虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理探討

陳錦偉

（中時(shí)訊通信建設(shè)有限公司）

虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理探討

陳錦偉

（中時(shí)訊通信建設(shè)有限公司）

數(shù)據(jù)中心的能耗問(wèn)題是目前亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)中心的利用率較高，在管理上也比較靈活，因此被廣泛運(yùn)用。而且未來(lái)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)是廣泛采用虛擬化技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，很多學(xué)者提出了采用傳統(tǒng)能耗管理技術(shù)和虛擬化技術(shù)結(jié)合的方法，這有利于促進(jìn)虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗問(wèn)題的解決。本文闡釋了虛擬化云計(jì)算平臺(tái)面臨的問(wèn)題，并根據(jù)虛擬化云計(jì)算的模型提出了有效的虛擬化云計(jì)算的管理機(jī)制，降低耗能成本。

虛擬化；云計(jì)算平臺(tái)；能耗管理

近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心始終伴隨著高能耗的問(wèn)題。隨著云計(jì)算的發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)算資源集中在數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算，因此這就會(huì)消耗大量的能源，因此高能耗問(wèn)題成為一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。數(shù)據(jù)系統(tǒng)中心的高能耗問(wèn)題不僅會(huì)帶來(lái)能源的消耗，還會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成不利的影響，因此要認(rèn)清虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行模型化管理。

1 虛擬化云平臺(tái)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 操作管理上的挑戰(zhàn)

虛擬化技術(shù)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)主要采取動(dòng)態(tài)資源伸縮的方式，這有利于減小在進(jìn)行云計(jì)算時(shí)的資源耗費(fèi)的總成本，還能增加各方面部署的靈活性。例如當(dāng)需要對(duì)虛擬化數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行維護(hù)時(shí)，操作過(guò)程十分簡(jiǎn)單，具體的操作流程是將虛擬機(jī)轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)服務(wù)器上，既不需要終止應(yīng)用程序，也不需要關(guān)閉虛擬機(jī)，這給操作人員帶來(lái)了極大的便利，也節(jié)省了維護(hù)的時(shí)間。但是在遷移虛擬機(jī)時(shí)也會(huì)帶來(lái)額外的成本，比如增加了多余的通信負(fù)荷，同時(shí)無(wú)形中增加了對(duì)帶寬的需求。因此需要借助高性能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)完成遷移虛擬機(jī)的要求，既要求快速有效、又能夠減少能耗[1]。另外，采用虛擬化技術(shù)可能會(huì)涉及到關(guān)于數(shù)據(jù)中心某些決策的變化，比如如果想要達(dá)到虛擬化負(fù)荷的最佳性能，則就需要選用配置較高的處理器，以達(dá)到支持硬件虛擬化的目的，而且遺留下來(lái)的處理器將不再繼續(xù)應(yīng)用。另外，由于需積極處理海量的任務(wù)，這些任務(wù)可能同時(shí)在一臺(tái)物理主機(jī)上運(yùn)行，因此要想獲得更高的可靠性，就需要購(gòu)買一些更加先進(jìn)和昂貴的硬件，從而加大系統(tǒng)運(yùn)行的成本，因此在進(jìn)行虛擬化數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到系統(tǒng)的成本問(wèn)題。

1.2 能耗管理的挑戰(zhàn)

在數(shù)據(jù)中心中運(yùn)用虛擬化技術(shù)給數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)的極大的便利，在進(jìn)行日常的操作管理時(shí)，也面臨著能耗管理上的挑戰(zhàn)。①虛擬化平臺(tái)的管理對(duì)象主要是虛擬資源和物理資源，但是它們之間呈現(xiàn)出分離的狀態(tài)，因此通過(guò)客戶機(jī)器觀測(cè)到的虛擬資源和物理資源會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，尤其在進(jìn)行遷移時(shí)，會(huì)更加不一致。所以，如何解決虛擬機(jī)程序中的能耗管理問(wèn)題是目前面臨的一個(gè)極大的挑戰(zhàn)；②在數(shù)據(jù)處理中心，由于虛擬資源和物理資源存在著不一致性，而且隨著系統(tǒng)的不斷更新、故障的維修和處理，因此這種不一致性會(huì)逐漸加大，甚至相互矛盾，不能兼容。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到虛擬機(jī)的隔離性的問(wèn)題。

2 虛擬化云平臺(tái)的能耗建模和分析

（1）通過(guò)建立模型對(duì)虛擬化云平臺(tái)的能耗進(jìn)行分析，本文主要針對(duì)內(nèi)存能耗模型、CPU能耗模型、在線遷移模型以及磁盤能耗模型進(jìn)行能耗的分析。

