云計算數(shù)據(jù)中心電源管理分析

金譽華

(泰州機電高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 泰州 225300)

“云”是一些可以自我維護和管理的虛擬計算資源，通常運用在一些大型服務(wù)器集群，包括計算服務(wù)器、存儲服務(wù)器、寬帶資源等。云計算將所有的計算資源集中起來，并由軟件實現(xiàn)自動管理，有利于創(chuàng)新和降低成本。雖然國內(nèi)數(shù)據(jù)中心增速遠大于歐美地區(qū)，但在規(guī)模、能耗、布局和安全方面存在較大差距，數(shù)據(jù)中心能耗問題已成為制約信息化建設(shè)的不利因素。現(xiàn)在，隨著我國對云計算技術(shù)的發(fā)展，政務(wù)云、警務(wù)云、電信云等信息平臺相繼出現(xiàn)，云計算數(shù)據(jù)中心由于聯(lián)網(wǎng)設(shè)備龐大，電源管理成為所有“云”關(guān)注的問題。那么，如何實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理呢?筆者認可以主要從以下方面做一些改進。

1．集中資源優(yōu)化使用效率

云計算中心只有大量采用綠色節(jié)能技術(shù)，才能減少能源開支，降低運維成本。并且在基礎(chǔ)構(gòu)建設(shè)施上打下堅實硬件條件，這樣才會在穩(wěn)定性與可靠性上具有競爭的實力。然而，所有這一切都離不開電源管理。而采取電源管理，則在實際工作中是靠虛擬化減少物理主機數(shù)量、充分利用未利用的計算能力等措施來實現(xiàn)的。管理者在IT實踐中，往往會借助虛擬化技術(shù)，使云計算中心能夠充分利用計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源，借助桌面虛擬化技術(shù)，也可以將其延伸到PC機接入端。服務(wù)器虛擬化提高了處理器的利用率，物盡其用，而且用虛擬機承載應(yīng)用，借助熱遷移，令應(yīng)用擺脫與物理服務(wù)器的緊耦合，讓應(yīng)用與物理設(shè)備無關(guān)，也就是松耦合，從而提升系統(tǒng)的可靠性。但是，虛擬化不能夠解決全部問題。究其原因在于熱遷移是條件的。虛擬機的確可以在不同物理設(shè)備之間進行遷移，但要求物理設(shè)備要保持健康狀態(tài)。如果物理機突然宕機，那么它所承載的虛擬機是沒有辦法進行熱遷移的。要提高虛擬機的可靠性不是依靠熱遷移，而是依靠HA或者Fault Tolerance模塊，相當于物理方案中的雙機集群和容錯。盡管如此，熱遷移還是有其價值，就是應(yīng)對計劃內(nèi)的停機，如設(shè)備維護、升級時，借助熱遷移把應(yīng)用移植走，升級完畢，再將應(yīng)用遷移回來。但熱遷移無法應(yīng)對計劃外的突然宕機，這是需要非常明確的。要提升關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，還是需要借助雙機集群和容錯系統(tǒng)，其中，雙機集群依靠集群軟件，技術(shù)要求高，管理復雜，當系統(tǒng)產(chǎn)生意外宕機時，故障很難定位，故障恢復需要時間，期間系統(tǒng)沒有辦法提供不中斷的服務(wù)。另外，是否要選用云計算，關(guān)鍵看它能否真正提高你的工作效率。比如，對于一家大公司來說，本身擁有自己完備、高效的數(shù)據(jù)中心，這時使用外包的云服務(wù)可能不僅不會提高效率，反而會降低你的工作效率;但是對于許多中小企業(yè)而言，與其他企業(yè)共享云計算資源卻帶來很高的效率。當然，綠色節(jié)能也是需要考慮的主要因素之一。此外，作為節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)最健全的經(jīng)濟體，歐洲尤其注重提高數(shù)據(jù)中心能源利用效率，優(yōu)化IDC功耗利用效率(PUE)，熱電冷聯(lián)供、冰帽供冷、機柜供冷、自然冷卻、熱回收技術(shù)及磁懸浮變頻離心等技術(shù)的較早采用，使歐洲數(shù)據(jù)中心成為最有可能最先達到優(yōu)化PUE=1．2的理想境界的數(shù)據(jù)中心。

2．優(yōu)化小型機的容錯服務(wù)

