郭建波

【摘 要】與傳統(tǒng)的計(jì)算方式不同，云計(jì)算提供了動態(tài)的彈性規(guī)模擴(kuò)展的計(jì)算，對信息產(chǎn)業(yè)體系架構(gòu)的改進(jìn)和創(chuàng)新起到了積極的促進(jìn)作用，在云計(jì)算的應(yīng)用中，其能耗問題得到了普遍的關(guān)注。本文筆者從云計(jì)算的能耗分析著手，分析了動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法，并探討了控制計(jì)算能耗的有效方法，目的是為云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒，為云計(jì)算向著綠色方向發(fā)展指明提供有力支持。

【關(guān)鍵詞】云計(jì)算；數(shù)據(jù)中心；動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法；綠色；能耗

【中圖分類號】P33【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0108-01

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，云計(jì)算利用集中構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心為客戶提供高性價(jià)比的服務(wù)，包括計(jì)算、存儲以及各類信息服務(wù)，為人類生活帶來了極大的便利。然而，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的能耗相當(dāng)大，該問題引起了人們的普遍關(guān)注，因此，需要通過改進(jìn)算法，減少云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的能耗，使其在提高計(jì)算效率和提高服務(wù)質(zhì)量的同時，最大限度的降低消耗，使其向著綠色的方向發(fā)展。

一、 引起云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗的原因

隨著人們對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗問題的關(guān)注，需要采取有效的措施，最大限度的降低能耗，這就需要對引起能耗的原因進(jìn)行分析，才能采取有針對性的措施，一般而言，引起云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗的原因主要有以下三個方面：引起云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗最大的是服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、電源供應(yīng)設(shè)備等的數(shù)據(jù)中心主體所產(chǎn)生的耗能，并且在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的總體消耗中的比重最大。其次，是溫控設(shè)備產(chǎn)生的內(nèi)能耗，例如水冷、風(fēng)冷的溫度控制設(shè)備，該部分的能耗在總體能耗方面占的比重也很大，甚至有時候會超過數(shù)據(jù)中心主體設(shè)備的能耗，除此之外，其他設(shè)備產(chǎn)生的能耗雖然比較小，但是也不可忽視，對數(shù)據(jù)中心的總體能耗有著不可忽視的影響。

鑒于上述原因?qū)?shù)據(jù)中心的總體能耗產(chǎn)生重要的影響，需要對癥下藥，采取有效的措施，對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心進(jìn)行改進(jìn)，提高其工作效率和服務(wù)質(zhì)量的同時，最大限度的降低能耗，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展。其中動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法便是一個有效減少能耗的算法，對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的綠色發(fā)展起了積極的推動作用。

二、動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法

（一）云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的能耗分析

在云計(jì)算系統(tǒng)中，其能耗方面還存在著一些問題，造成了數(shù)據(jù)中心的高能耗，一般包括以下幾點(diǎn)：首先是缺乏細(xì)致的溫度控制體系，難以對當(dāng)前的耗能進(jìn)行有效的管理，這樣就造成了較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，其次是在任務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)部署方面的問題，忽視對能耗的關(guān)注和重視，只是關(guān)注到存儲空間的大小和數(shù)據(jù)的訪問問題。此外，對自然環(huán)境和對硬件的過度依賴也是造成耗能較高的原因，在降低能耗的工作中，基本都是從對硬件的本身功耗著手，但是往往結(jié)果很不理想，同時一些數(shù)據(jù)中心為了節(jié)約成本，將數(shù)據(jù)中心安置在較為寒冷的地區(qū)，避免人工制冷，但是如果設(shè)置在較為熱的地區(qū)，需要進(jìn)行人工制冷，加大了投入和消耗。當(dāng)然隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備也不斷改進(jìn)，數(shù)據(jù)中心設(shè)備對溫度的承受能力有了很大的提高，因此可以顯著的降低能耗和電力的成本。

（二）云數(shù)據(jù)模型

從用戶角度方面來說，在云計(jì)算系統(tǒng)中，云數(shù)據(jù)有著四種模型：第一類是用戶在提出任務(wù)執(zhí)行請求時，云計(jì)算就會根據(jù)對任務(wù)的分析，提供程序和數(shù)據(jù)計(jì)算，例如搜索引擎的應(yīng)用；第二類是涉及用戶任務(wù)的程序由用戶提供，而數(shù)據(jù)是由云計(jì)算服務(wù)器提供，再在云計(jì)算的幫助下完成任務(wù)；第三類是用戶提供數(shù)據(jù)，云計(jì)算提供程序和計(jì)算資源，服務(wù)器端在進(jìn)行數(shù)據(jù)的遷移和處理，進(jìn)而完成任務(wù)；第四類是用戶提供任務(wù)涉及的程序和數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算的計(jì)算和存儲等硬件系統(tǒng)，完成任務(wù)。

對于前兩類計(jì)算而言，系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)存儲點(diǎn)對其有較大的影響，而后兩種算法對系統(tǒng)性能的影響主要是受到數(shù)據(jù)遷移的執(zhí)行點(diǎn)的影響。

