Servicios de Gestión de Red Embebidos. Aplicación al Ahorro Energético

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1 Servicios de Gestión de Red Embebidos. Aplicación al Ahorro Energético Virgilio Gilart-Iglesias 1, Diego Marcos-Jorquera 1, Juan Antonio Gil-Martínez-Abarca 1, Francisco Maciá-Pérez 1, Luis Felipe Herrera-Quintero 1, Antonio Ferrándiz-Colmeiro 1 1 Computer Technology Department, University of Alicante PO Box 99, 03690, Alicante, Spain {vgilart, dmarcos, gil, pmacia, lfherrera, Resumen. Últimamente, tan importantes están siendo las TIC en nuestra sociedad como la reducción de su impacto sobre el medio ambiente, potenciando del desarrollo sostenible. En este trabajo se propone un enfoque que aborde este problema desde dos puntos de vista diferentes. En primer lugar, se propone un modelo para la prestación de servicios de red. Estos servicios son ofrecidos por pequeños dispositivos red embebidos, con recursos escasos, de baja potencia y diseñados para ser proactivos y autosuficientes. En segundo lugar, se propone un servicio de gestión energética de los servicios de red como un caso de estudio para analizar la viabilidad de la propuesta que, mediante ciertas políticas de ahorro de energía, gestiona el apagado y el encendido de los recursos tecnológicos de la organización, especialmente los grandes servidores de aplicaciones empresariales. Además, se ha desarrollado un prototipo completamente funcional que actualmente está en funcionamiento en un entorno real. Por último, se exponen los resultados obtenidos en los últimos años, lo que demuestra la validez y el interés de la propuesta. 1. Introducción El creciente uso de las TIC, junto con su importancia en todos los ámbitos de la actividad humana y los requisitos de los modelos de negocio emergentes con disponibilidad 24x7 [1, 2] están convirtiendo a estas tecnologías en uno de los principales responsables del aumento del consumo de energía en todo el mundo. La tasa de emisión de CO2 originadas por el consumo de las TIC es el 2% y predicen que este consumo de energía crecerá de manera exponencial en los próximos años si no se adoptan soluciones [3]. De hecho, una parte de este consumo se debe a un uso ineficiente de las tecnologías TIC. De acuerdo con el estudio descrito en [4], un gran número de los administradores de TIC conocen las medidas necesarias que tienen que realizar para obtener un ahorro de energía producida por el uso de las TIC en sus organizaciones, sin embargo, por lo general estas medidas no suelen aplicarse si no conllevan un beneficio económico para la empresa. Por ejemplo, los centros de datos están diseñados para soportar la carga máxima del sistema, generando gran consumo de energía durante el tiempo restante. Existe la paradoja de que una de las soluciones con

2 174 V. Gilart et al. más repercusión en la actualidad con el fin de optimizar el consumo energético de las TIC es el uso de las propias TIC para facilitar la automatización de las recomendaciones y buenas prácticas a fin de lograr el ahorro de energía independientemente de la conducta de los usuarios. Este enfoque es una de las principales propuestas de la Unión Europea [5] que pretenden promover un uso eficiente del consumo de energía mediante el uso de las Tecnologías de Información y Comunicaciones. Para resolver este problema, nuestra propuesta consiste en proporcionar servicios de TI de gestión de red básica en los dispositivos de red embebidos, orientados a lograr el ahorro y la optimización del consumo de energía causado por las TIC. Los dispositivos embebidos proporcionan una plataforma tecnológica que es asequible, robusta y no aumentan significativamente el consumo de energía. El dispositivo en sí obtendrá la información mínima necesaria para activar la configuración inicial y, una vez que ésta haya terminado, ejecutar las tareas de gestión con una mínima intervención humana. En la propuesta los servicios se ofrecen bajo el paradigma SOA implementado a través de Servicios Web, lo cual proporciona, mayores niveles de integración, desacoplamiento y la composición con otros dispositivos y servicios de red existentes en entornos heterogéneos. En este trabajo se propone un Sistema de Gestión de la Energía (EMS), basado en dos servicios diferentes de gestión de red: un servicio para la monitorización de las TIC para analizar los sistemas de la sobrecarga del sistema, y un sistema de gestión para el control del consumo, por lo que estos recursos TIC estén disponibles sólo cuando son necesarios. El objetivo principal de este servicio es reducir el consumo energético de las infraestructuras TIC. Para desarrollar nuestra propuesta, se realiza una revisión del actual estado del arte de las tecnologías involucradas, en la sección tercera se describe el servicioems, en la sección cuatro se especifica el protocolo de comunicación, en la quinta sección se describe un prototipo del sistema de EMS y un escenario de prueba con el fin de validar la propuesta y, por último, se presentan las conclusiones sobre la investigación y las líneas de trabajo futuras. 2. Estado del Arte El aumento en el consumo de energía se ha convertido en un problema global. La UE ha pedido a los Estados miembros y la industria el uso de las TIC para aumentar la eficiencia energética como un modo de luchar contra el cambio climático, así como conseguir una reducción de costes. De acuerdo con las previsiones de la Unión Europea, a través de las TIC, las emisiones de CO2 pueden reducirse hasta un 15% en En [5] se recomienda que la industria de las TIC en sí podría ser el pionero, deduciendo sus propias emisiones de CO2 cerca de un 20% en La mayoría de las propuestas, con el fin de reducir el consumo energético de las TIC, se centran en mejorar el diseño de las arquitecturas de los dispositivos. En [6] se describen las diferentes técnicas de diseño de arquitecturas de dispositivos de las TIC con el objetivo de reducir el consumo energético de estos dispositivos. De esta

