Energiemonitoring und Optimierung des Energiebedarfs im Rechenzentrum

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen

1 Einleitung
1.1 Einführung in das Thema
1.2 Ziele der Diplomarbeit

2 Grundlagen
2.1 Das Rechenzentrum und seine Infrastruktur
2.1.1 Empfehlungen, Normen und Richtlinien
2.1.2 Roh- und Innenausbau
2.1.3 Die Stromversorgung
2.1.3.1 Elektrische Energieversorgung
2.1.3.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
2.1.4 Sicherheits- und Brandmeldetechnik
2.2 IT-Technik
2.2.1 Serverschrank
2.2.2 Leistungsverbrauch der IT-Infrastruktur
2.2.3 Server
2.2.4 Storage
2.2.5 Network
2.2.6 Thin-Clients
2.3 Einsparpotentiale im Rechenzentrum
2.3.1 Klima- und Lüftungsanlage
2.3.2 Optimierung auf der IT-Ebene
2.3.2.1 Leistungsfähigere IT
2.3.2.2 Virtualisierung
2.3.2.3 Cloud Computing
2.3.2.4 Power Capping

3 Managementsysteme der IT
3.1 Kapitelaufbau
3.2 Konfigurationssoftware für die EDV-Ausstattung
3.2.1 Die Funktionalität des Programms
3.2.2 Begriffserklärung zu den Programmparametern
3.2.3 Vorstellung der drei unterschiedlichen Tools von HP
3.2.4 Praxisbeispiel anhand des HP Power Calculators
3.2.5 SPECpower_ssj
3.2.6 Weitere Konfigurationsprogramme
3.3 Integriertes Systemmonitoring
3.3.1 Funktionsbeschreibung
3.3.2 Herstellerabhängige Überwachung der Server
3.4 Energieüberwachungssysteme
3.4.1 Allgemeine Beschreibung
3.4.2 Messstellenverteilung
3.4.3 Vorstellung der Messgeräte nach Messstellen
3.5 Management-Software
3.5.1 Konzepte und Anforderungen
3.5.2 Kurzvorstellung ausgewählter Management-Software
3.5.3 Merkmalübersicht

4 Bewertung bestehender Messsysteme
4.1 Gegenüberstellung
4.2 Kostenvergleich für ein Demorechenzentrum

5 Lösung zur Optimierung des Energiebedarfs
5.1 Allgemeine Vorgaben des Rechenzentrums
5.2 Analyse aus klimatechnischer Sicht
5.3 Möglichkeiten der Luftmengenanpassung

6 Zusammenfassung
6.1 Allgemeine Schlussfolgerung aus der Arbeit

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis
Sonstige Literatur
Hilfreiche Adressen

Anlage A – HP-Liste, Server mit Serviceprozessoren

Anlage B – Dell/Fujitsu-Liste, Server mit Serviceprozessoren

Anlage C - Physikalische Grundlagen

Anlage D - Intelligente PDUs Herstellerliste

Anlage E – Technische Daten der Klimaanlage

Anlage F – Strömungsdiagramm Lüftungsplatten

Anlage G – Testserver HP DL380G

Anlage H – Projektplan der Diplomarbeit

Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Einführung in das Thema

Der CO2-Ausstoß der Informations- und Telekommunikationstechnologie-Branche wird mit dem Niveau des weltweiten Flugverkehrs verglichen, der immerhin ca. 2% des weltweiten CO2-Ausstoßes ausmacht. Um diese Belastung kompensieren zu können, müssten 60 Milliarden Bäume gepflanzt werden. Zehn Terawatt, soviel Energie verbrauchten alle deutschen Server- und Rechenzentren im Jahr 2008 (Franz, et al., 2009).

Der stetig ansteigende Speicherplatzbedarf und der zunehmende Leistungsverbrauch immer leistungsfähigerer IT-Systeme führen zu einem deutlichen Anstieg der Strom- und damit der Betriebskosten.

Bis zum Jahr 2004 waren die Anschaffungskosten und die Betriebskosten aneinander gekoppelt. Seit dem Jahr 2004 sind die Betriebskosten entkoppelt und stiegen seitdem jährlich um mehr als 20 Prozent an (siehe Abbildung 1). Ohne Zweifel steht fest, dass die Rechenleistung weiterhin steigen wird und mit ihr auch der Energieverbrauch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Entwicklung der Betriebs- und Anschaffungskosten von Servern, Quelle: Lampertz

Der mittlere Leistungsbedarf betrug im Jahr 2001 durchschnittlich 100 Watt pro Server, im Jahr 2006 waren es schon 400 Watt. Die Anzahl der installierten Server hat sich vom Jahr 2000 bis 2005 verdoppelt (Koomey, 2007). Neuerdings wird die hohe Energiedichte durch die so genannte Blade-Center-Technologie verursacht, die bis zu 30kWatt pro Rack ausmachen kann.

