SDN環(huán)境下數(shù)據(jù)中心機(jī)房能源監(jiān)控及智能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玥 陳俊彥,2* 雷曉春 陳小鳳

（1.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）（2.廣西云計(jì)算與大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

1 引言

我國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量非常龐大，在綠色中心的建設(shè)上我國也投入大量的物力人力，研究出許多的方法。隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)也逐步向集成度和規(guī)?；姆较虬l(fā)展。本系統(tǒng)在ZigBee 無線傳輸、MODBUS 通信棧和分布式SDN 節(jié)能優(yōu)化的基礎(chǔ)上建立一個數(shù)據(jù)中心機(jī)房監(jiān)控及智能優(yōu)化系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)可采集環(huán)境數(shù)據(jù)和機(jī)柜數(shù)據(jù)并反饋給監(jiān)控設(shè)備。本系統(tǒng)使用了基于LSTM 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法，以預(yù)測誤差最小為目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)流量預(yù)測，根據(jù)預(yù)測的流量來選擇相應(yīng)的路由，以此為基礎(chǔ)研究和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面彈性拓?fù)涔?jié)能優(yōu)化策略以及多控制器控制平面彈性拓?fù)涔?jié)能策略，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡[8]。管理員通過客戶端可實(shí)時(shí)對機(jī)房進(jìn)行監(jiān)控，便于管理員的管理。

2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：通過機(jī)房數(shù)據(jù)采集來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對采集數(shù)據(jù)的過程進(jìn)行優(yōu)化、系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)旨在通過結(jié)合SDN 負(fù)載均衡[2]的思想來進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。首先進(jìn)行濕溫度、機(jī)柜數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)優(yōu)化階段，采用分布式SDN 彈性拓?fù)涔?jié)能和多控制器E3MC 彈性節(jié)能機(jī)制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]，最后通過遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，來進(jìn)行顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、更改報(bào)警號碼、顯示配電柜開關(guān)、查詢機(jī)柜歷史數(shù)據(jù)、查詢歷史故障信息等，方便監(jiān)控者科學(xué)使用機(jī)房和實(shí)時(shí)了解機(jī)房的使用情況。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 機(jī)柜數(shù)據(jù)監(jiān)控及報(bào)警設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)柜數(shù)據(jù)監(jiān)控及報(bào)警，本系統(tǒng)會首先采集機(jī)柜及周圍的溫濕度信息，來初步判斷當(dāng)前機(jī)柜所負(fù)載的流量值，然后通過機(jī)柜數(shù)據(jù)采集，來直接獲取機(jī)柜的功耗等信息，從而間接獲得機(jī)柜負(fù)載值的信息，通過這兩方面的數(shù)據(jù)，來進(jìn)行機(jī)柜的監(jiān)控，若超過一定的閾值，則啟動報(bào)警系統(tǒng)。

首先本系統(tǒng)會采集機(jī)柜及其周圍的溫濕度數(shù)據(jù)。采用ZigBee無線傳輸方式部署溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器的設(shè)計(jì)采用了多任務(wù)處理方式，且使用多線程實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的多任務(wù)處理。

此外，本系統(tǒng)還會收集機(jī)柜中如功耗等數(shù)據(jù)。在機(jī)房配電柜中，采用工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)ModBus 通信協(xié)議定義了一種消息結(jié)構(gòu),該消息結(jié)構(gòu)一直可以被任何的網(wǎng)絡(luò)控制器識別和執(zhí)行命令，且定義了如何通過網(wǎng)絡(luò)控制器與其它通信設(shè)備之間的請求與訪問等操作的執(zhí)行,如果該控制器接受到來自通信網(wǎng)絡(luò)中其它設(shè)備的請求應(yīng)答時(shí),進(jìn)行響應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)答以及檢測該數(shù)據(jù)是否錯誤并進(jìn)行該信息的記錄。

本系統(tǒng)將配電柜數(shù)據(jù)的目的地址轉(zhuǎn)換成ModBus 數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給配電柜，等待配電柜返回關(guān)鍵信息的ModBus 數(shù)據(jù)幀，隨后解析數(shù)據(jù)幀并將它們轉(zhuǎn)換為所相應(yīng)的數(shù)據(jù)，最后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入已經(jīng)創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)庫的tree 表的相對應(yīng)的字段名中。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2：測試拓?fù)鋱D

得到上述的溫濕度數(shù)據(jù)和功耗等數(shù)據(jù)后，本系統(tǒng)通過B/S 架構(gòu)提供遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，可以訪問網(wǎng)頁方式查詢歷史故障信息、機(jī)柜歷史數(shù)據(jù)、配電柜開關(guān)狀態(tài)、實(shí)時(shí)功耗數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)、更改報(bào)警閾值和緊急聯(lián)系方式等。

除了實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房數(shù)據(jù)外，本系統(tǒng)還添加了報(bào)警功能。當(dāng)機(jī)柜的負(fù)載流量增大到超過所設(shè)閾值時(shí)，本系統(tǒng)會啟動報(bào)警裝置。監(jiān)控人員得到報(bào)警后可去重新設(shè)置機(jī)柜，減輕了監(jiān)控人員的負(fù)擔(dān)，也延長了機(jī)柜的使用壽命。

