杨 彬

（辽宁行政学院，辽宁沈阳，110161）



基于云计算的能源效率方法研究

杨 彬

（辽宁行政学院，辽宁沈阳，110161）

摘要：本文在云计算的背景下，回顾了用于计算机硬件和网络基础设施节能操作目前使用的方法和技术，通过调查一些优秀的实践，确定了这种节能技术扩展到云计算环境中使用所面临的主要研究挑战。

关键词：云计算；数据中心；能源效率

0　简介

全球政策顾问丹尼斯·派姆林强调不同的IT解决方案对温室气体排放有重要影响。基于IT的“智能”解决方案意味着“低碳足迹”，将使温室气体减排。数据中心提高能源效率有非常显著的经济和环境收益，云计算是一种节能的虚拟化技术，该技术的思想是把主机虚拟化成虚拟机，之后把虚拟机部署在最小数量的物理机器上，同时处在运行状态的物理机器保持资源利用率最大化，远程云服务提供可伸缩和虚拟化的资源。因此，峰值负载可以转移到云的其他部分和云的资源聚集，这样可以提供更高的硬件利用率。

1　网络基础设施的能源效率现状

信息通信技术消耗了越来越多的电力，但有助于提高生产力和经济繁荣，从电子办公、电子商务等方面减少了能量消耗。信息通信技术通过“多交流少出行”的模式在能源消耗方面发挥了复杂的作用，在家庭和办公室使用智能设备，以优化能源管理，可以减少能源消耗和碳排放量，但这种潜在的减少部分可能被数据中心和计算机网络所使用的电力所抵消。

1.1高效节能硬件

提高能源效率的方法之一是开发更节能的硬件。IT产品（主要是显示器）对环境的影响要通过如美国能源之星或欧洲TCO认证。利用各种技术节省计算机电力，如固态盘。处理器可以采用SpeedStep技术，PowerNow技术或按需转换的方式工作。如果他们是空闲，这些措施可使CPU时钟速度慢下来，或关闭部分芯片的电源。缺乏用户机器互动时，冗余硬件部分可以逐步被关闭或放在休眠模式（显示、光盘等）。

1.2多处理器和网格系统的能量感知调度

多处理器和网格系统中的能量感知调度是一个广泛讨论的问题，提高数据中心的能源效率的一种方法是基于服务器整合的服务虚拟化。虚拟化分区计算资源，并允许共享硬件。很多服务通常只需要一小部分数据中心服务器的可用计算资源。不过，数据中心服务器通常需要高达70%的最大功耗。这样的服务可以虚拟化，并在一个虚拟机（VM），导致整体的能源效率显著增加。根据他们的使用，许多虚拟机可以运行在一个单一的硬件单元（服务器整合）。因此，需要更少的硬件，从而减少能源浪费，而部署的硬件利用率增加。

1.3服务器集群功率最小化

在保证吞吐量和响应时间的情况下，尽量使服务器集群功率最小化。能源消耗主要取决于CPU利用率，但其它组成部分（如光盘，内存和网络设备）也使用能源，服务器似乎处于闲置状态，仍可能使用其峰值功率的60%。使用经济准则和能源政策制定标准，派遣工作到一组小型活动服务器，而其他的服务器到一个低功耗状态。即时通讯和游戏需要长时间的TCP连接动态配置算法。动态配置技术的排队方法也被研究，以获得所需的服务质量和反应性配置可用于补偿负载突然激增所需的最小数量的服务器。

1.4无线和有线网络功率最小化

网络基础设施的能源节约一直没有受到重视，直到最近，无线传感器网络的节能路由协议才被重视，因为电池供电网络的具体需要，相关的研究已经包括拓扑控制修改网络图以优化性能（如网络容量和服务质量）。由于在节点处理数据和传输数据时消耗能量较多，所以优化数据包传输的跳数也是必要的。高传输功率可以减少跳数，在小范围内受传输干扰，低传输功率会导致更多的跳数。在有线节点，能源消耗取决于其他因素，如节点的吞吐量；此外，高达60%的节点的能量消费可以源与周边设备，如连接驱动器。在有线的情况下，因为高容量，流量和严格的服务质量约束，将有线网络节点开关可能是非常困难的。电池供电的无线ad hoc网络节点路由用来考虑选择路径以满足QoS约束和功率最小化。一般而言，研究界已经开始认真考虑基础设施网络的能量消耗，IEEE现在已经专注于开发一个标准的节能以太网（IEEE 802.3az）。

2　节能云计算

前面的讨论强调有必要制定涉及所有系统层和各个方面的能源效率方法，包括物理节点，节点散热，网络硬件，通信协议和最终服务器和服务本身能效的全面办法。因此，云计算的概念框架可能是一个面向分析，识别和实施综合节能系统中实现真正“绿色” 计算服务的方法。

