Essendo variata la capacità degli apparati di rete e delle soluzioni di cablaggio, è necessaria un'analisi approfondita per pianificare l'infrastruttura di data center più adatta a garantire il massimo ritorno sugli investimenti.
Efficienza energetica e condizionamento
Molti fattori inducono i responsabili di data center a revisionare, correggere, riposizionare e consolidare gli attuali dati center. I due principali fattori sono l'alimentazione e il condizionamento. In molti data center tradizionali, le unità di condizionamento di vecchio tipo funzionano con un'efficienza dell'80%, misurata in termini di consumo elettrico per tonnellata di raffreddamento (kW/t). Le unità più recenti offrono un'efficienza pari al 95-98%, in base alla marca e al modello. In alcuni casi, è più conveniente per le società liberarsi di un mancato ammortamento e poter contare sui vantaggi in termini di efficienza delle nuove unità.
Tuttavia, con qualsiasi sistema di condizionamento, elementi diversi dalla sola unità di raffreddamento possono avere un notevole influsso sull'efficienza. Semplici operazioni, come la rimozione dalle canalizzazioni dei cavi non più utilizzati per ridurre gli ostacoli al passaggio dell'aria e ottimizzare il flusso, l'installazione di passacavi a spazzola o cuscinetti pneumatici per mantenere la pressione statica sotto il pavimento e il riposizionamento del cablaggio all'interno dei cabinet per ridurre ostruzioni al flusso d'aria fronte-retro, hanno effetti positivi e obbligano le aziende a considerare questi e altri perfezionamenti relativamente semplici per il miglioramento dell'efficienza in termini di potenza e raffreddamento. Con le iniziative di riduzione dei consumi energetici e di rispetto dell'ambiente che influiscono sulle attuali decisioni, la relazione biunivoca tra consumo energetico e raffreddamento anima il dibattito all'interno delle società per la scelta delle apparecchiature di rete (server, switch, SAN).
Aumento della capacità di storage e della larghezza di banda
Oltre alle richieste di elaborazione più veloce e a un minore consumo energetico, le recenti modifiche di legge sull'obbligo di conservazione dei dati (ad esempio la legge Sarbanes Oxley) stanno facendo lievitare i costi di storage. Se tali costi variano da settore a settore e in base alle procedure di gestione delle varie società, è indubbio che i requisiti di storage e recupero dati siano in aumento.
Secondo IDC, “L' informazione digitale nel 2007 era costituita da 281 exabyte, circa 45 Gb per ogni persona sulla terra”. Come per qualsiasi altro apparato del data center, maggiore è la quantità di dati da trasferire, maggiore è la larghezza di banda necessaria. Per supportare comunicazioni più veloci, è disponibile un numero crescente di protocolli di trasmissione dati ad alta velocità e infrastrutture di cablaggio, con diversi requisiti per le interfacce di alimentazione e fisiche.
Per soddisfare queste crescenti richieste di larghezza di banda nel data center, stanno aumentando le applicazioni a 10 Gb/s per la trasmissione su cablaggio a coppie bilanciate, su cablaggio twinax e su cablaggio a fibre ottiche. Secondo le previsioni di Dell'Oro Group, le soluzioni 10GbE basate su rame sono in espansione e rappresenteranno il 42% degli 8,8 milioni di unità 10GbE previste per il 2010. Uno studio di Linley Group ha rivelato che: “...entro il 2009, le unità 10GbE consegnate supereranno di gran lunga il milione. Il mercato dei blade server, in rapida crescita, guiderà la domanda di switch 10 GbE. A livello fisico, il mercato 10 GbE sperimenterà diverse transizioni, inclusa una svolta verso il 10GBASE-T su cablaggio in rame”.
Infrastrutture 10 GB/S
Per la realizzazione di una soluzione 10 Gb/s sono disponibili varie opzioni di cablaggio. Infiniband è una di queste opzioni. L'unico grande vantaggio di Infiniband è il tempo di latenza molto inferiore (circa un microsecondo) rispetto alle applicazioni basate su TCP/IP ed Ethernet, dovuto alla presenza di un ridotto overhead in questo protocollo di trasmissione. Infiniband sta guadagnando popolarità negli ambienti di cluster e grid computing non solo per lo storage, ma come interconnessione LAN a bassa latenza e alte prestazioni con un consumo energetico medio di circa 5 watt per porta.