3.2 SDN優(yōu)化節(jié)能方案設(shè)計(jì)

3.2.1 SDN 多控制器部署

通過聚類算法實(shí)現(xiàn)多控制器部署策略，控制器部署的位置是從交換機(jī)節(jié)點(diǎn)中選出來的，因此理想化控制器到其所部署的交換機(jī)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延為0，并且不為控制器到交換機(jī)單獨(dú)開設(shè)一條物理鏈路。本系統(tǒng)采用的是K-means++算法來實(shí)現(xiàn)多控制器部署[3]。

表1：測試結(jié)果

部署方案如下：首先在圖中隨機(jī)選取一個樣本點(diǎn)作為第一個簇中心c1，然后計(jì)算剩余樣本點(diǎn)與所有簇中心的最短距離，令此距離為len(mi)=min[dist(mi,c1),dist(mi,c2),dist(mi,c3),…dist(mi,cn)]，某樣本點(diǎn)被選為下一個簇中心的概率為重復(fù)上一步直到選出k 個簇中心，即為k 個控制器和k個類[4][7]。

3.2.2 LSTM 預(yù)測路由

通過LSTM 來預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中的流量情況，通過歷史數(shù)據(jù)預(yù)處理、建立模型、確定參數(shù)、實(shí)驗(yàn)分析等步驟，來預(yù)測未來網(wǎng)絡(luò)中可能會出現(xiàn)的流量負(fù)載情況，以此為指標(biāo)之一來衡量SDN 負(fù)載均衡的策略和方案，以減少由于流量不均而導(dǎo)致的效率下降、成本上升等問題[5]。

LSTM 單元中有三種類型的門控，其對信息的存儲和更新正是由這些門控來實(shí)現(xiàn)，門控的一般形式可以表示為：

g(x)=σ(Wx+b)

其中σ(x)=1/(1+exp(-x))，稱為 Sigmoid 函數(shù)，是機(jī)器學(xué)習(xí)中常用的非線性激活函數(shù)，可以將一個實(shí)值映射到區(qū)間[0,1]，用于描述信息通過的多少。采用wireshark 中的流量集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入到LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，在t+1 時(shí)刻LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測輸出值為ht+1，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)捕獲到t+1 時(shí)刻的真實(shí)數(shù)據(jù)xt+1后，再將xt+1作為預(yù)測結(jié)果的對照數(shù)據(jù)，并計(jì)算預(yù)測誤差，同時(shí)將誤差數(shù)據(jù)循環(huán)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模型修正和更新，同時(shí)真實(shí)的xt+1也會作為下一次預(yù)測的輸入值循環(huán)到LSTM 中[6]。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)流量均衡策略

通過對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程的方法來實(shí)現(xiàn)查找網(wǎng)絡(luò)中存在的多條路徑的路由，并對這些路由的路徑賦予一定的權(quán)重，讓網(wǎng)絡(luò)中大量的數(shù)據(jù)包從不同的路徑到達(dá)目的主機(jī)。

在OpenFlow 協(xié)議中，存儲桶權(quán)重越高，優(yōu)先級越高，即優(yōu)先選擇存儲桶權(quán)重高的路徑。

單條路徑的成本sw 計(jì)算公式如式（5）所示：

設(shè)有m 條路徑，則其總成本SW 計(jì)算公式如式（6）所示：

單條路徑的存儲桶權(quán)重(bw)計(jì)算公式如式（7）所示：

由以上公式可得，路徑成本越低，所得存儲桶權(quán)重越高，在OpenFlow 協(xié)議中，存儲桶權(quán)重越高，優(yōu)先級越高。在流量均衡策略中，優(yōu)先選擇優(yōu)先級高的路徑[9]。

3.2.4 機(jī)柜數(shù)據(jù)分析

通過RS232、RS485 轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使PC 對之進(jìn)行通信，并可讀取機(jī)柜數(shù)據(jù)，存入mysql 數(shù)據(jù)庫。若功耗過大則減少對此路由的使用頻率。

本系統(tǒng)通過以上四個結(jié)果數(shù)據(jù)來判斷和選擇最終的路由規(guī)劃策略。若LSTM 預(yù)測所得結(jié)果記為A，網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載均衡策略所得結(jié)果記為B，對機(jī)柜的數(shù)據(jù)分析結(jié)果記為C，則最終所選路由Z=αA+βB+γC。每個結(jié)果占比不同，通過不同的需求和實(shí)際情況，來確定各個結(jié)果所占的權(quán)重，最終確定當(dāng)下所初步選定的路由方案。

4 系統(tǒng)測試

測試采用K=4 的胖樹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖2所示。

測試結(jié)果如表1所示。

由測試結(jié)果可得，管理員可通過客戶端查看機(jī)房相關(guān)信息，且對于SDN 的多控制器的均衡部署和流量的負(fù)載均衡也都已實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)即為SDN 環(huán)境下的節(jié)能管理機(jī)制。通過結(jié)合SDN 和機(jī)柜功耗數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)中心機(jī)房進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管控和全局計(jì)算，研究和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面彈性拓?fù)涔?jié)能優(yōu)化策略以及多控制器控制平面彈性拓?fù)涔?jié)能策略，分別在數(shù)據(jù)平面、控制平面和分布式三方面實(shí)現(xiàn)能源智能優(yōu)化機(jī)制。管理員可通過客戶端可實(shí)時(shí)對機(jī)房進(jìn)行監(jiān)控，提高了管理效率。