綠色云計(jì)算能效測(cè)評(píng)方法研究

左向中

（國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)各類云計(jì)算中心總量約43萬(wàn)個(gè)，可容納服務(wù)器共約500萬(wàn)臺(tái)。隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，未來(lái)5年我國(guó)對(duì)云計(jì)算中心流量處理能力的需求將增長(zhǎng)7～10倍，機(jī)房面積需要再翻一番才能滿足云計(jì)算發(fā)展的需求。

2011年，我國(guó)云計(jì)算中心總耗電量達(dá)700億kW·h，已經(jīng)占到全社會(huì)用電量的1.5%。云計(jì)算中心的高能耗，不僅給企業(yè)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)，也造成了全社會(huì)能源的巨大浪費(fèi)。為了推動(dòng)云計(jì)算節(jié)能減排，工業(yè)和信息化部在《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》提出，“到2015年，云計(jì)算中心PUE值需下降8%”的目標(biāo)。國(guó)家發(fā)改委等組織的“云計(jì)算示范工程”也要求示范工程建設(shè)的云計(jì)算中心PUE要達(dá)到1.5以下。

我國(guó)目前尚未建立統(tǒng)一的云計(jì)算能效測(cè)評(píng)體系，也缺乏相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，本文首次從云計(jì)算的IT設(shè)備及IT基礎(chǔ)設(shè)施兩個(gè)方面，開(kāi)展綠色云計(jì)算綜合能效評(píng)測(cè)方法研究，為政府、企業(yè)在云計(jì)算產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排方面，提供科學(xué)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)評(píng)方法。

1 IT設(shè)備綜合能效比

1.1 交換機(jī)/路由器

1.1.1 計(jì)算方法

路由器與交換機(jī)產(chǎn)品設(shè)備的能效受設(shè)備的配置、業(yè)務(wù)流量大小、設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境等因素的影響比較大，因此采用產(chǎn)品綜合能效比的方法評(píng)價(jià)路由、交換機(jī)的設(shè)備能效水平，充分考慮到產(chǎn)品的配置及流量的影響。

綜合能效比計(jì)算方法如下：

式中：EER——設(shè)備能效，W/（Gb·s-1）；

Ti——產(chǎn)品在配置模型下的設(shè)備吞吐量總和；

Pi——不同模型下的設(shè)備綜合功耗，W；

Ci——不同模型的應(yīng)用權(quán)重，C1～Cn之和等于1；

a，b，c——同模型下業(yè)務(wù)流量占比權(quán)重，a+b+c=1；u1%，u2%，u3%——設(shè)備的不同負(fù)荷水平，如100%、70%、30%、0%等（0%代表設(shè)備無(wú)業(yè)務(wù)流量，但處于鏈接狀態(tài)）；

Pu1%，Pu2%，Pu3%——設(shè)備在不同負(fù)荷水平下對(duì)應(yīng)不同的功耗值。

設(shè)備吞吐量T的計(jì)算方法：

對(duì)于給定的一種設(shè)備配置模型，T為被測(cè)設(shè)備在IMIX模型下能夠達(dá)到的吞吐量，依照NLANR對(duì)互聯(lián)網(wǎng)真實(shí)的統(tǒng)計(jì)分析得出的模型進(jìn)行測(cè)試。在NLANR推薦的IMIX分布模型中，需要將長(zhǎng)度為64B、594B和1518B的數(shù)據(jù)包混合在一起發(fā)送給被測(cè)設(shè)備。這3類數(shù)據(jù)包數(shù)量混合的比例依次為64B∶594B∶1518B=7∶4∶1。

式中：T64、T594、T1518——被測(cè)設(shè)備分別在幀長(zhǎng)

64B、594B、1518B 下的吞吐量。

式中：RX1——被測(cè)設(shè)備每秒傳輸處理的最大上行的數(shù)據(jù)速率；

RX2——被測(cè)設(shè)備每秒傳輸處理的最大下行的數(shù)據(jù)速率；

X——數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度；

Y——包開(kāi)銷長(zhǎng)度。

1.1.2 測(cè)試設(shè)備配置要求

（1）對(duì)于機(jī)架式設(shè)備，每種類型端口（10/100M、GE、10GE）都需要選擇其中包轉(zhuǎn)發(fā)率最大的業(yè)務(wù)單板進(jìn)行測(cè)試，主控板也要選擇包轉(zhuǎn)發(fā)率最大的。