3 Servicios de Gestión de Red Embebidos 175 manera, el Green Grid [7] se centra en las mejores prácticas y enfoques de gestión para reducir el consumo energético en los centros de datos. El Departamento de Energía de EE.UU. lanzó el Energy Measurement Protocol [8], que establece un procedimiento para fijar una medición de consumo de energía para las mediciones de rendimiento de los servidores existentes. Otro método muy utilizado hoy en día para reducir el consumo energético de las TIC es la virtualización. Esta propuesta se originó a partir de la hipótesis de que la mayoría de los servidores en los centros de datos están trabajando al 20% de su capacidad. El uso de sistemas de virtualización como VMWare permite ejecutar máquinas virtuales dentro de un único servidor, haciendo un major uso de su capacidad de procesamiento [9]. Sin embargo, en entornos complejos de las TIC con los requisitos de alta disponibilidad (replicación, balanceo de carga y clusterización), las propuestas descritas anteriormente no son suficientes para reducir el consumo energético debido a que el sistema de gestión no se contempla de una manera global. El uso de los dispositivos embebidos con el fin de prestar servicios en un entorno distribuido es otra de las soluciones que permiten reducir el consumo energético de las infraestructuras de las TIC. En este sentido, muchos de estos dispositivos incluyen Power over Ethernet (PoE). Esta tecnología permite el suministro de energía a los dispositivos a través de cable Ethernet [10, 11, 12]. Por otro lado, hay muchas propuestas con el fin de supervisar y controlar el consumo de energía a través de herramientas y aplicaciones TIC. En [13] se describen algunas de estas herramientas. Estas utilizan tecnologías emergentes como Internet y los sistemas distribuidos para controlar y supervisar el consumo de energía, pero no suelen incluir funciones de gestión del consumo de forma proactiva, autónoma y desatendida. Además, estas herramientas tienen que ser ejecutado en PCs, servidores o sistemas más complejos, y por lo tanto, añaden un aumento del consumo de energía. Las primeras investigaciones sobre el consumo de gestión de la energía se centraron principalmente en los sistemas integrados y portátiles. En estos estudios, la forma de dinámica de gestionar la energía para extender la duración de la batería se basa en los dispositivos de conmutación a modo de bajo consumo cuando hay una reducción de la demanda de servicios. Las estrategias de gestión de la energía estática pueden conducir a un mal rendimiento o el consumo innecesario de energía, cuando hay grandes variaciones en la tasa de solicitudes de servicios [14]. Algunas investigaciones han augurado que el sistema operativo deberá ser capaz de ejecutar tanto las políticas de conservación de energía como de administrar la energía para servidores de aplicación a nivel del sistema [15]. En [16] un sistema de ahorro de energía en un clúster de servidores web ha sido propuesto mediante el uso de un sistema de gestión de servidores dinámico. Su objetivo consiste en asignar un número diferente de servidores en función de las peticiones web con el objetivo de mejorar de la eficiencia energética. De acuerdo con estas propuestas, en [17] se ha propuesto un sistema para la estimación del consumo de energía de la transmisión de los streaming media centers. Todos los estudios mencionados muestran la importancia de lograr el consumo de ahorro de energía, especialmente cuando el número de máquinas conectadas en redes es muy alto. El uso de sistemas de gestión de la red puede ayudar a automatizar las actividades de mantenimiento, lo que permite un uso eficiente de los recursos de red, y que pueda

