Top of Rack (ToR) versus Câblage Structuré Harry Forbes

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1 Top of Rack (ToR) versus Câblage Structuré Harry Forbes Directeur de la Technologie Nexans Cabling Solutions Livre Blanc Nexans Cabling Solutions Juin 2012

2 Top of Rack (ToR) versus Câblage structuré Harry Forbes Directeur de la Technologie Nexans Cabling Solutions Concept Top of Rack (ToR) La topologie ToR comprend essentiellement des commutateurs de réseau qui sont installés en haut de chaque baie de serveurs. Le commutateur est une unité autonome, pouvant être un équipement de 2 e ou de 3 e niveau, généralement d une hauteur de 1u, avec 48 ports réseau Ethernet. La connexion entre le commutateur et le port du serveur (figure 1) est la plupart du temps réalisée soit par un câble twinax cuivre soit cordon fibre optique associé à un interface SFP+. On la qualifie généralement de d attachement direct. Commutateur ToR Connexions twinax directes Serveur Figure 1. Ces cordons sont uniquement proposées en tant qu ensembles complets conçus en usine, déclinés en plusieurs longueurs standard. Du fait du leur coût, les solutions twinax cuivre sont devenues le choix préféré en alternative à la fibre dans la plupart des déploiements de centres de données. Un inconvénient majeur avec le twinax est sa portée qui tend à se limiter à environ 10 m en fonction des caractéristiques du câble et du débit Ethernet. Cette limitation de longueur est traitée ultérieurement dans ce document.

3 Concept du câblage structuré Le câblage structuré utilise des connexions intermédiaires entre un commutateur End of Row (EoR) et les ports réseau des serveurs. Les connexions des serveurs au commutateur se font par l intermédiaire d un point de brassage. Des panneaux de brassage sont installés en haut des baies de serveurs. Le modèle à 3 connecteurs est un exemple de cette configuration, couramment utilisé dans les centres de données et les locaux techniques principaux et satellites (figure 2). Baies de serveurs Brassage Commutateur EoR Figure 2. La principale différence est la portée de 100 m et la capacité de créer une connexion entre n importe quels équipements sur le réseau à travers le point de brassage, qui est expliqué de façon plus détaillée ultérieurement dans ce document. Conception et déploiement de la topologie ToR Dans l exemple qui suit, 6 serveurs dotés de 4 ports Ethernet 1 GbE et un commutateur à 48 ports 1 GbE avec une liaison montante fibre 10 GBASE-SR sont installés dans chaque baie de serveur. Cette rangée comporte 7 baies de serveurs (figure 3). Les connexions entre le commutateur et les serveurs sont des ensembles twinax cuivre. 6 serveurs par baie = 24 connexions par baie Figure 3.

4 Dans ce scénario, il y a au total 24 connexions twinax partant des serveurs vers le commutateur ToR dans chaque baie de serveurs. Cela laisse 24 ports de commutateur libres pour la croissance future : il s'agit d'une utilisation très inefficace des ports réseau, en particulier si la croissance future est lente à se concrétiser. Dépenses d investissement (CAPEX) pour cette configuration = 7 commutateurs à coût unitaire de = La consommation d énergie est un autre facteur de coût majeur qui doit être pris en considération. La recherche a montré que même inutilisés, des ports de commutateur consomment toujours l équivalent de 90 % de leur consommation en phase active (figure 4). Le graphique ci-dessous concerne des ports RJ BASE-T. Puissance (W) Nombre de liens actifs 1 Gb/s (sans trafic de données) Figure 4. Le commutateur ToR a une puissance nominale totale de 120 watts, avec 1 watt au niveau de chaque port réseau actif. Les ports non affectés et donc inactifs consommeront quand même 90 % de leur puissance nominale, ce qui équivaut à 0,9 watt par port. En conséquence, la puissance totale pour chaque commutateur dans l exemple ci-dessus est de 117,6 W. En supposant un tarif de 0,124 par kilowattheure pour les coûts d énergie et une fréquence de remplacement d équipement de 3 ans, alors : Couts d exploitation = 7 x 117 = 0,819 kwhr x 0,124 x 24 heures x 365 jours x 3 ans = Total des dépenses d investissement et d exploitation (CAPEX+OPEX) pour ce modèle = Une façon de réduire les coûts serait de diminuer le nombre de commutateurs (figure 5).