目前，一些國家的科研人員通過利用改進服務(wù)器降低數(shù)據(jù)中心能耗。比如，由英國、比利時、瑞士、芬蘭和塞浦路斯的研究人員組成的研究團隊研發(fā)出一個特殊的3D微芯片，通過低功耗微處理技術(shù)，可以極大地削減云計算數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的用電量和安裝成本。據(jù)驗證，使用該芯片的服務(wù)器與常規(guī)服務(wù)器相比可減少90%的能耗，可減少數(shù)據(jù)中心用戶數(shù)十億歐元的開支，同時，使更多的歐洲企業(yè)有能力投資建設(shè)數(shù)據(jù)中心。與雙機相比，容錯可以提供更高的可靠性，管理比較簡單，故障排查非常方便，當CPU、內(nèi)存、I/O等部件出現(xiàn)故障時，只要不是冗余部件同時損壞，系統(tǒng)就不會產(chǎn)生中斷。但一部件出現(xiàn)故障，系統(tǒng)失去容錯保護，但更換之后，系統(tǒng)就可以恢復容錯工作狀態(tài)，期間不需要任何停機。因此，容錯服務(wù)器是關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的理想選擇。同樣，對于小型機，站在用戶角度上來說，也是一個最佳的選擇。

相對通用市場而言，小型機是不折不扣的“小眾市場”，其特點是數(shù)量不大，但銷售額占比很高。以我國市場為例，小型機在銷量上的占比只有3%，而銷售額占比卻高達41%，為154億元的規(guī)模。隨著x86技術(shù)不斷進步，特別是IA處理器性能已不遜于RISC，x86系統(tǒng)開始進入關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的市場。由于x86具有出色的性價比，大幅度降低了采購成本，因此x86成為了未來的趨勢。小型機作為一種成熟的方案，擁有雄厚的用戶基礎(chǔ)，尤其是對于保守的用戶來說，小型機的平臺無疑是一種最好的選擇。但對于創(chuàng)新型用戶而言，已經(jīng)開始嘗試將應(yīng)用遷移到x86的平臺。對于那些沒有應(yīng)用包袱的用戶來說，用戶會更多考慮采用x86的方案，就可靠性而言，x86已經(jīng)大幅度接近，甚至超過了小型機(如x86容錯)。為了提升可靠性，小型機也采用雙機集群和容錯的方案。如今，小型機仍然采用雙機集群，但容錯方案已經(jīng)拋棄了小型機，開始擁抱x86。因為對于容錯而言，RISC架構(gòu)的成本太高，用戶很難承受。關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用x86市場同樣是雙機集群和容錯，其中，雙機集群是借助集群軟件來提升可靠性，其可靠性是99．99%，遜色于小型機集群的99．999%;但x86成本優(yōu)勢突出，在滿足可靠性要求的前提下，x86雙機集群的優(yōu)勢明顯。但也存在著明顯的不足，就是可靠性有限，雙機切換無法實現(xiàn)真正的無縫切換，宕機后需要時間進行回復。

相對雙機集群來說，x86容錯方案的可靠性是99．9999%，這是超過小型機集群的。這也是容錯技術(shù)的特點決定的，另外，容錯還有一個優(yōu)勢，就是在軟件授權(quán)上，容錯是被作為一臺機器，盡管擁有冗余的架構(gòu)，但只需要一臺設(shè)備的軟件授權(quán)，而雙機的兩臺設(shè)備需要分別購買授權(quán)。因此從系統(tǒng)總體成本來看，容錯是占優(yōu)，但是單從硬件成本看，容錯比雙機集群要高一些，而恰恰是這一點帶來了選型上的障礙。從以上的分析不難看出，x86容錯是關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的上佳選擇。x86容錯的市場定位，不是市場的拾遺補闕，而是小型機、x86集群的理想替代產(chǎn)品，因為對于關(guān)鍵業(yè)務(wù)而言，可靠性才是第一需求，而容錯具有最好的性價比表現(xiàn)。x86容錯是否會成為關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用的主流，影響的因素有很多，其中不乏干擾。對于x86服務(wù)器的大廠商而言，會不遺余力的推動雙機集群，軟件廠商也會從多賣授權(quán)的考慮支持雙機集群，而容錯只能是用戶的選擇。

