Efficienza energetica nell’Internet del Futuro

Future InterNet Energy Efficiency

FINE2

Progetto di Grande Rilevanza co-finanziato nell’ambito del Protocollo di Cooperazione Scientifica e Tecnologica Bilaterale tra Italia e Sati Uniti d’America.

Con il contributo del Ministero degli Affari Esteri, Direzione Generale per la Promozione del Sistema Paese

Sintesi del progetto

Nel recente passato, prestazioni e fattore economico sono stati i principali fattori guida nello sviluppo dei servizi e dei prodotti di massa, al contrario gli aspetti relativi alla sostenibilità ambientale e al risparmio energetico non erano considerati quali fattori di interesse. Nel campo dell’Information and Communication Technology (ICT), finora, non si sono ottenuto significativi livelli di efficienza energetica, neppure nei settori a più rapida crescita quali le telecomunicazioni e Internet. Solo recentemente, sulla spinta dell’incremento dei costi dell’energia, del continuo aumento di utenti e  dispositivi elettronici dotati di connettività di rete (ad es.: smat-phone, set-top-box, ecc.), della diffusione degli accessi a banda larga e del crescente numero di servizi offerti dalle telecom, il problema dell’efficienza energetica è divenuto, anche per le reti cablate e le infrastrutture di servizi, un obiettivo ad alta priorità.

A questo proposito, la Commissione Europea ha stimato in circa 21,4 TWh la richiesta energetica complessiva relativa all’anno 2010 per le infrastrutture di rete degli operatori di telecomunicazioni europei , e ne prevede l’incremento a 35,8 TWh per il 2020, qualora non vengano adottate tecnologie “green” di risparmio energetico. In [1], i partner del progetto, insieme con Telecom Italia, hanno condotto uno studio indipendente circa le richieste energetiche attese nelle reti (includendo sia gli apparati  delle telecom che degli utilizzatori finali), evidenziando il potenziale impatto delle tecnologie per l’efficienza energetica  relativo allo specifico ambito italiano per il quinquennio 2015-2020. Benché lo studio si basi sul dati e ipotesi decisamente “conservativi”, lo scenario che ne risulta sottolinea come le tecnologie “green” possano permettere di risparmiare circa il 68% della richiesta energetica complessiva relativa a infrastrutture di rete e utilizzatori finali. Ciò corrisponde approssimativamente a un guadagno energetico di più di 1,3 TWh/anno, o a un risparmio in temini monetari di più di 160 M$/anno (suddivisi in 33 M$/anno per le telecom italiane e 127 M$/anno per i consumatori finali italiani).

[1] R. Bolla, R. Bruschi, K. Christensen, F. Cucchietti, F. Davoli, and S. Singh, “The Potential Impact of Green Technologies in Next-Generation Wireline Networks – Is There Room for Energy Saving Optimization?”, submitted to IEEE Communication Magazine - Topic Issue on Green Communications.

Obiettivi

Oggigiorno è ampliamente riconosciuto che la sola introduzione del cosiddetto “silicio a basso consumo” non sarà sufficiente per porre effettivamente freno alle richieste energetiche delle future reti. Partendo da questa assunzione, il presente progetto si propone l’obiettivo di investigare, sviluppare e testare nuove funzionalità per i dispositivi dell’Internet del Futuro che permettano una gestione efficiente del consumo energetico, così da ridurre significativamente lo spreco di energia cui si assiste nella rete attuale.

Il progetto, pertanto, sarà volto a ri-pensare e ri-progettare gli apparati e le infrastrutture di rete “wired”, nell’ottica di una tecnologia e secondo una prospettiva più sostenibile a livello energetico e ambientale. L’idea chiave del progetto consiste nell’introdurre, nell’ambito specifico delle reti cablate, concetti e paradigmi innovativi di tipo “green”, che permettano una riduzione della richiesta energetica del 50% nel breve/medio periodo (e dell’80% in una prospettiva a più lungo termine) da parte:

·         degli apparati che compongono l’infrastruttura di rete cablata, in relazione a uno scenario di tipo “business-as-usual”;

·         dei dispositivi di rete degli utenti finali (ad es.: PC, set-top-box, gateway residenziali o altri dispositivi elettronici che possono essere collegati in rete).