4 176 V. Gilart et al. ser utilizado para reducir el consumo de energía. Los primeros estándares abiertos que trataron de abordar los problemas de la gestión de las TIC de manera global fueron SNMP y CMIP [18], propuesto por la IETF (Internet Engineering Task Force), los dos protocolos que se orientan principalmente hacia la monitorización y el control de la red. El principal inconveniente de estos modelos de administración fue su dependencia de la plataforma. El uso de sistemas multi-agente para la gestión de redes ofrece una serie de características que favorecen la automatización y la autosuficiencia en los procesos de mantenimiento [19, 20]. La creación de proyectos como Link III, la primera acción coordinada en base a los agentes financiados por el 6º Programa Marco Europeo de la Comisión, es un claro indicador del alto grado de interés en la investigación de los agentes de software. En las áreas donde el manejo automatizado de la información y en los que varios equipos están involucrados, como los procesos industriales o la domótica, ha habido una tendencia en el desarrollo de la autonomía de gestión a las arquitecturas de diseño de servicios para sistemas empotrados [21, 22, 23, 24]. Este marco final incluye los sistemas de monitorización desarrollados por terceros, pero que residen con el cliente, quien es responsable de su control y gestión. Algunas aplicaciones de los sistemas de monitorización como Nagios, MON, MONIT o npulse tienen algunas desventajas, principalmente en la complejidad de su instalación y configuración. Las propuestas discutidas han significado un avance y muestran el interés en la gestión eficiente de los servicios de red. A través de la integración de diferentes tecnologías, junto con el enfoque de los servicios de red integrada, es posible ofrecer sistemas adecuados para la gestión del consumo de energía mediante el uso de las TIC. 3. Descripción del Servicio de Gestión Energética Este documento propone un sistema de Gestión de la Energía centrado en servicios (EMS), integrado en un dispositivo de red, y con el objetivo de reducir el consumo de energía causado por el uso intensivo de la infraestructura utilizada en los centros de datos con alta disponibilidad y con requisitos de tolerancia a fallos. Los dispositivos embebidos proporcionan una plataforma tecnológica que es asequible, robusta y no aumentan significativamente el consumo de energía. Del mismo modo, los enfoques basados en servicios facilitan la interacción con otros dispositivos y servicios de red existentes de forma transparente. La relación de estos componentes se basa en el paradigma SOA siguiendo el estilo Matchmaker [25] (ver figura 1), donde el dispositivo de eems actúa con el papel de proveedor de servicios, el cliente EMS actúa como consumidor de servicios y el Discovery Service actúa como intermediario entre el proveedor y el consumidor, lo cual posibilita la localización y el descubrimiento. El EMS ha sido implementado como un Servicio Web (Web Service), ya que este enfoque es el modelo tecnológico que ha llevado al éxito del paradigma SOA y ha promovido su desarrollo en los últimos años [26] a través de lo que se llama SOA Contemporáneo [27]. Esta tecnología ha sido embebida en un dispositivo de red

5 Servicios de Gestión de Red Embebidos 177 (conocido como dispositivo eems) diseñado para este propósito. Este dispositivo es de tamaño pequeño, con un bajo consumo, robusto y transparente a las infraestructuras TIC y con un mantenimiento mínimo requerido por los administradores del sistema. El administrador del sistema informa al dispositivo eems, por medio de sus agentes de interfaz, que los componentes de red requieren una gestión de la energía. El dispositivo eems tiene el conocimiento suficiente de cada dispositivo para llevar a cabo esta tarea. Este conocimiento se incluye en los agentes de gestión y monitorización desplegados en el dispositivo para este fin. Mientras que los agentes de monitorización analizar la actividad del sistema, los agentes de gestión implementan protocolos específicos para el encendido de los dispositivos, como el estándar Wake on LAN (WoL), o de apagado, como comandos de SNMP. Esta actividad está parametrizada, de acuerdo con los datos de configuración (por ejemplo, los valores umbrales) establecidos por los administradores del sistema. Este conjunto de agente de monitorización, agente de gestión y datos de configurar se llama regla de gestión. De esta manera, el administrador del sistema puede configurar el servicio de energía mediante el establecimiento de un conjunto de reglas de gestión en el dispositivo eems. Los agentes de gestión y monitorización son lo suficientemente flexibles para adaptarse a los diferentes escenarios posibles. El dispositivo eems representa el núcleo del sistema. La figura 1 muestra un diagrama de los principales elementos y actores involucrados en el servicio, junto con la relación que existe entre ellos. Los componentes del sistema utilizan el Protocolo EMS (EMSP) con el fin de comunicarse entre ellos. Este protocolo se describe posteriormente en la sección 4. Los centros EMS suelen actuar como los paneles de control automático de los dispositivos eems distribuidos a través de Internet. Este control se lleva a cabo a través de la planificación de los agentes que ejecutan y verifican todas las tareas previamente establecidas en los dispositivos eems. Los centros EMS también son responsables de la gestión del depósito de los agentes de monitorización y de gestión con el know-how de la administración de cada dispositivo. Aunque en grandes instalaciones se recomienda que los servicios de gestión y planificación se incluyan, la existencia de un centro EMS no es esencial. Del mismo modo, aunque cada centro EMS pueden manejar alrededor de un millar de dispositivos eems, es posible utilizar un conjunto de centros EMS, y es posible crear una jerarquía de estos elementos. Los usuarios pueden acceder al Centro EMS (a fin de establecer las normas de gestión o leer los archivos de registro) y los dispositivos de eems (con el fin de administrar los dispositivos en particular) a través de los clientes EMS.

