Eteins cette lumière : plaidoyer pour des réseaux à conscience énergétique

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L’empreinte énergétique est devenue un enjeu majeur dans la plupart des secteurs de l’industrie. Les réseaux de communication ne font pas exception et Orange est l’un de ces opérateurs qui a toujours cherché à optimiser la consommation énergétique de ses infrastructures réseaux.

Et si ces réseaux étaient capables de prendre en compte l’énergie comme une donnée d’entrée qui contribuerait à non seulement optimiser leur consommation, mais également à améliorer l’usage de leurs ressources ainsi que l’efficacité des politiques d’acheminement de trafic qu’ils mettent en œuvre ?

Cet article présente une proposition de réseaux à conscience énergétique (RCE).

Qu’est-ce qu’un réseau à conscience énergétique ?

Un RCE est une infrastructure qui met en œuvre un ensemble de techniques capables d’exploiter des informations relatives à l’énergie pour influencer la manière dont les chemins sont calculés, sélectionnés et établis dans le réseau. De telles informations sont également exploitées pour influencer les processus de décision d’acheminement des données dans le réseau.

Ces informations relatives à l’énergie peuvent être descriptives de la valeur de l’énergie résiduelle disponible dans un capteur alimenté par une pile électrique, l’énergie qui a été consommée par un équipement du réseau (par exemple un routeur ou un commutateur) sur une période donnée, l’énergie qui a été produite par une source d’alimentation (batterie, onduleur, etc.) d’un équipement du réseau, ou encore l’énergie nécessaire pour envoyer un bit de données, par exemple dans le contexte d’une politique de gestion du cycle de travail des composants radio d’un capteur.

L’énergie est au cœur des réseaux du futur. De sorte que l’on ne pourra plus blâmer les communications numériques pour leur consommation énergétique.

Cet article explore quelques-unes des techniques qui peuvent aider les réseaux de communication à réaliser de substantielles économies d’énergie, à commencer par les réseaux de capteurs supports d’un ensemble de services caractéristiques de l’Internet des objets.

Il discute ensuite comment d’autres réseaux de communication que les réseaux de capteurs telles que les infrastructures réseaux fixes et mobiles exploitées par Orange peuvent mettre en œuvre des politiques d’acheminement de trafic à conscience énergétique, y compris à l’échelle de l’Internet. Enfin, l’article conclut par un résumé de l’expertise et de l’implication d’Orange dans ce domaine.

Les réseaux de capteurs ont ouvert la voie aux réseaux à conscience énergétique

La plupart des technologies de capteurs sont contraintes en ressources de calcul mais également en ressources énergétiques. Lorsque les capteurs sont connectés en réseau et que leurs ressources énergétiques sont dégradées (par exemple une pile défaillante), l’acheminement des données qu’ils collectent ou des commandes qu’ils reçoivent peut être compromis.

La sélection et l’établissement d’un chemin au sein d’un réseau de capteurs (sans fil) peut résulter d’un calcul capable de prendre en compte le niveau d’énergie de chaque capteur comme donnée d’entrée.

Un exemple emblématique d’un algorithme de calcul de route capable de prendre en compte l’énergie comme une métrique décisionnelle est celui mis en œuvre par le protocole RPL (Routing Protocol for Low power and lossy networks, protocole de routage pour des réseaux à faible énergie et susceptibles de perdre des données, [RPL2014]).

L’algorithme de calcul de routes exécuté par RPL repose sur l’établissement de structures mathématiques appelées graphes directionnels acycliques orientés vers la destination des données (DODAG, Destination-Oriented Directed Acyclic Graph). Ces structures sont conçues pour minimiser le risque de boucles de routage grâce à leur approche vectorielle et directionnelle.

Ces structures arborescentes permettent d’acheminer un trafic émis par une source (par exemple un capteur) vers une destination (par exemple un contrôleur) selon des critères définis dans une Fonction Objectif (OF, Objective Function, [RFC6552]) qui définit les caractéristiques des routes qui devraient être établies au sein du réseau de capteurs. Ces caractéristiques peuvent inclure un objectif de faible latence, de nombre minimal de capteurs à traverser pour acheminer les données vers un contrôleur, mais également l’énergie dont dispose chacun des capteurs du réseau.