5 4 commutateurs x 48 ports = 192 connexions 6 serveurs x 4 connexions x 7 baies = 168 connexions Figure 5. Dans ce scénario, un minimum de 4 commutateurs est requis pour desservir tous les serveurs, ce qui génère une plus grande utilisation (87,5 %) des ports de commutateurs, entraînant une diminution du coût d acquisition et une amélioration des dépenses d investissement et d exploitation. Néanmoins, cela limite les capacités de croissance future. De plus, afin de prévoir un niveau de redondance minimum de n+1, il est nécessaire d installer un commutateur supplémentaire (figure 6). Figure 6. Ce scénario offre une capacité de 30 % de ports de commutateurs libres pour la croissance future. Il constitue un agencement optimisé en termes de coûts, de résilience, de redondance et de limite de portée de connexions twinax directes. Total des dépenses d investissement et d exploitation(capex+opex)sur 3 ans pour ce modèle = =

6 Conception et déploiement du câblage structuré Afin de fournir une base de comparaison similaire, chaque baie de serveurs est chargée de 6 serveurs ayant chacun 4 ports Ethernet 1 GbE. Le commutateur End of Row est un châssis doté de slots pour 9 cartes de 1u. 7 d entre eux peuvent recevoir des cartes de 48 ports réseau 1000BASE-T, les deux slots restants étant destinées à une carte d administration de réseau et à une carte de liaisons montantes fibre 10 GBASE-SR. Comme dans l exemple précédent, 4 cartes 48 ports sont installées et les serveurs sont à double rattachement sur 2 cartes différentes, à des fins de résilience. Une carte supplémentaire est installée pour une redondance de n+1, ce qui donne un total de 5 cartes (figure7). Panneau de brassage pont de brassage commutateur EoR Serveurs Figure7. Dépenses d investissement (CAPEX) = (11 % de moins que ToR). À noter que ce coût total comprend un châssis et un ventilateur. Dépenses d exploitation (OPEX) pour 3 ans = (2 % de plus que ToR) Total des dépenses d investissement et d exploitation = = (10 % de moins que ToR) Dans les exemples ci-dessus, les conceptions ToR et Câblage structuré sont toutes les deux également adaptées à l expansion future. Chacune possède le même nombre de ports de commutateur libres pour recevoir de nouveaux ajouts de serveurs. Deux commutateurs ToR peuvent être installés dans les baies non équipées et deux cartes peuvent être installées dans les slots libres du châssis EoR. Toutefois, le scénario suivant où le nombre de serveurs par baie n est pas homogène et où la croissance est imprévisible est le plus probable, y compris en intégrant les mises à niveau à des débits supérieurs.

7 Dans ce modèle (figure 8), le nombre de baies a été étendu de 7 à 12. Un commutateur ToR de 48 ports est installé dans chaque baie. Les commutateurs identifiés en rouge ont la totalité de leurs 48 ports réseau en utilisation. Le commutateur en bleu dans la baie 11 a un certain nombre de ports inutilisés. Les serveurs marqués en vert sont des ajouts qui doivent être connectés à un commutateur et peuvent uniquement être installés dans ces baies en raison de l alimentation disponible. Chaque baie a une largeur de 800 mm. Notez qu il n est pas inclus de redondance mais ce sujet est traité en détail ultérieurement dans un paragraphe distinct. Figure 8. Dans ce cas, les connexions twinax depuis le commutateur dans la baie 11 peuvent uniquement atteindre les serveurs dans les baies 8 et 4, du fait de la portée limitée à 10 m. Ceci impose l installation d un commutateur supplémentaire. La portée de 100 m offerte par le câblage structuré permet de connecter facilement l ensemble des trois serveurs depuis n importe quel commutateur End-of-Row, ce qui représente une économie de dépenses d investissement et d exploitation. Cette flexibilité de conception augmente l utilisation des ports de commutateurs inutilisés. Dépenses d investissement ToR = 13 x = Dépenses d exploitation ToR = 13 x 120 = 1,56 kwhr x 0,124 x 24 x 365 x 3 ans = 5 083,6 Total = ,6 Dépenses d investissement Câblage structuré = 2 châssis + ventilateurs = cartes de ligne = cartes de liaison montantes = modules d administration = Dépenses d investissement totales = (22 % de moins que ToR) Dépenses d exploitation Câblage structuré = 2 châssis x 0,78 kwhr x 0,124 x 24 x 365 x 3 ans = 5 083,6 (égales à ToR) Total = ,6 (15 % de moins que ToR)