Un singolo canale Infiniband fornisce una banda di 2,5 Gb/s e 4 canali garantiscono operazioni a 10 Gb/s in modalità SDR (Single Data Rate) e a 20 Gb/s in modalità DDR (Dual Data Rate). Le interfacce per Infiniband includono connettori di tipo twinax (CX4) e connettori in fibra ottica: anche il cablaggio a coppie bilanciate è ora supportato dall'Allegato A5[4]. Il connettore Infiniband più diffuso attualmente utilizza tuttavia twinax per comunicazione seriale 4x (4 canali) o 12x (12 canali). A seconda del produttore queste applicazioni hanno un limite di distanza tra 3 e 15 m: fattore questo limitante in alcuni data center. L'Infiniband a fibra ottica consuma circa 1 watt per porta, ma con un costo unitario due volte superiore a quello del cablaggio a coppie bilanciate. Sono inoltre disponibili adattatori attivi tra cavo CX4 e cavo a fibra ottica per incrementare la distanza da 3-15 m a 300 m. Questa opzione si rivela però costosa, crea un ulteriore punto di guasto potenziale e introduce latenza ad ogni estremità del collegamento. Un inconveniente del cavo Infiniband CX4 è il diametro, pari a 0,549 cm per i cavi 30 AWG e 0,909 cm per i cavi 24 AWG.
Con la pubblicazione dello standard IEEE 802.3an, la trasmissione a 10 Gb/s su cablaggio a coppie bilanciate (10GBASE-T) si sta diffondendo rapidamente e sarà la soluzione 10 GbE più adottata. Dato che il cablaggio di categoria 6A/classe EA, di categoria 7/classe F o di categoria 7A/classe FA offre prestazioni di attenuazione ed eliminazione del crosstalk migliori rispetto alla categoria 6, lo standard ha definito una modalità Short Reach per questi sistemi di cablaggio. Un cablaggio ad alte prestazioni semplifica la riduzione di potenza nei dispositivi PHY per la modalità Reach Mode (inferiore a 30 m). La modalità a potenza ridotta è una soluzione che consente di ridurre il consumo energetico rispetto alla categoria 6 o alle tratte più estese di classe EA, F o FA. Nei data center collegamenti inferiori o uguali a 30 metri potranno sfruttare questo risparmio energetico, previsto intorno al 50% a seconda del produttore.
I criteri IEEE 802.3 10 GBASE-T
I criteri IEEE 802.3 10GBASE-T hanno il seguente obiettivo: “Soddisfare con il dispositivo 10GBASE-T PHY i requisiti di prestazioni 10 volte superiori con costo triplo applicati ai precedenti standard Ethernet avanzati”. Ciò significa che i componenti elettronici per cablaggio a coppie bilanciate prodotti su vasta scala garantiranno molteplici velocità ad un prezzo molto allettante rispetto al costo dell'elettronica per fibra ottica. Essendo la manutenzione basata sul prezzo di acquisto dell'apparecchio originale, non solo i costi iniziali saranno inferiori, ma anche i costi successivi. I tempi di latenza dei chip compatibili con cablaggio a coppie bilanciate sono già oggi inferiori rispetto a quelli indicati nello standard (ca. 2,5 microsecondi).
La corsa alle alte velocità
A velocità di 1 Gb/s, l'elettronica compatibile con il cablaggio a coppie bilanciate offre migliori prestazioni in termini di latenza rispetto alle fibre ottiche; tuttavia il rapporto si inverte per applicazioni a 10 Gb/s e gli attuali componenti in fibra ottica garantiscono prestazioni migliori, ma non quanto Infiniband/CX4 a 10 Gb/s. Questa situazione comunque cambierà con i chip 10GBASE-T di futura generazione per gli switch su rame. È importante ricordare che nelle trasmissioni in fibra ottica gli apparecchi devono effettuare una conversione da elettrico a ottico, e ciò contribuisce alla latenza.