Die Weltwirtschaftskrise brachte neue Herausforderungen mit sich, wie Maßnahmen zur Kosteneinsparung und Erhöhung der betrieblichen Effizienz. Noch nie waren die Rechenzentrumsmanager so sehr gezwungen, ihnen zur Verfügung stehende Budgets möglichst effizient zu nutzen. Laut einer Umfrage des Aperture Research Institute (ARI), prognostizieren mehr als die Hälfte der befragten Manager eine Stagnation des ihnen zur Verfügung stehenden Budgets (Aperture Research Institute, 2009). Das hat den indirekten Vorteil, dass das Bestreben nach Lösungen, welche laufende Betriebskosten senken sollen, umso größer ist. Durch den geringeren Stromverbauch sinken die Betriebsausgaben.

Aufgrund der fehlenden Messtechnik in Rechenzentren lässt sich nicht genau feststellen, wo der heißeste Serverschrank steht und ob die Umgebungstemperaturverläufe im Sollwertbereich liegen. Das erschwert nicht nur den Klimatechnikingenieuren, Maßnahmen für einen optimalen Betrieb zu finden, sondern auch den Rechenzentrumsbetreibern einen optimalen Betrieb für das Klimaprogramm zu fahren.

1.2 Ziele der Diplomarbeit

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich damit, bestehende Messsysteme auf dem Markt zu finden und sie fachlich und wirtschaftlich zu bewerten, um somit der Branche eine geeignete Messgeräteübersicht qualifizierter Hersteller zu geben. Weiterhin sind durch den Einsatz eines Energieüberwachungssystems mögliche Optimierungslösungen im klimatechnischen Bereich beschrieben. Die Rahmenbedingungen dieser Diplomarbeit sind:

1. Analyse Darstellung im Rechenzentrum:

Schilderung der Ist-Situation und Darstellung bereits vorhandener Einsparpotenziale

2. Managementsysteme der IT:

a) Aufzeigen der Möglichkeiten zur Planung der IT-Verbrauchsleistung anhand von Konfigurationstools. Hierzu gehören die Genauigkeit der Lastsimulierung und die Zusammenstellung von Servern.
b) Vorstellung der Energieüberwachungssysteme nach der möglichen Messstellenverteilung ab der Niederspannungsunterverteilung. Dabei sind die Messsysteme mit ihren Ausstattungsmerkmalen zu beschreiben.
c) Die meisten Server sind heute mit dem „Integrierten Systemmonitoring“ ausgestattet. Es sind Schnittstellen zum Informationsaustausch mit anderen Systemen des Rechenzentrums zu ermitteln und zu beschreiben. Weiterhin ist aufzuzeigen, wie die zur Verfügung stehenden Informationen weiterverarbeitet werden können.
d) Konzeptdarstellung und Merkmalübersicht ausgewählter Management-Software.

3. Bewertung bestehender Messsysteme:

Gegenüberstellung verschiedener Messsysteme unter Berück-sichtigung klassischer Betreiberanforderungen und Betrachtung der Anschaffungskosten.

4. Lösung zur Optimierung des Energiebedarfs:

Ausarbeiten und Beschreiben von Energieoptimierungsmöglichkeiten in einem Rechenzentrum anhand eines bestehenden Energieüber-wachungssystems aus klimatechnischer Sicht.

2 Grundlagen

2.1 Das Rechenzentrum und seine Infrastruktur

Als Rechenzentrum (RZ) werden Gebäude und ihre Infrastruktur bezeichnet. Gemäß dem Langenscheidt Wörterbuch versteht man darunter: „…eine ausgerüstete zentrale Einrichtung zur Ausführung umfangreicher Berechnungen im Rahmen der Datenverarbeitung“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Raumplan eines Rechenzentrums

In Abbildung 2 ist beispielshaft ein RZ-Schema dargestellt. Dabei stehen die Zahlen eins bis acht für:

- 1: Sicherheitstechnik (Kamera, Bewegungsmelder, Tastenfeld für Türöffnung)
- 2: Klimaanlage
- 3: Klimatisierung der Serverschränke durch Kaltgangeinhausung
- 4: Stromhauptverteiler (z.B. Niederspannungshauptverteiler)
- 5: Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)-Raum
- 6: Batterieraum
- 7: Telekommunikationsraum
- 8: Lüftungsplatte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abbildung 3 zeigt eine übliche RZ-Infrastrukturaufteilung, die weiter verfeinert in Basis-Infrastruktur (z.B. Transformator, USV-Anlage und Klimaanlage) und in die IT-Infrastruktur (z.B. Server, Netzwerkgeräte und Speichersysteme) eingeteilt werden kann. Die Aufgabe von Rechenzentren besteht darin, große Datenmengen zu verwalten, zu verarbeiten und zu speichern.

Moderne Rechenzentren verfügen über eine redundante Basis-Infrastruktur, die dafür garantiert, dass die Serverausfallzeit so minimal wie möglich gehalten wird. Einige RZ-Betreiber sehen ein Backup-RZ parallel zum produktiven Haupt-RZ vor, das im Falle eines Totalausfalls einspringt, bis das andere wieder zur Verfügung steht.

Bis heute existiert kein geeigneter Kennwert für die Vergleichbarkeit von unterschiedlichen Rechenzentren, die Bestrebungen danach sind aber groß. Der wohl am weitesten verbreitete und am häufigsten publizierte Kennwert ist der sog. Power Usage Effectiveness-Wert (PUE) (siehe Formel 2.1). Er gilt als Indikator für die Gesamtenergieeffizienz eines Rechenzentrums. Der PUE-Wert wird oft bei der RZ-Planung als Hilfsgröße herangezogen, weil einige Auftraggeber diesen als Vorgabe angeben.

