基于云計算的能源效率方法研究

楊 彬

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

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基于云計算的能源效率方法研究

楊 彬

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

摘要：本文在云計算的背景下，回顧了用于計算機硬件和網(wǎng)絡基礎設施節(jié)能操作目前使用的方法和技術，通過調(diào)查一些優(yōu)秀的實踐，確定了這種節(jié)能技術擴展到云計算環(huán)境中使用所面臨的主要研究挑戰(zhàn)。

關鍵詞：云計算；數(shù)據(jù)中心；能源效率

0　簡介

全球政策顧問丹尼斯·派姆林強調(diào)不同的IT解決方案對溫室氣體排放有重要影響。基于IT的“智能”解決方案意味著“低碳足跡”，將使溫室氣體減排。數(shù)據(jù)中心提高能源效率有非常顯著的經(jīng)濟和環(huán)境收益，云計算是一種節(jié)能的虛擬化技術，該技術的思想是把主機虛擬化成虛擬機，之后把虛擬機部署在最小數(shù)量的物理機器上，同時處在運行狀態(tài)的物理機器保持資源利用率最大化，遠程云服務提供可伸縮和虛擬化的資源。因此，峰值負載可以轉(zhuǎn)移到云的其他部分和云的資源聚集，這樣可以提供更高的硬件利用率。

1　網(wǎng)絡基礎設施的能源效率現(xiàn)狀

信息通信技術消耗了越來越多的電力，但有助于提高生產(chǎn)力和經(jīng)濟繁榮，從電子辦公、電子商務等方面減少了能量消耗。信息通信技術通過“多交流少出行”的模式在能源消耗方面發(fā)揮了復雜的作用，在家庭和辦公室使用智能設備，以優(yōu)化能源管理，可以減少能源消耗和碳排放量，但這種潛在的減少部分可能被數(shù)據(jù)中心和計算機網(wǎng)絡所使用的電力所抵消。

1.1高效節(jié)能硬件

提高能源效率的方法之一是開發(fā)更節(jié)能的硬件。IT產(chǎn)品（主要是顯示器）對環(huán)境的影響要通過如美國能源之星或歐洲TCO認證。利用各種技術節(jié)省計算機電力，如固態(tài)盤。處理器可以采用SpeedStep技術，PowerNow技術或按需轉(zhuǎn)換的方式工作。如果他們是空閑，這些措施可使CPU時鐘速度慢下來，或關閉部分芯片的電源。缺乏用戶機器互動時，冗余硬件部分可以逐步被關閉或放在休眠模式（顯示、光盤等）。

1.2多處理器和網(wǎng)格系統(tǒng)的能量感知調(diào)度

多處理器和網(wǎng)格系統(tǒng)中的能量感知調(diào)度是一個廣泛討論的問題，提高數(shù)據(jù)中心的能源效率的一種方法是基于服務器整合的服務虛擬化。虛擬化分區(qū)計算資源，并允許共享硬件。很多服務通常只需要一小部分數(shù)據(jù)中心服務器的可用計算資源。不過，數(shù)據(jù)中心服務器通常需要高達70%的最大功耗。這樣的服務可以虛擬化，并在一個虛擬機（VM），導致整體的能源效率顯著增加。根據(jù)他們的使用，許多虛擬機可以運行在一個單一的硬件單元（服務器整合）。因此，需要更少的硬件，從而減少能源浪費，而部署的硬件利用率增加。

1.3服務器集群功率最小化

在保證吞吐量和響應時間的情況下，盡量使服務器集群功率最小化。能源消耗主要取決于CPU利用率，但其它組成部分（如光盤，內(nèi)存和網(wǎng)絡設備）也使用能源，服務器似乎處于閑置狀態(tài)，仍可能使用其峰值功率的60%。使用經(jīng)濟準則和能源政策制定標準，派遣工作到一組小型活動服務器，而其他的服務器到一個低功耗狀態(tài)。即時通訊和游戲需要長時間的TCP連接動態(tài)配置算法。動態(tài)配置技術的排隊方法也被研究，以獲得所需的服務質(zhì)量和反應性配置可用于補償負載突然激增所需的最小數(shù)量的服務器。