（2）在不影響設(shè)備的基本性能和功能的前提下，在測(cè)試中可以去掉冗余的可插拔模塊或讓某些模塊停止工作，包括備用電源、備用主控板等。

（3）要求所有端口均處于工作狀態(tài)。

（4）對(duì)于同時(shí)支持AC和DC電源的設(shè)備，可任意選擇使用哪種電源。

（5）對(duì)于POE設(shè)備，不使能POE供電功能。

（6）網(wǎng)線采用標(biāo)準(zhǔn)5m網(wǎng)線。

（7）被測(cè)端口使用本標(biāo)準(zhǔn)推薦的光模塊。

（8）測(cè)定過(guò)程中不允許改變被測(cè)設(shè)備的硬件配置，以及通過(guò)命令關(guān)閉相關(guān)功能。

1.1.3 測(cè)試設(shè)備業(yè)務(wù)配置要求

（1）被測(cè)設(shè)備功耗測(cè)試使用64B的報(bào)文，吞吐量測(cè)試使用IMIX進(jìn)行測(cè)試。

（2）路由器至少使用一種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議（RIP、OSPF、IS-IS、BGP）。配置IS-IS協(xié)議，典型值50萬(wàn)路由。

（3）交換機(jī)配置2層轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。

1.2 服務(wù)器設(shè)備

服務(wù)器的能耗比測(cè)試采用SPECPower的測(cè)試方法。

（1）服務(wù)器配置

操作系統(tǒng)：企業(yè)版Windows2003 64bit R2+SP2或企業(yè)版Windows2008 64bit+SP1；

測(cè)試軟件：SPECPower_ssj2008；

風(fēng)扇的配置：常溫下的自然調(diào)速。

電源的配置：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用原則，若有交流和直流兩種電源，都應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。若有冗余設(shè)計(jì)，電源應(yīng)備份卸載與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的程序。

（2）測(cè)試組網(wǎng)。該組網(wǎng)包括被測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)SUT、控制和采集系統(tǒng)CCS、功耗分析器和溫度傳感器。控制和采集系統(tǒng)主要用來(lái)監(jiān)視及調(diào)控被測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載水平和記錄測(cè)試數(shù)據(jù)；功率計(jì)則用于測(cè)試被測(cè)服務(wù)器的功耗，記錄測(cè)試過(guò)程中的所有采樣數(shù)據(jù)；溫度傳感器則記錄不同負(fù)載水平下的測(cè)試環(huán)境溫度。

服務(wù)器產(chǎn)品能效測(cè)試組網(wǎng)圖見(jiàn)圖1。

2 IT基礎(chǔ)設(shè)施綜合能效比

電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）是國(guó)內(nèi)綠色云計(jì)算普遍接受和采用的一種衡量云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施能效的綜合指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

PUE=云計(jì)算總耗電/IT設(shè)備耗電

在綠色云計(jì)算中，只有IT設(shè)備的耗電被認(rèn)為是產(chǎn)生有效輸出的“有意義”的電能。PUE的實(shí)際含義，是計(jì)算在提供給綠色云計(jì)算的總電能中，有多少電能是真正應(yīng)用到IT設(shè)備上。

根據(jù)定義，PUE值的取值范圍為1.0～∞，綠色云計(jì)算機(jī)房的PUE值越大，則表示制冷和供電等綠色云計(jì)算配套基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能越大。PUE定義簡(jiǎn)單、易于操作，只需分別測(cè)量出綠色云計(jì)算總耗電和IT設(shè)備耗電，就能立即計(jì)算出整個(gè)綠色云計(jì)算的PUE值。

2.1 總耗電

綠色云計(jì)算的總耗電是維持綠色云計(jì)算正常運(yùn)行的所有耗電，包括前述IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和其他設(shè)施的耗電的總和。

如果綠色云計(jì)算所在建筑同時(shí)用于辦公等其他用途，則辦公等所消耗的電能不包括在綠色云計(jì)算總耗電中。

2.2 IT設(shè)備耗電

IT設(shè)備耗電是如1所描述的各類IT設(shè)備耗電的總和。

2.3 局部PUE

pPUE（partial PUE）是綠色云計(jì)算PUE概念的延伸，用于對(duì)綠色云計(jì)算的局部區(qū)域或設(shè)備的能效進(jìn)行評(píng)估和分析。

