云環(huán)境下綠色計算技術(shù)及發(fā)展趨勢

丘曉平（廣東外語外貿(mào)大學(xué)南國商學(xué)院，廣州　510545）

云環(huán)境下綠色計算技術(shù)及發(fā)展趨勢

丘曉平
（廣東外語外貿(mào)大學(xué)南國商學(xué)院，廣州510545）

0　引言

云計算是一種按需而用，隨需而變，快速部署，瞬時釋放的服務(wù)方式。通過網(wǎng)絡(luò)有效地聚合被虛擬化的計算機(jī)資源，基于數(shù)據(jù)中心為單一或多用戶提供動態(tài)、高性能比、彈性規(guī)模擴(kuò)展的查詢、存儲和各類信息服務(wù)［1-2］。

云計算作為環(huán)保、綠色標(biāo)志，一方面僅需要最少的管理，最少的溝通，而實現(xiàn)對服務(wù)的快速獲取觸手可及的信息。而另一方面，云數(shù)據(jù)中心的能耗是極其驚人的。如Google云數(shù)據(jù)中心每年消耗電能為1億千瓦，在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營成本中，能耗占了40%，到了2020年僅世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心耗電將超過1萬億度，占全球總耗電量的1%，云計算的高能耗，對能耗與環(huán)境的影響越來越突出。

我國政府在2015年9月的聯(lián)大會議上莊嚴(yán)承諾，到2020年，我國將實現(xiàn)40%-45%節(jié)能減排目標(biāo)。信息產(chǎn)業(yè)作為我國第五大高能耗的產(chǎn)業(yè)，將為建設(shè)低碳與構(gòu)件綠色社會承擔(dān)重大責(zé)任。

因而在云計算中，進(jìn)行有效的能效管理，并同時滿足服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）和綠色兩者高標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)務(wù)之急。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了綠色云計算技術(shù)，并已取得了一系列重要的研究和應(yīng)用成果［3］。

以下將給出綠色云計算的內(nèi)涵，以及近年來國內(nèi)外在云環(huán)境下綠色計算所采用的主要技術(shù)和今后發(fā)展的趨向。

1　綠色云計算的內(nèi)涵

綠色云計算，實際上就是云計算加綠色計算的概念，并結(jié)合人、環(huán)境以及IT產(chǎn)品的完整性的生命周期，包括IT產(chǎn)品、綠色設(shè)計、綠色制造與調(diào)試、綠色應(yīng)用、綠色服務(wù)與回收等一系列的系統(tǒng)工程。

定義1綠色云計算（Green Cloud Computing）

在云計算模式中，一種以環(huán)境為中心，在低碳目標(biāo)的指引下，旨在構(gòu)建成低能耗、節(jié)約、環(huán)保的計算機(jī)系統(tǒng)，其本質(zhì)是要實現(xiàn)云計算的可持續(xù)發(fā)展，最大限度地減少云系統(tǒng)對環(huán)境的影響，最大限度地提高計算機(jī)資源的使用效率，實現(xiàn)對能量消耗的最小化，最終實現(xiàn)人、環(huán)境和效益間的利益均衡。

對綠色云模型建模，需綜合考慮云模型、綠色計算環(huán)境空間、用戶需求及事務(wù)處理等諸多因素。綠色云模型可分成用戶、數(shù)據(jù)中心、綠色服務(wù)空間、虛擬空間、綠色計算變換、綠色綜合計算結(jié)果等六元組。

定義2綠色云模型（Green Cloud Model）

綠色云模型可以定義為六元組，即：

GCM=（U，D，GSS，VS，GCT，RGC）

其中，U為用戶集，U=｛u1，u2，…，un｝，由個用戶組成，D=｛d1，d2，…，dn｝，由個數(shù)據(jù)中心組成，第j個數(shù)據(jù)中心dj=｛sdj1，sdj2，…，sdjm｝，而sdjk（1≤k≤m）表示第j個數(shù)據(jù)中心中的第k個服務(wù)器。GSS為綜合綠色服務(wù)空間，包括低碳、高效能、環(huán)保、節(jié)約以及應(yīng)用服務(wù)等綠色機(jī)制。VS為虛擬空間，數(shù)據(jù)中心根據(jù)需求創(chuàng)建多個不同的虛擬機(jī)，靈活地調(diào)動虛擬機(jī)的創(chuàng)建、掛起、遷移和終止的狀態(tài)周期。每個虛擬機(jī)可分別接受不同的任務(wù)，而多個虛擬機(jī)可以并行地工作，高效地權(quán)衡綠色服務(wù)與服務(wù)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)。GCT為綠色計算變換，實現(xiàn)以上綠色服務(wù)目標(biāo)的優(yōu)化算法集。RGC為基于綠色云平臺的綠色計算結(jié)果輸出。