1.4無線和有線網(wǎng)絡功率最小化

網(wǎng)絡基礎設施的能源節(jié)約一直沒有受到重視，直到最近，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能路由協(xié)議才被重視，因為電池供電網(wǎng)絡的具體需要，相關的研究已經(jīng)包括拓撲控制修改網(wǎng)絡圖以優(yōu)化性能（如網(wǎng)絡容量和服務質(zhì)量）。由于在節(jié)點處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)時消耗能量較多，所以優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奶鴶?shù)也是必要的。高傳輸功率可以減少跳數(shù)，在小范圍內(nèi)受傳輸干擾，低傳輸功率會導致更多的跳數(shù)。在有線節(jié)點，能源消耗取決于其他因素，如節(jié)點的吞吐量；此外，高達60%的節(jié)點的能量消費可以源與周邊設備，如連接驅(qū)動器。在有線的情況下，因為高容量，流量和嚴格的服務質(zhì)量約束，將有線網(wǎng)絡節(jié)點開關可能是非常困難的。電池供電的無線ad hoc網(wǎng)絡節(jié)點路由用來考慮選擇路徑以滿足QoS約束和功率最小化。一般而言，研究界已經(jīng)開始認真考慮基礎設施網(wǎng)絡的能量消耗，IEEE現(xiàn)在已經(jīng)專注于開發(fā)一個標準的節(jié)能以太網(wǎng)（IEEE 802.3az）。

2　節(jié)能云計算

前面的討論強調(diào)有必要制定涉及所有系統(tǒng)層和各個方面的能源效率方法，包括物理節(jié)點，節(jié)點散熱，網(wǎng)絡硬件，通信協(xié)議和最終服務器和服務本身能效的全面辦法。因此，云計算的概念框架可能是一個面向分析，識別和實施綜合節(jié)能系統(tǒng)中實現(xiàn)真正“綠色” 計算服務的方法。

2.1能量感知數(shù)據(jù)中心

云計算的一個重要特點就是虛擬化，從而出現(xiàn)了高密集刀片計算的趨勢。虛擬機封裝虛擬服務，可以移動、復制、創(chuàng)建和刪除取決于管理決策。鞏固硬件和減少冗余可以實現(xiàn)能源效率。未使用的服務器可以關閉（或休眠）以節(jié)約能源。高負載的一些硬件減少了需要的物理服務器數(shù)量。然而，在數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理的程度仍然是有限的。服務不僅在一個數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站虛擬化和管理，如果必要應該搬到其他網(wǎng)站。負載必須被考慮，遷移之前服務產(chǎn)生的“熱”也必須測量。每個操作的物理節(jié)點都會產(chǎn)生熱量。當某個特定節(jié)點過度使用或接近其他高負載節(jié)點，熱點可能出現(xiàn)在一個給定的數(shù)據(jù)中心。為了避免這樣的熱點，熱量可以通過站點分散。此外，服務可以從高負載或高溫度的站點轉(zhuǎn)移到較小負載和較低溫度的站點。一般來說，服務應該轉(zhuǎn)移到這些地點，在那里他們可以以最節(jié)能的方式運行。自主能源管理實現(xiàn)了資源高效節(jié)能的管理，這種方式對服務的用戶盡可能透明。能源相關問題必須根據(jù)定義的策略解決，而不需要人工交互。服務，服務器，網(wǎng)絡，甚至整個網(wǎng)站的需求和功能的機器可讀描述必須符合未來的高度自治和自適應系統(tǒng)能源效率要求。能量感知的資源分配旨在實現(xiàn)高能效的資源優(yōu)化，同時保持高水平的服務性能不降低。