3．電源管理的智能化

現(xiàn)在，各地醞釀或即將采用的云計算項目非常多，項目規(guī)模也比較大。但從能源消耗管理的角度看，云計算的核心在于數(shù)據(jù)中心的電源管理。當前，有許多單位投資建設(shè)了很多的數(shù)據(jù)中心，這些數(shù)據(jù)中心為什么不夠成為云計算中心?不是這些數(shù)據(jù)中心不能夠?qū)ν馓峁㊣T服務(wù)，實際上，IaaS、PaaS也好，還是SaaS也好，數(shù)據(jù)中心都可以提供，它們與云計算中心相比，差別就在于效率和能源成本。借助虛擬化技術(shù)，云計算中心能夠充分利用計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源，借助桌面虛擬化技術(shù)，也可以將其延伸到PC機接入端。與此同時，云計算中心大量采用綠色節(jié)能技術(shù)，其核心就是減少能源開支，降低運維成本。在這個基礎(chǔ)上之上構(gòu)建的云計算服務(wù)，才會在價格上、穩(wěn)定性、可靠性上具有競爭的實力。所有這一切都離不開電源管理。

據(jù)統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心的電力消耗已經(jīng)占到了全球能源電力消耗的8%，更為可怕的是，數(shù)據(jù)中心電力消耗正在以每3年翻一番的速度迅猛發(fā)展。在用戶每年的IT投資成本中，運維使用成本已經(jīng)遠遠超過IT設(shè)備的購買成本，電源消耗已經(jīng)成為了用戶的痛點。一些云數(shù)據(jù)中心服務(wù)商也對此進行了相應(yīng)的創(chuàng)新。比如，作為KVM系統(tǒng)領(lǐng)先廠商美國Raritan(力登)公司對于數(shù)據(jù)中心就在智能化管理上下功夫，從而降低能耗，其軟硬件開發(fā)也是本著用戶的關(guān)注重點來改進，其KVM產(chǎn)品在全球很多數(shù)據(jù)中心得到了廣泛采用，熟悉數(shù)據(jù)中心管理，也更了解數(shù)據(jù)中心用戶的需求。

另外，云計算的興起大大提高了設(shè)備運算密度，進而導致用電密度的迅速擴大。如此，供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機房空間的需求也相應(yīng)增加，但機房資源十分有限，擴建機房、或者大規(guī)模改建的可行性也非常小。這就是云計算給數(shù)據(jù)中心能源管理帶來的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心建立之初都應(yīng)當充分考慮供電的安全與穩(wěn)定，包括電源預(yù)留的幾倍冗余。不可忽視的原因是，隨著云計算迅猛發(fā)展，運營商對于電源管理的前提是保證安全、穩(wěn)定的同時實現(xiàn)節(jié)能。對此，信息化建設(shè)的電源管理智能化成為必要選擇。智能PDU因為增加了控制芯片，能夠進行電源智能管理，對用電設(shè)備進行即時監(jiān)控，包括電流、電壓、溫濕度、數(shù)值讀取、分析，進而可以對用電設(shè)備的關(guān)斷電、重啟進行遠程操作，既可提升機房的安全性，又可實現(xiàn)用電的科學管理，實現(xiàn)綜合節(jié)能。由于大多數(shù)用戶的核心機房裝機密集，各類電源設(shè)備分布太散，很難集中管理，只有采用電源管理智能化，實現(xiàn)24小時無人可視化管理，才能真正化分散集中管理。

4．增強數(shù)據(jù)中心的能效管理

4．1 空間建構(gòu)布局與管理

在數(shù)據(jù)中心空間建設(shè)上，應(yīng)當充分合理規(guī)劃，將自然條件與實際硬件設(shè)施結(jié)合起來，包括購置服務(wù)器的類型方面，應(yīng)當考察其實際耗能情況，并根據(jù)需要對空間進行合理構(gòu)建布局。包括空間通風、置放平臺位置、自然調(diào)節(jié)等因素。比如:服務(wù)器機柜和機架、服務(wù)器符合存儲容量和網(wǎng)絡(luò)的電力需求、如何設(shè)置驅(qū)動器和交換機等因素。若采用頂級機架堆疊式交換機柜節(jié)省空間;有足夠大的空間的，盡量保持空氣流通，防止熱點，并避免使用過多的電力;滑動抽屜和柜貨架可以幫助空氣的流通;底盤和安裝服務(wù)器機柜可以防止熱量集中在地面上，等等。另外，假若與外單位合用一個辦公樓，可以考慮共享同一數(shù)據(jù)中心，或者可以安置同一服務(wù)器空間，在不涉入保密、安全的情況下，可以共享相關(guān)資源。