在采用pPUE指標(biāo)進(jìn)行綠色云計(jì)算能效評(píng)測(cè)時(shí)，首先根據(jù)需要從綠色云計(jì)算中劃分出不同的分區(qū)（也稱為Zone）。例如，一個(gè)多層綠色云計(jì)算建筑中的一個(gè)機(jī)房，或者一個(gè)集裝箱綠色云計(jì)算的集裝箱模塊，都可以作為一個(gè)Zone。

圖2 局部PUE計(jì)算示意圖

如圖2所示，如果將綠色云計(jì)算劃分為Zone1和Zone2兩個(gè)分區(qū)，則綠色云計(jì)算的整體PUE計(jì)算公式為：

式中：I——IT設(shè)備耗電；

N——非IT設(shè)備耗電。

而Zone1和Zone2兩個(gè)分區(qū)的局部PUE為

局部PUE用于反映綠色云計(jì)算的部分設(shè)備或區(qū)域的能效情況，其數(shù)值可能大于或小于整體PUE。要提高整個(gè)綠色云計(jì)算的能源效率，一般要首先提升pPUE值較大的部分設(shè)備或區(qū)域的能效。

局部PUE適合用于基于集裝箱或其他模塊化單元構(gòu)建的模塊化綠色云計(jì)算，或者由多個(gè)建筑和機(jī)房構(gòu)成的較大型綠色云計(jì)算的局部能效評(píng)估。

2.4 制冷/供電負(fù)載系數(shù)

制冷負(fù)載系數(shù)（cooling load factor，CLF）定義為綠色云計(jì)算中制冷設(shè)備耗電與IT設(shè)備耗電的比值，即

CLF=制冷設(shè)備耗電/IT設(shè)備耗電

供電負(fù)載系數(shù)（power load factor，PLF）定義為綠色云計(jì)算中供配電系統(tǒng)耗電與IT設(shè)備耗電的比值，即：

PLF=供配電系統(tǒng)耗電/IT設(shè)備耗電

CLF和PLF可以看作是PUE的補(bǔ)充和深化，通過(guò)分別計(jì)算這兩個(gè)指標(biāo)，可以進(jìn)一步深入分析制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的能源效率。如果忽略照明、安防等其他少量耗電，則有以下的近似公式：

云計(jì)算總耗電≈制冷設(shè)備耗電+供配電系統(tǒng)耗電+IT設(shè)備耗電

以上各項(xiàng)除以IT設(shè)備耗電，可以變換得到

PUE≈CLF+PLF+1

2.5 測(cè)量方法

（1）概述。能耗測(cè)量方法是為計(jì)算綠色云計(jì)算能效，對(duì)綠色云計(jì)算及其子系統(tǒng)耗電進(jìn)行測(cè)量的方法，包括測(cè)量點(diǎn)的選擇、測(cè)量參數(shù)和測(cè)試設(shè)備要求等。為計(jì)算PUE，需要在綠色云計(jì)算供配電系統(tǒng)中測(cè)量綠色云計(jì)算總耗電及IT設(shè)備耗電，具體測(cè)量點(diǎn)如下：

1）綠色云計(jì)算總耗電在正常情況下，綠色云計(jì)算的電能由市電提供，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)取市電輸入變壓器之前。當(dāng)市電故障情況下，柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力作為綠色云計(jì)算總耗電的測(cè)量點(diǎn)。如果是多用途機(jī)房樓，綠色云計(jì)算總耗電計(jì)算中，需減去辦公等其他耗電。

2）IT設(shè)備耗電嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，IT設(shè)備耗電應(yīng)該在各IT設(shè)備輸入電源處測(cè)量耗電量并進(jìn)行加總，但由于IT設(shè)備數(shù)量較多，這一方法將大大增加測(cè)量工作量和成本。因此，在實(shí)際操作中，可在UPS輸出或者列頭柜配電輸入處進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值加總作為IT設(shè)備耗電。

（2）pPUE指標(biāo)測(cè)量點(diǎn)。局部PUE的具體測(cè)量與Zone的定義有關(guān)，其中pPUE的測(cè)量和計(jì)算方法參考2.3。

（3）能耗的間接測(cè)量和估算。在實(shí)際測(cè)量中，部分需要的耗電量可能無(wú)法直接測(cè)量得到，而必須通過(guò)一定的方法進(jìn)行間接測(cè)量和估算。