2.2網(wǎng)絡和協(xié)議的節(jié)能

一些硬件已經(jīng)提供了特性，創(chuàng)造了節(jié)能的操作機會，如關閉網(wǎng)絡接口和節(jié)流的處理器。網(wǎng)絡協(xié)議也可以被優(yōu)化，甚至是重建一個提高網(wǎng)絡元素的節(jié)能運行方式。網(wǎng)絡設備可以啟用委托給其他設備的服務，以便將服務轉(zhuǎn)移到更節(jié)能的設備或需要始終運行的設備，而其他設備則關閉。授權的設備可以處于休眠狀態(tài)或被關閉。目前，許多基本的網(wǎng)絡服務必須保持活躍，以便周期性地確認其可用性，即使在沒有通信正在發(fā)生。這些“軟狀態(tài)”使它不可能關閉某些系統(tǒng)組件，因此，需要設計新的協(xié)議來解決這些軟狀態(tài)，從而提高網(wǎng)絡的能源效率。在這種情況下，也可以重新訪問信令，而數(shù)據(jù)和信令流量有很大的不同，都使用了相同的技術和機制（所謂的帶內(nèi)信號）。而信令只需要低帶寬，但可以隨時發(fā)生，信令產(chǎn)生后數(shù)據(jù)流量發(fā)生，數(shù)據(jù)流量通常需要高帶寬和遍歷所有網(wǎng)絡層至應用層，并使用網(wǎng)絡多個層的處理能力。因此，帶外信令的使用也應進行評估，以便設計和改進能量感知的通信協(xié)議。

2.3互聯(lián)網(wǎng)應用的影響

從手機嵌入數(shù)碼相機到環(huán)境傳感器，最終用戶正在生成和互連空前數(shù)量的信息，預計這一趨勢將繼續(xù)有增無減。然而，專業(yè)、快速、可靠地分發(fā)內(nèi)容需要增加基礎設施建設和維護的投資，和一個匹配的電費管理底層的信息通信技術。Web，端到端和基于web 的視頻點播服務目前主宰互聯(lián)網(wǎng)流量，兩者合計占 85%或更多。在實踐中，使用基于遠程訪問、復制功能協(xié)議棧的方法和范例的傳播網(wǎng)絡操作，未能受益于有線和無線通信、 存儲技術和摩爾定律的最新進展。如果云計算成為重要的平臺，用于生產(chǎn)和訪問信息，將通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會顯著增加。內(nèi)容復制和傳播算法需要考慮能源優(yōu)化調(diào)度的關鍵參數(shù)，因此，云計算要求徹底重新審查主要計算/通訊/儲存和能源/性能權衡基本面的計算要求。

3　結論

云計算的能耗控制與節(jié)約是一個涉及多因素、多層面的復雜問題。本文綜述了節(jié)能策略對集成系統(tǒng)管理的潛在影響，包括計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡。網(wǎng)絡化的大型硬件和軟件的具體插件和能量控制中心，他們可以有顯著的影響，其中包括：

（i）單一或聯(lián)合的數(shù)據(jù)中心執(zhí)行“云” 應用程序，可以減少軟件和硬件相關的能源成本；

（ii）提高數(shù)據(jù)中心負載平衡能力、QoS 和性能；

（iii）通信減少能源消耗；

（iv）數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡降低了溫室氣體排放量，以便提供“環(huán)護”的計算能力。

這種改進可以減少運輸和工作的能源使用，鼓勵基于信息通信技術的“綠色” 智能解決方案，如電子商務、電子學習等。

參考文獻

[1] 李小六,張曦煌.虛擬化云計算數(shù)據(jù)中心能量感知資源分配機制[J] .計算機應用，2013，33(12):3586-3590

[2] 雷成軍,羅亮,吳文峻.基于云計算的集群能耗監(jiān)控與節(jié)能方法研究[J] .計算機應用與軟件,2011,28(11):242-244

[3] 柳運昌,楊二瑞,許建霞.面向云數(shù)據(jù)中心的能耗管理[J] .電信科學.2012,12:96-100

Study on energy efficiency method based on Cloud Computing

Yang Bin
（Liaoning Academy of Governance，Shenyang，110161）

Abstract：Based on cloud computing background,and reviews the method and technology for computer hardware and network infrastructure energy-saving operation currently in use, by investigating some good practice to determine the the energy-saving technique is extended to cloud computing environment facing the main research challenges.

Keywords：energy efficient;cloud computing;data center

作者簡介

楊彬(1975-)，女，副教授，遼寧遼陽人，碩士，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡和計算機應用。