando o aplicativo com um grande número de usuários.

Modelos de Serviço

21

Modelos de Implantação

23

Nuvem pública

− Fornecedores implementam os serviços na sua infraestrutura e os disponibilizam

publicamente pela Internet, por assinatura. − Devido ao compartilhamento dos recursos e à

delegação do controle para o fornecedor, os principais desafios deste modelo estão

relacionados à segurança da informação e à

qualidade do serviço.

Modelos de Implantação

24

Nuvem privada

− Nuvem implementada sobre a própria infraestrutura para fornecer serviços de TI aos usuários internos.

− Com esta configuração, o data center torna-se mais ágil e flexível e obtém-se um manejo mais eficiente dos recursos.

Modelos de Implantação

25

Nuvem híbrida

− Nuvem privada complementada com

serviços de uma nuvem pública, obtendo-se as vantagens dos dois modelos.

− Esta abordagem é possível porque a nuvem privada pode utilizar interfaces compatíveis

com as interfaces das nuvens públicas.

Virtualização

−

Emulação de um recurso de TI com

transparência onde há vantagem com

relação ao uso do recurso físico.

Virtualização

27

Virtualização

Virtualização

29

•

Autonomic Computing

–

AC

– Sistemas computacionais capazes de se

autogerenciar em função de um conjunto abstrato de objetivos definidos pelo administrador.

• Conceito inspirado no corpo humano, que tem mecanismos para monitorar, controlar e regular a si próprio e até mesmo recuperar-se de pequenos problemas físicos, sem a necessidade de

intervenções externas.

DECISÃO

Medição Controle

RECURSO

Ciclo de Gerenciamento

Propriedades gerais da Computação Autônoma. COMPUTAÇÃO

AUTÔNOMA

OBJETIVO

REQUISITOS

MECANISMOS

Self-management

Self-configuring

Self-optimizing

Self-protecting

Self-healing

Self-aware

Environment-aware

Self-monitoring

Implementação de uma Nuvem

Hardware Hardware Sistema Operacional de Máquina Virtual

Máquinas Virtuais Máquinas Virtuais Máquinas Virtuais

Arquitetura da Nuvem

Implementação de uma Nuvem

Sistema Operacional de Nuvem

− Middleware que gerencia os recursos físicos e virtuais e fornece a interface para os usuários. − Outras funções:

• Virtualização do armazenamento e da rede.

• Tolerância a falhas.

• Alta disponibilidade.

Implementação de uma Nuvem

35

GREEN IT

TI Verde

Antecedentes

37

• Tradicionalmente os sistemas informáticos foram desenvolvidos com foco no desempenho e no

custoe com pouca preocupação com a eficiência

energética.

• Com os dispositivos móveis, a eficiência tornou-se prioridade, devido à necessidade de aumentar a autonomia das baterias.

• A grande concentração de equipamentos em data centers colocou em evidência os custos de manejo

ineficiente da energia na infraestrutura de TI.

Impacto Ecológico da TI

Segundo o Gartner Group:

• TI gera o 2% do total das emissões de gás carbônico do mundo.

Green IT

39

Aprimoramento da TI com o objetivo de reduzir seu impacto ecológico durante a:

− Fabricação

− Uso

− Disposição final.

− Segunda onda: aplicação criativa da TI para tornar mais sustentáveis os processos das outras áreas.

Outra Visão da Green IT

40

Bianzino, A. et al. (2012):

“Do ponto de vista da engenharia, a Green IT pode ser interpretada como a

redução da energia

Energy Star

41

− Programa voluntário da Agência de Proteção Ambiental dos EUA.

− Lançado em 1992.

− Objetivo: Identificar e promover produtos eficientes.

− Início da Green IT

e da aplicação do termo.

Drivers da Green IT

− Maior consciência ambiental. − Exigência da Sociedade. − Legislação mais restritiva. − Redução de custos.

TÉCNICAS DE

GERENCIAMENTO DE

ENERGIA

43

Técnicas de Gerenciamento de Energia

44

TIPO CARACTERÍSTICAS

Estáticas SPM

(Static Power Mangement)

• Melhoras permanentes

• Aplicadas no projeto

• Componentes mais eficientes

• Efeito garantido

Dinâmicas DPM

(Dynamic Power Mangement)

• Medidas temporárias

• Conhecimento em tempo real da carga

• Requerem configuração e políticas

• Desafio: custo da transição

Técnicas Dinâmicas

45

DCD

Dynamic Component Deactivation

• Desligar componentes

DPS

Dynamic Performance Scaling

• Adaptar desempenho

• Redução ou aumento gradual do desempenho

.

Técnicas Dinâmicas

–

DVFS

47

DVFS

Dynamic Voltage and Frequency Scaling

• 𝑾 𝜶 𝑽𝟐 _{∙ 𝒇}

• Diminuir intencionalmente o desempenho do componente quando não está sendo totalmente utilizado

• Mediante a redução da tensão e da frequência

.