RPL peut donc exploiter l’énergie comme une métrique décisionnelle pour le calcul dynamique de routes au sein du réseau de capteurs. L’information correspondante est codée dans un objet appelé Node Energy (ou énergie du nœud), [RFC6551]). Cet objet comprend un champ codé sur deux bits qui est utilisé pour indiquer la nature de la source d’alimentation (« powered » (branché au réseau électrique), « battery » (alimenté par une pile) et « scavenger » (récupérateur d’énergie)).

L’information encodée dans ce champ est généralement suffisante pour la plupart des applications des réseaux de capteurs (par exemple, collecte de données hydrographiques, relevé de compteurs d’électricité, etc.) pour atteindre les objectifs de calcul de routes à conscience énergétique.

Figure 1: exemple d’un chemin à conscience énergétique établi au sein d’un réseau de capteurs reposant sur une structure DODAG. Les flèches de couleurs entre les différents capteurs qui témoignent de la directionnalité du trafic reflètent la valeur de l’objet Node Energie (flèches vertes : pile pleine, flèches jaunes : pile faible, flèches rouges : pile à plat).

Il y a un autre champ de l’objet Node Energy qui peut être exploité pour calculer des routes à conscience énergétique au sein d’un réseau de capteurs. Ce champ est appelé Energy-Estimation (E_E, estimation de l’énergie (résiduelle)).

L’information fournie par le champ E_E peut correspondre :

• Au ratio entre la durée de vie estimée d’une batterie et la durée de vie minimum que devrait atteindre la batterie d’un capteur.
• Au ratio entre le volume d’énergie total stocké dans l’équipement et la valeur cible de l’énergie résiduelle de l’équipement, en admettant que l’équipement soit effectivement capable de mesurer sa consommation d’énergie. Cette valeur résiduelle cible correspond à l’énergie résiduelle d’un capteur au-delà de laquelle le capteur ne sera pas pris en compte par le processus de calcul de route à conscience énergétique, faute de disposer d’une énergie suffisante pour participer à l’acheminement des données.

Le calcul de routes à conscience énergétique repose alors sur l’objectif de déterminer la valeur maximale que peut atteindre le minimum d’E_E (max(min(E_E)). Des standards, des prototypes et même des déploiements opérationnels de réseaux de capteurs à conscience énergétique ont permis de montrer la faisabilité technique de l’approche caractéristique de l’activation du protocole RPL.

L’utilisation de l’énergie comme une métrique de nature à influencer la décision d‘acheminement de trafic d’un capteur peut ainsi être utilisée pour définir et mettre en place des politiques d’acheminement de trafic différenciées au sein d‘un réseau de capteurs à conscience énergétique. Ces politiques peuvent être motivées par la volonté d’atteindre des objectifs variés (et tels que définis dans la fonction OF, notamment) : par exemple, ne transmettre que ce qui est strictement nécessaire.

Dans des environnements à ressources énergétiques contraintes, ne transmettre que ce qui est strictement nécessaire constitue un objectif majeur. De ce point de vue, l’utilisation de techniques de compression d’entêtes telles que SCHC (Static Context Header Compression, ou contexte statique de compression d’’entête, [RFC8824]]) sont essentielles car elles permettent de réaliser des économies d’énergie substantielles en optimisant l’efficacité des politiques d’acheminement de trafic.

Ainsi, la compression d’un octet d’information au moyen d’un algorithme de compression d’entête tel que SCHC consomme jusqu’à 500 fois moins d’énergie que si cet octet était transmis dans son intégralité [ACKLIO2022].

Et qu’en est-il des autres réseaux de communication ?

Des économies d’énergies peuvent être réalisées par n’importe quel réseau de communications

Le déploiement massif de l’Internet depuis les trente dernières années et les générations successives de réseaux mobiles ont été essentiellement motivés par le besoin d’accommoder une croissance exponentielle du trafic Internet.

De façon intuitive, plus il y a de paquets de données à traiter, plus un équipement d’un réseau consommera d’énergie [CHABAREK2008].

Cette croissance du trafic Internet aggrave inévitablement l’énergie consommée par les réseaux de communication (quelle que soit leur nature – fixe, mobile, sans fil, optique, etc.), mais également par les infrastructures cloud et les équipements terminaux, quelle que soit leur technologie.

