数据中心增强型网络交换机更新模型的成本效益与环境分析

《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Cost-benefit and environmental analysis of enhanced network switch refresh model for data centers

　　

•提出的网络刷新模型旨在提高数据中心的能效，而不损害其性能。
•该模型降低了数据中心的运营电力成本。
•该模型还减少了数据中心的碳足迹。
•还计算了投资回报率 (ROI) 和冷却需求的降低情况。
•监管机构可以使用该模型来监控和评估数据中心的能效。

引言
绿色数据中心的概念已经出现，用于实施能效策略 [1]。在著名的实践中，硬件刷新已被接受为现有数据中心节能的最佳实践之一。然而，硬件更换需要预算分配和成本投资。本工作评估了数据中心中网络硬件刷新的成本效益比。分析的目标是实现环境上和经济上的可持续数据中心。数据中心的常规寿命为 10 至 15 年。然而，IT 设备的寿命为 3 年。因此，基础设施需要每 3 至 4 年刷新一次 [2]。实施刷新前的成本效益分析将不仅带来节能的数据中心，还将带来成本效益高的数据中心。刷新的成本效益分析很重要，因为自 20 年前以来，电费一直在持续通货膨胀 [3]。此外，通胀率持续上升，预计每过一年都会增加。无论是计算还是通信刷新，硬件刷新都需要经济计划。只有当刷新对组织在经济上是可行的时，刷新才会发生。本文是我们先前工作 [4] 的扩展。在先前的工作中，提出了数据中心的网络刷新模型。虽然已经进行了成本研究；然而，那项工作缺乏广泛的成本效益分析。在本文中，将全面的经济分析整合到先前开发的网络刷新模型 (NRM) 中，并将其称为增强网络刷新模型 (ENRM)。两种模型之间的差异已在表 1 中展示。数据中心的能源需求每过一年就会翻一番。这 Consequently 导致电费成本增加 [5]。因此，本文旨在检查和降低网络交换机的能源成本。根据 [6] 中的分析，IT 设备的优化利用可在数据中心实现 20% 至 40% 的能效。需要对这些节能技术进行成本优化。然而，对设备的运营成本进行评估是一项艰巨的任务。[7] 中也强调了减少数据中心的能源消耗及其相关成本。本文中开发的模型使用文献中可用的指标计算多个参数及其成本。本工作没有提出任何指标；然而，基于此分析，可以建立衡量数据中心网络基础设施可持续性和成本的指标，正如 [8] 中强调的那样。本工作的目标是关注数据中心网络基础设施的整体能效，特别是网络交换机的能效。文献中有各种技术旨在实现数据中心计算的能效 [1], [9]，以及冷却设备的能效 [10], [11]。这些技术不仅限于刷新技术，还包括整合和优化技术 [12], [13]。然而，本工作仅限于网络刷新模型，以强调数据中心网络能效的重要性。此外，必须观察 ENRM 实施后能效、可持续性和经济效益的改进分析，因此它是单独评估的。通过整合任何现有技术（包括服务器优化和冷却优化），可以提高能效。除此之外，还观察到减少网络基础设施的能源需求也将导致冷却需求减少。分析显示在后面的章节中。同样，可以整合流量优化技术（包括 [14]）以进一步提高数据中心的网络效率。本工作也可能有助于加速在数据中心资源有效性 (DCRE) 指标版本 II 下开发 IT 设备有效性 (ITE 有效性) 指标的 ongoing 工作 [15]。此外，数据中心能源消耗的增加也导致碳足迹增加。全球碳足迹的主要贡献者是电力消耗 [16]。根据 [17] 中的预测，预计到 2030 年底，数据中心的碳足迹将达到全球排放量的 8%。预计到 2030 年，仅美国数据中心的碳足迹估计增加约为 2% [18]。同样，[19] 估计由于能源使用增加 20%，到 2030 年数据中心的碳足迹将增加 13%。因此，本文还分析了网络刷新对碳足迹的影响。文章的其余部分如下。第 2 节介绍了现有数据中心能效技术的文献综述。第 3 节介绍了所提算法的详细方法论和工作原理。第 4 节包含实施所提刷新模型的数据中心案例研究。该节中提出了能效、性能提升、AEC 降低、碳足迹节省、投资回报率以及冷却需求降低的完整分析。第 5 节讨论了案例研究的结果。第 6 节进行了敏感性分析。第 7 节将所提技术与现有的能效技术进行了对比分析。第 8 节讨论了所提模型在监管机构为数据中心制定有效能效政策中的作用。第 9 节得出结论。

