云計算節能關鍵技術在IT支撐系統的應用

宮大鵬 雷蕾 趙參 馮靜芳 陳卓

摘 要 云計算對于IT界來說是一場技術上的革命，成為IT行業未來的發展方向是毋庸置疑的。在這個倡導節能減排的時代，數據中心的節能減排則需要云計算技術來保駕護航。本文主要介紹在云計算技術體系下節能減排的關鍵技術，通過調查、分析IT支撐系統云計算管理平臺的現狀，提出了云計算數據中心節能關鍵技術在IT支撐系統中的應用原則和建設方案。

【關鍵詞】云計算 數據中心 節能關鍵技術 IT支撐系統 動態資源調度 動態能耗管理

云計算技術的發展越來越好，建設數據中心所需要的IT設備也越來越多，數據中心的規模正在逐漸步入大型化，能耗也就成了數據中心不可忽視的問題。2011年開始，在IT支撐系統中引入云計算管理平臺開始盛行，在經過虛擬化和云平臺的建設之后，給數據中心帶來的益處是有目共睹的。與此同時，支撐云平臺的硬件規模得以快速發展，如何實現能源的合理利用是人們面臨的一大挑戰。

在數據中心的運營中，降低總體運營成本的方法有很多種，通常主要包括以下幾個方面：

引入虛擬化等技術，提高資源的利用率，從而降低數據中心的整體運營成本；通過構建虛擬化資源池，實現物理服務器和應用的解耦，應用可以在池內漂移；靈活部署，提升運維管理效率。

本文首先闡述云計算的關鍵節能技術，分析云計算節能關鍵技術在IT支撐系統的應用原則和建設方案，總結云計算節能技術的能效分析。

1 云計算的關鍵節能技術

首先將物理資源進行整合，創建一個共享的資源池，其次根據系統當前負載、系統資源的使用情況，啟用動態資源調度和智能電源管理，實現云計算環境下的節能減排。

1.1 服務器整合

由于硬件發展速度遠遠超過軟件系統的發展速度，絕大多數情況下應用服務器的平均利用率非常的低。服務器虛擬化技術的出現，改變了這一現狀。通常虛擬化有兩種形式，即一虛多和多虛一。一虛多是將一臺物理服務器抽象成多臺相互隔離的邏輯服務器，多虛一是指多臺物理服務器相互協作，處理同一個業務，即分布式計算。本文主要討論的服務器虛擬化技術是指一虛多的形式。

原來一臺物理服務器運行一套系統，虛擬化后一臺物理服務器可以虛擬為多臺相互獨立的系統。經過虛擬化的整合后，物理服務器的數量明顯減少，從而降低IT設備的總能耗。物理服務器數量的減少，不僅可以節省電力，還可以節省數據中心的機房空間、設備維保、空調制冷等資源。在服務器整合時，還要充分考慮系統的處理能力，即單臺虛擬機的資源不能超過所在宿主機的資源上限，同時為滿足系統的高可用性，還需要在資源池中提前預留一定量的資源做冗余。

1.2 動態資源調度

在資源使用過程中，需求與容量隨著時間的變化，會有資源閑置和資源過載等情況，通過資源調度管理的優化，可以對資源進行動態地重新分配。

資源調度通常可分為側重PaaS層的作業級調度和側重IaaS層的設施級調度。作業級調度主要針對PaaS層具體的運行程序進行調度，是系統為作業分配資源及調度資源的過程。設施級調度是指將底層資源作為一種基礎設施服務提供給用戶，用戶根據實際情況使用這些資源。

豐富的資源管理調度的策略為IT支撐系統的節能提供了有利支撐，目前IT支撐系統常用的資源管理調度策略包括基于負載的策略、基于填滿的策略、基于分散的策略、基于高可用的策略、彈性擴展算法、負載均衡調整算法、預負載算法。

1.2.1 基于負載的策略

虛擬機優先安裝于負載最輕的物理服務器之上，使應用程序的運行效率更高。在基于負載的策略下，影響主機部署優先級的因子有：主機負載。

1.2.2 基于填滿的策略

虛擬機集中安裝在數量盡量少的物理服務器上，最大化每個被使用的服務器利用率，一方面可以減少資源碎片，另一方面可以根據需求動態啟動和關閉服務器，從而達到節能減排的目的。

1.2.3 基于分散的策略

虛擬機被分散安裝在數量盡可能多的物理服務器上，這樣可以降低物理服務器故障帶來的影響，提高應用程序的運行效率。在基于分散的策略下，影響主機部署優先級的因子有：主機CPU容量、主機內存容量、主機優先級。

1.2.4 基于高可用的策略

將支持高可用性的物理服務器資源分配給關鍵業務，使提供更高的資源可用性。在基于高可用性的策略下，影響主機部署優先級的因子有：服務器類型。

1.2.5 彈性擴展算法

彈性擴展指在云應用提供服務期間實現支撐云應用的虛擬機實例個數動態的增加或減少，通俗地說就是在業務負載較高的時候啟動較多的虛擬機實例，在業務負載較低的時候停止一些虛擬機實例。云應用集群的動態管理就是彈性擴展的一個典型用例。