（三）算法概述

為了提高服務(wù)的質(zhì)量，需要云數(shù)據(jù)中心能夠承受服務(wù)高峰的負(fù)載，以便滿足用戶的需求以及保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，需要留有余量，這就需要借助冗余機(jī)制，進(jìn)而避免了在非高峰階段的能耗問題。同時由于數(shù)據(jù)中心的每一個節(jié)點(diǎn)在時間和負(fù)載不同的情況下，難以對溫度進(jìn)行精確的控制，這就會影響到制冷的效率，這就需要建立熱力學(xué)散熱模型，從而達(dá)到精確制冷的目的。

該算法是將數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有序的聚集或者是重新的分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對云數(shù)據(jù)中心的計(jì)算存儲節(jié)點(diǎn)的有效利用，同時還可以使未利用的節(jié)點(diǎn)處于休眠或者是關(guān)機(jī)的狀態(tài)，同時溫控設(shè)備處于待機(jī)或者是關(guān)閉的狀態(tài)，這就對綠色節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到了積極的促進(jìn)作用。

計(jì)算與存儲設(shè)備上包含了節(jié)點(diǎn)資源管理、節(jié)點(diǎn)控制、數(shù)據(jù)遷移、訪問記錄管理模塊和節(jié)點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)測模塊；溫控系統(tǒng)包含了環(huán)境監(jiān)測和溫控設(shè)備控制模塊。其中溫控系統(tǒng)與計(jì)算設(shè)備協(xié)同工作，特別根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)測模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊感知的情況，再利用溫控設(shè)備控制模塊來決定溫控設(shè)備是否開啟以及開啟的程度，使得溫控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心各區(qū)域的精確溫度控制。

該算法具有明顯的優(yōu)勢，對實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心的綠色節(jié)能起到了積極的促進(jìn)作用，一方面在對數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)聚集以后，導(dǎo)致了部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷和耗能的增加，這樣就使部分區(qū)域避免了處于待機(jī)空轉(zhuǎn)的狀態(tài)，這樣就無需對該區(qū)域進(jìn)行制冷降溫，進(jìn)而降低了整體的耗能。另一方面數(shù)據(jù)聚集以后，在系統(tǒng)運(yùn)行中，節(jié)點(diǎn)是處于高負(fù)載狀態(tài)的，大大的提高了資源的利用率，在相互備份的支持下，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的不間斷訪問，這樣就使云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行得到了保障。此外，利用動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法，可以實(shí)現(xiàn)各個節(jié)點(diǎn)的輪轉(zhuǎn)運(yùn)行，極大的提高了硬件設(shè)備的壽命以及設(shè)備使用的穩(wěn)定性。

三、面向綠色云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法分析

動態(tài)數(shù)據(jù)聚集算法中，節(jié)點(diǎn)始終處于工作、待機(jī)和關(guān)機(jī)的狀態(tài)，這就需要根據(jù)其狀態(tài)，采取相應(yīng)的節(jié)能措施。在節(jié)點(diǎn)待機(jī)時，其CPU和硬盤是處于基本不工作的狀態(tài)的，但是節(jié)點(diǎn)仍然有損耗，這就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的部署和調(diào)度任務(wù)，減少處于待機(jī)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，避免節(jié)點(diǎn)引起的空耗。當(dāng)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)時，電源線的能耗基本可以忽視。

（一）性能分析

數(shù)據(jù)聚集前，數(shù)據(jù)部署比較散亂導(dǎo)致了訪問熱點(diǎn)的不規(guī)律，致使大量節(jié)點(diǎn)的利用率低，待機(jī)狀態(tài)的能耗造成了環(huán)境的熱負(fù)荷，這就加大了溫度控制的工作量，造成了能源的浪費(fèi)。而在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚集后，消除了服務(wù)器的待機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，所產(chǎn)生的熱耗僅僅來源于電源線，同時溫控設(shè)備也無需進(jìn)行降溫，最大限度的降低了能耗。

（二）資源利用與服務(wù)的質(zhì)量

如果用戶的請求規(guī)模相同，對資源的利用率不會有很大的差別，但是在具體節(jié)點(diǎn)工作而言，進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集后，節(jié)點(diǎn)在開機(jī)運(yùn)行時，處于高負(fù)載的狀態(tài)，大大的提高了利用率。同時，該算法利用運(yùn)行規(guī)律相反的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，避免了因?yàn)楣?jié)點(diǎn)關(guān)閉而無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的情況進(jìn)而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能，并提高了服務(wù)的質(zhì)量。

總之，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的節(jié)能與能耗控制是一個復(fù)雜的過程，需要多個方面的共同努力，需要分析多個因素和多個層面，這就需要從數(shù)據(jù)的部署和任務(wù)的調(diào)度方面著手，實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)聚集，對能耗的計(jì)算和溫控能耗的控制進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度以及精確的控制，這樣就降低了云計(jì)算的整體能耗，推動了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心向著綠色節(jié)能的方向發(fā)展。

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