對云模型“綠色”性能的評價，需要有量化標(biāo)準(zhǔn)，以衡量云模型的“綠化”程度。在能效評價標(biāo)準(zhǔn)，有美國EPEAT（Electronic Product Environmental Assessment Tool）的綠色計算標(biāo)準(zhǔn)，其采用了多個等級，對計算機(jī)以及相關(guān)電子設(shè)備的環(huán)保性能進(jìn)行了綜合評價。而對綠色云模型尚未有評價標(biāo)準(zhǔn)。以下給出評價綠色云模型“綠色”程度定義。

定義3綠色云模型的綠色度

綠色云模型的綠色度可定義成模型的綠色性能集V到一維向量M｛m1，m2，…，mk｝的映射，即：F（V）→M。其中，F(xiàn)為映射，V為綠色云服務(wù)空間n個性能指標(biāo)空間，V=｛v0，v1，…，vn-1｝，其中vi（0≤i≤n-1）是一個時間t的變量，即vi=（vi1，vi2，…，vik）-1，其中vij∈vi（1≤j≤k），vij∈［0，1］，表示vi在k個不同時間點(diǎn)上綠色性能指標(biāo)值。即云模型的“綠度”可表為：

2　綠色云計算的主要技術(shù)

作為云計算主要載體的云數(shù)據(jù)中心如何在執(zhí)行相同任務(wù)，并保障QoS條件下減低數(shù)據(jù)中心的總能耗，是實現(xiàn)綠色云計算的關(guān)鍵。為此，近年來所采取的綠色計算技術(shù)，主要有以下六個方面。

［文獻(xiàn)4］開展了關(guān)于云計算環(huán)境中綠色服務(wù)級目標(biāo)的分析、量化、建模及評價方面的研究，給出了綠云的定義，借鑒于服務(wù)級目標(biāo)與綠色計算的相關(guān)理論，對實現(xiàn)綠色服務(wù)級目標(biāo)的原理進(jìn)行了分析，并提出一種多維能耗的M2EC模型。在一定程度上，實現(xiàn)了云計算環(huán)境中能耗與綠色服務(wù)級目標(biāo)的均衡。

［文獻(xiàn)5］提出一種云環(huán)境下的綠色計算模型，該模型從程序語言、綠色數(shù)據(jù)中心框架構(gòu)件、綠色分布式文件系統(tǒng)策略的角度詳細(xì)作了研究，提出綠色大數(shù)據(jù)節(jié)能處理機(jī)制和綠色節(jié)能模型。

而［文獻(xiàn)6］針對云計算數(shù)據(jù)中心的能耗問題，提出一種精度較高的能耗模型來預(yù)測該中心的單臺服務(wù)器的能耗狀況。該模型結(jié)合多元線性回歸和非線性回歸的數(shù)學(xué)方法，分析總結(jié)了不同的參數(shù)和方法對服務(wù)器能耗的建模的影響，而提出較適合于云計算數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)的服務(wù)器能耗模型。其中分別就基于性能計數(shù)器、系統(tǒng)使用率（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)等使用率）的能耗建模。

［文獻(xiàn)7］為解決云計算中的高能耗問題，在計算資源電壓可動態(tài)調(diào)整的環(huán)境下，對于截止完成時間有要求的可降低并行任務(wù)，提出兩種滿足并行任務(wù)截止時間有要求的可降低并行任務(wù)執(zhí)行能耗的調(diào)度方法Seef（一種能耗感知的、滿足于截止時間的能耗優(yōu)先調(diào)度算法），和Egsa（一種能耗遺傳智能調(diào)度算法）。實踐表明，在其相關(guān)的條件下，能有效降低并行任務(wù)的執(zhí)行能耗，可以大幅度降低云計算的能耗開銷。

［文獻(xiàn)8］提出一種面向綠色云計算數(shù)據(jù)中心的動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法。算法分為數(shù)據(jù)聚集和節(jié)點(diǎn)聚集兩個層次。在滿足系統(tǒng)綠色服務(wù)質(zhì)量時，按節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)在不同時段的使用情況，有效地聚集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)原本隨機(jī)布署的數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)的有序聚集與重新部署，使計算存儲節(jié)點(diǎn)能夠輪流運(yùn)轉(zhuǎn)。部署于云數(shù)據(jù)中心各區(qū)域的溫控設(shè)備，可以更加精確地實施定點(diǎn)確定溫度控制，從而達(dá)到既充分利用資源，滿足用戶的服務(wù)需求，同時又降低了系統(tǒng)具體的能耗目標(biāo)。

