云計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中心的節(jié)能算法

文/張倩

隨著云計(jì)算技術(shù)發(fā)展越來(lái)越迅速，能源消耗問(wèn)題開(kāi)始逐漸的浮出水面，并成為制約云計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵因素。依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)和第三方咨詢(xún)調(diào)查機(jī)構(gòu)的報(bào)告，谷歌公司有超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，在2010年一共排放出了約146萬(wàn)公噸的二氧化碳，平均每100條搜索的用電量就相當(dāng)于一個(gè)60W的燈泡持續(xù)工作28分鐘。這種大量的能源消耗是讓人震驚的，同時(shí)也給相關(guān)的計(jì)算機(jī)工作者們敲響了一個(gè)警鐘，如果不盡快的解決云計(jì)算能源消耗的問(wèn)題，那么這項(xiàng)技術(shù)必定會(huì)受到眾多的限制，甚至于停止發(fā)展。因此，解決云計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心高能耗的問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。

1 節(jié)能算法的相關(guān)分類(lèi)

現(xiàn)階段，云計(jì)算的節(jié)能機(jī)制可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)分為不同的類(lèi)別，如果按照功率來(lái)分類(lèi)，可以分為兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)為DPM）,第二類(lèi)為靜態(tài)功率管理技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)為SPM）。如果按照降低能耗階段的不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)的話，可以分為三個(gè)方面，第一個(gè)方面是關(guān)閉/開(kāi)啟技術(shù)（resource hibernation），第二個(gè)方面是動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)為DVFS），第三個(gè)方面是虛擬機(jī)技術(shù)（virtualizaion）。并且這三個(gè)方面的分工也有所不同，第一個(gè)方面主要負(fù)責(zé)降低空閑能耗，第二以及第三個(gè)方面主要負(fù)責(zé)降低任務(wù)執(zhí)行的能耗。另外，DPM在應(yīng)用當(dāng)中的主要前提是云計(jì)算系統(tǒng)的負(fù)載狀況是隨著時(shí)間因素而不斷變化的，這樣DPM就能夠被允許依照當(dāng)前的云系統(tǒng)性能對(duì)系統(tǒng)的功率狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。與其他相比，SPM主要是通過(guò)利用高端的硬件設(shè)備來(lái)運(yùn)行的，例如系統(tǒng)當(dāng)中的CPU、硬盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、UPS以及能源提供設(shè)備等。通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)的改變，往往能夠有效的降低能耗。

2 DVFS節(jié)能算法相關(guān)分析

DVFS節(jié)能算法主要是通過(guò)在現(xiàn)代處理器上來(lái)調(diào)控CPU功耗的方式來(lái)進(jìn)行工作的，是一種行之有效的節(jié)能算法。一旦系統(tǒng)的CPU存在空閑，沒(méi)有被完全使用時(shí)，該節(jié)能算法就可以通過(guò)調(diào)整CPU供電電壓，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘的頻率進(jìn)行調(diào)整的方式來(lái)降低CPU的性能，這樣一來(lái)，動(dòng)態(tài)能耗的降低幾乎是以立方為單位來(lái)遞減的，并且對(duì)系統(tǒng)的整體性能不會(huì)產(chǎn)生絲毫的影響。我們以某公司云計(jì)算系統(tǒng)為例，該公司云計(jì)算數(shù)據(jù)中心采用基于DVFS的節(jié)能算法，某時(shí)刻該系統(tǒng)只有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，其負(fù)載要求10個(gè)周期完成，任務(wù)的截止時(shí)間為100秒，針對(duì)這種情況，該系統(tǒng)便通過(guò)DVFS節(jié)能算法，將CPU進(jìn)行降速處理，使之降速到十分之一周期每秒。這樣不僅沒(méi)有超出任務(wù)的截止時(shí)間，同時(shí)還大大的降低了整體的能耗。經(jīng)過(guò)相關(guān)的實(shí)踐研究表明，通過(guò)此動(dòng)態(tài)頻率降低的方式，相比于通過(guò)最大速率運(yùn)行任務(wù)，然后在任務(wù)結(jié)束后的空余時(shí)間中將CPU閑置的方法更為有效。隨著該節(jié)能算法的實(shí)際價(jià)值被廣泛肯定，越來(lái)越多的云計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)始使用該種算法，普及程度越來(lái)越高。

