淺談云計(jì)算技術(shù)在公安綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用

蘇靂鈞

（珠海市公安局科技信息管理支隊(duì)，廣東 珠海519075）

淺談云計(jì)算技術(shù)在公安綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的應(yīng)用

蘇靂鈞

（珠海市公安局科技信息管理支隊(duì)，廣東 珠海519075）

我國數(shù)據(jù)中心總量已超過40萬個(gè)，年耗電量超過全社會(huì)用電量的1.5%。云計(jì)算虛擬化技術(shù)可以大幅提高數(shù)據(jù)中心計(jì)算資源利用效率。本文從公安信息化角度，闡述云計(jì)算技術(shù)如何讓閑置的數(shù)據(jù)中心計(jì)算、存儲(chǔ)資源得到充分的利用，在這個(gè)過程中，能耗可以獲得明顯的節(jié)約。在降低IT負(fù)載能耗的同時(shí)，云計(jì)算技術(shù)還能大幅減少物理服務(wù)器占用的空間，從而達(dá)到降低空調(diào)能耗的目的。

公安綠色數(shù)據(jù)中心云計(jì)算虛擬化能耗

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)保節(jié)能越來越受國家的關(guān)注，據(jù)工信部聯(lián)合國家能源局、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局2015年3月印發(fā)的綠色中心試點(diǎn)工作方案披露：隨著信息化快速發(fā)展，全球的數(shù)據(jù)中心建設(shè)明顯加快，總量超越了300萬個(gè)，耗電量占全球總耗能比例1.1%～1.5%，其高能耗問題讓各國政府不得不引起高度的重視。而近年來我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展更是迅猛，總量已超過40萬個(gè)，年耗電量超過全社會(huì)用電量的1.5%。

體現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能效的參數(shù)很多，其中最受業(yè)界重視的參數(shù)為PUE。PUE是Power Usage Effectiveness的簡(jiǎn)寫，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)。PUE是數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載使用的能源之比。PUE最理想的標(biāo)稱值是1，1代表該數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源都用于IT負(fù)載運(yùn)行。由于數(shù)據(jù)中心除了IT負(fù)載外，還必須有降溫、照明等必要的能源消耗，所以1在當(dāng)今科技水平下是不可能達(dá)到的（除了具備光伏發(fā)電能力的數(shù)據(jù)中心）。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，我國現(xiàn)存數(shù)據(jù)中心PUE值普遍在2.2以上。使用業(yè)界最新的節(jié)能技術(shù)的數(shù)據(jù)中心，PUE可以達(dá)到1.7以下。在極端地理環(huán)境下或氣候環(huán)境下，數(shù)據(jù)中心的PUE可以降到1.3以下。

我們可以作以下簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)分析：

因?yàn)?：PUE=數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備負(fù)載能耗

因?yàn)?：數(shù)據(jù)中心總能耗≈降溫能耗+IT設(shè)備負(fù)載能耗

所以：PUE≈（降溫能耗+IT設(shè)備負(fù)載能耗）/IT設(shè)備負(fù)載能耗

上面的公式告訴我們，在降溫能耗不變，而設(shè)備維持在正常運(yùn)行溫度的前提下，數(shù)據(jù)中心能支持IT設(shè)備負(fù)載能耗越高，則PUE值越低。

在不大幅增加設(shè)備的降溫能耗的前提下，充分利用設(shè)備的計(jì)算性能，使得設(shè)備負(fù)載能耗高比例負(fù)荷使用，則數(shù)據(jù)中心的PUE值就會(huì)相應(yīng)降低。同時(shí)，如果這種技術(shù)還能在設(shè)備負(fù)載增加不多，計(jì)算效果變成原有模式的數(shù)十倍，則數(shù)據(jù)中心在PUE下降的同時(shí)，產(chǎn)生的計(jì)算效益會(huì)數(shù)十倍的增加。這就是我們?cè)谙挛恼撌龅脑朴?jì)算技術(shù)在綠色數(shù)據(jù)中心中實(shí)現(xiàn)的效果。

1　云計(jì)算技術(shù)的綠色節(jié)能

云計(jì)算是一種通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一組織和靈活調(diào)用各種信息資源，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的信息處理方式。云計(jì)算利用分布式計(jì)算和虛擬資源管理等技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將分散的資源（包括計(jì)算與存儲(chǔ)、應(yīng)用運(yùn)行平臺(tái)、軟件等）集中起來形成共享的資源池，并以動(dòng)態(tài)按需和可度量的方式向用戶提供服務(wù)。

上述是云計(jì)算的常規(guī)定義，云計(jì)算設(shè)計(jì)的技術(shù)面非常廣，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注它為數(shù)據(jù)中心節(jié)能帶來的好處。在數(shù)據(jù)中心，云計(jì)算帶來的顛覆式的改變，是由虛擬服務(wù)器代替物理服務(wù)器。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，每一臺(tái)傳統(tǒng)的物理服務(wù)器，只安裝一個(gè)操作系統(tǒng)，在此之上運(yùn)行一種應(yīng)用。由于一般業(yè)務(wù)都有高峰期和低谷期，在每天24小時(shí)內(nèi)，大部分時(shí)間業(yè)務(wù)量不高，而CPU、內(nèi)存、磁盤I/O都停留在10%以下的利用率是數(shù)據(jù)中心常見的現(xiàn)象。

云計(jì)算虛擬化技術(shù)誕生后，一臺(tái)物理服務(wù)器，可以運(yùn)行數(shù)臺(tái)到數(shù)十臺(tái)的虛擬服務(wù)器。