De ce point de vue, l’édition 2021 du rapport de l’agence internationale de l’énergie (IEA, International Energy Agency, [IEA2021]) fournit quelques données particulièrement éclairantes :

• Le déploiement des data centers, y compris les infrastructures MSDC (Massively Scalable Data Center qui reposent sur des architectures hiérarchiques de type réseaux Clos) mais également les infrastructures cloud qui sont des composantes essentielles de l’approche « telco cloud », a conduit à une demande énergétique qui représente 1% de la demande énergétique mondiale en 2020, alors que les réseaux de communication mondiaux ont consommé de 1% à 4% de l’électricité disponible la même année.
• Toutefois, l’efficacité énergétique (des réseaux de communication) s’est améliorée de 10% à 30% au cours des récentes années. De plus, les prévisions actuelles de différentes origines semblent s’accorder sur le fait que les réseaux 5G devraient consommer 10 à 20 fois moins d’énergie que les réseaux mobiles 4G à l’horizon 2025-2030.
• L’introduction de techniques d’Intelligence Artificielle (IA) combinées à des techniques d’apprentissage machine (Machine Learning, ML) a considérablement augmenté la demande en ressources de calcul, ce qui a eu pour effet d’affecter significativement la consommation énergétique des data centers, comme en témoigne l’édition 2021 du rapport publié par Facebook/Meta [META2021] : cette augmentation de la consommation énergétique des infrastructures réseaux Facebook/Meta est de plus de 40%.

De plus, des services potentiellement consommateurs de ressources de calcul et énergétiques, tels que les services dits « immersifs » qui reposent sur l’utilisation de techniques de réalités virtuelle ou augmentée, sont en train d’apparaître. Leur déploiement pourrait du reste être catalysé par des environnements virtuels tels que les métavers, où les avatars des utilisateurs sont censés vivre une grande variété d’expériences au risque de plomber les objectifs d’économie d’énergie.

En effet, de tels services mettront fortement à contribution les ressources hébergées dans les infrastructures cloud non seulement pour accéder aux contenus permettant aux avatars de vivre des expériences en temps réel, mais également en raison de la nécessité de synchroniser les utilisateurs (et leurs mouvements, en particulier) avec leurs avatars.

Les réseaux à conscience énergétique ont donc un rôle prépondérant à jouer face au développement prévisible d’applications et de services toujours plus consommateurs de ressources.

Là encore, l’information « énergie » prise en compte par les RCE pour mettre en place des politiques d’acheminement de trafic adaptées peut être variée : la charge des batteries et autres sources d’alimentation utilisées par des terminaux mobiles par exemple, les profils de trafic caractéristiques de l’usage des différentes applications et services, les comportements des utilisateurs qui déterminent des pics de trafic selon des plages horaires, la bande passante consommée en moyenne, et les périodes de quasi inactivité de certains éléments du réseau RCE, constituent autant de données d’entrée permettant de sélection les routes à conscience énergétique les plus adéquates.

La capacité de prendre en compte de telles informations pourra par exemple conduire à sélectionner des routes diurnes et nocturnes, voire à éteindre purement et simplement certains équipements du réseau RCE selon certaines plages horaires et de programmer automatiquement des cycles de réveil.

Les politiques de routage à conscience énergétique sont donc alimentées par ces informations qui peuvent être traduits en autant d’objectifs à atteindre. Une fois ces politiques instanciées, elles sont appliquées par les éléments du réseau RCE selon des instructions (de configuration, par exemple valorisation ou modification du coût d’un lien de transmission selon différentes plages horaires) élaborées et transmises par une logique de calcul telle qu’un contrôleur SDN (Software-Defined Network, [RFC7049]) dans le cadre de l’introduction de techniques d’automatisation de réseaux destinées à faciliter la conception, la fourniture et l’exploitation de services de connectivité déployés sur un réseau RCE.

De même, des politiques d’ingénierie de trafic à conscience énergétique peuvent contribuer à atteindre des objectifs d’économie d’énergie. A titre d’exemple, dans un environnement PCE (Path Computation Element), ces objectifs peuvent être véhiculés dans un objet PCE spécifique et transmis dans une requête PCReq [CONTRACT-ID] par la logique de calcul PCE (typiquement embarquée dans un contrôleur SDN) à l’ensemble des clients PCCC (Path Computation Client) impliqués dans la réservation des ressources (bande passante, calcul) qui contribueront à l’établissement des routes à conscience énergétique.