(2.1)

: Gesamtrechenzentrumsleistung (Total Facility Power) ist die gemessene Leistung am Stromzähler des Energieversorgungsunternehmens (EVU). Es darf nur die RZ-Infrastruktur erfasst werden, nicht jedoch die Energieversorgung von Nebennutzern wie z.B. Büros.

: IT-Leistung (IT Equipment) entspricht dem Leistungsbedarf von Server, Storage und Network.

Der PUE-Wert darf nicht als eine konstante Größe angesehen werden, da die Geräte in einem Rechenzentrum immer verschieden ausgelastet sind. Als Beispiel sei hier auf den Zusammenhang zwischen Klimatisierung und Außenluft verwiesen, wie in der Abbildung 4 gezeigt ist (Behrendt, et al., 2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als nachteilig ist anzumerken, dass eine veraltete IT-Infrastruktur, die einen hohen Energiebedarf hat, den PUE-Wert positiv beeinflusst. Die Abweichung gegenüber der tatsächliche Effizienz eines Rechenzentrums entsteht dadurch, dass lediglich der Energieverbrauch eines Servers einbezogen wird, und nicht die tatsächliche Rechenleistung.

2.1.1 Empfehlungen, Normen und Richtlinien

Zahlreiche Empfehlungen, Normen und Richtlinien unterstützen den Ingenieur bei der Planung und Umsetzung von Rechenzentren. Eine Auswahl hierüber gibt die untere Übersicht:

I. Kriterien für die Verfügbarkeit und Sicherheit

- TIA-942 (Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers) herausgegeben von Uptime Institute: Die Komponenten von TIA-942 sind: Flächenaufteilung und RZ Layout, Kabelführung, mehrstufige Sicherheit und Verfügbarkeit

- BSI (Bundesamt für Sicherheit und Informationstechnik): Hochverfügbarkeitskompendium 2009 mit sechs Stufen

II. Parameter für die Energieeffizienz

- TÜVRheinland: Kriterienkatalog zum Nachweis eines energieeffizienten Rechenzentrums. Es wird darauf geprüft, ob geeignete Instrumente zum Analysieren und Überwachen vorhanden sind und ob der festgelegte Energieeffizienzgrad erreicht worden ist.

- EU (Europäische Union) – Code of Conduct on Data Centers Energy Efficiency V1.0.; ist darauf ausgerichtet, den Energiehaushalt durch das Monitoring und Einsatz effizienter Infrastruktur in Rechenzentren zu senken

III. Klima- und Lüftungstechnik

- Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ist ein Berufsverband in den USA. Es veröffentlicht unter anderem auch Normen und Richtlinien im Bereich Klimatechnik, auf die in Bauordnungen Bezug genommen wird

- VDI (Verein Deutscher Ingenieure) 2054: enthält Empfehlungen, die beim Erstellen von raumlufttechnischen Anlagen für die Datenverarbeitungsräume zu beachten sind

Zu Punkt I : Die Verfügbarkeit eines Rechenzentrums ist als äußerst wichtig einzustufen, da ein Server bereits nach 30 ms ohne Strom ausfällt. Jede Ausgefallstunde kostet den RZ-Betreibern, je nach Branche, bis zu 400.000 US-Dollar (AMR Research Schätzung). Die Verfügbarkeit lässt sich anhand der Zeit, in der ein System tatsächlich betriebsbereit ist, mit der Gleichung (2.2) berechnen.

(2.2)

Gesamtzeit : Betriebszeit in Stunden auf das gesamte Jahr gesehen (z.B. 8760 Stunden).

Gesamtausfallzeit : die Gesamtausfallszeit eines technischen Systems entsteht durch regelmäßige Wartung, Störungen oder Schäden und Reparaturen zu deren Beseitigung.

Beispiel Berechnung für die Tier 1-Verfügbarkeit :

%(2.3)

Die TIA-942 Definition von Uptime Institute unterteilt die Verfügbarkeit in die Verfügbarkeitsstufen Tier 1 bis Tier 4 (Tab. 1). Tier 1 stellt dabei die kleinste und Tier 4 die höchste Verfügbarkeit dar. Daraus abgeleitet entstehen dann die Anforderungen an die Redundanz der Basis-Infrastruktur.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Weiteren werden nur die wichtigsten Grundlagen, die zum Verständnis dieser Diplomarbeit führen, kurz beschrieben.