6 178 V. Gilart et al. Discovery Service WSDL Description WAN LAN Management EMS Client Planning EMSP/SOAP EMS Center Search/UDDI Internet (TCP/IP) EMSP/SOAP Registry Interface EMSP/SOAP Management Rules Employer Management Rules Monitoring / Management s eems Device EMS TCP/IP Monitoring / Management s TCP/IP Network Network Component Network Component Network Component Network Component Fig. 1. Organización de los elementos funcionales del servicio EMS en un escenario de SOA Comportamiento del Servicio de Gestión Energética Para definir los distintos elementos funcionales del sistema se han utilizado conceptualmente los agentes software, debido a sus características de proactividad, movilidad y autonomía. Los agentes software no constituyen un sistema multi-agente convencionales y no utilizan un lenguaje de comunicación entre agentes estándar. Simplemente usamos los agentes software para modelar la funcionalidad de nuestro sistema distribuido. Posteriormente, estos agentes se implementan como componentes software o scripts interpretados. Cada dispositivo eems comprende un conjunto de agentes que implementan la interfaz con los administradores del sistema o con otros elementos del sistema (clientes o centros EMS). Con el fin de garantizar la compatibilidad del sistema con una amplia gama de tecnologías se han realizado diversos agentes de la interfaz. De esta manera, el agente interfaz proporciona una interfaz basado en Servicios Web. El agente de interfaz puede identificar comandos basados en el protocolo EMSP. Su función básica es recibir peticiones de gestión y guardarlos en la lista de reglas de gestión. Los agentes EMS, los agentes de gestión y los agentes de monitorización son otro tipo de agente colocado en el dispositivo eems y diseñado para realizar el servicio de gestión de la energía. El agente EMS actúa como un controlador del servicio. Es responsable de leer las reglas de gestión, para invocar el agente de monitorización que se especifica, recoger los resultados de monitorización y pasarlos al agente de gestión asociado con los datos de configuración. Además de estos agentes principales, otros agentes se incluyen en cada dispositivo EEMS con el fin de realizar tareas auxiliares. Los agentes de registro son responsables de publicar el EMS en un servicio de descubrimiento siguiendo la recomendación descrita por OASIS para la publicación del documento WSDL en un registro UDDI [28], que ofrece el modo que puede ser descubierto y consumido. Los agentes empleadores son responsables de la localización y de la transferencia de agentes de gestión o agentes

7 Servicios de Gestión de Red Embebidos 179 de monitorización requerido por el eems, si estos agentes no han sido desplegados en el dispositivo eems. Estos agentes son los agentes móviles que, inicialmente, puede residir en una granja de agentes ubicado en un centro EMS. Además de los agentes ubicados en cada dispositivo eems, la aplicación distribuida se completa con otros agentes auxiliares ubicadas fuera del dispositivo que, si bien no son cruciales para el servicio, sirven para hacerlo más funcional. Como resultado, los agentes de cliente residen en un cliente de EMS y son responsables de proporcionar una interfaz adecuada para los administradores para que puedan acceder al centro EMS o a un dispositivo eems desde cualquier nodo conectado a Internet. Los agentes de la planificación reside en los centros EMS y llevan a cabo la planificación de la gestión de los dispositivos eems. 4. Protocolo EMS Los elementos del sistema se comunican entre ellos a través de los agentes de interfaz, especialmente por medio de mensajes que incluyen las instrucciones que deben ser interpretados y ejecutados. Estas instrucciones, junto con su sintaxis y su respuesta correspondiente, vienen definidas por el Protocolo EMS o EMSP. Los agentes de interfaz se exponen como servicios web que incrustan los comandos EMS dentro de los mensajes SOAP. Los Servicios Web ha sido seleccionada como la tecnología de comunicación ya que es una especificación interoperable y que permite separar totalmente los distintos actores del sistema. Tabla 1. Instrucciones principales del protocolo de EMS. CMD ACTION ARG FUNCTION SET MODE Reports the current operation mode. PASSIVE [port] Sets the passive mode and, optionally, the listening port number. ACTIVE <ip> [:port] Sets the active mode, specifying the ESM center s IP address and port number. RUN Reports the current ESM service state. <STARTS STOP> Starts or stops the ESM service. GET SCHDL Returns the list of management rules in the device. AGENT <agent_name> Returns a monitoring or a management agent. INFORM Return a report of action taken. PUT SCHDL <rules_list> Adds a management rule or a set of management rules to the scheduling. MNGM ON <monitor _agent> <management_agent> <config_data> Establishes a management rule for the system, establishing the monitor agent and the management agent that will be utilized. OFF <monitor _agent> Cancel a management rule. <management_agent> ALERT Send an alert