Técnicas Dinâmicas

–

ACPI

48

ACPI

Configuration and Power Interface)

Padrão unificado para

configuração e gerenciamento de energia centrado no Sistema Operacional

− Open Standard (1996).

Técnicas Dinâmicas

–

ACPI

49

ACPI

• Padrões anteriores eram baseados no hardware.

• Independente de Plataforma.

• Define interfaces para

− Descoberta do hardware.

− Configuração de energia.

− Monitoramento e gerenciamento.

Consumo em computadores

• Principais fontes de consumo

− CPU

− RAM.

− Fonte de alimentação

• Principal causa de ineficiência

Consumo em computadores

51

•

CPU

− Constantes aprimoramentos.

− DVFS + ACPI.

− Processadores de Múltiplos núcleos são estaticamente mais eficientes.

− Com técnicas dinâmicas permitem reduzir o consumo em até 70 % sem perda de

desempenho.

− A virtualização permitiu otimizar a taxa de utilização em servidores.

Consumo em computadores

52

•

RAM

− Tem recebido menor atenção.

− Tradicionalmente 20% aproximadamente do consumo.

− Virtualização em grande escala tem levado a servidores com grandes quantidades de memoria RAM e com maior consumo que a CPU.

Consumo em computadores

53

•

Fonte de alimentação

− Uma das principais causas de ineficiência em computadores.

− Tem recebido importantes aprimoramentos.

2000 2012

Servidor 85 % 96 %

Adap. Notebook 85 % 92 %

PC 65 % 85 %

Fonte: Delta Product Corporation

GREEN NETWORKING

Green Networking

55

• Rede: Representa parte importante do consumo.

• Projeto Tradicional Rede:

− Oversizing – atender picos.

− Redundância – caso de falha.

• Problema central: o consumo é independente da carga dos links

• Desafio: reduzir o consumo mantendo

Baixa utilização dos recursos

Desempenho Confiabilidade

Estratégias de Green Networking

56

Estratégias de Green Networking

Computação Proporcional

• Adaptar velocidade de

processamento dos dispositivos

• Adaptar velocidade dos links

Consolidação de Tráfego • Concentrar tráfego e desligar recursos não utilizados

Virtualização

• Consolidar recursos físicos

Técnicas de Green Networking

57

Computação Proporcional

DVFS • Regular velocidade de processamento de pacotes nos dispositivos

ALR • Adaptive Link Rate

• Adaptar a velocidade do link à carga

DCD • Colocar portas e dispositivos em modo de baixo consumo

PROXYING

• Manter a presença na rede dos dispositivos desligados

• Na placa de rede ou no switch

.

Técnicas de Green Networking

Outras Propostas

Energy-Aware Routing

• Consolidar tráfego

• Privilegiar rotas com dispositivos eficientes

Energy-Aware TCP

• Colocar opção top-sleep no cabeçalho

• Informar que o transmissor entrará no modo sleep

Técnicas de Green Networking

59

Outras Propostas

Extensões ao SNMP

• Monitorar consumo de energia

• Privilegiar rotas com dispositivos eficientes

Camada Física

• Uso de fibras ópticas

• Melhoras estáticas nas interfaces

• Melhoras no desempenho do cabeamento

Padrões de Green Networking

60

• Energy Efficient Ethernet (EEE)

− Padrão IEEE 802.3az (Setembro 2010).

− Baseado no envio de sinais LPI (Low-power-idle) quando não há dados para transmitir que permite que o receptor entre em estado de baixa energia.

− Sinal “Normal idle” para continuar a transmissão.

− Necessidade de suporte nas duas extremidades.

Padrões de Green Networking

61

Green Ethernet:

Funcionalidades extras oferecidas pelos fabricantes:

• Reduzir a potência de portas com links curtos.

• Sleep mode quanto o dispositivo está desligado.

• Programação dos horários de atividades.

DATA CENTER

Data Center

–

Definição

63

Centro de Dados

− Ambiente projetado para abrigar servidores, sistemas de armazenamento, recursos de rede e outros componentes da infraestrutura de TI para que operem com segurança e confiabilidade.

Data Center

–

Tipos

64

IDC _– Internet Data Center

• Centro de dados operado por um fornecedor que oferece serviços à diversos usuários.

PDC _– Private Data Center

Data Center

–

Características

65

Segurança e disponibilidade

− Infraestrutura redundante.

− Segurança Física e controle de acesso.

− Alimentação elétrica continua e redundante.

− Sistema de refrigeração de precisão e redundante.