1.2.6 負載均衡調整算法

資源負載均衡調整目的是保證云計算環境的計算平均分攤到各個資源上，提升整體資源利用率，并縮短任務執行時間。主要實現手段為：把池內負載高于“均衡負載閥值”的物理主機上絕對負載最輕的虛擬機遷移到池內負載低于“均衡負載閥值”的物理主機上，直到源物理主機的負載低于“均衡負載閥值”，同時也要保證目標物理主機的負載不得高于“均衡負載閥值”。

1.2.7 預負載算法

應用的負載通常具有一定的周期性，根據虛擬機負載的歷史數據，分析虛擬機的負載高峰特征對虛擬機負載進建模，可以合理判斷出應用高峰期的時間段并將高性能的物理服務器及時啟動，將該應用遷移到高性能的服務器上，以便在高峰期時，可以提供高性能的服務。

1.3 智能電源管理

在IT支撐系統的資源池中，為了降低能耗，可以通過動態的資源調度來實現資源負載均衡，也可以把動態電源管理與關聯性規則相結合，將符合節能策略的虛擬機從現有主機遷移到另外一臺主機上，再通過智能電源管理，將空閑的主機關機。根據規則，當現有主機不足以支撐現有的業務時，可自動喚醒主機。

這個過程需要結合電源管理、關聯性規則、在線遷移虛擬機多項技術共同協作來實現。根據資源的利用率，資源池可以動態的開啟和關閉主機的電源，從而減少能源的浪費。通過動態監控資源池中所有虛擬機的資源負載，與資源池中所有主機的可用資源總量進行比較，如果有足夠的額外容量，則可關閉某些主機使其進入待機模式。首先將待關閉的主機上的虛擬機遷移到仍有可用資源的其他主機，然后關閉其電源。相反，當認為容量不夠時，動態資源調度功能模塊會啟動這些主機，然后通過在線遷移將虛擬機遷移到這些主機上。在這些資源的計算過程中，該功能模塊在考慮當前需求的同時，也需要將預留資源考慮在內。

資源池的動態資源調度是使用電源管理協議令主機恢復在線狀態：智能平臺管理界面（IPMI）或Wake-On-LAN（WOL）。每個協議的實現離不開硬件的支持和配置。如果主機不支持電池管理協議，就不能通過電源管理將主機關機。如果主機的硬件和配置支持多個協議，則按順序使用協議。

主機電源的打開和關閉操作應按照設置的優先級進行。優先級分類的依據為：資源池內資源的利用率過高或不足，以及預期對主機電源狀況的改善。

當物理服務器計算負荷較低時，電源管理會調用動態資源調度策略，將低負荷服務器上的虛擬機，通過遷移技術遷移到仍有資源空間的服務器上，然后將低負荷服務器關機或進入節電模式，節省服務器耗電。

2 節能技術的應用與能效分析

2.1 節能技術的應用

通過在數據中心中應用云計算的關鍵節能技術，從而實現節能減排。具體應用環節如下：

（1）將數據中心的低配置或服務到期的服務器進行整合，以高性能服務器替代；

（2）整合高性能服務器進行資源池化；

（3）資源池采用動態資源調度，定義計算資源的高、低閾值；

（4）在資源池內設定虛擬機和主機的關聯性規則；

（5）對資源池內的主機啟用電源管理；

（6）制訂資源調度策略和電源管理策略，定義業務忙時，主機負載的高、低閾值。

當業務不處于忙碌期時，通過實時遷移，將負載較低的主機上的全部虛擬機遷至其他未達到負載上限的主機上，將空閑下來的主機關機；而當業務進入忙碌期之前，喚醒待機的主機，將一部分虛擬機遷移至新啟動的主機上。整個過程的實現可以手動控制，也可以設置按計劃的執行策略，使之自動化控制。

2.2 能效分析

通過智能電源管理，可以降低數據中心運營過程中的主機功耗，因業務計算能力需求越高，能耗越高，而業務計算能力需求也會因為因業務的不同而有所區別。根據表1實際測試結果來看，在沒有啟用DMP的情況下，資源無法得到充分利用，且服務器總功耗高達1132W；在設置了合理的DMP閥值的情況下，虛擬機重新分配，空閑服務器下電，CPU、內存利用率相比之前有所提升，總功耗相比之前降低33%，具體對比結果如圖1所示。因此通過系統動態電源管理，可有效的降低主機的總功耗，并且提升服務器資源利用率，實現節能減排。

以上的數據只是功耗的節省，整合服務器所能帶來的能源節省還包括：機房占地、機柜/架空間、網絡路由與交換設備、傳輸線纜等。

3 結束語

節能關鍵技術在支撐云平臺的應用中，可以有效降低能耗。通過對入云業務場景進行梳理，對資源源調度依據、資源調度算法的研究，建立一個節能調度模型，并將其應用于支撐云平臺業務，能夠有效解決云計算環境下的節能減排問題。同時云計算節能關鍵技術資源調度策略的靈活性，在業務支撐系統領域具有較強的實用性，尤其是在系統數量多、機房空間緊張、能耗偏高、業務響應速度要求越來越高的情況下，可以大大提升資源利用率，合理控制用電量，顯著提升經濟效益。

作者單位

中國移動通信集團廣西有限公司信息系統部 廣西壯族自治區南寧市 530022