以珠海市公安局為例，我們使用一臺(tái)業(yè)界主流品牌和常用配置的X86服務(wù)器。服務(wù)器配置4路8核共32顆內(nèi)核的CPU和256G內(nèi)存。我們部署的虛擬機(jī)每臺(tái)配置1核CPU和8G內(nèi)存。由于虛擬機(jī)群的業(yè)務(wù)存錯(cuò)峰運(yùn)算，實(shí)際每臺(tái)虛擬機(jī)平均至少可以使用2核CPU和16G內(nèi)存的計(jì)算資源。這臺(tái)4路8核X86服務(wù)器的電源最高功率是1100W，僅安裝一個(gè)操作系統(tǒng)和一個(gè)應(yīng)用，平均使用能耗約為每小時(shí)443W。使用云計(jì)算技術(shù)，部署了32臺(tái)虛擬機(jī)后，我們實(shí)際測(cè)試平均的能耗約為每小時(shí)938W。則實(shí)際每臺(tái)虛擬服務(wù)器消耗的功率為：938W÷32≈29.3W。是原來物理服務(wù)器443W能耗的6.6%左右。圖1為同樣數(shù)量的物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器的能耗對(duì)比圖。我們可以看到，如果使用的是32臺(tái)物理服務(wù)器，則同樣的業(yè)務(wù)需要大約每小時(shí)443W×32= 14176W的能耗。如果使用云計(jì)算技術(shù)，則32臺(tái)虛擬服務(wù)器只需要每小時(shí)938W的能耗。

圖1　物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器能耗對(duì)比圖

服務(wù)器占用的物理空間，與空調(diào)降溫效果有很大的關(guān)系。云計(jì)算技術(shù)不但可以減少能耗的直接使用，還可以明顯減少設(shè)備空間的占用。如上述案例中的4路8核X86服務(wù)器高度為2U，按照標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架42U高度計(jì)算，一個(gè)機(jī)架大約能安裝11臺(tái)這種服務(wù)器。如果要安裝32臺(tái)這種服務(wù)器，約需要3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架的空間。而使用了云計(jì)算技術(shù)后，只需要1臺(tái)物理服務(wù)器，2U空間即可滿足需求。圖2為物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器占用機(jī)房機(jī)架空間的對(duì)比示意圖。如果使用的是32臺(tái)物理服務(wù)器，需要約3個(gè)機(jī)架的空間；如果使用的是32臺(tái)虛擬服務(wù)器，則只需要1臺(tái)2U高度的物理服務(wù)器空間。

圖2　物理服務(wù)器和虛擬服務(wù)器占用機(jī)架空間對(duì)比示意圖

總結(jié)，使用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)筑數(shù)據(jù)中心，能耗可以降為傳統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用模式的6.6%。而使用的機(jī)房空間，可以由約3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)42U機(jī)架空間縮減為1個(gè)2U高度的服務(wù)器空間。從而大大減少空調(diào)降溫的能耗。

2　云計(jì)算輔助技術(shù)的綠色節(jié)能

國際云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，大量使用刀片服務(wù)器技術(shù)，大幅減少機(jī)房空間的占用。公安系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心使用的是企業(yè)級(jí)的刀片服務(wù)器產(chǎn)品。我們以當(dāng)前主流配置的刀箱配合刀片服務(wù)器，探討對(duì)綠色數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗的有效性。

以珠海市公安局使用的業(yè)界主流品牌刀片服務(wù)器為例。刀箱高度為10U，刀箱滿配可支持16個(gè)刀片服務(wù)器。每臺(tái)刀片服務(wù)器配置16個(gè)CPU內(nèi)核和128G內(nèi)存。如果與上一節(jié)所參考的機(jī)架式服務(wù)器對(duì)比，2臺(tái)刀片服務(wù)器的性能約和1臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器相仿。滿配16臺(tái)刀片服務(wù)器約和8臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器相仿。而1套刀箱只需要10U高度的空間。所以在大規(guī)模使用刀片服務(wù)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)架式服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，空間使用上可以節(jié)省約60%的資源。

3　展望

數(shù)據(jù)中心最大的運(yùn)營成本在于能耗費(fèi)用。云計(jì)算技術(shù)不但大幅降低能耗，同時(shí)減少機(jī)房空間使用。新一代的數(shù)據(jù)中心PUE能達(dá)到1.7以下，云計(jì)算技術(shù)功不可沒。

當(dāng)然，云計(jì)算作為一種技術(shù)也有他的缺點(diǎn)和不適用的地方。例如要求單機(jī)計(jì)算性能、穩(wěn)定性、I/O性能較高的應(yīng)用，就不適合放在云計(jì)算虛擬機(jī)上部署。原因是多虛擬機(jī)共享物理主機(jī)的計(jì)算和I/O資源，一旦遇到對(duì)虛擬機(jī)性能要求高的應(yīng)用，則虛擬機(jī)之間互相搶占資源，形成瓶頸的問題就會(huì)出現(xiàn)。

云計(jì)算技術(shù)是一個(gè)顛覆傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的技術(shù)集，它的出現(xiàn)和應(yīng)用，為數(shù)據(jù)中心帶來了巨大革新，特別是對(duì)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗作出了巨大貢獻(xiàn)。而云計(jì)算技術(shù)又是一個(gè)技術(shù)基礎(chǔ)，他可以為大數(shù)據(jù)技術(shù)提供硬件平臺(tái)。在一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)秀的云計(jì)算平臺(tái)上，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以根據(jù)需求，彈性獲得計(jì)算、存儲(chǔ)資源，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理獲得具性價(jià)比和環(huán)保節(jié)能的基礎(chǔ)架構(gòu)。

［1］雷衛(wèi)清.下一代綠色數(shù)據(jù)中心［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［2］舒爾茨.綠色虛擬數(shù)據(jù)中心［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］郭兵，沈艷，邵子立.綠色計(jì)算的重定義與若干探討［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2009（12）.