In Ausgabe 1/2025, erschienen im März 2025, der „FIfF Kommunikation – Zeitschrift für Informatik und Gesellschaft“, dem Verbandsorgan des „Forum InformatikerInnen für Frieden und gesellschaftliche Verantwortung“ ist im Rahmen des Schwerpunktes „Nachhaltigkeit in der IT“ im Nachgang zur FIfF Konferenz 2024 ein Artikel zu unserem Projekt ECO:DIGIT erschienen. In dem Artikel „Measure what you manage – Transparenter Energieverbrauch von Cloud Infrastruktur“ erklären Josefine Kipke und Felix Kronlage-Dammers die Konzepte und das Vorgehen im Arbeitspaket der OSBA bei ECO:DIGIT.
Cloud-Infrastruktur verursacht bis zu 4 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen. Mit dem Trend zur Verlagerung von mehr und mehr Arbeitslasten in die Cloud-Infrastruktur zu verlagern, ist es unerlässlich, dies nicht nur unter wirtschaftlichen, sondern auch unter ökologischen Überlegungen zu berücksichtigen.
Warum Green IT und Open Source zusammen gedacht werden müssen
„What gets measured, gets managed.“ Dieser, fälschlicherweise oft Peter Drucker zugeschriebene Satz, wird leider viel zu häufig auf Sachverhalte angewendet, obwohl nur bedingt sinnvoll: Im Kontext von Energieverbrauch passt er umso mehr: Denn wir machen uns über die technischen Aspekte der Digitalisierung und der Transformation einer digitalen Gesellschaft im Kontext der Klimakatastrophe Gedanken. Es wird klar: Wir tragen eine große Verantwortung. Wir müssen sorgsamer mit unserem Planeten und seinen Ressourcen umgehen. Es gilt: Was wir bilanzieren und messen können, das können wir besser steuern.
Die Umweltauswirkungen von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) stellen ein zunehmend ernstes Problem dar, das häufig unterschätzt wird. Mit der steigenden Nutzung und Komplexität von Software-Anwendungen wächst ihr Beitrag zu den globalen Umweltbelastungen. Um diese Auswirkungen effektiv zu reduzieren, ist es unerlässlich, sie systematisch und wissenschaftlich fundiert zu erfassen, präzise zu quantifizieren und die geeigneten Stellschrauben zu identifizieren.
Das Forschungsprojekt ECO:DIGIT und seine Ziele
Das Projekt ECO:DIGIT (Enabling Green Computing and Digital Transformation) arbeitet an der Entwicklung einer umfassenden Methodik zur Ermittlung der wesentlichen Umweltauswirkungen von Software-Lösungen. Gemeinsam mit adesso SE, Siemens, dem Öko-Institut, der Gesellschaft für Informatik und den beiden OSBA-Mitgliedern ScaleUp und Plusserver ist die Open Source Business Alliance (OSBA) seit Herbst 2023 Teil eines Konsortiums, das im Rahmen von ECO:DIGIT forscht. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung und Bereitstellung einer Bewertungsplattform, nachfolgend auch als Prüfstand bezeichnet, die die Umweltwirkungen von Software-Anwendungen offenlegt. Diese automatisierte Plattform ermöglicht es, den Ressourcenverbrauch und die CO₂-Emissionen transparenter und standardisierter zu bewerten.
Die Rolle von Open Source in der Cloud-Bilanzierung
Dieser Forschungsansatz wird durch die Verwendung von Open-Source-Software und offenen Standards gestützt. Nur durch den Einsatz offener Technologien können Transparenz und Interoperabilität gewährleistet werden – die Grundlage, um eine präzise und ganzheitliche Erfassung der Verbrauchsdaten zu ermöglichen. Bei proprietären Plattformen stoßen Nutzende hierbei im Vergleich schnell an ihre Grenzen, da sie nur eingeschränkten Zugriff auf Energie- und Ressourcendaten von den Anbietern bekommen und sich im Detailgrad stark unterscheiden.
ECO:DIGIT nutzt eigens entwickelte Messmethoden, die den Ressourcenverbrauch auf Prozessebene erfassen und mit physischen Verbrauchsdaten durch Sensoren an der Hardware korrelieren. Open-Source-Cloud-Technologie bietet nicht nur eine gute Grundlage für transparente, standardisierte Messmethoden, sondern ermöglicht auch generell eine nachhaltigere digitale Infrastruktur.
Sovereign Cloud Stack – zertifizierbare Standards und modulare Open-Source-Referenzimplementierung
Mit dem Sovereign Cloud Stack Projekt wurde in den vergangenen vier Jahren an zertifizierbaren Standards für interoperables Cloud-Computing sowie einer entsprechenden modularen, Open-Source-Referenzimplementierung eines digital souveränen Cloud-Stacks gearbeitet. Das Projekt war bei der Open Source Business Alliance beheimatet, wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz von 2021 bis 2024 gefördert und konnte über den Förderzeitraum hinaus nachhaltig abgesichert werden. In der Konzeption von ECO:DIGIT wurde von Beginn an die offene Natur der SCS Standards und der Referenzimplementierung mitgedacht und dies als Alternative zu einer Bilanzierung auf den Hyperscalern positioniert. Als Hyperscaler werden typischerweise die Cloud-Plattform von Amazon (Amazon Web Services), Google (Google Cloud Platform) und Microsoft (Azure), wie auch ggf. andere dieser Größenordnung (Yandex, Ali Baba) bezeichnet.