Dans un RCE IPv6, ces politiques d’ingénierie de trafic peuvent reposer sur la technique de routage à segments (Segment Routing). Les segments sont des portions du réseau qui sont utilisés pour acheminer le trafic selon différents critères tels que sa destination, son profil ou encore le comportement des clients souscripteurs du service auquel ce trafic correspond. Le concept d’identifiant de segment d’association (BSID, Binding Segment IDentifier), l’un des outils utilisés par la technique de routage à segments, peut être mis à profit pour identifier les politiques d’ingénierie de trafic à conscience énergétique.  L’usage des BSID peut ainsi conduire à l’établissement de routes diurnes et nocturnes, comme l’illustre la Figure 2.

Figure 2 : des politiques d’acheminement de trafic à conscience énergétique définies et instanciées selon une dichotomie jour/nuit peuvent réaliser des économies d’énergie.

Le routage à conscience énergétique peut être déployé à l’échelle de l’Internet

En effet, le protocole BGP (Border Gateway Protocol) qui est utilisé pour échanger des routes entre les différents réseaux qui composent l’Internet peut être mis à contribution pour réduire la consommation énergétique des routeurs [RAMAN2013].

L’approche repose sur le calcul du ratio R entre la puissance (ou énergie) consommée et la bande passante disponible.

Ce ratio R est ensuite échangé via BGP entre les réseaux (systèmes autonomes au sens BGP) qui composent l’Internet. R est calculé en additionnant l’énergie consommée par l’ensemble des routeurs d’un système autonome (ou domaine BGP), puis en la divisant par le nombre de routeurs du système autonome. La précision de R peut être améliorée en classant les routeurs d’un domaine BGP selon différentes catégories auxquelles l’administrateur du domaine BGP affecte différents poids.

Le résultat de ce calcul est ensuite divisé par la bande passante maximale disponible sur chaque lien de « sortie » d’un domaine BGP, c’est-à-dire chaque lien qui connecte un routeur situé à la frontière d’un domaine BGP à un routeur d’un autre domaine BGP (logiquement) adjacent. La plus grande valeur de bande passante est alors retenue comme dénominateur du ratio R.

La nature des sources d’énergie peut également influence le calcul de R : selon qu’il s’agisse de » panneaux solaires ou d’une centrale nucléaire, la pondération évoquée précédemment permettra par exemple de privilégier les sources d’énergie durable au détriment des sources d’énergie fossile.

La valeur du ratio R ainsi obtenue est échangée entre les routeurs BGP à l’aide d’un attribut spécifique et transitif, c’est-à-dire que cet attribut pourra être propagé par les routeurs BGP des autres domaines.

Le traitement du contenu de cet attribut conduit à la sélection et à l’établissement de routes à conscience énergétique qui pourront constituer autant d’entrées dans les tables de routage et d’acheminement maintenues par les routeurs BGP du réseau Internet.

Compte tenu de la dynamique de l’information caractérisant la consommation énergétique d’un domaine BGP au fil de temps, le risque de routes instables est réel et pourrait conduire à une indisponibilité du réseau RCE.

Pour minimiser ce risque, le calcul de l’énergie consommée dont le résultat contribue au calcul du ratio R peut être déclenché entre des intervalles temporels de taille adéquate (par exemple une journée), plutôt que de mesurer l’énergie consommée comme une entité discrète et non comme une entité continue.

Quant au calcul de la bande passante disponible, il peut s’appuyer sur les informations échangées entre les routeurs d’un domaine BGP moyennant le support d’extensions spécifiques aux protocoles de routage dynamique internes au domaine (Interior Gateway (routing) Protocol ou IGP, tels que le protocole OSPF (Open Shortest Path First)), telles que des extensions d’ingénierie de trafic.

Une fois calculé, le ratio R est également propagé au sein du domaine BGP correspondant, de sorte que chaque routeur du domaine maintienne un graphe (une « carte », en quelque sorte) à conscience énergétique de l’ensemble des systèmes autonomes connus des routeurs du domaine. Un tel graphe consigne donc les routes à conscience énergétique sélectionnées et installées par les routeurs du domaine BGP. Elles permettront d’acheminer le trafic à destination de l’Internet tout en permettant d’optimiser la consommation énergétique des routeurs du domaine BGP.

