優(yōu)化云計(jì)算系統(tǒng)資源的綠色計(jì)算方法

王 東，李春平，肖亞光

（廣東白云學(xué)院，廣州 510450）

0 引言

隨著云計(jì)算及其應(yīng)用數(shù)量的快速增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)包括云存儲(chǔ)在內(nèi)的云資源的需求快速增加，隨之而來(lái)的是，越來(lái)越多的云數(shù)據(jù)中心正在規(guī)劃和建設(shè)中，伴隨而來(lái)的高能耗運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題成為設(shè)計(jì)云數(shù)據(jù)中心所面臨的、亟待解決的問(wèn)題。本研究提出了減少服務(wù)器待機(jī)能耗的方法，當(dāng)計(jì)算工作量較小時(shí)（非高峰時(shí)段），冗余計(jì)算資源將被關(guān)閉或置于低功耗的休眠模式；當(dāng)計(jì)算工作量增加時(shí)，額外的資源被轉(zhuǎn)移到滿負(fù)荷。綠色計(jì)算的宗旨首先是提高計(jì)算資源的利用率，通過(guò)有效計(jì)算資源利用率來(lái)衡量綠色計(jì)算的指數(shù)。計(jì)算服務(wù)是云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施之一，云計(jì)算服務(wù)器將計(jì)算資源動(dòng)態(tài)的分配給用戶，云計(jì)算用戶及其各種應(yīng)用數(shù)量增長(zhǎng)迅速，計(jì)算能耗增加迅猛。業(yè)界不斷嘗試采用各種方法實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算，硬件不斷創(chuàng)新，如虛擬化和容器技術(shù)有助于提高服務(wù)器的計(jì)算效率并降低一些計(jì)算消耗；亦或通過(guò)冷卻和就近取電等物理方法取得綠色計(jì)算的效果。綠色計(jì)算的第二個(gè)宗旨是減少計(jì)算能耗，因此控制節(jié)能數(shù)據(jù)、虛擬化技術(shù)、綠色計(jì)算的策略、算法、資源要求、資源分配等機(jī)制成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，服務(wù)轉(zhuǎn)移是綠色處理云資源的一種高效方式。通過(guò)減少活動(dòng)云資源的數(shù)量，并將未使用的資源設(shè)置為省電模式，或干脆關(guān)閉一些閑置計(jì)算資源將取得突出的綠色計(jì)算效果。

本文將著重討論基于合理調(diào)度方法，采用靈活設(shè)置計(jì)算節(jié)點(diǎn)的開(kāi)機(jī)狀態(tài)來(lái)降低能耗的綠色計(jì)算效果。由此，本文結(jié)構(gòu)分為以下幾部分：綠色計(jì)算環(huán)境，確定綠色計(jì)算環(huán)境下節(jié)能的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；綠色計(jì)算節(jié)能算法，提出本研究方法的技術(shù)特點(diǎn)和節(jié)能原理；綠色云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，提出本方法設(shè)計(jì)實(shí)施的經(jīng)典架構(gòu)；能耗對(duì)比分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出本方法的節(jié)能效果；結(jié)論，對(duì)本研究進(jìn)行總結(jié)并對(duì)未來(lái)的研究工作進(jìn)行展望和規(guī)劃。

1 綠色計(jì)算的環(huán)境

云資源的能耗和利用率與設(shè)備的功率瓦數(shù)密切相關(guān)，如式（1）、式（2）所示：

其中P表示功率，表示時(shí)間量，E表示耗能，降低通電時(shí)間可降低能耗。

綠色云計(jì)算系統(tǒng)的建立可節(jié)省云服務(wù)的能耗，包括：云服務(wù)各處理節(jié)點(diǎn)的能耗、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和其它輔助電氣設(shè)備，參與計(jì)算的所有組件的總能耗如式（3）所示：

其中，E表示綠色云計(jì)算的能耗，E表示處理節(jié)點(diǎn)的能耗，E表示服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的能量，E表示路由器/交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能量，E表示存儲(chǔ)設(shè)備（磁盤/機(jī)架）的能量，E表示其它輔助電氣設(shè)備的能量。對(duì)于物理資源，總能耗可通過(guò)以下兩項(xiàng)公式計(jì)算得出，首先E定義任何服務(wù)器的最大能量消耗，此時(shí)無(wú)考慮虛擬機(jī)的運(yùn)行情況；E定義了所有工作虛擬機(jī)在任何情況下的能耗，設(shè)定云服務(wù)實(shí)例中使用了個(gè)VM。