A questo scopo, la sfida maggiore consisterà nel progettare e sviluppare nuove tecnologie, criteri e meccanismi di controllo integrati per gli apparati di rete, in grado di ridurre il consumo energetico grazie alla capacità di adattare dinamicamente le risorse e le capacità di rete ai carichi di traffico effettivi e alle attuali esigenze degli utenti.

Nell’ambito dell’idea chiave sopra descritta, il progetto concentrerà i propri sforzi di ricerca e sviluppo sui seguenti obiettivi puntuali:

·         Concepire e sviluppare nuovi approcci, meccanismi e tecnologie di “power-saving”, volti a modulare il consumo di energia degli apparati, pur garantendo i livelli di prestazione della rete richiesti.

·         Definire innovativi meccanismi di standby “netwok-specific”, in grado di non compromettere “la presenza in rete” dell’apparato anche durante i periodi di “idle” (inattività).

·         Divulgare le conoscenze acquisite e i risultati di maggior interesse sia tra la comunità scientifica che in ambito industriale, allo scopo di dare ulteriore e maggior impulso alla diffusione delle tecnologie “green”.

Questi ambiziosi obiettivi potranno essere raggiunti anche grazie al supporto offerto dalla presenza del progetto ECONET, un Progetto Integrato su ampia scala (“large scale Integrating Projects – IP”) cofinanziato dalla Comunità Europea nell’ambito del 7° Programma Quadro, coordinato dal CNIT, a cui partecipa un significativo numero di imprese italiane operanti nel campo dell’ICT (tra le altre: Alcatel-Lucent Italia, Telecom Italia ed Ericsson Telecomunicazioni). Benché il progetto ECONET offra un framework adeguato per rendere effettiva l’inclusione di tecnologie “green” all’interno dei dispositivi dell’Internet del Futuro, esso non può finanziare le attività realizzate in collaborazione con i partner USA. Per tale motivo il presente progetto rappresenta un mezzo fondamentale per supportare attività congiunte ITA-USA, che possano promuovere un proficuo scambio di conoscenze, implementare azioni di coordinamento o realizzare lavori di ricerca specifici.

A questo proposito, la collaborazione con i partner USA gioca un ruolo considerevole per il raggiungimento degli obiettivi del progetto, e per la valorizzazione e lo sfruttamento dei risultati che si otterranno. Il Prof. Ken Christensen di USF e il Prof. Suresh Singh di PSU, alla guida delle due unità di ricerca statunitensi coinvolte, sono considerati illustri ricercatori e la loro fama nel campo delle risparmio energetico applicato alle reti è nota a livello mondiale. Sono stati, infatti, i primi a sollevare il  problema dell’efficienza energetica nelle reti di telecomunicazioni cablate più di dieci anni or sono, e sono stati i promotori di riferimento durante la definizione e sviluppo delle prime soluzioni e protocolli di rete di tipo “energy-efficient” (alcuni esempi, tra gli altri: lo standard IEEE 802.3az, le specifiche Energy Star e il supporto “green proxy” per gli host di rete). E’ indiscutibile, dunque, che le conoscenze e il notevole background di esperienza che possono vantare i succitati ricercatori siano elementi ad elevato valore aggiunto, che possono garantire al progetto un punto di vista privilegiato e a 360 gradi sulle soluzioni allo stato dell’arte, sulle questioni ancora irrisolte e sugli attuali sforzi di maggior interesse nell’ambito delle tecnologie per il “green networking”. Tale punto di vista privilegiato rappresenterà, inoltre, ulteriore garanzia del fatto che il progetto focalizzerà i propri sforzi verso le direzioni di ricerca effettivamente più promettenti.

Struttura

Lo studio e lo sviluppo di soluzioni e strategie innovative di risparmio energetico richiedono molteplici e complesse azioni di ricerca, volte a far sì che i dispositivi di rete possano supportare, sfruttare e controllare tali nuove funzionalità “energy-aware”, sia a livello fisico che a livello logico.

Il progetto è stato specificatamente organizzato nell’ottica di  unire e integrare il know-how scientifico dei ricercatori italiani e statunitensi a favore dell’individuazione di idee, paradigmi e tecnologie innovativi in grado di ridurre drasticamente l’impatto ambientale (il cosiddetto “carbon footprint”) dell’ICT di prossima generazione.