2.1.2 Roh- und Innenausbau

Bei Auslegung eines Serverraums müssen diverse Anforderungen an die Gebäudestatik, Raumhöhe sowie Abluftsystem berücksichtigt werden. Da große Raumluftklimageräte und Racksysteme erhebliche Gewichtslasten darstellen, müssen diese Lasten bei der Auslegung des Bodens mitberücksichtigt werden. Die Doppelbodenhöhe ist von der Leistungsanforderung abhängig. Bei ca. 800 bis 1000 W/m² beträgt sie 0,6m. Die Bodenplatten haben ein Standardmaß von 0,6 x 0,6 Meter. Das Verhältnis der Nutzfläche für die IT-Infrastruktur und der Basis-Infrastruktur variiert je nach Redundanzauslegung des Rechenzentrums und der geforderten Leistung pro Quadratmeter (W/m²). Das bedeutet, dass eine höhere Redundanz mehr Grundfläche einnimmt, was eine geringere Nutzfläche für die IT-Infrastruktur zur Folge hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.3 Die Stromversorgung

2.1.3.1 Elektrische Energieversorgung

Allgemeine Stromversorgung des Gebäudes wird direkt vom Energiever-sorgungsunternehmen bezogen. Fällt sie aus, kommt die Netzersatzanlage (Generator) zum Einsatz und übernimmt die gesamte Energieversorgung (Abbildung 6). Die Einspeisung der Niederspanungsunterverteilung (NSUV) wird über die USV geführt. Zur Steigerung Verfügbarkeit werden alle Racks redundant, über eine getrennte A-und B-Versorgung, mit elektrischer Energie versorgt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Energieversorgung

Erklärungen zur Abbildung 6 :

- Allgemeine Stromversorgung (AV): Versorgung aller im Gebäude vorhandenen Anlagen z.B. Klimaanlage und Beleuchtung
- Sicherheitsstromversorgung (SV): Versorgung von Anlagen, die im Gefahrenfall Personen schützen, z.B. Sicherheitsbeleuchtung, Löschanlagen
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV): Versorgung empfindlicher Verbraucher, die bei AV-Ausfall/Störung unterbrechungsfrei weiterbetrieben werden müssen, z.B. Server/Rechner, Kommunikationstechnik

2.1.3.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)

Durch den Einsatz von USV-Anlagen sollen empfindliche Verbraucher wie die IT-Infrastruktur vor Störungen aus dem AV-Netz geschützt und bei Netzausfällen sicher weiter betrieben werden (Siemens AG, 2006). Im Falle kurzer Unterbrechungen des AV-Netzes sorgen Batterien für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), bis z.B. ein Dieselgenerator angelaufen ist und eine längerfristige Energieversorgung garantiert.

Die Bemessung der USV-Anlagen erfolgt in Voltampere (Scheinleistung). Die Angaben sind auf dem Typenschild des jeweiligen Gerätes oder in der technischen Anleitung des Herstellers zu finden. Sie müssen so gewählt werden, dass die Gesamtscheinleistung nicht unterschritten wird und eine jährliche Wachstumsrate der IT-Infrastruktur mit einkalkuliert wird.

Die Aufgaben von USV-Anlagen sind [nach (Lüneburg, et al., 2009)]:

- Umsetzen der Spannungsart bzw. Spannungshöhe auf die erforderlichen Werte
- Speichern elektrischer Energie zur Überbrückung von Netzlücken bzw. -ausfällen
- Regeln der Speisespannung unabhängig vom Über- oder Unterschreiten der Primärversorgung
- Ausfiltern von Überspannungen (z.B. Blitzschlag)
- Energieverteilung an die nachgeschalteten Verbraucher

Die nähere Betrachtung der USV-Anlagen zur Energieeffizienz ist nicht vom weiteren Interesse für diese Arbeit. Aber zur Darstellung der Gesamtenergieeffizienz des Rechenzentrums ist sie von Bedeutung.

2.1.4 Sicherheits- und Brandmeldetechnik

Ein RZ muss ständig betriebsbereit sein. Hier gehört die Betrachtung von Sicherheitstechnik und Brandmeldetechnik dazu. Beide sind an die Gebäudeleittechnik (GLT) zur Überwachung und Steuerung gebunden. Als Feldbus wird z.B. BACnet verwendet.

Sicherheitstechnik

Um unbefugten Personen den Zutritt zu verwehren und zu erschweren werden Sicherheitseinrichtungen installiert. Dazu gehört nicht nur die Betrachtung eines einzelnen RZ-Raumes sondern die des gesamtes RZ-Komplexes mit seiner Infrastruktur. Dabei erfolgt die Unterteilung in „Baulichen Schutz“ und „Technischen Schutz“.

Baulicher Schutz :

- Sicherheitsverglasung
- Einbruchmeldeanlage
- Fassadenschutz
- Wasserschutz gegen das Eindringen von Wasser ins RZ
Technischer Einbruchschutz :
- Bewegungsmelder
- Glasbruchsensoren
- Videoüberwachung
- Zutrittskontrolle

Brandmeldetechnik

Nach Tela Versicherung werden die Schäden an IT-Infrastruktur in 6,5% aller Fälle durch Feuer verursacht. Der Brandschutz ist gegliedert in:

Brandvermeidung (Vorbeugen) :

- Baulich (Baustoffklassen, Feuerwiderstand)
- Technisch (Dauerinertisierung des Raumes)
- Organisatorisch

Branderkennung (Detektieren mit Sensoren) :

- Brandfrühesterkennung
- Brandmeldung
- Handmeldung (z.B. Person betätigt Tastknopf)

Brandlöschung (Bekämpfen) :

- Feuerwehr
- Wasserlöschsysteme (Sprinkler, Wassernebel)
- Gaslöschsysteme (Inertgase, chemische Löschgase)

Gut bewährt hat sich z.B. die Brandfrühesterkennung. Bei dieser Lösung werden der Umgebungsluft ständig Luftproben entnommen, die über ein Rohrsystem zu einer Detektionseinheit weitergeleitet werden. In der Detektionseinheit werden die Luftpartikel gezählt und mit vordefinierten Werten verglichen. Bei einer Überschreitung des Grenzwertes erfolgt eine interne Alarmmeldung. Durch die Brandfrühesterkennung verlängert sich die Reaktionszeit.

