數(shù)據(jù)中心虛擬化在節(jié)能減排方面的應用與成效

卜天然 舒升 孫廨堯

摘要：隨著虛擬化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的高耗能等問題日益凸顯。越來越多的企事業(yè)單位對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心進行了技術升級與改造，通過對服務器資源的抽象、提取與整合，形成了完整的虛擬化改造方案。該文通過研究虛擬化技術在企事業(yè)單位數(shù)據(jù)中心的應用現(xiàn)狀，以真實企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)中心虛擬化改造成效為分析樣本，通過服務器的成本計算方法和HBA卡成本計算方法，計算出使用虛擬化技術前后數(shù)據(jù)中心成本對比，為節(jié)能減排工作方面提供一定的理論依據(jù)和技術幫助。

關鍵詞：虛擬化技術；成本計算；節(jié)能減排

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）32-0225-03

Abstract：With the development of virtualization technology， more and more enterprises and institutions have virtualized existing data centers and application systems. Virtualization technology in the data center can save space in the equipment room， reduce power and cooling costs， and improve the reliability and flexibility of the business server. This paper studies the application status of virtualization technology in data centers of enterprises and institutions. Through the cost calculation method of the server and the HBA card cost calculation method， the data center cost comparison before and after the use of virtualization technology is calculated， which provides a certain theoretical basis and technical assistance for energy saving and emission reduction work.

Key words： virtualization technology； cost calculation； energy conservation

1 數(shù)據(jù)中心能耗的現(xiàn)狀分析

黨的十九大報告中指出，“推進資源全面節(jié)約和循環(huán)利用，實施國家節(jié)水行動，降低能耗、物耗，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)循環(huán)鏈接?！彪S著信息化技術的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對碎片信息和大數(shù)據(jù)的高速處理的需求、對資源合理配置整合的需求也不斷擴大，這對于部署在數(shù)據(jù)中心的業(yè)務系統(tǒng)要求也越來越高。這就需要數(shù)據(jù)中心提升更為快速的數(shù)據(jù)處理能力，但如果依然采用在原有設備之外采購新的服務器，既會增加采購成本和運維成本，也會產(chǎn)生如耗電問題、冷卻問題、布線問題等諸多能耗問題。眾所周知，目前數(shù)據(jù)中心的能耗主要產(chǎn)生于制冷系統(tǒng)、IT設備、電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。圖1是數(shù)據(jù)中心能耗情況分布圖。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，IT設備和配套的空調系統(tǒng)占到數(shù)據(jù)中心能耗的80%。高能耗必將帶來高額電費，據(jù)美國相關研究表明，2016年全球共耗去2，188億度（千瓦*小時）的電力，約占全球2016年總發(fā)電量的2.5%。據(jù)統(tǒng)計這些能耗成本占到整個中心運維成本的45%左右。

傳統(tǒng)的企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)中心除了產(chǎn)生高能耗高電費等情況，從另一方面來看，數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡中心）還存在服務低能效的情況。據(jù)統(tǒng)計傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡中心）的85%的資源服務器的CPU占用率僅占15%左右，內存工作負載僅占30%。而一臺服務器中CPU耗電占比約為整臺設備的30%，如圖2所示，為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡中心）IT設備運行與閑置的效能情況圖。

以閑置CPU資源能耗計算為例，將統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)通過公式進行運算：

XZNH（閑置能耗占比率）=設備閑置率*某硬件耗電占比=85%*30%=22.5%

可以得出單臺服務器CPU 閑置能耗占比率竟高達22.5%之多。服務器軟硬件資源和能耗的浪費，不符合國家節(jié)能減排的政策要求。

在這種環(huán)境下，虛擬化技術就體現(xiàn)了整合優(yōu)勢。應用在 IT 的不同層面，從邏輯層將物理層抽象出來意味著邏輯組件會得到更一致的管理。從安全監(jiān)督來看，虛擬化技術提升了X86服務器的可靠性、可用性，從基礎架構層面獲得了原先單機系統(tǒng)無法想象的功能，大大提高了業(yè)務連續(xù)性的級別，降低了故障率、減少了系統(tǒng)宕機的時間；從服務器的角度來看，虛擬化技術讓每臺設備都能托管多種操作系統(tǒng)，最大化了利用率，降低了服務器數(shù)量；從存儲的角度來看，虛擬化技術可網(wǎng)絡化、整合磁盤設備，并讓多個服務器共享磁盤設備，從而提高了利用率；從應用的角度來看，虛擬化技術將應用計算從用戶設備中分離出來，并在數(shù)據(jù)中心對應用及相關數(shù)據(jù)進行整合，通過集中化技術改善了管理和系統(tǒng)安全性。