Il progetto sarà organizzato in tre Work Package (WP), suddivisi in Task (T), come segue:

WP 1: Supporto allo standby per i dispositivi dell’utente finale.

Coordinamento: partner statunitensi.

Coordinamento: congiunto partner italiano e partner statunitensi.

Coordinamento: partner italiano.

WP 2: Infrastrutture di rete ad efficienza energetica.

Coordinamento: partner italiano.

Coordinamento: partner statunitensi.

 Coordinamento: congiunto partner italiano e partner statunitensi.

Coordinamento: congiunto partner italiano e partner statunitensi.

WP 3: Disseminazione.

Coordinamento: congiunto partner italiano e partner statunitensi.

Coordinamento: congiunto partner italiano e partner statunitensi.


 

Pianificazione

GANTT

Mesi - Anni

Anno 1

Anno 2

Anno 3

1 - 4

5 - 8

9 - 12

13 - 16

17 - 20

21 - 24

25 - 28

29 - 32

33 - 36

WP1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WP2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WP3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T3.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T3.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Partecipanti

Italia:

·         Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT)

Responsabile scientifico: Prof. Raffaele Bolla

Biografia breve:

Raffaele Bolla ha ricevuto il titolo di Dottore in Ricerca in Telecomunicazioni presso l’Università di Genova. Ha preso servizio nel settore disciplinare ING-INF/03 presso il Dipartimento di Informatica, Sistemistica e Telematica (DIST) (Università di Genova) come Ricercatore nel 1996, e come Professore Associato nel 2004.

E’ attualmente responsabile delle relazioni internazionali della Facoltà d’Ingegneria di Genova ed è anche il responsabile dell’Unità di Ricerca CNIT di Genova.

E’ responsabile per il DIST e per il CNIT di numerosi e importanti progetti e contratti di ricerca di cui i più recenti e importanti sono: ECONET (low Energy COnsumption NETworks), un large scale Integrating Project del FP7 da 10 milioni di Euro di costo di cui è il coordinatore; la European Network of Excellence (NoE) TREND (Towards Real Energy-efficient Network Design) in cui è coordinatore dellUdR di Genova, il PRIN SORPASSO (flexible SOftware Router PlAtform for Secure Service-specific Overlay networks) di cui è il coordinatore nazionale.

Svolge un’intensa attività di revisione per riviste internazionali, progetti e congressi.

E’ co-autore di più di 140 pubblicazioni scientifiche su riviste e congressi internazionali.

Gli interessi e le attività di ricerca attuali sono principalmente focalizzate su: i) meccanismi e tecniche per la riduzione del consumo energetico in nodi in tecnica IP, ii) caratterizzazione, misure e modelli per “overlay network” specifiche per servizio, iii) piattaforme modulari e distribuite per nodi per il “Future Internet” (Flexible Software Router), iv) gestione avanzata della mobilità in contesti “user centric”.

Pubblicazioni:

[1] R. Bolla, R. Bruschi, A. Ranieri, “Green Support for PC-based Software Router: Performance Evaluation and Modeling,” Proc. IEEE ICC 2009, Dresden, Germany, June 2009. Best paper award.

[2] R. Bolla, R. Bruschi, F. Davoli, “Energy-aware Performance Optimization for Next Generation Green Network Equipment”, Proc. ACM SIGCOMM PRESTO 2009, Barcelona, Spain, Aug. 2009.

[3] R. Bolla, R. Bruschi, F. Davoli, “Energy-aware Resource Adaptation for Next Generation Network Equipment,” Proc. IEEE GLOBECOM 2009, Honolulu, Hawaii, USA, Dec. 2009.

[4] R. Bolla, R. Bruschi, F. Davoli, A. Ranieri, “Performance Constrained Power Consumption Optimization in Distributed Network Equipment,” Proc. IEEE GreenComm09, Dresden, Germany, June 2009.

[5] R. Bolla, R. Bruschi, F. Davoli, F. Cucchietti, “Energy Efficiency in the Future Internet: “A Survey of Existing Approaches and Trends in Energy-Aware Fixed Network Infrastructures,” IEEE Comm. Surveys and Tutorials (COMST), vol. 13, no. 4, to appear.