章节片段
文献综述
成本效益分析是用于了解所提方法对组织经济可行性的评估方法。通过降低基础设施成本可以实现降低数据中心运营成本的目标。[20] 讨论了在城市建立数据中心的成本效益分析。如今，现有数据中心的能效备受关注。然而，在大多数情况下，实现能效涉及费用。

方法论
本节演示了增强网络刷新模型 (ENRM) 的详细工作原理。该模型可以扩展到任意数量的交换机。因此，所提模型可以轻松地应用于超大规模数据中心。在先前的模型中，也提出了不同供应商之间的交换机刷新。从分析中可以明显看出，更换供应商可能会导致数据中心能效提高。因此，显然所提模型可以

案例研究
通过现实世界传统数据中心网络交换机刷新的案例研究，展示了所提算法的实施和结果验证。考虑的交换机列表见表 3。从表中可以看出所选交换机的功耗 (P)、交换容量 (C) 和停止支持 (EOS) 日期。已评估刷新对能效、年度电费、碳足迹节省和获得的投资回报率的影响。

结果与讨论
表 9 展示了刷新的整体影响以及所有讨论因素中获得改进的百分比。从表中分析可以看出，由于刷新，CNEE 和单位能源数据传输率 (Gb/kWh) 得到了极大改善。同样，也观察到了 AEC 的明显减少和运营碳足迹节省。然而，隐含碳排放将减少总体足迹节省的影响。此外，

敏感性分析
通过改变刷新决策中考虑的技术和经济参数，对所提模型的敏感性分析进行了执行。从技术角度来看，模型考虑降低 CNEE 值来决定刷新。然而，可能会出现刷新后的交换机能耗比现有交换机高的情况。在这种情况下，由于交换容量的巨大改进，CNEE 降低了。此类刷新可能从经济上

所提模型与数据中心网络现有能效技术的对比分析
文献中存在各种网络节能技术。然而，这些技术在主要目标和随之而来的影响方面可能有所不同。因此，不同技术的每一个方面都不可比，但它们可以在一些相似的方面进行比较。ENRM 的目标是获得能效，同时降低数据中心的 AEC 和碳足迹。成本的节省、能效和碳足迹节省的

所提模型对数据中心能效监管政策的贡献
本工作也可被视为监管机构努力实现数据中心能效工作的初步贡献。本工作的新颖之处在于考虑了数据中心刷新的经济影响和环境 impact。在 [42] 中，考虑了一个更改刷新年份的场景，仅考虑了对碳足迹的影响。然而，组织政策必须考虑成本效益之间的权衡

结论
从讨论中可以看出，在数据中心进行节能操作并非没有成本。然而，适当的规划和使用合适的能效技术可以使数据中心运营在组织预算范围内可持续。本文提出了网络交换机刷新模型。网络交换机的更换是通过遵循所提算法进行的，该算法不仅基于技术原因评估建议的更换，而且

CRediT 作者贡献声明
Syed Muhammad Sheraz：写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。
Asad Arfeen：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理。
Umaima Haider：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

Syed Muhammad Sheraz 是巴基斯坦卡拉奇 NED 工程与技术大学软件工程系的助理教授。他分别于 2024 年、2010 年和 2007 年在 NED 工程与技术大学获得计算机与信息系统工程专业的博士学位、硕士学位和学士学位。他的研究兴趣包括节能计算、节能数据中心设计和网络安全。他还在领域工作
Syed Muhammad Sheraz|Asad Arfeen|Umaima Haider