Durch die bereits erfolgte Adaption des Sovereign Cloud Stack am Markt bildet dies für das ECO:DIGIT Projekt eine ideale Basis für transparentes und standardisiertes Bilanzieren von Cloud Workloads. Die Referenzimplementierung ist bei mehreren Cloud-Service-Providern am Markt, bei IT-Anbietern der öffentlichen Hand und im akademischen Umfeld im produktiven Einsatz. Das offene Ökosystem des SCS ist ideal für eine gemeinsame Wertschöpfung und Kooperation. Insbesondere für das Einarbeiten und Bilanzieren von rechenzentrumsnahen Daten im Rahmen von ECO:DIGIT ist auch eine solche Zusammenarbeit mit Anbietern im Hinblick auf deren Know-how relevant.
Workflow zur Profilerstellung und Bilanzierung
Der Arbeitsablauf zur Energieprofilierung und Bilanzierung digitaler Systeme erfolgt in zwei Phasen: Hardware-Assessment und VM-Modellierung.
In Phase 1 werden Energieprofile für die verwendete Hardware erstellt. Dazu werden CPU, RAM, Speicher und Netzwerkschnittstellen systematisch belastet und deren Verbrauch gemessen. Parallel dazu erfassen digitale Messungen die Grundlast (P_idle) sowie den lastabhängigen Verbrauch (P_load). Ergänzend werden physikalische Messungen des Energieverbrauchs durch Stromleisten (englisch: Power Distribution Units (PDUs)) durchgeführt, um eine genaue Verbrauchskurve zu erhalten. Diese beschreibt die elektrische Leistung als Funktion der Ressourcennutzung. Der Energieverbrauch wird dann mit Emissionsfaktoren verknüpft, um Umweltauswirkungsindikatoren abzuleiten.
In Phase 2 wird untersucht, wie diese Hardware-Energieprofile auf virtualisierte Umgebungen übertragen werden können. Dazu wird ein sogenannter Stressor auf virtuellen Maschinen (VMs) ausgeführt, um Lastszenarien zu simulieren und Korrelationen zwischen VM- und Hardware-Ressourcennutzung herzustellen. Mithilfe von Regressionen wird modelliert, wie sich eine bestimmte CPU- oder Speicherauslastung auf einer VM im Vergleich zur physischen Hardware verhält. Diese Modelle werden in einen Prüfstand integriert, so dass sie automatisch geladen werden, wenn eine bestimmte Infrastruktur definiert wird.
Das Ergebnis ist eine skalierbare und standardisierte Methode zur genauen Analyse des Energieverbrauchs in virtualisierten Cloud-Umgebungen.
Unterschiede zwischen Hyperscalern (AWS) und offenen Cloud-Umgebungen (SCS)
Aktuelle Lösungen zur Umweltbilanzierung von Hyperscaler-Clouds haben verschiedene Einschränkungen. Prominente Lösungen wie Cloud Carbon Footprint (CCF) und Teads basieren auf Abrechnungsdaten, sowie Energieprofilen von Bare-Metal Geräten oder vergleichbaren Maschinen und bieten daher eine grobe Schätzung, die für schnelle Entwicklungszyklen mit täglicher Code-Änderung zu ungenau ist. Gleichzeitig können hier nur Teile der Cloudkomponenten abgebildet werden. Aspekte wie Management-Overhead oder Netzwerkaktivitäten werden nicht abgebildet. Teads könnte theoretisch feinere Messungen ermöglichen, ist jedoch ausschließlich für sogenannte EC2-Instanzen, virtuelle Maschinen, bei Amazon Web Services (AWS) verfügbar und bietet keine native Schnittstelle für das Monitoring der Emissionen.
RAPL (Running Average Power Limit) ist eine Technologie in modernen x86-CPUs von Intel und AMD, die eine präzise Messung und Steuerung des Energieverbrauchs verschiedener Prozessorkomponenten ermöglicht. Der kaum existierende Zugriff auf Modell-Spezifische-Register (MSR)-Daten in Umgebungen der Hyperscaler, beispielsweise RAPL-basierten Metriken, schränkt eine präzise Messung ein. Dies resultiert auch in einer fehlenden Granularität für den Management-Overhead. Im Vergleich zu Open-Source basierten Clouds wie der Referenzimplementierung des Sovereign Cloud Stack (SCS) ist die Messung des IaaS-Overheads bei Hyperscalern unzureichend bis gar nicht dokumentiert.