2.2 IT-Technik

2.2.1 Serverschrank

Serverschrank (engl. Rack) ist ein Gestell für die IT-Technik mit einer genormten Breite von 19 Zoll^[1]. Elektrogeräte, die eine Frontbreite von 19 Zoll aufweisen, können im Rack eingesetzt werden. Die Höhe des Racks wird in Höheneinheiten (HE) angegeben, eine HE ist mit 1,75 Zoll normiert. Die Abbildung 7 zeigt einen gewöhnlichen Serverschrank, wie dieser in Rechenzentren eingesetzt wird.

BeispielAbmessung :Breite=800mm, Tiefe=1200mm, Höhe=2000mm.

2.2.2 Leistungsverbrauch der IT-Infrastruktur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 zeigt die prozentuale Aufteilung des Leistungsverbrauchs der IT-Infrastruktur bezogen auf die wesentlichen Verbrauchertypen. Den größten Anteil am Gesamtenergiebedarf haben mit 50% die Server, gefolgt von Storagegeräten mit 35% (z.B. Festplattenspeichergeräte, Bandlauf-werke). Networkgeräte sind Verbraucher mit dem geringsten Energiebedarf (z.B. Hub, Switch, Bridge).

2.2.3 Server

Server (Abb.9) sind leistungsfähige Rechner. Sie stellen in einem verteilten Rechnersystem zentrale Dienste für mehrere Nutzer (Clients) zur Verfügung. Die Verbindung zwischen Server und Clients erfolgt über LAN (Local Area Network).

Beispiel an Serverarten :

- Anwendungs- oder Softwareserver stellen in Netzwerken zentral Programme zur Verfügung.

- Printserver verwalten zentral die Druckaufträge im Netz und verteilen diese an die angeschlossenen Drucker.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

E-Mail-Server dienen allen Netzwerkteilnehmern als Mailbox. Sie verwalten die ein- und ausgehenden E-Mails und bilden häufig auch das Gateway zu Mail-Systemen (z.B. Internet).

Anforderungen an den Server [nach (Lüneburg, et al., 2009)]:

Server müssen:

- Zuverlässig sein, z.B. durch redundante Stromversorgung, redundante Festplatten (RAID), frühzeitiges Erkennen von Fehlern im System

- Hochverfügbar sein, z.B. durch automatische Umschaltung auf redundante Systeme (Festplatten) ohne Betriebsunterbrechung

- Skalierbar sein, z.B. durch nachträglichen Festplatten- oder Prozessor-Einbau

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abb.10 zeigt die Leistungsverteilung der einzelnen Hardware-Komponenten (290W) und die Umwandlungs-verluste eines Servers (163W). Hierbei ist der größte Leistungsbedarf beim Prozessor und den Laufwerken.

Blade-Server: Bei Blade-Servern handelt es sich im Prinzip um Standardrechner, die überwiegend mit einem x86-Prozessor angeboten werden. Die Blades werden zentral verwaltet und haben eine gemeinsame Stromversorgung und Lüftung. Im Vergleich zu den Standard-Servern unterscheiden sie sich im Formfaktor. Dabei besteht ein Blade-Server aus mehreren Server-Modulen. Jedes Server-Modul entspricht einem vollwertigen Rechner (mit CPU, Festplatte und Arbeitsspeicher), der in vordere Einbauplätze eingesteckt wird (siehe Abb. 11 links).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Blade-Server zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:

- Hohe Server-Dichte
- Effizienter Betrieb durch gemeinsam genutzte Komponenten wie Stromversorgung, Speicher und Netzwerk
- Hohe Verfügbarkeit, durch redundante Systemkomponenten, schnelle Erweiterungen möglich
- Keine komplexe Verkabelungen
- Einfache und einheitliche Administration
- Niedrigerer Energieverbrauch als herkömmliche Server auf der gleichen Fläche

Der Energieverbrauch eines vollbelegten HP Blade Enclosure G2 liegt bei 1170W und hat einen Platzbedarf von 3HE.

2.2.4 Storage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Storage-Systeme sind Speicher-Einrichtungen, die als Massenspeicher große Datenmengen zuverlässig und mit hohen Geschwindigkeiten speichern(Lüneburg, et al., 2009).

Storage-Systeme (Abbildung 12) werden unterschieden in

- DAS (Direct Attached Storage: direkt zugeordneter Speicher): Der Speicher wird direkt an den Server z.B. über SCSI-Bus angeschlossen.