8 Mises à niveau de débit de réseau En raison de l évolution des demandes liées au niveau d activité pour différents services, souvent imprévisibles, et des coûts associés, les mises à niveau de débit de réseau tendent à être réalisées au fur et à mesure qu elles s avèrent nécessaires. L impact sur les coûts dépend alors du choix du système de câblage. Dans l exemple suivant (figure 9), comme précédemment, les commutateurs ToR sont tous de 1 GbE. Les serveurs identifiés en gris ont été mis à niveau avec des ports 10 GbE. Du fait de la limitation de portée de la connexion twinax, 2 nouveaux commutateurs 10 GbE ont dû être déployés. Figure 9. Dans le cas du câblage structuré, seule une carte de ligne 10GBASE-T doit être installée dans un commutateur End-of-Row pour permettre de connecter l ensemble de ces serveurs en raison de la portée de 100 m. De nouveau, cela diminue à la fois les dépenses d investissement et d exploitation. Rétrocompatibilité Un avantage majeur du 10GBASE-T est sa capacité d adaptation multi débit (100 Mbps, 1 Gbps & 10 Gbps). Cette caractéristique permet une connexion entre n importe quelle paire d équipements fonctionnant à des vitesses différentes, grâce à la fonction d auto-négociation Ethernet. Par exemple, si un port de commutateur 10GBASE-T est connecté à un port de serveur 1000BASE-T, l auto-négociation abaissera la vitesse du port du commutateur à 1000BASE-T. Cela signifie que lorsque de nouveaux serveurs avec des ports 1000BASE-T sont déployés, les ports inutilisés sur le commutateur 10GBASE-T peuvent être utilisés s il n y a pas de ports 1000BASE-T disponibles. Cette fonction n est pas disponible avec des connexions Twinax Ethernet, quelle que soit la vitesse. En conséquence, de nouveaux commutateurs 1000BASE-T seraient requis pour prendre en charge le déploiement de nouveaux serveurs 1000BASE-T.

9 Autres coûts «cachés» Dans l exemple illustré à la figure 8 ci-dessus, les chiffres de consommation d alimentation pour ToR et EoR sont dans les deux cas de 1,56 kw. Mais un élément n a pas été pris en compte dans les dépenses d investissement et d exploitation : la fourniture d alimentations supplémentaires et de systèmes d alimentation sans coupure à chaque ToR. Des études de professionnels du secteur ont montré que les pertes subies à travers les systèmes d alimentation sans coupure sont typiquement de 16 %, ce qui doit être pris en compte dans ce modèle. Comme le modèle ToR comprend un plus grand nombre de commutateurs, cette pénalité aura un impact plus important dans les dépenses d investissement et d exploitation que pour le modèle EoR. De plus, une recherche a montré que pour chaque watt délivré à un équipement en bout de réseau dans le centre de données, 2,8 watts devaient être générés à l entrée du bâtiment. Cette différence est due aux pertes subies à travers les transformateurs, les connecteurs, le système de refroidissement, le câblage, etc. En conséquence, des pénalités de coût supplémentaires doivent être appliquées dans les deux cas, mais le ToR est le modèle le plus fortement impacté. Un autre facteur mérite l attention dans le monde des entreprises qui sont actuellement sous pression pour rendre leurs opérations «plus vertes». Il s agit de la mise au rebut et du recyclage des matériaux dangereux. Là encore, des pénalités financières sont encourues et c est l approche End of Row qui est la moins concernée. Flexibilité de conception L alimentation et le refroidissement sont deux des principaux enjeux en matière de conception, de construction et d expansion de services de centres de données. Une performance optimisée requiert une répartition homogène de l alimentation et du refroidissement. Cette exigence passe par la conception d une infrastructure de câblage qui permet le positionnement de serveurs n importe où sur le réseau pour maintenir l équilibre. Ceci est aisément réalisable avec le câblage structuré, grâce à sa portée de 100 m. Mais les possibilités d agencement sont strictement limitées avec des commutateurs ToR du fait de la portée limitée du twinax. Le brassage au niveau du Cross Connect permet de connecter n importe quel port sur n importe quel commutateur à n importe quel serveur, où qu il se situe sur le réseau (figure 9). En illustration, une connexion entre le commutateur EoR dans la rangée 4 et le serveur dans la rangée 1, baie 1.