8 180 V. Gilart et al. El EMSP es un protocolo de nivel de aplicación que reúne todas las funcionalidades de gestión de la energía a través de un conjunto de instrucciones. El protocolo implementa dos tipos de patrones de intercambio de mensajes: de petición-respuesta, en la mayoría de los casos, y one-way, para la comunicación asíncrona. El dispositivo EMS permite trabajar de dos maneras diferentes. Un modo pasivo, en el que se espera una petición de cliente EMS para llevar a cabo las acciones apropiadas, y un modo activo, en el que se contecta a un Centro de EMS para obtener unas reglas de gestión. Modo activo permite que el dispositivo funcione en red con seguridad perimetral, donde los puertos de entrada no están abiertos. El modo de trabajo se puede cambiar mediante el comando SET MODE. En el modo pasivo, el comando principal del protocolo, MNGM, permite establecer una regla de gestión en el dispositivo. Este comando especifica un agente de monitorización para analizar la red, un agente de gestión para llevar a cabo la acción adecuada en función de la monitorización y los datos de configuración para parametrizar la regla de gestión. También se puede utilizar PUT SCHDL para establecer un conjunto de reglas para el dispositivo. En el modo activo, el comando GET SCHDL permite que al dispositivo eems conseguir un conjunto de reglas de gestión de un centro EMS. EMS client EMS center eems device Client Planing Interface Management Rules EMS Monitoring s Management s Network Components par loop EMSP:PUT SCHDL Block 2 Block 1 alt EMSP: PUT SCHDL [passive mode] EMSP:MNGM [active mode] EMSP:GET SCHDL EMSP:GET INFORM set_rules() loop EMSP:ALERT get_rules() loop monitor () TCP/IP:monitor() monitor_data manage (monitor_data, config_data) TCP/IP:manage() result Fig. 2. Diagrama de secuencia de la funcionalidad principal del EMS. Otros comandos del protocolo permiten obtener un informe de las acciones realizadas con GET INFORM comando o en el trabajo asíncrono con ALERT que envía una

9 Servicios de Gestión de Red Embebidos 181 notificación a un centro o un dispositivo EM, siguiendo un patrón one-way para el intercambio de mensajes. El diagrama de secuencia en la figura 2 muestra el funcionamiento de los servicios básicos y la comunicación entre los agentes software del sistema. El diagrama se compone de dos bloques que se ejecutan de forma continua y en paralelo. En el primer bloque los agentes de interfaz de dispositivo están a la espera de las solicitudes (de un agente de planificación o directamente de un agente de cliente). Cuando los agentes de interfaz reciben una solicitud de gestión, añaden las reglas de gestión de la base de datos del dispositivo eems. El diagrama de bloques segundo corresponde a la ejecución de las reglas programadas. En este caso, el agente EMS está en constante control de la base de datos de reglas de gestión y selecciona al agente de monitorización y agente de gestión adecuados para llevar a cabo las tareas solicitadas. Aunque no se muestra en este diagrama, hay también un tercer bloque que se refiere a la contratación de los agentes de monitorización y gestión. 5. Implementación del dispositivo eems y escenario de pruebas En esta sección se presenta la implementación de un prototipo de dispositivo eems. La plataforma hardware elegida para el desarrollo del prototipo es un dispositivo embebido de la marca Lantronix llamado Xport AR, que se basa en la DSTni- EX con procesador de 16 bits a 120MHz y con una arquitectura x86. Además, el dispositivo tiene diferentes módulos de memoria para apoyar los programas de ejecución y los datos que maneja, en concreto, 1,25 MB de RAM, 16 KB de ROM y 4 MB de memoria flash. Estas capacidades cumplen con los requisitos de nuestro prototipo y son suficientes para el desarrollo del software para la aplicación y el protocolo EMS. La figura 3 (derecha) muestra una imagen del prototipo del dispositivo eems conectado a la red de servicios. El dispositivo incorpora el sistema operativo Evolution, un sistema operativo en tiempo real desarrollado por Lantronix. Dadas las restricciones de espacio, este ha sido fundamental para desarrollar una versión hecha a la medida de nuestro prototipo. Los elementos más destacados de esta versión incluyen una pila TCP / IP, junto con varios protocolos de aplicaciones cliente-servidor (HTTP, TFTP, SNMP y Telnet). En la capa de servicio, el proceso de implementación ha estado condicionado por las características limitadas del dispositivo. Para ello se han implementado e integrado un conjunto de módulos(ver figura 3 izquierda): varios módulos de comunicación para el servicio de monitorización, el núcleo de servicios EMS con la implementación de la funcionalidad de EMS, y una plataforma de contenedores que ofrece la ejecución de agentes software. El middleware de servicios de comunicación se sustenta en los protocolos estándar y tecnologías incluidas en el sistema operativo Evolution. En la implementación de EMSP basada en SOA se utlizó la biblioteca csoap. Para ello se han realizado algunos cambios a la biblioteca csoap original debido a las limitaciones del dispositivo (uso de la memoria restringido, bibliotecas propietarias, etc.) Estas limitaciones nos han obligado a sustituir el parser de XML de csoap, libxml2 (más de 1 MB de tamaño), por otro analizador XML adaptado, con funcionalidades