| Aspekt | Proprietäre Cloud Umgebung | Offene, SCS-konforme Cloud |
|---|---|---|
| Datenzugang | Proprietär, eingeschränkt | Vollständiger Zugriff, standardisiert |
| Messmethodik | Basierend auf Abrechnungsdaten | Direktes Messen auf Hardware- und VM-Ebene |
| Virtualisierung | Kein direkter Zugriff auf Daten des Hypervisor | VM-Overhead ist messbar und zugänglich |
| Overhead-Bilanzierung | Schwer quantifizierbar | Detaillierte Messung durch offene Schnittstellen |
| Anpassbarkeit | Nicht gegeben | Im Rahmen eines eigenen Deployments möglich |
Ein präzises Energieprofiling ermöglicht die Trennung von statischem (Idle) und dynamischem (Last-)Verbrauch. Im Vergleich zu einzelnen Rechnern verhält es sich mit der Bilanzierung eines verteilten Systems sehr viel vielschichtiger. Zum einen beinhaltet ein verteiltes System Managementkomponenten, zum anderen müssen die Effekte von Aktionen, denken wir beispielsweise an die Schreiboperation auf einen virtualisierten Festplattenspeicher innerhalb einer virtuellen Maschine, durch das gesamte System nachvollzogen werden. Am Beispiel der Festplattenschreiboperation bedingt dies nicht nur den Netzwerkverkehr durch die Speicherung auf dem Netzwerkspeicher, sondern auch die verteilte Schreiboperation durch die Replikation des Speichers. Das Konzept und die daraus entwickelte Architektur sehen die Einbettung von entsprechenden Messpunkten in die Referenzimplementierung des SCS vor. An vielen Stellen wird hier auf bereits eingebaute Prometheus-Exporter aufgebaut. Im Rahmen der Zusammenarbeit mit dem SCS Projekt wurde Scaphandre, ein erweiterbarer Monitoring-Agent für Energieverbrauchsmetriken, in die SCS Referenzimplementierung aufgenommen.
Eine weitere Herausforderung bei der Bilanzierung einer Cloud-Plattform ist die Abstraktion durch die Virtualisierung. Während die CPU-Last direkt gesteuert werden kann, sind Speicher-, Netzwerk- und I/O-Prozesse schwieriger zu quantifizieren. Die Herangehensweise sieht hier eine schrittweise Verfeinerung, unterlegt mit Echtzeitmessungen, vor. In der aktuellen Projektphase wird sich mit Kepler („Kubernetes-based Efficient Power Level Exporter“), einem Werkzeug zur Überwachung und Optimierung des Energieverbrauchs in Kubernetes-Umgebungen, beschäftigt. Hierbei handelt sich um einen Prometheus-Exporter, der eBPF (extended Berkeley Packet Filter) verwendet, um CPU-Leistungszähler und Linux-Kernel-Tracepoints zu untersuchen. Kepler baut u.a. auf Technologien wie dem bereits erwähnten RAPL auf.
Zukunftsperspektiven: Open Source als Hebel für nachhaltige Cloud-IT
Thematisch ergänzt das ECO:DIGIT-Projekt die Bestrebungen rund um die Standardisierung des SCS um einen zunehmend relevanten Bereich. Dies bietet die Chance, dass Umweltbilanzen von Cloud-Diensten zukünftig in Beschaffungskriterien von Unternehmen und Organisationen einfließen. Durch die Standardisierung von Schnittstellen können Cloud-Umgebungen so transparent vergleichbar werden. Das Ziel ist es, Open-Source-Technologien zu etablieren, die eine nachhaltigere und transparentere digitale Infrastruktur ermöglichen. Mit offenen Standards, transparenten Metriken und einer stärkeren Kooperation zwischen Wissenschaft, Industrie und Open-Source-Community ist eine nachhaltigere IT-Landschaft möglich.
Josefine Kipke
Josefine Kipke ist seit November 2023 als System Engineer für Sustainability Monitoring im ECO:DIGIT Projekt bei der OSBA. Ihre Expertise umfasst Cloud-Technologien, mit einem Schwerpunkt auf der Infrastructure-as-a-Service Plattform OpenStack. Sie hat ihren Master in Informatik mit Spezialisierung auf verteilte Systeme an der TU Berlin im Jahr 2023 erfolgreich abgeschlossen. Aus ihrer Masterarbeit, in der Josefine einen Monitoring-Service zur Steigerung der regulatorischen Transparenz entwickelt hat, bringt sie zusätzlich tiefgehendes konzeptionelles und architektonisches Wissen in das Projekt ECO:DIGIT ein. Ihre Passion für Open-Source-Software hat Josefine seit Beginn ihres Studiums nebenberuflich ausleben können.
Felix Kronlage-Dammers
Felix baut seit den späten 90er Jahren (quelloffene) IT-Infrastrukturen auf. Von damals bis heute war Felix Teil verschiedener Open-Source-Entwicklungsgemeinschaften (von DarwinPorts, OpenDarwin zu OpenBSD und heute dem Sovereign Cloud Stack). Ein Unix- und Open-Source-Nerds im Herzen, ist er seit vielen Jahren Mitglied des erweiterten Vorstandes der Open Source Business Alliance. Am liebsten befähigt er Menschen und Organisationen, besser zu werden. Wenn er nicht arbeitet, Zeit auf Konferenzen oder mit seiner Familie verbringt, ist er normalerweise auf einem Rennrad anzutreffen.
