Energy-aware traffic engineering for wired IP networks

Even if the Internet is commonly considered a formidable means to reduce the impact of human activities on the environment, its energy consumption is rapidly becoming an issue due to the exponential traffic growth and the rapid expansion of communication infrastructures worldwide. Estimated consumption of the network equipment, excluding servers in data centers, in 2007 was 22 GW, while in 2010 the yearly consumption of the largest Internet Service Providers, e.g., AT&T, exceeded 10 TWh per year. The growing energy trend has motivated the development of new strategies to reduce the consumption of telecommunication networks, with particular focus on IP networks. In addition to the development of a new generation of green network equipment, a second possible strategy to optimize the IP network consumption is represented by sleep-based energy-aware network management SEANM, which aims at adapting the whole network power consumption to the traffic levels by optimizing the network configuration and putting to sleep the redundant network elements. Device sleeping represents the main potential source of saving because the consumption of current network devices is not proportional to the utilization level: so that, the overall network consumption is constantly close to maximum. In current IP networks, quality of service (QoS) and network resilience to failures are typically guaranteed by substantially over-dimensioning the whole network infrastructure: therefore, also during peak hours, it could be possible to put to sleep a non-negligible subset of redundant network devices. Due to the heterogeneity of current network technologies, in this thesis, we focus our efforts to develop centralized SEANM approaches for IP networks operated with different configurations and protocols. More precisely, we consider networks operated with different routing schemes, namely shortest path (OSPF), flow-based (MPLS) and take into account different types of traffic, i.e., elastic or inelastic. The centralized approach, with a single management platform responsible for configuring and monitoring the whole network, is motivated by the need of network operators to be constantly in control of the network dynamics. To fully guarantee network stability, we investigate the impact of SEANM on network reliability to failures and robustness to traffic variations. Ad hoc modeling techniques are integrated within the proposed SEANM frameworks to explicitly consider resilience and robustness as network constraints. Finally, to implement the proposed procedures in a realistic network environment, we propose a novel, fully configurable network management framework, called JNetMan. We use JNetMan to develop and test a dynamic version of the SEANM procedure for IP networks operated with shortest path routing protocols.

Internet è comunemente considerata come un mezzo dal potenziale straordinario per ridurre l'impatto dell'attività umana sull'ambiente. Tuttavia, l'imponente sviluppo infrastrutturale resosi necessario per garantire che Internet potesse sostenere i crescenti livelli di traffico, ha fatto impennare significativamente anche i consumi energetici. Studi recenti hanno stimato che nel 2007, il consumo globale riconducibile a dispositivi di rete fosse, escludendo i server nei data center, di 22 GW. Per quanto riguarda l'anno 2010, altre serie di dati fornite dai più importanti Internet service provider hanno mostrato come il fabbisogno energetico di colossi quali AT&T e China Mobile avesse ampiamente superato gli 11 TWh per anno. Il considerevole incremento del consumo energetico riconducibile alle reti di telecomunicazione, ha quindi motivato lo studio e lo sviluppo di nuove tecniche per ridurne l'impatto a livello ambientale. Parte della ricerca si è concentrata, in particolare, sul risparmio energetico nelle reti IP. Oltre allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi di rete "verde" dal ridotto impatto energetico, una seconda strategia per la riduzione dei consumi consiste nell'implementazione di nuovi meccanismi di gestione intelligente della rete che mirino ad adattare il consumo energetico alle condizioni di traffico. Queste tecniche di gestione sono identificate sotto il nome di sleep-based energy-aware network management (SEANM) e riducono i consumi energetici mettendo in stand-by i dispositivi di rete che risultano essere ridondanti, e quindi non necessari, in base al carico osservato sulla rete. Si noti che, attualmente, lo stand-by dei dispositivi rappresenta l'opzione più promettente per aumentare i risparmi energetici nelle reti. Questo è dovuto alle caratteristiche dei profili di consumo degli apparati di rete (simili ad un profilo ON-OFF), che, come dimostrato da numerosi studi, sono tipicamente non proporzionali al livello di utilizzo. In poche parole, una volta acceso, un dato dispositivo consuma all'incirca lo stesso livello di energia indipendentemente dall'intensità del traffico trasmesso. Nelle reti IP, sia la qualità del servizio che la capacità di reagire ai guasti sono generalmente garantite dagli operatori tramite un consistente sovradimensionamento dell'infrastruttura di rete. Di conseguenza, se ben studiati, i meccanismi di SEANM permeterebbero, potenzialmente, di mettere in stand-by un numero significativo di dispositivi anche durante i periodi di maggior traffico. Motivati dall'eterogeneità della tecnologia di rete corrente, in questa tesi ci concentriamo sullo sviluppo di approcci di SEANM centralizzati per reti IP operanti con differenti configurazioni e protocolli. Più in dettaglio, consideriamo reti caratterizzate da differenti schemi di instradamento, ossia per cammini minimi (OSPF) o per flussi (MPLS), e diversi tipi di traffico, in particolare elastico ed inelastico. La scelta di adottare un approccio centralizzato caratterizzato da una singola piattaforma di gestione responsabile sia per la configurazione che per il monitoraggio dell'intera rete, è motivata dall'esigenza da parte degli operatori di essere in constante controllo delle dinamiche della rete stessa. Per garantire la completa stabilità della rete, studiamo inoltre anche l'impatto delle tecniche di SEANM sulla reattività ai guasti e alle variazioni di traffico. Apposite tecniche di modellazione sono integrate negli schemi di SEANM proposti in modo da considerare in esplicitamente sia la resilienza ai guasti che la robustezza verso le oscillazioni di traffico. Infine, per poter implementare le procedure di gestione proposte all'interno di un ambiente di rete realistico, proponiamo a nuovo framework di gestione completamente configurabile chiamato JNetMan. JnetMan è usato per implementare e testare una versione dinamica della procedura di SEANM sviluppata per le reti IP operanti con protocolli di instradamento per cammini minimi.