4．2 保持冷卻系統(tǒng)高效節(jié)能

服務(wù)器空間系統(tǒng)要想高效、環(huán)保，必須保持數(shù)據(jù)中心高效的冷卻系統(tǒng)。除了使用地磚，通風口和安全板分離組件和防止熱量積聚，也可以使用空面板使電纜絕緣限制熱量損失。通過使用風扇和傳感器，冷通道之間可以有不同的服務(wù)器機架，可以安裝到機柜的外部或內(nèi)部，或者可定位在墻壁和服務(wù)器上面，以保持一致的溫度。另外，正確安裝監(jiān)測傳感器，定期在重點時限通過實時監(jiān)控不同部位的數(shù)據(jù)中心的溫度水平和濕度水平，并根據(jù)自己的需要隨時進行調(diào)整。環(huán)保的數(shù)據(jù)中心的最佳實踐包括密切監(jiān)控環(huán)境條件，知道何時進行小的調(diào)整，何時進行系統(tǒng)整體的調(diào)整。這取決于如何設(shè)置機房的溫度水平，如果機房一直變得干燥或太潮濕，需要做出調(diào)整。如不這樣做，可能會導致服務(wù)器的永久性損壞，以及網(wǎng)絡(luò)故障。也可以通過設(shè)置服務(wù)器的低功耗模式，在不使用時節(jié)省數(shù)據(jù)中心的資源。

4．3 數(shù)據(jù)中心合情優(yōu)化整合

通過虛擬化將一些個別服務(wù)器整合到一臺單一的服務(wù)器，然后讓不同的虛擬服務(wù)器運行在一臺單一的電源，在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以執(zhí)行各種工作。一臺服務(wù)器的電源實際上的使用情況與多臺虛擬機同時運行沒有太大的不同，從而也就意味著，可以節(jié)省出更多的數(shù)據(jù)中心空間。另外，可以考慮將云計算作為一種減少物理數(shù)據(jù)中心需求的方式。數(shù)據(jù)備份、應(yīng)用程序和虛擬服務(wù)器可以通過外包遠程運行，仍然能夠訪問和更改數(shù)據(jù)，而無需維持全面的數(shù)據(jù)中心。雖然有些企業(yè)可能更傾向于將數(shù)據(jù)保存在企業(yè)內(nèi)部，但如果企業(yè)的數(shù)據(jù)存儲需要已經(jīng)超出了企業(yè)的電源承受能力，同時又不希望擴大數(shù)據(jù)中心空間，云服務(wù)是至關(guān)重要的。還可以將一些云存儲與更小、更高效的數(shù)據(jù)中心結(jié)合起來。從而確保未來的數(shù)據(jù)中心更有效，更好的保護環(huán)境。其實，數(shù)據(jù)中心能耗的快速發(fā)展并不是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的正常結(jié)果，而是由不合理的規(guī)劃、設(shè)計和使用所造成的。以制冷為例，制冷每消耗1W電力，至少可以帶走3W IT設(shè)備所產(chǎn)生的熱量。但在實際應(yīng)用中，超量制冷是普遍存在的問題，國內(nèi)大多數(shù)數(shù)據(jù)中心的PUE在2．6以上，即便如此，局部熱點所導致的數(shù)據(jù)中心故障時有發(fā)生。要想合理利用資源，高水平的電力管理必不可少。要遏制飛速增長電力消耗，就需要對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有一個清楚了解，越詳細越好。

[1]姚贇．歐洲數(shù)據(jù)中心節(jié)能新技術(shù)[J]．電氣應(yīng)用，2011(11):3．

[2]歐盟推動”歐盟”云計算技術(shù)研發(fā)[EB/OL]．http://news．xinhuanet．com/tech/2012－11/08/c_123929196．htm，2012－11－08．

[3]何毅．提高數(shù)據(jù)中心效率的幾個能效管理措施[BE/OL]．http://article．pchome．net/content－1591531．htm l，2013－02－25．