La définition, l’instanciation et la mise en place de politiques de routage BGP à conscience énergétique peut donc conduire à un Internet plus responsable, quitte à ce que certains domaines soient écartés par le processus de calcul et de sélection de routes BGP à conscience énergétique, comme l’illustre la Figure 3. Les raisons d’écarter ces domaines seront essentiellement motivées par la valeur du ratio R propagée entre les domaines.

Figure 3 : Vers un Internet à conscience énergétique.

Un réseau RCE peut également prendre soin des terminaux alimentés par des piles.

En effet, le protocole IPv6 est connu pour générer un trafic de signalisation important de nature à épuiser les piles d’un terminal mobile par exemple. Il est possible de préserver les ressources énergétiques de ces terminaux en définissant un nombre maximal de messages de signalisation identiques qu’un terminal est susceptible de recevoir, notamment lorsqu’il est inactif mais reste connecté au réseau.

Des procédures de réveil dynamiques peuvent également être utilisées [RFC6059] : elles permettent de détecter automatiquement la présence d’un terminal au moment où il se connecte au réseau et de limiter le trafic de signalisation durant ses « phases de réveil » par exemple.

Autant d’énergie économisée pour permettre au terminal de ne solliciter sa batterie que lorsqu’il est en communication.

La mesure de l’énergie consommée alimente les logiques de calcul de routes à conscience énergétique.

La surveillance de l’énergie consommée par les équipements d’un réseau RCE est une dimension importante. Cette surveillance s’inscrit dans le cadre de la gestion d’un réseau RCE et peut s’appuyer sur un ensemble de modèles d’information et de données standards [RFC7326].

Ces modèles sont organisés en « Objets Energie » (Energy Object ou EO) qui sont eux-mêmes classés selon une typologie « consommateurs » (les équipements du réseau RCE qui consomment de l’énergie tels que des routeurs) et « producteurs » (les sources d’énergie, telles que piles, cellules solaires, etc.).

Les modèles peuvent être appliqués à n’importe quel type d’infrastructure réseau (réseaux domestiques, réseaux cloud, réseaux filaires et sans fil, etc.). Les standards disponibles incluent deux bases de données d’informations de gestion (Management Information Base, MIB) qui permettent de décrire et d‘instancier les objets énergie, mais également les objets de contrôle et de surveillance (de la consommation énergétique).

Conclusion

Les réseaux à conscience énergétique ne relèvent pas de la science-fiction. Il existe déjà de nombreux outils (protocoles, modèles de données, algorithmes) qui peuvent contribuer à l’atteinte d’objectifs de sobriété énergétique fixés pour les réseaux de communications mais également les terminaux, les infrastructures cloud et, à terme, le réseau Internet.

Bien que la conception et l’application de politiques d’acheminement de trafic et de routage à conscience énergétique restent indiscutablement complexes (et nécessitent donc une expertise ad hoc au-delà des considérations de maturité technologique), il existe de nombreux standards, prototypes et autres expérimentations opérationnelles qui démontrent les bénéfices des réseaux à conscience énergétiques, pour le bien des opérateurs mais également des utilisateurs.

Orange n’est pas en reste.

Indépendamment de son expertise reconnue depuis une dizaine d’années dans le domaine des réseaux de capteurs à conscience énergétique (y compris grâce à sa contribution active aux travaux de standardisation menés au sein des groupes de travail IETF (Internet Engineering Task Force) roll [roll]et lpwan [lpwan] ainsi que par l’initiative oneM2M [ONEM2M] mise en place par l’ETSI (European Standards Telecommunications Institute), Orange mène de nombreuses initiatives pour optimiser l’empreinte énergétique de ses réseaux et autres infrastructures cloud.

C’est par exemple le cas de certaines filiales africaines d’Orange [SOLAR]. C‘est aussi l’exemple des équipements installés dans les centraux ou les sites radio dont la mesure de la consommation énergétique permet d’alimenter l’intelligence d’un « moteur de recommandations » qui repose sur l’exploitation de techniques d’intelligence artificielle et qui ouvre la voie au déploiement de réseaux RCE [SOFRECOM].

Et ce ne sont que quelques exemples de l’implication d’Orange dans le développement de réseaux à conscience énergétique.

Il est plus que temps d’en tirer le meilleur parti.