- NAS (Network Attached Storage: Netzwerk zugeordnete Speicher): Der Speicher hängt hier an einer Art File-Server, also einem lokalen, dem Speicher zugeordneten Server, der die Zugriffe koordiniert, die Zugriffsrechte überprüft und den angeschlossenen Speicher als eine Art virtuellen Speicher im Netz anbietet [(Gulbins, et al., 2002)-S.215].

- SAN (Storage Attached Network: zugeordnetes Speicher-Netzwerk): Die Server werden über ein separates Hochgeschwindigkeitsnetzwerk mit dem Speicher verbunden. Die Übertragung basiert auf der Fibre-Channel-Technik^[2].

2.2.5 Network

Unter Network (Netzwerk) werden alle Netzwerkkomponenten wie Bridge, Gateway, Repeater, Router und Switch verstanden.

Die Bridge (Brücke) verbindet Teilnetze miteinander und arbeitet auf Schicht 1 und 2 des OSI-Modells. Übertragen werden Datenpakete zwischen den Teilnetzen aufgrund der identifizierten MAC-Adressen. Eine Bearbeitung der Daten wird nicht durchgeführt.

Das Gateway (Torweg) koppelt in lokalen Netzen unterschiedliche Netzwerktypen miteinander, übersetzt dabei die Protokolldaten der unterschiedlichen Netze in die jeweils andere Form und arbeitet auf Schicht 3 bis 7 des OSI-Modells.

Der Repeater arbeitet als Signalverstärker zur Regenerierung von Leitungspegeln und arbeitet auf Schicht 1 des OSI-Modells, eine Bearbeitung der Datenpakete wird nicht durchgeführt.

Der Router analysiert das Netz selbstständig und sucht geeignete Wege im Netz auf Basis routbarer Protokolle. Er arbeitet auf der Schicht 3 nach dem OSI-Modell.

Ein Switch arbeitet im Prinzip wie eine Vermittlungseinrichtung. Er verfügt über eine Vielzahl von Anschlüssen (Ports), an die die Teilnehmer oder Netzsegmente angeschlossen werden und schaltet die Verbindungen zwischen den Ports durch. Außerdem werden auch parallele Kommunikationen zwischen den verschiedenen Teilnehmern ermöglicht. Der Switch arbeitet auf Schicht 2 nach dem OSI-Modell.

2.2.6 Thin-Clients

Thin-Clients sind abgespeckte Rechner ohne bewegliche Teile wie Festplatte, Lüfter, Laufwerk usw. Sie sind günstiger und langlebiger, weil keine beweglichen Teile vorhanden sind. Im Vergleich zu den Desktop-Computern verbrauchen Thin-Clients viel weniger Energie. Es kann auch ein alternatives Betriebssystem eingesetzt werden (z.B. Linux).

2.3 Einsparpotentiale im Rechenzentrum

Wie der Abbildung 13 zu entnehmen ist, wird der größte Teil der Energie für das IT-Equipment (50%) und die Klimatisierung (37%) benötigt. Dementsprechend gibt es auf der IT-Ebene und bei der Klimatechnik bereits Lösungen zum energieeffizienterem Rechenzentrum-Betrieb.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3.1 Klima- und Lüftungsanlage

Rechenzentren sind 365 Tage im Jahr in Betrieb. Dabei wandeln Rechner nahezu die gesamte zugeführte Energie in Wärme um(Stulz GmbH, 2007). Je mehr sie beansprucht werden, desto mehr Wärme geben sie ab. Damit die Rechner optimal und zuverlässig arbeiten, müssen bestimmte Lufttemperatur- und Feuchtigkeitsgrenzen eingehalten werden. Hierzu sind Empfehlungen von VDI 2054, die zuletzt im Jahre 1994 aktualisiert worden sind, und der ASHRAE Environment Guidelines for Datacom Equipment 2008 in Tabelle 2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Anforderungen an die Raumluft im Rechenzentrum

Bei zu hohen Temperaturen können elektronische Bauteile, die in Servern eingesetzt sind, nicht mehr richtig arbeiten und schalten ab oder werden beschädigt. Eine niedrige relative Luftfeuchtigkeit führt zu elektrostatischer Aufladung. Der Entladevorgang kann elektronische Bauteile beschädigen. Bei zu hoher Luftfeuchtigkeit kann es zu Taupunktverletzungen kommen, die dann zu Korrosionen an den EDV-Anlagen führen. Je effizienter gekühlt wird, desto weniger Strom wird für Kühlung aufgewendet. Die Energieeffizienz kann durch folgende Faktoren beeinflusst werden:

a) Klima- und Lüftungsanlage:

- Ein kleinerer Luftvolumenstrom erfordert geringere Leistungsaufnahme der Ventilatoren.
- Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur (kalte Luft) und Rücklauftemperatur (warme Luft) steigert die Kühlleistung der Klimaanlage.

b) Maßnahmen innerhalb des Serverschrankes:

- Für eine gute Luftverteilung im Serverschrank muss die Verkabelung ordentlich geführt sein, so dass die Luft möglichst ungehindert vorbei kann.
- Auf die richtige Einbauhöhe der Server achten,
- Hoher Stromverbrauch à viel Abwärme (unten montieren)
- Niedriger Stromverbrauch à wenig Abwärme (höher montieren)
- Bei der Montage der Hardware im Rack immer darauf achten, dass alle Geräte-Frontpanels in einer Richtung angebracht sind,
so dass die warme Luft immer in einer Richtung ausgeblasen wird.