2.1能量感知数据中心

云计算的一个重要特点就是虚拟化，从而出现了高密集刀片计算的趋势。虚拟机封装虚拟服务，可以移动、复制、创建和删除取决于管理决策。巩固硬件和减少冗余可以实现能源效率。未使用的服务器可以关闭（或休眠）以节约能源。高负载的一些硬件减少了需要的物理服务器数量。然而，在数据中心节能管理的程度仍然是有限的。服务不仅在一个数据中心网站虚拟化和管理，如果必要应该搬到其他网站。负载必须被考虑，迁移之前服务产生的“热”也必须测量。每个操作的物理节点都会产生热量。当某个特定节点过度使用或接近其他高负载节点，热点可能出现在一个给定的数据中心。为了避免这样的热点，热量可以通过站点分散。此外，服务可以从高负载或高温度的站点转移到较小负载和较低温度的站点。一般来说，服务应该转移到这些地点，在那里他们可以以最节能的方式运行。自主能源管理实现了资源高效节能的管理，这种方式对服务的用户尽可能透明。能源相关问题必须根据定义的策略解决，而不需要人工交互。服务，服务器，网络，甚至整个网站的需求和功能的机器可读描述必须符合未来的高度自治和自适应系统能源效率要求。能量感知的资源分配旨在实现高能效的资源优化，同时保持高水平的服务性能不降低。

2.2网络和协议的节能

一些硬件已经提供了特性，创造了节能的操作机会，如关闭网络接口和节流的处理器。网络协议也可以被优化，甚至是重建一个提高网络元素的节能运行方式。网络设备可以启用委托给其他设备的服务，以便将服务转移到更节能的设备或需要始终运行的设备，而其他设备则关闭。授权的设备可以处于休眠状态或被关闭。目前，许多基本的网络服务必须保持活跃，以便周期性地确认其可用性，即使在没有通信正在发生。这些“软状态”使它不可能关闭某些系统组件，因此，需要设计新的协议来解决这些软状态，从而提高网络的能源效率。在这种情况下，也可以重新访问信令，而数据和信令流量有很大的不同，都使用了相同的技术和机制（所谓的带内信号）。而信令只需要低带宽，但可以随时发生，信令产生后数据流量发生，数据流量通常需要高带宽和遍历所有网络层至应用层，并使用网络多个层的处理能力。因此，带外信令的使用也应进行评估，以便设计和改进能量感知的通信协议。

2.3互联网应用的影响

从手机嵌入数码相机到环境传感器，最终用户正在生成和互连空前数量的信息，预计这一趋势将继续有增无减。然而，专业、快速、可靠地分发内容需要增加基础设施建设和维护的投资，和一个匹配的电费管理底层的信息通信技术。Web，端到端和基于web 的视频点播服务目前主宰互联网流量，两者合计占 85%或更多。在实践中，使用基于远程访问、复制功能协议栈的方法和范例的传播网络操作，未能受益于有线和无线通信、 存储技术和摩尔定律的最新进展。如果云计算成为重要的平台，用于生产和访问信息，将通过互联网传输的数据量会显著增加。内容复制和传播算法需要考虑能源优化调度的关键参数，因此，云计算要求彻底重新审查主要计算/通讯/储存和能源/性能权衡基本面的计算要求。

3　结论

云计算的能耗控制与节约是一个涉及多因素、多层面的复杂问题。本文综述了节能策略对集成系统管理的潜在影响，包括计算机系统和网络。网络化的大型硬件和软件的具体插件和能量控制中心，他们可以有显著的影响，其中包括：

（i）单一或联合的数据中心执行“云” 应用程序，可以减少软件和硬件相关的能源成本；

（ii）提高数据中心负载平衡能力、QoS 和性能；

（iii）通信减少能源消耗；

（iv）数据中心和网络降低了温室气体排放量，以便提供“环护”的计算能力。

这种改进可以减少运输和工作的能源使用，鼓励基于信息通信技术的“绿色” 智能解决方案，如电子商务、电子学习等。

参考文献

[1] 李小六,张曦煌.虚拟化云计算数据中心能量感知资源分配机制[J] .计算机应用，2013，33(12):3586-3590

[2] 雷成军,罗亮,吴文峻.基于云计算的集群能耗监控与节能方法研究[J] .计算机应用与软件,2011,28(11):242-244

[3] 柳运昌,杨二瑞,许建霞.面向云数据中心的能耗管理[J] .电信科学.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

作者简介

杨彬(1975-)，女，副教授，辽宁辽阳人，硕士，主要研究方向为计算机网络和计算机应用。