10 brassage Rangée 1-4 Figure 9. Il a été largement constaté que la pratique de cheminement des câbles depuis les commutateurs ToR versdes rangées adjacentes a conduit à un enchevêtrement de câbles sous le faux plancher, ce qui a généré perturbations des flux d air, entraînant un refroidissement inefficace et la formation de points chauds potentiels dans les baies de serveurs, avec une panne possible de l équipement. Redondance Afin d éliminer les ruptures de flux d air, d améliorer la traçabilité des câbles et l administration, il est fortement recommandé de limiter le cheminement des câbles twinax à la rangée de baies de serveurs dans laquelle ils sont installés pour les applications ToR. En supposant un niveau de redondance de (n+1), un commutateur supplémentaire doit être installé au centre de 17 baies de serveurs pour garantir la connexion aux serveurs les plus éloignés. Le tableau suivant (figure 10) indique les niveaux de redondance pour ToR et EoR quand le nombre de baies de serveurs augmente par rangée. Nombre de baies 1 à à 34 Nbre total de commutateurs ToR redondants 1 2

11 Nbre total de commutateurs EoR redondants 1 1 Figure 10. Il devient clair que la redondance a un impact majeur sur les coûts pour une commutation ToR qui doit également comporter des alimentations et systèmes d alimentation sans coupure supplémentaires. Dépenses d exploitation supplémentaires Sur une base comparable, le modèle ToR possèdera sept commutateurs en équivalence de service de chaque commutateur EoR afin de fournir le même nombre de ports de commutateur (336). Cela implique des coûts supplémentaires pour le ToR, en termes de charges d installation, de mise en service, d administration, de mises à niveau et de maintenance. Résumé Il est donc évident que la commutation End-of-Row dans un système de câblage structuré présente de nombreux avantages sur les solutions Top-of-Rack. Le capital investi et les coûts d exploitation quotidiens sont fortement réduits grâce à une meilleure utilisation des ressources, y compris lors de mises à niveau système et extensions, au fil du déploiement de nouveaux services. La flexibilité de déploiement d équipements à l endroit et au moment requis offre un avantage significatif pour optimiser l alimentation et le refroidissement, tout en gardant le contrôle des dépenses d investissement et d exploitation. Harry Forbes Chief Technology Officer

12 Nexans Cabling Solutions Diplômé en génie électrique et électronique, Harry est Chief Technology Officer chez Nexans Cabling Solutions. Cela fait 30 ans qu il travaille dans le secteur des solutions de câblage et réseau, où il a occupé diverses fonctions techniques. Il a acquis de solides connaissances et une grande expertise des systèmes d entreprise et des exigences des infrastructures de centres de données.

13 Copyright 2012 Nexans Cabling Solutions. All rights reserved. LANmark, LANsense and GG45 are registered trademarks of Nexans. Release date: April Nexans Cabling Solutions Alsembergsesteenweg 2, b3 - B-1501 Buizingen Tel: +32 (0) Fax: +32 (0) Nexans Cabling Solutions UK and Intelligent Enterprise Solutions Competence Centre 2 Faraday Office Park - Faraday Road - Basingstoke - Hampshire RG24 8QQ Tel: +44 (0) Fax: +44 (0) info.ncs@nexans.com

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