Stati Uniti d’America:

·         University of South Florida (USF)

Responsabile scientifico: Prof. Ken Christensen

Biografia breve:

Ken Christensen received his Ph.D. in Electrical and Computer Engineering from North Carolina State University in 1991 under the supervision of Professor Arne Nilsson. Before joining USF in 1995, Ken was an Advisory Engineer at IBM in the Research Triangle Park, North Carolina. In 1998 and 1999 he was a NASA Summer Faculty Fellow at Kennedy Space Center. Ken received an NSF CAREER award in 1999. In spring 2004 he was a visitor in the Department of Communication Systems at Lund University (Sweden). Ken is the Editor-in-Chief for the Wiley journal International Journal of Network Management.

The main research topic of Ken Christensen is focused on reducing the energy use of networks and the end devices that connect to networks. Ken is the coordinator of the Energy Efficient Internet Project funded by the NSF.

Pubblicazioni:

[1] K. Christensen, P. Reviriego, B. Nordman, M. Bennett, M. Mostowfi, and J. A. Maestro, “IEEE 802.3az:The Road to Energy Efficient Ethernet,” submitted to IEEE Communications, March 2010.

[2] B. Nordman and K. Christensen, “Greener PCs for the Enterprise,” IEEE IT Professional, Vol. 11, No. 4, pp. 28-37, July/August 2009.

[3] J. Blackburn and K. Christensen, “A Simulation Study of a New Green BitTorrent,” Proceedings of the First International Workshop on Green Communications (in conjunction with the IEEE International Conference on Communications), June 2009.

[4] C. Gunaratne, K. Christensen, S. Suen, and B. Nordman, “Reducing the Energy Consumption of Ethernet with an Adaptive Link Rate (ALR),” IEEE Transactions on Computers, Vol. 57, No. 4, pp. 448-461 April 2008.

[5] M. Allman , K. Christensen, B. Nordman, and V. Paxson, “Enabling an Energy-Efficient Future Internet Through Selectively Connected End Systems,” Proceedings of the Sixth Workshop on Hot Topics in Networks (HotNets-VI), November 2007.

·         Portland State University (PSU)

Responsabile scientifico: Prof. Suresh Singh

Biografia breve:

Suresh Singh is currently a Full Professor in the Department of Computer Science at Portland State University in Portland, Oregon, U.S.A. He received his Ph.D. degree in Computer Science from the University of Massachusetts, Amherst in 1990. Before joining Portland State University, he was an Associate Professor and Director of the Modern Communications Center at Oregon State University. His research activities cover the study of Internet architectures and protocols with energy consumption being the primary focus. His work in the past has been on low-power wireless communications and on the “Green Internet”. In the work on the green Internet, he was one of the earliest researchers to discuss the potential for conserving energy in the core Internet by using sleep states. Since then his work has continued on in low-power Internet architectures and router/switch design. In addition, he has been active in the area of wireless network design and evaluation as well as development of innovative new communication technologies at 60 GHz and Terahertz frequencies. He has co-authored over 70 scientific publications and has been an active participant in many major conferences including ACM Mobicom and IEEE Infocom.

Pubblicazioni:

[1] Maruti Gupta and Suresh Singh, “Dynamic Ethernet Link Shutdown for power conservation on Ethernet Links”, International Conference on Communications (ICC) 2007.

[2] Maruti Gupta and Suresh Singh, “Energy conservation with low power modes in Ethernet LAN environments”, IEEE INFOCOM (Minisymposium), Anchorage, Alaska, May 2007.

[3] Satyajit Grover, Maruti Gupta, and Suresh Singh, “A feasibility study for power management in LAN switches”, IEEE ICNP, Berlin, October 5 – 8, 2004.

[4] Bokyung Wang and Suresh Singh, “Computational energy cost of TCP”, IEEE INFOCOM, March 7 – 11, 2004, Hong Kong.

[5] Maruti Gupta and Suresh Singh, “Greening of the Internet”, ACM SIGCOMM 2003, August 25 – 29, Karlsruhe, Germany.