1）制冷設(shè)備能耗的間接測(cè)量和估算。采用水冷空調(diào)的綠色云計(jì)算通常與所在建筑的辦公場(chǎng)所等共用冷水機(jī)組，為測(cè)量綠色云計(jì)算制冷所消耗的電能，可測(cè)量或估計(jì)綠色云計(jì)算和其他負(fù)載之間的熱負(fù)荷比例（根據(jù)水流量、水溫的設(shè)置等），然后根據(jù)比例將冷水機(jī)組消耗電能的一部分分配給綠色云計(jì)算。

計(jì)算局部PUE的區(qū)域與其他區(qū)域有共享制冷系統(tǒng)時(shí)，也應(yīng)采用這種方法進(jìn)行間接測(cè)量和估算。

2）供配電系統(tǒng)能耗的間接測(cè)量和估算。在測(cè)量供配電系統(tǒng)能耗的過(guò)程中，如果指定的測(cè)量點(diǎn)難以安裝測(cè)試設(shè)備，根據(jù)相關(guān)設(shè)備的能效因子進(jìn)行間接推算。此外，當(dāng)需要從綠色云計(jì)算總耗電中扣除辦公等耗電時(shí)，也應(yīng)采取按比例分?jǐn)偟姆绞剑瑢?duì)應(yīng)的供配電系統(tǒng)的損耗進(jìn)行扣除。

2.5.1 測(cè)量周期和頻率

能耗指標(biāo)的數(shù)值受各種因素的影響，會(huì)隨季節(jié)、節(jié)假日和每天忙閑時(shí)段的改變發(fā)生變化，因此為全面、準(zhǔn)確了解綠色云計(jì)算的能效，應(yīng)采用固定測(cè)量?jī)x表，對(duì)綠色云計(jì)算能耗進(jìn)行持續(xù)、長(zhǎng)期的測(cè)量和記錄。若綠色云計(jì)算未安裝固定測(cè)量設(shè)備，可采用鉗形功率計(jì)等設(shè)備測(cè)量綠色云計(jì)算及IT設(shè)備等的短時(shí)用電量。測(cè)量的周期和頻率如無(wú)特殊說(shuō)明，綠色云計(jì)算的PUE、pPUE、CLF、PLF 等能效指標(biāo)，是指采用固定測(cè)量?jī)x表，在指定測(cè)量點(diǎn)測(cè)量并記錄至少一年的數(shù)據(jù)。

2.5.2 測(cè)量設(shè)備和系統(tǒng)

（1）必須在規(guī)定的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。可安裝固定測(cè)量設(shè)備，也可以利用供電、空調(diào)或IT設(shè)備內(nèi)置的測(cè)量功能。

（2）測(cè)量設(shè)備的精度要求誤差不超過(guò)±3%，解析度不低于0.1kW·h。

（3）采用支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上報(bào)或者自動(dòng)獲取能耗數(shù)據(jù)的智能測(cè)量?jī)x表，實(shí)現(xiàn)能耗遠(yuǎn)程、自動(dòng)化采集。

（4）建設(shè)能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和能效指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算。

3 結(jié)束語(yǔ)

云計(jì)算IT及通信設(shè)備的能耗占51%，空調(diào)制冷系統(tǒng)的能耗占24%，空調(diào)通風(fēng)加濕系統(tǒng)的能耗占11%，照明能耗占2.5%，其他能耗占11.5%。綠色云計(jì)算節(jié)能重點(diǎn)是IT及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，本方法能填補(bǔ)綠色云計(jì)算能效評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面的空白，也符合國(guó)內(nèi)的綠色云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。此研究基于IP測(cè)試儀器平臺(tái)，利用高性能的模塊化硬件，高效靈活的ITEST軟件，依據(jù) TIA-942，TEER，Green Grid，Energy Star，GB50174等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合TEER、PUE等國(guó)際權(quán)威的能效算法，首次致力于綠色云計(jì)算能效評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究，幫助政府、企業(yè)在綠色云計(jì)算規(guī)劃、設(shè)備采購(gòu)選型等節(jié)能設(shè)計(jì)運(yùn)維方面，提供科學(xué)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為推進(jìn)全國(guó)綠色云計(jì)算產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排工作提供有力的技術(shù)支撐，促進(jìn)全國(guó)綠色云計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

[1]GB 50174—2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]The Standard Performance Evaluation Corporation.