Data Center

–

Características

TIER 1 – Básico

TIER 2 – Componente redundante

TIER 3 – Simultaneamente sustentável

TIER 4 – Tolerante a falhas

Caminho único de alimentação e refrigeração com redundância de componente.

Múltiplos caminhos de alimentação e refrigeração permitindo manutenção e teste em um caminho sem causar interrupção à carga crítica.

Múltiplos caminhos ativos para alimentação e refrigeração com redundância em cada caminho. Caminho único de alimentação e refrigeração sem redundância.

Data Center

67

A server room in Google’s Council Bluffs, Iowa, data center.

A central cooling plant in Google’s Douglas County, Georgia, data center.

Photo: Google/Connie Zhou

Google _{invites you to “Walk in the}front door, head up the

stairs, turn right at the ping-pong table and head down the

hall to the data center floor. Or take a stroll

around the exterior of the facility to

see our energy-efficient cooling

infrastructure.”

Data center Facebook.

Data center Facebook.

Data Center

–

Sistema Elétrico

75

Data Center

–

Infraestrutura de Rede

Data Center

–

Rede SAN

77

Data Center

–

Data Center in a Box

79

Green Cloud

Computing

Computação em Nuvem Verde

81

Green Cloud Computing

Computação

em Nuvem

Verde

• Aplicação dos conceitos da Green It à abordagem de nuvem verde.

Green Cloud

–

Eficiência Data Center

TI = 36% Suporte = 64%

• O consumo de energia é o

principal custo operacional do datacenter.

PUE (Power Usage Effectiveness)

84

− Valores tradicionais: 2 a 3

− Valores atuais: 1,5 a 2

− Casos especiais:

• 1,14 (Google – Finlândia)

• 1,07 (Facebook – Suécia)

Relação

Energia total DC

Data Center Santander

–

Tier IV

85

Equipamentos de última geração

No Breaks dinâmicos

Futuro uso de freecooling

Captação e uso de água de chuva

Iluminação: energia eólica e solar

Semienterrado

9 mil ávores nativas plantadas Ar-condicionado com

Sala de controle do data center Tier IV do Santander em Campinas (SP).

Green Cloud

–

Estratégias

88

• Virtualização e armazenamento centralizado

− Armazenamento em dispositivos dedicados (storage).

− Servidores virtualizados.

Green Cloud

–

Estratégias

89

• Consolidação de Carga

− Principal causa de ineficiência é a baixa utilização dos recursos físicos (< 50%).

− Alocar carga na menor quantidade de recursos físicos.

− Colocar recursos inativos em estado de baixo consumo.

− Desafio: custo de ativação – picos não previstos de carga – cumprir o SLA.

Green Cloud

–

Estratégias

• Consolidação de Carga

Green Cloud

–

Estratégias

91

Políticas de Alocação de Carga

Alocar carga em datacenter

• Menor custo da energia.

• Energia mais limpa.

• Melhor PUE

CONSIDERAÇÕES

FINAIS

CONSIDERAÇÕES FINAIS

93

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Melhorar a eficiência da TI é um questão prioritária

• Grandes aprimoramentos estão sendo feitos

• Necessidade de estimular estratégias puramente ecológicas

REFERÊNCIAS

BIBLIOGRÁFICAS

ALGUMAS REFERÊNCIAS

Bianzino, A. et al. (2012) “A survey of Green Networking research”. IEEE

Communications Surveys and Tutorials, vol 14, pp. 3- 20, February.

Minas, L. and Ellison, B. (2009) “Energy efficiency for information technology: how to reduce power consumption in server and datacenter”. Intel Press.

Bolla, R. et al. (2011) “Energy efficiency in the future internet: a survey of existing

approaches and trends in energy-aware fixed network infrastructures”. IEEE

Communications Surveys & Tutorials, May.

Blanquicet, F., Christensen, K. (2008) “Managing energy use in a network with a

new SNMP Power State MIB”. In: IEEE Conference on Local Computer Networks

LCN, ed. 33, October.

Beloglazov, A., Buyya, R., Lee, Y.C. and Zomaya, A. (2011) “A taxonomy and

Survey of Energy-efficient Datacenters and Cloud Computing”. Advances in

Computers, vol 82, pp. 47-111, Elsevier, November.

Garg, S. K., and Buyya, R. (2012) “Green cloud computing and environmental

sustainability”. In: Murugesan San e Gangadharan, G. Harnessing Green IT:

GREEN CLOUD

COMPUTING

Computação em Nuvem Verde

Eng. SERGIO ROBERTO VILLARREAL

Baseado no artigo

“PRINCÍPIOS E TENDÊNCIAS EM GREEN CLOUD COMPUTING”

Carlos B. Westphall, Sergio R. Villarreal.

Revista Eletrô̂nica de Sistemas de Informação, v. 12, n. 1, 2013

Laboratório de Redes e Gerência

Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Departamento de Informática e Estatística