c) Geeignete Auswahl des Klimakonzeptes

Klimakonzepte (I bis IV)

I. Klimatisierung ohne bauliche Maßnahmen zur gezielten Luftführung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dies ist ein veraltetes Klimakonzept (Abbildung 14), das immer seltener zu finden ist. Ein einfaches Raumklimagerät bringt gekühlte Luft in den Raum, die Racks sind ohne bestimmte Ordnung aufgestellt. Beim Abführen der Rückluft kommt es zu einer Vermischung zwischen der Warmluft (roter Pfeil) und der Kaltluft (schwarzer Pfeil). Hierbei besteht der Nachteil, dass durch die Luftvermischung nur geringe Temperatur-differenzen im Raum erreicht werden, vorgesehener Einsatzbereich: für bis zu 2 kW pro Rack.

II. Klimatisierung über den Doppelboden ohne Ordnung der Racks aus lufttechnischer Sicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Klimagerät bringt kalte Luft in den Hohlraum des Doppelbodens ein, die dann über Lüftungsplatten an definierten Stellen ausgeblasen wird (Abbildung 15). Die Rückluft von Serverschränken neigt dazu, sich mit der kalten Luft aus den Lüftungsplatten zu vermischen. Dieser Vorgang bewirkt eine weniger wirkungs-volle Kühlung der IT-Geräte. Das Klimagerät saugt die Warmluft wieder an und kühlt sie. Vorgesehener Einsatzbereich: für bis zu 4 kW pro Rack.

III. Klimatisierung über den Doppelboden und Ordnung der Racks in kalte/warme Gänge

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Klimagerät bringt kalte Luft in den Hohlraum des Doppelbodens ein, die dann über Lüftungsplatten an definierten Stellen ausgeblasen wird (Abbildung 16). Die Racks sind geordnet in warme und kalte Gänge aufgestellt, damit eine Luftvermischung so gering wie möglich gehalten wird. Vorgesehener Einsatzbereich: für bis zu 6 kW pro Rack.

IV. Klimatisierung über den Doppelboden und Einhausung der Kaltgänge

Ein Klimagerät bringt kalte Luft in den Hohlraum des Doppelbodens ein, die dann über Lüftungsplatten an definierten Stellen ausgeblasen wird (Abbildung 17). Die Racks sind geordnet in warme und kalte Gänge aufgestellt und zusätzlich mit einer baulichen Abschottung, einer sogenannten Einhausung versehen. Hierbei kommt es nicht zur Luftvermischung, was eine optimale Kühlung der IT-Geräte bedeutet. Vorgesehener Einsatzbereich: ab 4 bis 12 kW pro Rack.

2.3.2 Optimierung auf der IT-Ebene

2.3.2.1 Leistungsfähigere IT

Durch Leistungsmessung an der IT-Hardware können individuelle Maßnahmen getroffen werden wie:

- Anschaffung neuer IT-Hardware, die wirtschaftlicher und leistungsfähiger arbeitet. Zum Erwerb neuer IT-Geräte könnten Konfigurationsprogramme bei der Zusammenstellung einzelner Serverkomponenten nützlich sein. Einzelne Hinweise zum Konfigurationsprogramm sind in Kapitel 3.2 nachzulesen.

- Zeitliche Abschaltung der nicht genutzten IT-Hardware

2.3.2.2 Virtualisierung

Es gibt viele Konzepte einer Virtualisierung, jedoch haben sie alle eines gemeinsam. Sie zielen darauf ab, die logischen IT-Systeme von den physisch vorhandenen Hardware-Ressourcen zu abstrahieren(Frank, 2010). Eine virtuelle Maschine ist ein nachgebildeter Rechner, der in einer isolierten Umgebung auf einem realen System läuft (Baun, et al., 2009). Die Serverkonsolidierung ermöglicht eine bessere Auslastung der Hardware. Das Zusammenfassen mehrerer Server zu einem Server führt zur Kostensenkung bei der Hardware, niedrigeren Verbrauchskosten (Kühlung, Strom) und zu geringerem Administrationsaufwand, da Ressourcen wirkungsvoller und flexibler genutzt werden. Unter dem Begriff Ressourcen werden in der IT-Sprache beispielsweise Arbeitsspeicher, Festplattenlaufwerke und CPU bezeichnet. Wie eine Servervirtualisierung in einem Unternehmen aussehen könnte, wird durch das folgende Beispiel 1 verdeutlicht.