10 182 V. Gilart et al. limitadas, pero suficientes para lograr nuestro objetivo. Debido a las limitaciones de csoap, sólo se ha desarrollado el estilo RPC. Además, con el fin de registrar y publicar los servicios, se ha implementado una versión embebida de UDDI basada en la versión 2.0 de UDDI que simplemente permite la publicación del documento WSDL asociado con el los servicios. El núcleo de servicios EMS se ha implementado como una biblioteca de funciones escritas en lenguaje C y se ofrecen como API para los otros módulos del dispositivo. Por medio de esta biblioteca se pueden realizar las funciones de los servicios de gestión y monitorización. A fin de implementar los agentes de servicio, se ha hecho una división en el proceso de implementación, entre los agentes estáticos y móviles. En el primer caso, ha sido desarrollado un conjunto de aplicaciones ad hoc para el dispositivo XPort AR en lenguaje C, utilizando el propio sistema operativo como el contenedor del agente. En el segundo caso, con el fin de establecer un marco de ejecución de los agentes móviles (los agentes de gestión y monitorización), un motor de Python incrustado (epython versión 2.5) se ha adaptado a las características del XPort AR. Estos agentes se implementan como scripts textuales en Python. EMS OS Container Register WS Interface Employer Python Container Monitoring & Management s WS WS WS csoap v. 1.0 UDDI v. 2.0 EMSP eems Kernel epython v. 2.5 System Library HTTP TFTP DHCP SMTP TCP/IP Stack Embedded OS (Evolution OS TM 3.0) Embedded Device Server (Lantronix XPort AR TM ) TCP/IP Network Fig. 3. Arquitectura (izquierda) e imagen (derecha) del prototipo de dispositivo eems. A fin de validar la propuesta descrita en este trabajo de investigación se ha elegido como escenario de pruebas el sistema y las infraestructuras TIC que soportan las aplicaciones web de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante. Se trata de un escenario de replicado que incluye características de alta disponibilidad y tolerancia a fallos. Las aplicaciones web ofrecen diferentes servicios (sistema de inscripción, sistema de almacenamiento por web, sistema de correo electrónico por web, sistema de gestión, sistema de aula virtual, información general y otras aplicaciones web) para los estudiantes (en torno a ) y para los profesores (en torno a 802). Estas aplicaciones funciona 24x7. Los principales servicios y sus infraestructuras se enumeran en la tabla 2. Este conjunto está compuesto por 14 máquinas que ofrecen a los usuarios todo lo que estos necesitan.