La coppia bilanciata rimane il mezzo trasmissivo dominante per la maggior parte dei collegamenti di cablaggio dei data center. Secondo un recente comunicato stampa BSRIA: “...i risultati dell'indagine evidenziano una corsa alle alte velocità nei data center; un'ampia scelta di categorie di cablaggio in rame per 10G, soprattutto schermate; e un rapporto in volume rame/fibra di 58%/42%. Il 75% degli intervistati che progettano di scegliere il cablaggio in rame opterà per collegamenti 10G schermati, suddivisi omogeneamente in categoria 6, 6a e 7. L'utilizzo di OM3 è al momento relativamente ridotto nei data center degli Stati uniti. La scelta della fibra ottica è ancora fortemente correlata al costo, ma sembra guadagnare terreno per coloro che desiderano adottare soluzioni a prova di un futuro 100G e per chi non intende aspettare apparati su rame 10 Gb/s o 40 Gb/s”.[5]
Le applicazioni 10 Gb/s basate su fibra ottica costituiscono l'opzione 10GbE più “matura”, sebbene progettata originariamente per applicazioni backbone e come aggregazione per collegamenti gigabit. La maggiore portata delle fibre giustifica il costo aggiuntivo dell'elettronica in fibra ottica per la realizzazione di collegamenti backbone superiori a 90 metri. Ma l'impiego di fibra ottica per cablaggio di data center di dimensioni limitate può essere proibitivo in termini di costi.
Protocollo di trasmissione
È quindi prassi comune combinare cablaggi a coppie bilanciate e in fibra ottica nei data center. Il più comune protocollo trasmissivo su fibra ottica 10GbE è il 10GBASE-SR. Esso supporta varie distanze in base al tipo di fibra ottica utilizzata. Per fibra OM1 (ad es. la fibra multimodale livello FDDI 62,5/125 µm) la distanza è limitata a 28 metri. Per fibra multimodale OM3 ottimizzata al laser - 50/125 µm (500/2000) - la distanza arriva a 300 m con supporto a prova di futuro per 40 e 100 Gb/s, protocolli attualmente in corso di sviluppo all'interno di IEEE.
Per incrementare le distanze su fibra ottica OM1 sono stati pubblicati altri due standard sulle fibre ottiche: 10GBASE-LX4 e 10GBASE-LRM, che incrementano le distanze consentite rispettivamente a 300 m e a 220 m. Tuttavia è importante notare che i componenti elettronici LX4 e LRM sono più costosi rispetto ai corrispettivi SR e, nella maggior parte dei casi, risulta vantaggioso aggiornare il cablaggio in fibra ottica a livello OM3, poiché ciò non comporta elevati costi di manutenzione derivanti dal costo dell'elettronica.
Evoluzione della connettività da 1 GB/S a 10 GB/S - opzioni di infrastruttura
In molti casi, per il cablaggio a coppie bilanciate e a fibra ottica, un upgrade da 1 Gb/s a 10 Gb/s richiede la sostituzione dello switch Ethernet, perché gli switch di vecchia fattura non supportano porte multiple 10 Gb/s. Prima di scegliere un cablaggio a coppie bilanciate o in fibra ottica per un upgrade a 10GbE, deve essere completato uno studio per verificare che potenza, raffreddamento e spazi disponibili per il cablaggio siano adeguati. Questa analisi deve inoltre includere i costi di esercizio e di manutenzione.
Il consumo energetico per gli switch 10 Gb/s costituisce al momento uno dei principali fattori nell'analisi dei costi del cablaggio a coppie bilanciate rispetto a quelli in fibra ottica nel data center. Con chip 10GBASE-T di prima generazione operanti a 10-17 watt per porta, la riduzione del consumo energetico rappresenta un obiettivo e una sfida per i produttori 10GBASE-T PHY. Si tratta certamente di qualcosa da considerare attentamente dal momento che i chip di prossima generazione avranno un minore consumo di potenza in grado di reggere il confronto con le porte Infiniband, posizionandosi a circa la metà del consumo rispetto ai primi modelli. La stessa cosa è stata notata nel Gigabit Ethernet, che dai chip di prima generazione alle attuali tecnologie ha registrato un decremento del 94% di potenza, da 6 Watt per porta a 0,4 Watt porta. A supporto di ciò è la recente realizzazione di un chip 10GBASE-T da 5,5 W per porta da parte di Aquantia.