如式（5）所示，由于每個(gè)VM具有不同的組件，如CPU、RAM、I/O等，因此EVM也可以描述為VM組件的總能耗：

2 綠色計(jì)算節(jié)能算法

本研究提出了一種算法，可有效節(jié)省云資源處理所需的實(shí)際能耗，本算法的主要步驟如下：

（1）識(shí)別并統(tǒng)計(jì)云計(jì)算系統(tǒng)中的所有可用資源；

（5）未分配的云資源被移動(dòng)到空閑或節(jié)能模式，如睡眠/休眠模式；

（6）重復(fù)（1）到（5），檢查所有的云資源實(shí)例。

本研究提出的節(jié)能算法從確定任務(wù)和工作規(guī)模開(kāi)始，確定云資源基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的不同能力和可使用的頻率，為每個(gè)資源開(kāi)辟自己的工作區(qū)。本節(jié)能算法不但可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果，還具有安全特性。它不但可以動(dòng)態(tài)統(tǒng)籌分配云計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)的資源，還能識(shí)別出未經(jīng)授權(quán)的資源請(qǐng)求并禁止其路由。由于本算法在處理云資源請(qǐng)求方面具有周期性的特性，當(dāng)對(duì)云資源的請(qǐng)求量超過(guò)云服務(wù)器能夠接納處理的總量時(shí)，所有空閑/睡眠的云資源將在下一個(gè)周期自動(dòng)打開(kāi)。

3 綠色云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

結(jié)合以上所提綠色計(jì)算節(jié)能算法，本研究設(shè)計(jì)了一種新型的綠色云計(jì)算體系模型。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于目前傳統(tǒng)的云計(jì)算體系，它能夠以更低的能耗完成相同的服務(wù)請(qǐng)求量，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)能減排”的效果。本設(shè)計(jì)的內(nèi)部系統(tǒng)包括：用戶模塊的計(jì)算、存儲(chǔ)調(diào)度模塊、資源分配模塊、任務(wù)調(diào)度模塊；外部系統(tǒng)包括：能源監(jiān)測(cè)模塊、檢測(cè)能耗的溫度監(jiān)測(cè)模塊。本研究設(shè)計(jì)的綠色云計(jì)算結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 綠色云計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

如圖1中，節(jié)點(diǎn)監(jiān)控是核心控制單元，它根據(jù)從資源模塊和任務(wù)調(diào)度模塊接收到的信號(hào)動(dòng)態(tài)分配資源，能耗檢測(cè)和溫度檢測(cè)模塊提供的數(shù)據(jù)用于優(yōu)化節(jié)能方案，避免單點(diǎn)溫度過(guò)高產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸。

4 能耗對(duì)比分析

為證明本研究提出的方法所具有的節(jié)能效果，特選取兩組實(shí)驗(yàn)設(shè)備，第一組采用常規(guī)的全開(kāi)啟模式，所有的服務(wù)節(jié)點(diǎn)不論是否有服務(wù)請(qǐng)求均處于開(kāi)啟狀態(tài)；第二組采用本節(jié)能方法，通過(guò)合理調(diào)度，未接收到服務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)器自動(dòng)進(jìn)入低能耗的待機(jī)/休眠模式。模擬非高峰時(shí)段的任務(wù)處理量（設(shè)置闕值為50%滿載），對(duì)兩組私有云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行能耗測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 處于全開(kāi)啟模式下的云服務(wù)能耗

