The Internet infrastructure, comprising both network and cloud facilities, has reached huge capacities but its development has not been compensated at the same rate as for its energy consumption. The energy consumption and the concomitant green house gases (GHG) emissions of the Internet are becoming major issues in the information and communication society. In such a context, there is a lack of a comprehensive energy-oriented paradigm for the Internet infrastructure that takes into account the absorbed energy, the emitted GHGs and the availability of renewable energy sources. This Thesis is focused on these very issues and tries to address the lack of such a paradigm in the Internet infrastructure by proposing energy models for energy-efficient architectures, energy-aware algorithms and protocols conceived to optimize the use of energy and minimize GHGs emissions, while preserving the traditional criteria such as network and datacenters load balancing to serve as many demands as possible and maximizing the system availability. In order to achieve the energy-oriented paradigm for the Internet infrastructure, specific problems were addressed step-wise, and then tied together in a comprehensive energy-oriented framework. Towards this goal, the power consumption of current and future energy-aware architectures was modeled through energy models that characterize the energy consumption of network equipment under different traffic loads, and power management strategies were assessed to allow network infrastructures to achieve advanced functionalities with limited energy budget. Integrated routing and wavelength assignment (RWA) schemes have been proposed (ILP formulations, heuristics and meta-heuristics, game theory, minimum affinity, minimum cut) in order to take advantage of different scenarios (complete or partial knowledge of network status, global control or individual selfishness of network elements, different requisites of computational and space complexity). Energy-aware RWA algorithms require an underlying routing protocol distributing up-to-date information about the energy consumption and GHG emissions of the network elements. Link state advertisement (LSA) messages of the OSPF-TE protocol have been extended to carry energy-related information. New TLVs have been added directly to the TE extensions of OSPF and flooded over the network. The connections re-optimization problem has been formulated as an iterative refinement process of multiple local search steps structured as a GRASP meta-heuristic, which re-reroutes connections to maintain the network traffic load balanced and free resources to serve incoming connections. To support the research tasks, a WDM-routed networks simulator, SimulNet, has been developed for the design and the evaluation of RWA and optimization algorithms. Energy-Farm, an energy manager for the modern and future grid/cloud data center infrastructures, was developed to reduce datacenters ecological footprint. Through the service-demand matching algorithm and the job aggregation capabilities, it allows turning off idle servers, while respecting both the demand requirements and the logical and physical dependencies. The risks related to energy-oriented attacks were pointed out for the first time and the potential impacts of network-based DoS attacks under the energy consumption perspective were evaluated. Finally, a holistic vision on the energy-oriented Internet is provided in which energy-efficient architectures are powered by a smart grid power distribution system employing renewable energy sources and are controlled by an intelligent energy-aware control plane, able to operate the Internet to minimize its ecological footprint. The research works leading to this Thesis delineate an energy-oriented paradigm for a sustainable high-performance Internet infrastructure that optimize the Internet ecological footprint while not disrupting the performance, towards sustainable society growth and prosperity. / La infraestructura de Internet, tanto de red como de centros de proceso de datos, ya alcanza un enorme volumen, pero este incremento no ha sido compensado con la misma rapidez en aspectos relacionados con el gasto energético. El consumo de energía y las emisiones de gases efecto invernadero (GEI) de Internet han pasado a ser un problema relevante en la sociedad de la información y las comunicaciones. En este entorno, falta un paradigma de largo alcance orientado a la energía, que considere el consumo de energía, las emisiones de GEI y la disponibilidad de recursos renovables. Esta Tesis está enfocada hacia estos problemas e intenta compensar la falta de ese paradigma en la infraestructura de Internet, proponiendo modelos energéticos para nuevas arquitecturas, así como algoritmos y protocolos conscientes de la energía para optimizar su uso y minimizar las emisiones de GEI, preservando los objetivos de calidad tradicionales de redes y centros de procesamiento de datos, así como asegurar la posibilidad de servir el mayor número de demandas posible y maximizar la disponibilidad del sistema. Para alcanzar una infraestructura de Internet orientada a la energía, se han solucionado problemas específicos y ligados a una estructura común de largo alcance. Hacia este objetivo, se ha modelado a través de modelos energéticos el consumo de los dispositivos bajo diferentes cargas, y se han valorado diversas estrategias de gestión de la energía para que las infraestructuras de red alcancen funcionalidades avanzadas con un presupuesto de energía limitado. Se han propuesto esquemas integrados de encaminamiento y asignación de longitud de onda (RWA) (formulaciones ILP, heurísticas y meta-heurísticas, teoría de los juegos, mínima afinidad, mínimo corte) para diferentes escenarios (conocimiento completo o parcial del estado de la red, control global o individual de los elementos de red, diferentes requisitos de computación y de espacio). Los algoritmos de RWA conscientes de la energía requieren un protocolo de encaminamiento que distribuya informaciones actualizadas sobre el consumo energético y las emisiones de GEI de los elementos de red. Se han desarrollado extensiones de los mensajes de aviso sobre el estado de la red (LSA) del protocolo OSPF-TE para transportar informaciones sobre la energía, añadiendo nuevos TLVs directamente a las extensiones TE de OSPF. El problema de la optimización de las conexiones se ha formulado como un proceso de refinado iterativo de pasos múltiples estructurado como una meta-heurística GRASP, que permite encaminar las conexiones para mantener el tráfico de la red balanceado y liberar recursos para servir posteriores conexiones. Para respaldar las tareas de investigación, se ha desarrollado SimulNet, un simulador de redes de encaminamiento de longitudes de ondas (WDM), para el diseño, optimización y evaluación de algoritmos de RWA. Se ha desarrollado EnergyFarm, un gestor de energía para los modernos centros de procesamiento de datos que, a través de un algoritmo de armonización entre demanda y servicio ofrecido y funcionalidades de agregación de las tareas, permite apagar los servidores no usados respetando los requisitos de las peticiones y las dependencias físicas y lógicas de los dispositivos. Se han evidenciado por primera vez los riesgos relacionados con los ataques orientados a la energía y se ha valorado su potencial impacto. Finalmente, se ha proporcionada una visión holística de Internet orientada a la energía, en la que arquitecturas eficientes energéticamente están alimentadas por una smart grid con fuentes renovables y controlada por un plano de control inteligente y consciente de la energía, capaz de operar en Internet para minimizar su huella ecológica. Los trabajos de investigación de esta Tesis conducen hacia un paradigma orientado a la energía para una infraestructura sostenible de Internet de alto rendimiento que optimice su huella ecológica sin afectar el rendimiento.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UPC/oai:www.tdx.cat:10803/113432 |
| Date | 22 November 2012 |
| Creators | Ricciardi, Sergio |
| Contributors | Santos Boada, Germán, Careglio, Davide, Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Arquitectura de Computadors |
| Publisher | Universitat Politècnica de Catalunya |
| Source Sets | Universitat Politècnica de Catalunya |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 262 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/es/ |
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