2 數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術趨勢與應用

虛擬化技術就是利用高可靠的軟件定義硬件、軟件定義網(wǎng)絡等虛擬技術將現(xiàn)有物理服務器的資源進行分配，從抽象到再生、從提取到整合，形成一整套邏輯資源，通過對數(shù)據(jù)中心服務器進行物理機虛擬化，對存儲以及網(wǎng)絡設施創(chuàng)建一個動態(tài)的、高效的、靈活的基礎設施架構，將數(shù)據(jù)中心的資源整合在一起，增加服務器、網(wǎng)絡設施、存儲之間的協(xié)同性，從而提高整個數(shù)據(jù)中心的運行效率。

采用模板或服務器復制方式快速建立一臺新的虛擬化服務器，耗時不超過15分鐘。與傳統(tǒng)方式相比，所需部署時間最短可以縮小到1/1440.極大地提高了用戶信息中心應對各類突發(fā)新的應用需求的能力，并且節(jié)約了工作時間，提高了工作效率。

同時，虛擬化技術的引入，不會對原有的網(wǎng)絡架構產(chǎn)生網(wǎng)絡結構和物理本質上的變化，原先的網(wǎng)絡架構依然保留，僅僅在數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡中心）的基礎設施方面，減少了服務器、交換機、機架、網(wǎng)線、UPS、空調等設備投入與維護成本。原先設備可以根據(jù)虛擬化擴展技術進行利舊更新，使得IT管理人員有了更多的選擇。

下圖3是虛擬化整合之后的IT架構：

從圖3可知，虛擬化后的網(wǎng)絡拓撲并沒有變化。通過軟件定義網(wǎng)絡，虛擬化后的物理服務器，形成了虛擬化集群，并進行統(tǒng)一管理。同時，原有的傳統(tǒng)服務器設備依然正常運行，并且可以同虛擬化集群融合在一起。原先的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、鏈路備份，業(yè)務隔離、協(xié)同工作等方式，都延續(xù)原來的網(wǎng)絡管理模式。

虛擬化后的數(shù)據(jù)中心還將在以下幾個方面凸顯優(yōu)勢：

（1） 彈性計算資源池

采用服務器虛擬化技術，將數(shù)據(jù)中心X86服務器轉變成通用的共享硬件基礎架構，并按照業(yè)務需求進行動態(tài)交付，實現(xiàn)計算資源的彈性調度。按照業(yè)務生命周期進行計算資源管理，并滿足峰值計算資源的需求。

（2） 彈性存儲系統(tǒng)

優(yōu)化存儲配置和使用，對于目前現(xiàn)有應用系統(tǒng)對存儲需求類型進行分類，采用傳統(tǒng)共享存儲和分布式虛擬存儲相結合的方式，同時對于本地服務器硬盤進行集中整合，配合SSD磁盤組成高性能、高可用、基于策略驅動的分布式虛擬存儲，具備較強的水平擴展能力，滿足未來業(yè)務不斷增加的存儲需求。

（3） 虛擬網(wǎng)絡松耦合

利用網(wǎng)絡虛擬化技術實現(xiàn)在不改動原有物理網(wǎng)絡的同時，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡資源的池化，根據(jù)業(yè)務應用或實訓環(huán)境的動態(tài)需要，自動化提供虛擬網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的敏捷性；同時滿足未來對業(yè)務網(wǎng)絡可以跨數(shù)據(jù)中心延展的需求，使虛擬機擺脫原有網(wǎng)絡和安全配置的束縛，讓虛擬機可以跨數(shù)據(jù)中心靈活遷移，同時始終保證網(wǎng)絡暢通和安全合規(guī)。

3 日常辦公的虛擬化桌面技術趨勢與應用

企事業(yè)單位除了龐大的數(shù)據(jù)中心之外，在日常辦公和研發(fā)使用的是PtoP模式，即進行個人桌面操作系統(tǒng)和應用程序的均為功能獨立的計算機。在這種網(wǎng)絡連接模式下，所有應用程序與數(shù)據(jù)都是以緊耦合模式存在，任意軟件或應用系統(tǒng)的更新，用戶都會受到影響。隨著信息化建設的不斷深入、軟件或應用系統(tǒng)的不斷更新，使得信息服務所需的IT軟硬件的數(shù)量不斷擴大，更為重要的是，獨立運行IT軟硬件所帶來的信息安全問題越來越多，提高了信息中心等相關部門的運營和管理成本，迫切需要日常辦公使用虛擬化桌面方式來提高信息系統(tǒng)的可靠性。