L'802.3AZ
Va inoltre richiamata l'attenzione sul fatto che IEEE sta lavorando sulla tecnologia Energy Efficient Ethernet (802.3az) che consentirà connessioni di autonegoziazione a velocità inferiori durante i periodi di inattività - una funzione che potrebbe ridurre la potenza dell'85% con negoziazione da 10 Gb/s a 1 Gb/s e anche più per velocità inferiori. La potenza media su un periodo di 24 ore sarà molto inferiore quando Energy Efficient Ethernet sarà integrato nei chip 10GBASE-T di futura generazione. Questo potenziale risparmio energetico non è disponibile per la fibra ottica, perché non esiste la possibilità di autonegoziazione sulla fibra ottica.
Dato che l'elettronica in fibra ottica non può eseguire autonegoziazione, il passaggio da 1000BASE-xx a 10GBASE-xx richiede una modifica della base hardware. Al contrario, sia 1GbE che 10GbE possono essere supportati da un apparato 10GBASE-T compatibile con cablaggio a coppie bilanciate. La sostituzione dell'hardware causa tempi di inattività e un ciclo di vita inferiore dell'investimento hardware della rete. Esistono molte opzioni per comunicazioni su fibra ottica a 10 GbE. Ognuna di esse è catalogata per banda, lunghezza d'onda e tipo di mezzo trasmissivo a fibra ottica. La Tabella 1 mette a confronto i costi end-to-end stimati delle varie applicazioni di data center con cablaggio a fibra ottica e a coppie bilanciate inclusi i costi previsti da un contratto di manutenzione triennale.
Un occhio ai costi
Il costo di 10 GBASE-CX4 e Infiniband include il costo medio dei patch cord CX4.
Come già fatto notare in precedenza, per la fibra ottica è richiesta una modifica della base hardware di rete per il passaggio da 1 Gb/s a 10 Gb/s. Ipotizzando l'utilizzo di moduli SR per entrambe le applicazioni, l'attuale implementazione di 1000BASE-SR aggiornata in futuro a 10GBASE-SR dovrà includere i costi per entrambi i sistemi per un totale di $1.824,39 + $ 5.746,64 - $ 381,64 = $7.189,39, supponendo che sia installato un canale a fibra ottica ($ 381,64), che verrà riutilizzato. Per quanto riguarda 10GBASE-T, essendo in grado di supportare sia 1 Gb/s che 10 Gb/s e ipotizzando una performance 10 volte superiore ad un costo triplicato (in base allo standard), il costo di un singolo canale end-to-end che supporti entrambe le velocità è pari a $2.094,34. Ciò si traduce in un risparmio del 71% pari a $5.095,05.
In un data center con 500 porte 10 Gb/s che attualmente utilizza 1000BASE-SR, ma che prevede un upgrade a 10GBASE-SR, i costi totali inclusi gli upgrade dell'apparecchiatura (escluso chassis, tempi di inattività o manodopera) ammontano approssimativamente a 3,5 milioni di dollari. Una rete equivalente che utilizzi il potere di autonegoziazione del 10 GBASE-T su rame porterebbe a un costo pari a circa 1 milione di dollari, con un risparmio del 67% (ca. $ 2,5 M).
Non c'è da meravigliarsi del fatto che molti esperti concordino che il cablaggio a coppie bilanciate rimarrà a lungo la soluzione dominante. La maggior parte dei data center, in realtà, sarà costituita da una combinazione di cablaggio a coppie bilanciate e in fibra ottica per le comunicazioni Ethernet. La fibra ottica continuerà ad essere utilizzata nei data center per le applicazioni di storage e per distanze superiori a 100 m o per le utenze con un budget più elevato che intendono adottare soluzioni 100 Gb/s a prova di futuro.