［文獻(xiàn)9］提出了采用動態(tài)定價策略的數(shù)據(jù)中心能耗成本的優(yōu)化方案，從建立起服務(wù)價格與能耗成本統(tǒng)一的模型。文中采用了基于重載近似的大規(guī)模排隊系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)中心建模，根據(jù)不同數(shù)據(jù)中心之間的服務(wù)需求量與電價差價，設(shè)計多數(shù)據(jù)中心間負(fù)載路由機(jī)制，以削減數(shù)據(jù)中心整體能耗成本。

［文獻(xiàn)10］提出一種通過低造價的可編程交換機(jī)來構(gòu)建具有高連通性的非樹狀數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計了可編程交換機(jī)與服務(wù)器2.5層代理協(xié)同工作，基于凸優(yōu)化的虛擬網(wǎng)帶寬控制管理機(jī)制，且提供了靈活的對資源虛擬化的技術(shù)支持，從而提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)吞吐量與網(wǎng)絡(luò)帶寬分配機(jī)制的靈活性。

［文獻(xiàn)11］提出一種數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)——雪花結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可滿足數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性。在保證交換機(jī)與服務(wù)器為較低的數(shù)量比 （0.125～0.333）前提下，可在較短的平均路徑內(nèi)實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間路由機(jī)制并具有較少的網(wǎng)絡(luò)配置。

通過研究新型高效節(jié)能的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，可以有效降低能耗。國內(nèi)外在此項已作大量的研究，其節(jié)能技術(shù)已較成熟，如［文獻(xiàn)12］構(gòu)建Massclond云存儲系統(tǒng)，并設(shè)計和應(yīng)用了超低功耗云存儲節(jié)點(diǎn)，以降低系統(tǒng)的功耗。［文獻(xiàn)13］對處理器能耗優(yōu)化進(jìn)行了研究，提出與速度相關(guān)的能量消耗函數(shù)，并采用速度縮放策略，將能耗優(yōu)化問題歸結(jié)為最優(yōu)任務(wù)的調(diào)度問題。［文獻(xiàn)14］認(rèn)為一個綠色數(shù)據(jù)中心應(yīng)使用高效的能源供應(yīng)與電壓調(diào)整模式，來減少每個服務(wù)器的能耗，提高資源利用率，即利用動態(tài)電壓調(diào)整 （Dynamic Voltage Scaling DVS）技術(shù)在能耗與性能之間進(jìn)行權(quán)衡。其目的在于短時間內(nèi)通過應(yīng)用程序在運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)地調(diào)整處理器的工作電壓，使處理器處于能滿足性能需求的最少能耗狀態(tài)。

虛擬化技術(shù)是云計算技術(shù)的一大優(yōu)勢，可以虛擬化資源管理，減少物理服務(wù)器的數(shù)量，以實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。近年來，國內(nèi)外的研究又注重在虛擬資源分配優(yōu)化，虛擬機(jī)多目標(biāo)放置以及云計算平臺的虛擬化，以達(dá)到降低能耗的綠色服務(wù)目標(biāo)。

［文獻(xiàn)15］提出一種高效能的虛擬資源分配策略，將云計算中的虛擬資源分配問題建模為多目標(biāo)優(yōu)化模型，并使用多目標(biāo)進(jìn)化算法求解該模型。實驗表明，該策略能生成綠色調(diào)度機(jī)制，可有效地減低運(yùn)行數(shù)據(jù)中心所需能耗。

［文獻(xiàn)16］建立一個虛擬機(jī)放置模型，并考慮了應(yīng)用系統(tǒng)的性能要求、資源開銷能耗、虛擬機(jī)遷移等因素，將資源控制與能源控制結(jié)合，形成了虛擬機(jī)放置能耗的優(yōu)化模型，提出基于量子多目標(biāo)進(jìn)行虛擬機(jī)放置算法，并采用二級遞歸分解結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行求解。

［文獻(xiàn)17］將傳統(tǒng)的能耗管理技術(shù)與虛擬化技術(shù)相結(jié)合，為云計算數(shù)據(jù)中心能耗管理優(yōu)化提出新思路。文中從能耗的測量、建模以及管理實現(xiàn)機(jī)制、能耗管理優(yōu)化算法四方面對虛擬化云計算平臺能耗管理的最新研究成果進(jìn)行介紹，指出虛擬化云計算平臺能耗監(jiān)控與測量的難點(diǎn)，提出虛擬機(jī)系統(tǒng)的整體能耗模型及服務(wù)器整合與在線遷移兩種關(guān)鍵技術(shù)的能耗模型。