（2）內(nèi)存能耗模型

目前影響內(nèi)存能耗模型的重要因素是內(nèi)存讀寫(xiě)的吞吐量。其中可以通過(guò)額外的插樁技術(shù)可以獲得內(nèi)存讀寫(xiě)的吞吐量，也可以使用輕量級(jí)計(jì)算吞吐量的方法，通過(guò)這些指標(biāo)都可以獲得內(nèi)存的能耗模型，可以被寫(xiě)成以下的形式：

其中計(jì)算公式中的Emem（T）表示在T時(shí)間內(nèi)的內(nèi)存總消耗量，而NLLC（T）則表示在T時(shí)間內(nèi)NLLC缺失的總次數(shù)，αmem和γmem則表示線性模型的參數(shù)。

目前由于處理器硬件可以直接對(duì)內(nèi)存訪問(wèn)進(jìn)行跟蹤管理，因此跟蹤虛擬機(jī)的LLC缺失并不直觀，所以操作系統(tǒng)也不能被直接看到。很多處理器將LLC的缺失作為觀測(cè)硬件的計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì)每個(gè)虛擬機(jī)的每個(gè)核上的的LLC缺失的次數(shù)來(lái)獲取到虛擬機(jī)的LLC的缺失次數(shù)，因此虛擬機(jī)內(nèi)存的能耗模型是：

在計(jì)算公式中，Emem.A表示其中的一個(gè)虛擬機(jī)A在在時(shí)間T內(nèi)在所有虛擬機(jī)核上的LLC的缺失次數(shù)，αmem則表示線性模型的參數(shù)。

（3）CPU能耗模型

CPU能耗模型涉及到很多的因素，比如在處理器中每個(gè)子單元的活動(dòng)狀況、進(jìn)行某個(gè)指令的情況等。當(dāng)要將能耗模型進(jìn)行精確設(shè)計(jì)時(shí)，就需要增大監(jiān)控方面的成本。研究學(xué)者希望采用一個(gè)輕量級(jí)的替換方法，從而對(duì)處理器的活動(dòng)進(jìn)行分鐘，設(shè)計(jì)的CPU能耗模型為：

其中αcpu和γcpu模型中的特定常數(shù)，可以經(jīng)過(guò)一系列的訓(xùn)練來(lái)獲得。因此當(dāng)有一個(gè)虛擬機(jī)A的處理器，其利用率可以表示為ucpu.A，則此虛擬機(jī)的能耗可以表示為Ecpu.A＝αcpuucpu.A

（4）在線遷移模型

在先遷移是指虛擬機(jī)在一種不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行的遷移技術(shù)。虛擬機(jī)遷移所造成的能量消耗是主要通過(guò)數(shù)據(jù)的傳輸率來(lái)決定，源端主機(jī)遷移的能量消耗和傳輸成正比例關(guān)系，隨著傳輸率的升高，源端主機(jī)的能量消耗就越大，反之，則減小。并且當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸率達(dá)到較高的水平時(shí)，遷移延遲的速度也會(huì)縮短。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)表明，虛擬機(jī)在遷移的過(guò)程中，遷移本身帶來(lái)的能量的消耗和數(shù)據(jù)的傳輸率并無(wú)太大關(guān)系，而能量的消耗主要體現(xiàn)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和接受，因此表明影響虛擬機(jī)遷移產(chǎn)生的能量消耗的主要因素是在網(wǎng)絡(luò)流量中的數(shù)據(jù)量的大小。為此設(shè)立了模型，以此來(lái)評(píng)估能耗的消耗。

評(píng)估的模型主要由三個(gè)部分組成：①源主機(jī)；②網(wǎng)絡(luò)交換器；③遠(yuǎn)端的目標(biāo)主機(jī)。由于它們之間的交換結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此能耗不能采用常規(guī)的能量化的方式，所以主要考慮的是源端能耗以及目標(biāo)主機(jī)的能耗。在理論上來(lái)說(shuō)，源端的數(shù)據(jù)傳輸量和目標(biāo)端的數(shù)據(jù)傳輸量基本對(duì)等，因此假定能量的消耗與由于虛擬機(jī)的遷移產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)成本表現(xiàn)出一種線性增長(zhǎng)關(guān)系：

式中：αs、αd、βs、Βd表示需要經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型參數(shù)；Vmig表示網(wǎng)絡(luò)流量；Emig表示能耗[2]。

（5）磁盤能耗模型

一般來(lái)說(shuō)，磁盤子系統(tǒng)的能耗模型的建立難度較大，這是由于無(wú)法完全知曉磁盤的功耗程度和狀態(tài)，再加上受到磁盤硬件緩存的干擾，因此在建立模型時(shí)較為困難。在數(shù)據(jù)處理中心，磁盤主要通過(guò)RAID的形式存在，RAID中包含著控制器，可以通過(guò)控制器來(lái)控制物理磁盤，而通過(guò)Hypervisor只能看到驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，所以建模時(shí)只能利用Hypervisor可見(jiàn)的參數(shù)，在具體的實(shí)踐中，Hypervisor可以看到的參數(shù)只包括讀和寫(xiě)的字節(jié)數(shù)，還有進(jìn)行讀和寫(xiě)的時(shí)間，因此可以利用這幾個(gè)參數(shù)來(lái)建立磁盤能源消耗的模型：