經(jīng)統(tǒng)計，目前企事業(yè)單位桌面信息化呈現(xiàn)如下兩大個趨勢：

（1）桌面安全問題亟待保障

研發(fā)設計中心作為企業(yè)的業(yè)務開發(fā)中心，需要支持越來越多的項目，隨之而來的桌面管理、桌面供應、開發(fā)測試環(huán)境的分配等都問題都暴露出來。另外，外包的開發(fā)模式在電力企業(yè)里越來越普遍，如何保證這些外包項目的信息資產(chǎn)的安全性，都是企業(yè)目前面臨的難題。

（2）桌面管理日趨復雜

桌面復雜性的問題已經(jīng)演變成了企業(yè)IT項目成功道路上的一大障礙，它困擾著每一名IT及工作人員。 如果企業(yè)仍然堅持原有的思想來管理桌面，那么這些存在的問題不可避免的仍然會出現(xiàn)。同時，平板設備等的接入也已經(jīng)成為必然，如何保證用戶的使用與企業(yè)的安全性也是IT必須跨越的一個障礙。

因此，傳統(tǒng)的PC模式部署桌面已無法滿足當前企業(yè)業(yè)務的發(fā)展需求，使用虛擬化桌面方式在一定程度可以幫助了企業(yè)IT轉型。

4 虛擬化數(shù)據(jù)中心在降低成本、節(jié)能方面的優(yōu)勢

虛擬化技術在提升硬件資源利用率的同時，不僅提高了業(yè)務系統(tǒng)的可用性及靈活性，提升了存儲以及網(wǎng)絡基礎設施的利用率，更重要是節(jié)省了電力和冷卻成本。無論是電力能耗還是空調冷卻能耗對于數(shù)據(jù)中心來說都是一筆巨大的開支，毫無疑問，降低成本是IT部門推行虛擬化項目的另一個主要原因。虛擬化的成本節(jié)約主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）減少服務器的數(shù)量

無論是獨立安裝的機架還是刀片型服務器，虛擬化技術都意味著更少的服務器數(shù)量，這是虛擬化技術最基本的功能。

（2）降低能源成本

更少的服務器就意味著只需要更少的電力和冷卻成本。

（3）減少空間成本

由于數(shù)據(jù)中心虛擬化的整合大大減少了地面空間，從而減少了房產(chǎn)這方面的成本。

5 虛擬化數(shù)據(jù)中心應用后成本分析及節(jié)能回報

一般情況下，虛擬化數(shù)據(jù)中心的成本計算方法有：服務器的成本計算方法、HBA卡成本計算方法、操作系統(tǒng)成本計算方法和電力成本計算方法，本文采用服務器成本計算方法。以一個標準數(shù)據(jù)中心為例，將當前服務數(shù)量設定為60臺，根據(jù)常規(guī)數(shù)據(jù)需求和業(yè)務增長，每年服務增長比例約為10%，通過計算可得單臺物理服務器總體電力開銷0.8870萬元/年，如下表1所示。

在虛擬化之前，基于物理服務器方式，以60臺雙路CPU的服務器，以5年運維情況為節(jié)點，每年開銷主要集中在新增服務器、服務器更換、能耗開銷等方面，其中，因采用虛擬化架構而節(jié)省的其他成本，例如交換機、機架、電源線、空調、機房空間、管理成本等，未列入表中。五年共計開銷為857萬元。如表2所示。

在虛擬化之后，我們如果按照7：1的整合比為例，進行計算，這樣就只需要10臺左右的雙路CPU服務器，投入方式包括：新增虛擬化軟件授權、虛擬化軟件維保等方面。如下表3所示，五年共計投入為147.2萬元

同時，虛擬化方案執(zhí)行后，基于虛擬化方式的開銷主要包括：新增服務器、能耗開銷等方面，如下表4基于虛擬化方式開銷所示，五年共計開銷為127.5萬元。

將基于虛擬化方式的投入和開銷累加即虛擬化的總體開銷之和，與虛擬化前傳統(tǒng)模式開銷進行產(chǎn)出比較，如表5所示，從表中，可以得出，除了第一年產(chǎn)出比為負數(shù)之外，以后每年產(chǎn)出比都逐年增長，尤其在設備運行的第5年，產(chǎn)出比可高達396%。

可見，通過數(shù)據(jù)中心虛擬化建設項目的實施，可以節(jié)省能耗近63%成本。

6 結語

習總書記說：“綠水青山，就是金山銀山”，堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是每一個企業(yè)應盡的社會責任。虛擬化數(shù)據(jù)中心的建設和發(fā)展需要沿著循環(huán)經(jīng)濟建設的步伐有效的節(jié)能減排，希望通過本文的分析，對促進數(shù)據(jù)中心在節(jié)能減排工作方面提供一定的理論依據(jù)和技術幫助，從而推動IT行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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