表2 綠色計(jì)算模式下的云服務(wù)能耗

本研究中，綠色計(jì)算的云服務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)服務(wù)請(qǐng)求和各服務(wù)器負(fù)載情況靈活設(shè)置各服務(wù)器的工作狀態(tài)，其策略是：盡可能提高處于開(kāi)啟（ON）狀態(tài)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)的利用率，將短時(shí)無(wú)任務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為空閑（IDEL）狀態(tài)，將長(zhǎng)時(shí)間未接收服務(wù)請(qǐng)求的服務(wù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為休眠（OFF）狀態(tài)。在每一個(gè)輪詢周期內(nèi)云服務(wù)調(diào)度模塊根據(jù)任務(wù)隊(duì)列的請(qǐng)求數(shù)量確定所需開(kāi)啟的服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量并安排計(jì)算任務(wù)；實(shí)現(xiàn)服務(wù)節(jié)點(diǎn)由開(kāi)啟到空閑的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并確定處于空閑狀態(tài)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；實(shí)現(xiàn)服務(wù)節(jié)點(diǎn)由空閑到休眠的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并確定處于空閑狀態(tài)的服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

值得注意的是，當(dāng)任務(wù)請(qǐng)求量超過(guò)系統(tǒng)最大負(fù)載時(shí)，本實(shí)驗(yàn)中的兩組私有云服務(wù)系統(tǒng)的所有服務(wù)節(jié)點(diǎn)都處于開(kāi)啟狀態(tài)，兩組系統(tǒng)的能耗結(jié)果相同。這與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的真實(shí)效果是相同的，也就是說(shuō)，本研究所提的綠色計(jì)算算法在云服務(wù)非高峰時(shí)段具有明顯的節(jié)能效果，在云服務(wù)系統(tǒng)低于最大負(fù)載的情況下，采用綠色計(jì)算算法的節(jié)能效果與處理服務(wù)請(qǐng)求量成反比。此外，云服務(wù)節(jié)點(diǎn)的利用率也對(duì)云服務(wù)系統(tǒng)的整體能耗產(chǎn)生影響，提高云服務(wù)節(jié)點(diǎn)的利用率也有助于降低能耗。

5 結(jié)論和展望

云計(jì)算時(shí)代，各種云服務(wù)系統(tǒng)所要處理的服務(wù)請(qǐng)求量越來(lái)越多，隨之而來(lái)的是計(jì)算能耗的持續(xù)增長(zhǎng)，持續(xù)增長(zhǎng)的耗能既是生態(tài)問(wèn)題也是運(yùn)營(yíng)成本增加而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。云服務(wù)設(shè)計(jì)者和運(yùn)營(yíng)方采用各種方法不斷努力嘗試優(yōu)化系統(tǒng)性能和降低能耗。本研究所提出的方法從云服務(wù)系統(tǒng)的全局應(yīng)用角度出發(fā)，既能保證對(duì)總體服務(wù)請(qǐng)求的高效處理，也能實(shí)現(xiàn)最大程度地降低各服務(wù)節(jié)點(diǎn)的物理能耗。實(shí)驗(yàn)表明，在非高峰時(shí)段，本研究通過(guò)采用智能調(diào)節(jié)方法，根據(jù)服務(wù)請(qǐng)求量動(dòng)態(tài)調(diào)整活躍服務(wù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各服務(wù)節(jié)點(diǎn)的利用率的最大優(yōu)化，同時(shí)被測(cè)云服務(wù)系統(tǒng)的整體能耗降至最低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本研究的目的已達(dá)成，云服務(wù)系統(tǒng)可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)度和利用率優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的目標(biāo)，包含云服務(wù)節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率得到優(yōu)化，服務(wù)請(qǐng)求得到最優(yōu)的資源配給，能耗降低并未影響整體系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)。因此，本研究提出的綠色計(jì)算方法對(duì)于構(gòu)建綠色生態(tài)的云服務(wù)系統(tǒng)具有重要的參考意義。

放眼未來(lái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能的方法，本研究還將進(jìn)一步拓展研究領(lǐng)域，對(duì)云服務(wù)的服務(wù)請(qǐng)求量進(jìn)行預(yù)測(cè)，未雨綢繆地對(duì)服務(wù)資源進(jìn)行優(yōu)化配置，防止因服務(wù)節(jié)點(diǎn)過(guò)度激活而帶來(lái)額外能耗，節(jié)省由于計(jì)算節(jié)點(diǎn)頻繁切換ON/OFF狀態(tài)而帶來(lái)的額外能耗。可以預(yù)見(jiàn)，綠色計(jì)算的算法在人工智能時(shí)代還將有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，綠色計(jì)算作為一門長(zhǎng)期的研究領(lǐng)域助力人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。