3 虛擬化節(jié)能算法相關(guān)分析

虛擬化節(jié)能算法是通過(guò)改善資源利用率的方式，從而使能耗得到降低。虛擬化技術(shù)在云計(jì)算當(dāng)中占有舉重若輕的地位，通過(guò)運(yùn)用虛擬化技術(shù)，可以在單一的主機(jī)上創(chuàng)建多個(gè)虛擬機(jī)，如此硬件資源的使用數(shù)量就被大大的減少了，自然而然的增強(qiáng)了資源的利用率。利用虛擬化算法技術(shù)，不僅僅可以將共享相同計(jì)算節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用與應(yīng)用之間達(dá)成性能的隔離，并且在此基礎(chǔ)上還可以使用動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)或離線遷移技術(shù)，使得虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的遷移。這樣一來(lái)，實(shí)時(shí)虛擬機(jī)重新分配的過(guò)程就能夠完全實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的負(fù)載合并，從而使虛擬機(jī)可以合并到相對(duì)較小的物理節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，并以此將閑置節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為節(jié)能模式。

以某公司的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心為例，該公司在系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中，將能耗管理技術(shù)和虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了很好的有機(jī)結(jié)合，并且通過(guò)VirtualPower這種優(yōu)化管理方式應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)管理當(dāng)中。通過(guò)這種策略的應(yīng)用，使得虛擬化平臺(tái)之上的各種虛擬機(jī)都得到了很好的協(xié)調(diào)控制，從而對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)的能耗實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的整體優(yōu)化。

4 主機(jī)關(guān)閉/開(kāi)啟節(jié)能算法相關(guān)分析

主機(jī)關(guān)閉/開(kāi)啟的節(jié)能方式可以細(xì)化的分為三種類(lèi)型，第一種是隨機(jī)式策略，第二種是超時(shí)式策略，第三種是預(yù)測(cè)式策略。隨機(jī)式策略的工作方式就是將服務(wù)器的關(guān)閉以及開(kāi)啟模型當(dāng)作一個(gè)隨機(jī)式優(yōu)化模型來(lái)看待，通過(guò)隨機(jī)決策模型設(shè)計(jì)控制算法的方式來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。超時(shí)式策略在運(yùn)行時(shí)，首先要設(shè)置相應(yīng)的超時(shí)閥值，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)持續(xù)空閑時(shí)間超過(guò)既定閥值，那么服務(wù)器將會(huì)自動(dòng)的切換到關(guān)閉模式當(dāng)中。預(yù)測(cè)式策略主要是通過(guò)開(kāi)始階段的事先預(yù)測(cè)方式進(jìn)行工作的，當(dāng)事先的預(yù)測(cè)值達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，就會(huì)將服務(wù)器直接切換到關(guān)閉模式。這三類(lèi)策略，都能夠通過(guò)自身的工作機(jī)理最大限度的降低服務(wù)器空閑所產(chǎn)生的能耗。但是如果計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的話，就十分有可能會(huì)造成性能的降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r出發(fā)，通過(guò)具體的實(shí)例，結(jié)合已經(jīng)有的研究，分析對(duì)比云計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中心的DVFS、虛擬化和主機(jī)開(kāi)啟關(guān)閉技術(shù)等節(jié)能算法的優(yōu)劣，從而對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中心的節(jié)能算法做進(jìn)一步的研究，當(dāng)然對(duì)于云計(jì)算技術(shù)能耗過(guò)高的問(wèn)題，還需要廣大計(jì)算機(jī)工作者們更加深入的研究。

參考文獻(xiàn)

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