Vorteile :

- Bessere Auslastung der Hardware
- Kostensenkung bei Hardware, Verbrauchkosten (Strom und Kühlung)

Nachteile :

- Nicht jede reale Hardware kann aus einer virtuellen Maschine

angesprochen werden (z.B. Kopierschutzstecker)

- Ausfall eines physischen Servers kann mehrere virtuelle Maschinen betreffen

- Es wird spezielle Virtualisierungs-Software benötigt (z.B. vom Softwareunternehmen VMWare)

Beispiel 1 für Server-Virtualisierung :

Ein Unternehmen hat einen Mail-Server, einen Druck-Server und einen Web-Server. Alle diese physischen Server werden als alleinstehende Geräte betrieben. Dabei werden die einzelnen Systeme meist nur zu einem Bruchteil der möglichen Leistung ausgelastet. Durch Konsolidierung und Virtualisierung entsteht nur ein physischer Server, der Mail-, Druck- und Web-Server beinhaltet, wobei der Anwender nichts davon bemerkt (siehe Abbildung 18).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 18: Server-Virtualisierung

Nachfolgend werden einige weitere Virtualisierungskonzepte aufgezählt, auf die nicht näher eingegangen wird, da es über den Rahmen dieser Arbeit hinausgeht [nach (Baun, et al., 2009)]:

- Hardware-Emulation
- Partitionierung
- Vollständige Virtualisierung
- Paravirtualisierung
- Hardwarevirtualisierung und
- Betriebssystemvirtualisierung

2.3.2.3 Cloud Computing

Der Begriff „Cloud Computing“ bedeutet „Rechnen in der Wolke“ wobei er bisher nicht eindeutig worden ist definiert. Die US-Technologie-beratungsfirma Saugatuck Technology definiert den Begriff „Cloud Computing“ als On-Demand-Infrastruktur (Speicher, Rechner, Netze) und On-Demand-Software (Betriebssysteme, Anwendungen, Management- und Entwicklungs-Tools), wobei die Anpassung an die Bedürfnisse von Geschäftsprozessen dynamisch erfolgt(Igel Technology, 2009). Alle diese Services lassen sich webbasiert aufrufen. Die Authentifizierung erfolgt durch Benutzernamen und Passwort und wird verschlüsselt übertragen. Die Cloud-Anbieter haben verschiedene Abrechnungsmodelle wie beispielsweise Abrechnung nach CPU-Stunden, Speichervolumen oder der übertragenen Datenmenge. Bei Cloud Computing werden oft Thin-Clients eingesetzt, da im Vergleich zu den Desktop-Computern halb soviel Energie (Knermann, et al., 2008).

Vorteile :

- Lokal wird weniger Hardware (z.B. Server, Storage) und Software (z.B. Verwaltungssoftware) benötigt
- Neue Abrechnungsmodelle wie Bezahlung nach Nutzung von Services machen den Einstieg attraktiv
- Eine Internetverbindung reicht, um auf alle Services und eigene Daten zugreifen zu können
- Standortunabhängigkeit (Mehrere Standorte können die gleiche Anwendung verwenden, Außendienstmitarbeiter haben Zugriff auf die aktuellsten Daten)
Nachteile :
- Daten auf einem externen Server à außerhalb der eigenen Kontrolle
- Ohne Internetverbindung steht keiner der Services zur Verfügung
- Lokal installierte Programme funktionieren auch offline
- Für einige Applikationen ist es zu langsam, z.B. CAD-Software aus der Automobilbranche

Beispielanwendung für Cloud Computing :

Beispiel 1 : Ein Zeitungsverlag muss PDF-Dateien aus mehreren Millionen Artikeln für sein Online-Archiv generieren. Dabei müssten eigentlich die IT-Verwalter eine Menge neuer Hardware nachkaufen. Durch den flexiblen Einsatz von Cloud Computing mietet der Verlag kurzfristig den nötigen Speicherplatz und zahlt nur das genutzte Speichervolumen.

Beispiel 2 : Ein Forschungsteam plant kurzfristig ein kleines Projekt und hat nicht die notwendige Ausstattung. Per Mausklicks stellt er sich die gewünschte Rechenkapazität inklusive Speicher und sonstigen Komponenten zusammen. Zusätzlich kann nach Bedarf die notwendige Anwendungssoftware ausgewählt werden.

2.3.2.4 Power Capping

Neue Einsparimpulse bei den Servern bietet Hewlett Packard (HP) mit seiner bereits integrierten Chipsatzlösung (Serviceprozessor) iLO2. Damit soll es dem Administrator möglich sein eine Obergrenze für den Leistungsverbrauch eines Servers zu setzen, entweder indirekt über die CPU-Auslastung in Prozent oder direkt durch Angabe der maximalen Verbrauchsleistung. Es gibt zwei Arten der Power Capping Technologie, HP Power Capping und HP Dynamic Power Capping, die später näher erläutert werden. Das Power-Managementsystem führt diese Kontrolle durch die Veränderung des Leistungszustandes (engl. P-State).

Der P-State wird von den Chip-Herstellern AMD und Intel unterstützt. Um den Stromverbrauch der Prozessoren zu verringern, werden die Prozessorkern-Frequenz und -Spannung gesenkt. In der Abbildung 19 werden Daten von zwei verschiedenen Prozessoren dargestellt. Der AMD Opetron 2220 besitzt wesentlich mehr Zwischenstufen, sodass es feiner geregelt werden kann.

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^[1] 1“ (Zoll) entspricht 2,54 cm.

^[2] Fibre-Channel (Faserkanal): ist für serielle, kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen konzipiert worden, mit Übertragungsraten von 133 Mbit/s , 266Mbit/s, 531Mbit/s und 1,062 Gbit/s (Lüneburg, et al., 2009).