11 Servicios de Gestión de Red Embebidos 183 Tabla 2. Componentes del escenario de pruebas. Service Type Server Model Number Apache Web Server Asus RS120-E4/PA2 4 Apache Tomcat Application Server Asus RS120-E4/PA2 5 MySQL Database Asus RS120-E4/PA2 3 OpenLDAP service directory Asus RS120-E4/PA2 2 La figura 4 muestra el promedio de accesos de todos los usuarios a las aplicaciones de la Escuela Politécnica de la Universidad y la cantidad de tráfico Web transferidos en un día. Con base en esta información se ha definido la estrategia de optimización del consumo de los recursos. El objetivo del dispositivo es reducir el consumo de energía provocada por la infraestructura de las TIC que se ha mencionado, por esta razón, se a establecido uan programación en el dispositivo EEMS en función del tráfico que genera los servidores Resources Request (x100) Traffic amount (MB) Fig. 4. Promedio de solicitudes de los usuarios y la cantidad de tráfico al día. A la programación se ha realizado de acuerdo con la información obtenida de los accesos de los usuarios a las diferentes aplicaciones (figura 4). En los períodos críticos de la programación se obligan a mantener los sistemas a pleno rendimiento. Fuera de los períodos definidos, el eems, de forma automática, será responsable de analizar la información de tráfico, el número de solicitud y los accesos a las distintas aplicaciones. Esto se hace por un agente de monitorización que analiza las estadísticas de uso de los diferentes servicios. En función de dicho análisis, el agente de gestión enviará la secuencia de comandos adecuados con el fin de encender (a través de WoL) o apagar (a través de SNMP) diferentes servidores. En nuestro escenario de prueba (tabla 2), 7 máquinas tienen que estar siempre encendidas (24x7), debido a que soportan las aplicaciones críticas, y el resto de ellos, dependiendo de la hora del día y, por supuesto, por las peticiones de los usuarios, pueden estar encendidas o apagadas. En un día normal, y sin sistema de eems, las 14

12 184 V. Gilart et al. máquinas están encendidas, lo cual significa que el consumo de energía es mayor. Sin embargo, el uso del EMS permiten reducir el consumo de dicha energía. Hemos probado nuestro dispositivo eems durante una semana y como resultado hemos obtenido una reducción global del consumo de energía cercana al 13,8% (véase las tablas 3 y 4). Tabla 3. Consumo energético sin el sistema EMS. Service Type Service Model Energy Consumption* Min. Average Max. Apache Web Server Asus RS120-E4/PA2 390,08 933, Apache Tomcat Application Server Asus RS120-E4/PA , MySQL Database Asus RS120-E4/PA2 292,56 700, OpenLDAP service directory Asus RS120-E4/PA2 195,04 466, *Average without EMS (Wh) Tabla 4. Consumo energético con en el sistema EMS. Service Type Server Model Energy Consumption* Minimum Average Maximum Apache Web Server Asus RS120-E4/PA2 195,04 791, Apache Tomcat Application Server Asus RS120-E4/PA2 195,04 935, MySQL Database Asus RS120-E4/PA2 195, OpenLDAP service directory Asus RS120-E4/PA2 97, *Average with EMS (Wh) En la figura 5 se muestra la relación entre el consumo de energía con y sin el EMS. El ahorro de energía no ha sido mejor, porque el escenario debe tener tolerancia fallos que obliga a tener como mínimo, dos servidores para cada servicio, excepto un servidor LDAP. Obviamente, si el sistema es más complejo y hay más nodos replicados para cada servicio el ahorro energético será mayor. Fig. 5. Relación del consumo energético con y sin el sistema EMS. Vale la pena señalar que el dispositivo incorporado elegido incluye la tecnología PoE (Power over Ethernet), lo que significa que puede ser alimentado por la red y por lo tanto que su consumo es muy bajo. El Xport AR sólo tiene un consumo de W.

13 Servicios de Gestión de Red Embebidos Conclusiones En este trabajo hemos presentado un sistema de gestión de energía para las infraestructuras TIC diseñado para ahorrar el consumo de energía. Este sistema es totalmente complementario con otros enfoques orientados al ahorro de energía y es lo suficientemente flexible como para adaptarse a distintos escenarios. Uno de los aspectos más relevantes de este sistema consiste en la prestación de estos servicios de gestión integrados en dispositivos de red de pequeño tamaño, sencillos, de bajo consumo, con costes ajustados, autónomos, diseñados con criterios de seguridad y solidez, y que son compatibles con protocolos de red estándares: SOAP, SMTP o HTTP. Con el fin de validar la propuesta, un prototipo funcional ha sido diseñado e implementado. El prototipo se ha utilizado en un escenario real donde se han obtenido resultados satisfactorios. Actualmente estamos trabajando en embeber otros servicios de red y en la integración de todos en un modelo basado en Servicios Web Semánticos, por lo que en el futuro no sólo será compatible con los servicios existentes, sino también con nuevos servicios o instalaciones que no fueron considerados en la fase inicial diseño. Además estamos trabajando en un framework RESTFul embebido para reducir la sobrecarga introducida por el protocolo SOAP. 7. Referencias 1. H. Sun, Han, J.J. Han and H. Levendel. Availability requirement for a faultmanagement server in high-availability communication systems. IEEE Transactions on Reliability. Vol. 52 pp , R.W. Helms, S. Van Oorschot, J. Herweijer and M. Plas. An integral IT continuity framework for undisrupted business operations. The First International Conference on Availability, Reliability and Security, ARES Gartner release. Gartner Estimates ICT Industry Accounts for 2 Percent of Global CO2 Emissions. Gartner Symposium/ITxpo, 2007 Emerging Trends, April 26, (2007) (online) Available at: 4. C. Mines, C. Ferrusi, E. Brown, C. Lee and E. Van-Metre. The dawn of green IT services. A market overview of sustainability consulting for IT organizations. Forrester Research Report, Addressing the challenge of energy efficiency through Information and Communication Technologies. European Union. (online) Available at: 6. G.V. Moshnyaga and K. Tamaru. Energy Saving Techniques for Architecture Design of Portable Embedded Devices. 10Th annual IEEE International ASIC Conference and Exhibit. ISBN: , New York, September 1997, United States of America. 7. The Green Grid Data Center Power Efficiency Metrics: PUE and DCiE. The Green Data Center, J. Koomey, C. Belady, H. Wong, R. Snevely, B. Nordman, E. Hunter, K.D. Lange, R. Tipley, G. Darnell, M. Accapadi, P. Rumsey, B. Kelley, B. Tschudi, D. Moss, R. Greco and K. Brill. Server Energy Measurement Protocol. Energy Star, (online) Available at:

14 186 V. Gilart et al. 9. G. Lawton. Powering Down the Computing Infrastructure. Computer, vol. 40, no. 2, pp , IEEE Computer Society, ISSN: S. Deuty. Exploring the options for distributed and point of load power in telecomm and network applications. Telecommunications Energy Conference, INTELEC th Annual International, pp , ISBN: X Chicago, September 2004, United States of America. 11. F. Marcia-Perez, J.A. Gil-Martinez-Abarca, H. Ramos-Morillo, J. Mora-Gimeno, D. Marcos-Jorquera, V. Gilart-Iglesias. Wake on LAN over Internet as Web Service System on Chip. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume: PP, Issue:99DigitalObject Identifier: /TIE , J. A. Gil-Martinez-Abarca, F. Macia-Perez, D. Marcos-Jorquera and V. Gilart- Iglesias. Wake on LAN over Internet as Web Service. Proc. IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, pp , J. Pietilainen. Improved Building Energy Consumption with the Help of Modern ICT. ICEBO. International Conference for Enhanced Building operations. California, October 2003, United States of America. 14. Z. Ren, B.H. Krogh and Marculescu, R. Hierarchical adaptive dynamic power management. IEEE Transactions on Computers, vol. 54, no. 4, pp ISSN: L. Beini, A. Boglio, S. Cavalluci and B. Riccó. Monitoring system activity for OSdirected dynamic power management. International Symposium on Low Power Electronics and Design. ISLPED 98 pp: , 1998 ISBN: C.H. Lien, Y.W. Bai, M.B. Lin and P.A. Chen. The saving of energy in web server clusters by utilizing dynamic server management. Proceedings. 12th IEEE International Conference on Networs. vol. 1, pp ISBN: X. Hyderabad,December 2004,India. 17. C.H. Lien, Y.W. Bai and M.B. Lin. Estimation by Software for the Power Consumption of Streaming Media Servers. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. vol.56 no.5, pp: ISSN: Braunschweig, October 2007, Germany. 18. K. Jones. Internet's SNMP and ISO's CMIP Protocols for Network Management. International Journal of Network Management, Volume 4 Issue 3, Pages Published Online: 16 Mar T.C. Du, E.Y. Li and A.P. Chang. Mobile s in Distributed Network Management. In Communications at the ACM, 46(7), pp ISSN: , New York, July 2003, United Sates Of America. 20. J. Guo, Y. Liao, and B. Parviz. An -Based Network management system. Presented at the 2005 Internet and Multimedia Applications. 21. U. Topp, P. Muller, J. Konnertz and A. Pick. Web based Service for Embedded Devices. LNCS, vol. 2593, 2002, pp ISBN F. Jammes, H. Smit, J.L. Martinez-Lastra and I.M. Delamer. Orchestration of Service-Oriented Manufacturing Processes. Proc. of the 10th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, ETFA 2005, ISBN , Catania, September 19-22, 2005, Italy. 23. F. Maciá-Pérez, D. Marcos-Jorquera, and V. Gilart-Iglesias. Industrial TCP/IP Services Monitoring through Embedded Web Services. Eurasip Journal on Embedded Systems. Volume 2008 (2008), Article ID , 10 pages. 24. V. Gilart Iglesias, F. Maciá Pérez, F.J. Mora Gimeno, J.V. Berná Martínez. Normalization of industrial machinery with embedded devices and SOA. Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA'06)

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