近年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工業(yè)界一直致力于云環(huán)境下實現(xiàn)綠色計算的深入研究，包括虛擬機(jī)、動態(tài)開關(guān)服務(wù)器、負(fù)載整合、能耗模式控制等，云模型中的能耗得到一定程度的改善。但能效的改善不完全等于實現(xiàn)了綠色計算，因為數(shù)據(jù)中心消耗的依然還是CO2排量的能源。按綠色和平組織認(rèn)為，綠色I(xiàn)T=“高能效”+“新能源”。只有充分利用新能源（太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等），才是實現(xiàn)綠色云計算的根本途徑。

［文獻(xiàn)18］回答了如何在云計算數(shù)據(jù)中心上利用新能源。從綠色數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀、評價標(biāo)準(zhǔn)、新能源產(chǎn)生電模型、預(yù)測機(jī)制、綠色數(shù)據(jù)中心能源配額規(guī)劃等5個方面對新能源在云計算中心應(yīng)用的最新研究成果來進(jìn)行了分類。

3　綠云計算技術(shù)發(fā)展趨向

隨著云計算技術(shù)高速發(fā)展，云計算帶來了日益凸現(xiàn)的龐大能耗，基于云計算實現(xiàn)真正綠色計算的目標(biāo)任重道遠(yuǎn)。以下是綠色計算技術(shù)發(fā)展若干值得關(guān)注的趨向。

（1）虛擬化能耗模型的建立、標(biāo)準(zhǔn)化與評價問題；

（2）能耗感知的資源管理算法研究；

（3）遷移開銷與狀態(tài)切換開銷的分析；

（4）在綠色性能目標(biāo)條件，能耗目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化技術(shù)；

（5）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的能耗建模技術(shù)等。

（1）城市交通云中，設(shè)計實用的城市交通雙向推薦系統(tǒng)，為司機(jī)推薦最佳候客點(diǎn)，向乘客推薦最佳路段候車點(diǎn)，最大限度減少汽車油耗，達(dá)到環(huán)境綠化目標(biāo)；

（2）城市檢測云中，設(shè)計最優(yōu)的地面檢測站與群體感知檢測布局，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)城市環(huán)境綜合管控，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

（1）多種能源的協(xié)調(diào)組合，如何提高太陽能、風(fēng)能等的產(chǎn)電效率；

（2）改進(jìn)儲能設(shè)備，克服新能源的不穩(wěn)定性；

（3）數(shù)據(jù)中心能耗需求與新能源供應(yīng)匹配；

（4）如何建立準(zhǔn)確的智能可用新能源預(yù)測機(jī)制，以加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心作業(yè)調(diào)度的自適應(yīng)性；

（5）新能源數(shù)據(jù)中心評價、標(biāo)準(zhǔn)問題等。

4　結(jié)語

實現(xiàn)綠色云計算是一個涉及到計算機(jī)系統(tǒng)、人、環(huán)境等多方面的因素的復(fù)雜問題。本文給出了綠色云計算的技術(shù)內(nèi)涵，并從綠色云計算建模、評價、能耗的軟件控制與優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、虛擬化技術(shù)等6個方面介紹了綠色計算技術(shù)最新發(fā)展動態(tài)以及今后綠色計算發(fā)展若干值得關(guān)注的趨向。

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Cloud Computing；Green Computing；Control of Energy Consumption；Virtualization Technology

Green Computing Technology and Future Research on Cloud Environments

QIU Xiao-ping
（South China Business College，Guangdong University of Foreign Studies，Guangzhou 510545）

1007-1423（2015）35-0038-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.35.008

丘曉平（1954-），女，廣東潮安人，本科，副教授，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用

2015-11-18修改日期：2015-11-30

介紹綠色云模型的技術(shù)內(nèi)涵、并從綠色云計算的建模、評價、能耗控制、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、虛擬化技術(shù)以及新能源應(yīng)用等六個方面闡述綠色云計算最新發(fā)展動態(tài)以及今后若干值得關(guān)注的趨向。

云計算；綠色計算；能耗控制；虛擬化技術(shù)

Describes the technical connotation of the green cloud model，introduces the latest development and future research based on green cloud computing technology，includes modeling，evaluation，control of energy consumption，network environment，computer system structures，virtualization technology and applications of new energy based on green cloud computing.