式中：Edisk（T）表示的是在T時(shí)間內(nèi)磁盤的能耗；br和bw則表示在T時(shí)間內(nèi)讀取和拼寫(xiě)的字節(jié)數(shù)；而α和γdisk可以經(jīng)過(guò)訓(xùn)練來(lái)獲取。

在對(duì)磁盤進(jìn)行模型的建立時(shí)，要隨時(shí)跟蹤每一個(gè)虛擬機(jī)中的磁盤使用參數(shù)。然而，有一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，當(dāng)磁盤在進(jìn)行工作等活動(dòng)的時(shí)候，虛擬機(jī)則未必會(huì)活動(dòng)，這是因?yàn)镠ypervisor在進(jìn)行批次處理的時(shí)候可能會(huì)停止I/O的運(yùn)行。因此，這就要求在Hypervisor中觀察明顯的I/O的操作狀態(tài)，而不是對(duì)虛擬機(jī)活動(dòng)的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀察。

3 虛擬化云平臺(tái)能耗管理的機(jī)制

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展速度也日益加快，在發(fā)展中也面臨著一系列得到問(wèn)題。虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的使用頻率增加導(dǎo)致云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)要不斷更新其配置，因此這就對(duì)虛擬化云計(jì)算平臺(tái)在能耗的管理上提出了巨大的挑戰(zhàn)。所以，為了可以更好地利用云計(jì)算平臺(tái)，要不斷加強(qiáng)對(duì)能耗管理機(jī)制的開(kāi)發(fā)和管理。

受到管理層次的限制，可以將虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理機(jī)制分為兩個(gè)類別：①處于虛擬化層次的能耗管理機(jī)制；②處于云平臺(tái)層的能耗管理機(jī)制。具體情況如圖1。

3.1 虛擬化層次的能耗管理機(jī)制

虛擬化層次的能耗管理機(jī)制又可以分為VMM層和VM層。VMM層主要是通過(guò)監(jiān)控技術(shù)或者DVFS技術(shù)來(lái)檢測(cè)并降低系統(tǒng)的能耗，還可以檢測(cè)特定的功率的狀態(tài)，并發(fā)出明令，調(diào)節(jié)特定硬件的功率狀態(tài)。而VM層次的能耗管理機(jī)制主要是通過(guò)VIirtualPower系統(tǒng)對(duì)虛擬層的VPM狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，從而為客戶提供廣闊的硬件管理視野[4]。

圖1 虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理機(jī)制

3.2 云平臺(tái)層的能耗管理機(jī)制

云平臺(tái)層的能耗管理機(jī)制主要涉及到VPM tokens機(jī)制，其不僅可以在虛擬機(jī)里實(shí)現(xiàn)基本的能耗操作，還能為在線能耗管理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。VPM可以對(duì)硬伸縮、軟伸縮以及整合式的管理機(jī)制進(jìn)行管理，并建立統(tǒng)一的方式，在保持能耗的同時(shí)，為系統(tǒng)提供足夠的性能的支持。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息化的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的高能耗問(wèn)題越來(lái)越多的人所關(guān)注，目前虛擬化云平臺(tái)面臨的挑戰(zhàn)主要包括操作管理和能耗管理上的挑戰(zhàn)，通過(guò)建立內(nèi)存能好模型、CPU能耗模型、在線遷移模型以及磁盤能耗模型，對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行分析，未來(lái)還可以通過(guò)建立虛擬化云計(jì)算的能耗機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)的性能，減少能耗的成本。因此，在實(shí)踐中要深刻剖析虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能源消耗的管理，其可以促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，并可以為各行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的借鑒，使人類社會(huì)的發(fā)展方向朝著更加智能化、信息化方向發(fā)展。

[1]葉可江，吳朝暉，姜曉紅，何欽銘.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012，06：1262～1285.

[2]陳俊茹.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015，21：18～19.

[3]黨紅恩，趙爾平，雒偉群.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理探討[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2016，01：133～134.

[4]許珊.關(guān)于虛擬云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理芻議[J].電子制作，2015，11：171.

[5]徐晶.虛擬化云計(jì)算平臺(tái)的能耗管理探究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，16：32.

TP393

A

1004-7344（2016）20-0263-02

2016-7-1

陳錦偉（1973-），男，廣東廣州人，助理工程師，學(xué)士，主要從事通信工程建設(shè)工作。