卜天然 舒升 孫廨堯

摘要：隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的高耗能等問題日益凸顯。越來越多的企事業(yè)單位對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)與改造，通過對(duì)服務(wù)器資源的抽象、提取與整合，形成了完整的虛擬化改造方案。該文通過研究虛擬化技術(shù)在企事業(yè)單位數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用現(xiàn)狀，以真實(shí)企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)中心虛擬化改造成效為分析樣本，通過服務(wù)器的成本計(jì)算方法和HBA卡成本計(jì)算方法，計(jì)算出使用虛擬化技術(shù)前后數(shù)據(jù)中心成本對(duì)比，為節(jié)能減排工作方面提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)幫助。

關(guān)鍵詞：虛擬化技術(shù)；成本計(jì)算；節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）32-0225-03

Abstract：With the development of virtualization technology， more and more enterprises and institutions have virtualized existing data centers and application systems. Virtualization technology in the data center can save space in the equipment room， reduce power and cooling costs， and improve the reliability and flexibility of the business server. This paper studies the application status of virtualization technology in data centers of enterprises and institutions. Through the cost calculation method of the server and the HBA card cost calculation method， the data center cost comparison before and after the use of virtualization technology is calculated， which provides a certain theoretical basis and technical assistance for energy saving and emission reduction work.

Key words： virtualization technology； cost calculation； energy conservation

1 數(shù)據(jù)中心能耗的現(xiàn)狀分析

黨的十九大報(bào)告中指出，“推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用，實(shí)施國家節(jié)水行動(dòng)，降低能耗、物耗，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)循環(huán)鏈接?！彪S著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)碎片信息和大數(shù)據(jù)的高速處理的需求、對(duì)資源合理配置整合的需求也不斷擴(kuò)大，這對(duì)于部署在數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)要求也越來越高。這就需要數(shù)據(jù)中心提升更為快速的數(shù)據(jù)處理能力，但如果依然采用在原有設(shè)備之外采購新的服務(wù)器，既會(huì)增加采購成本和運(yùn)維成本，也會(huì)產(chǎn)生如耗電問題、冷卻問題、布線問題等諸多能耗問題。眾所周知，目前數(shù)據(jù)中心的能耗主要產(chǎn)生于制冷系統(tǒng)、IT設(shè)備、電源系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等。圖1是數(shù)據(jù)中心能耗情況分布圖。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，IT設(shè)備和配套的空調(diào)系統(tǒng)占到數(shù)據(jù)中心能耗的80%。高能耗必將帶來高額電費(fèi)，據(jù)美國相關(guān)研究表明，2016年全球共耗去2，188億度（千瓦*小時(shí)）的電力，約占全球2016年總發(fā)電量的2.5%。據(jù)統(tǒng)計(jì)這些能耗成本占到整個(gè)中心運(yùn)維成本的45%左右。

傳統(tǒng)的企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)中心除了產(chǎn)生高能耗高電費(fèi)等情況，從另一方面來看，數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡(luò)中心）還存在服務(wù)低能效的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡(luò)中心）的85%的資源服務(wù)器的CPU占用率僅占15%左右，內(nèi)存工作負(fù)載僅占30%。而一臺(tái)服務(wù)器中CPU耗電占比約為整臺(tái)設(shè)備的30%，如圖2所示，為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡(luò)中心）IT設(shè)備運(yùn)行與閑置的效能情況圖。

以閑置CPU資源能耗計(jì)算為例，將統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)通過公式進(jìn)行運(yùn)算：

XZNH（閑置能耗占比率）=設(shè)備閑置率*某硬件耗電占比=85%*30%=22.5%

可以得出單臺(tái)服務(wù)器CPU 閑置能耗占比率竟高達(dá)22.5%之多。服務(wù)器軟硬件資源和能耗的浪費(fèi)，不符合國家節(jié)能減排的政策要求。

在這種環(huán)境下，虛擬化技術(shù)就體現(xiàn)了整合優(yōu)勢。應(yīng)用在 IT 的不同層面，從邏輯層將物理層抽象出來意味著邏輯組件會(huì)得到更一致的管理。從安全監(jiān)督來看，虛擬化技術(shù)提升了X86服務(wù)器的可靠性、可用性，從基礎(chǔ)架構(gòu)層面獲得了原先單機(jī)系統(tǒng)無法想象的功能，大大提高了業(yè)務(wù)連續(xù)性的級(jí)別，降低了故障率、減少了系統(tǒng)宕機(jī)的時(shí)間；從服務(wù)器的角度來看，虛擬化技術(shù)讓每臺(tái)設(shè)備都能托管多種操作系統(tǒng)，最大化了利用率，降低了服務(wù)器數(shù)量；從存儲(chǔ)的角度來看，虛擬化技術(shù)可網(wǎng)絡(luò)化、整合磁盤設(shè)備，并讓多個(gè)服務(wù)器共享磁盤設(shè)備，從而提高了利用率；從應(yīng)用的角度來看，虛擬化技術(shù)將應(yīng)用計(jì)算從用戶設(shè)備中分離出來，并在數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過集中化技術(shù)改善了管理和系統(tǒng)安全性。

2 數(shù)據(jù)中心的虛擬化技術(shù)趨勢與應(yīng)用

虛擬化技術(shù)就是利用高可靠的軟件定義硬件、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等虛擬技術(shù)將現(xiàn)有物理服務(wù)器的資源進(jìn)行分配，從抽象到再生、從提取到整合，形成一整套邏輯資源，通過對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行物理機(jī)虛擬化，對(duì)存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的、高效的、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，將數(shù)據(jù)中心的資源整合在一起，增加服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、存儲(chǔ)之間的協(xié)同性，從而提高整個(gè)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行效率。

采用模板或服務(wù)器復(fù)制方式快速建立一臺(tái)新的虛擬化服務(wù)器，耗時(shí)不超過15分鐘。與傳統(tǒng)方式相比，所需部署時(shí)間最短可以縮小到1/1440.極大地提高了用戶信息中心應(yīng)對(duì)各類突發(fā)新的應(yīng)用需求的能力，并且節(jié)約了工作時(shí)間，提高了工作效率。

同時(shí)，虛擬化技術(shù)的引入，不會(huì)對(duì)原有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理本質(zhì)上的變化，原先的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依然保留，僅僅在數(shù)據(jù)中心（網(wǎng)絡(luò)中心）的基礎(chǔ)設(shè)施方面，減少了服務(wù)器、交換機(jī)、機(jī)架、網(wǎng)線、UPS、空調(diào)等設(shè)備投入與維護(hù)成本。原先設(shè)備可以根據(jù)虛擬化擴(kuò)展技術(shù)進(jìn)行利舊更新，使得IT管理人員有了更多的選擇。

下圖3是虛擬化整合之后的IT架構(gòu)：

從圖3可知，虛擬化后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳]有變化。通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)，虛擬化后的物理服務(wù)器，形成了虛擬化集群，并進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)，原有的傳統(tǒng)服務(wù)器設(shè)備依然正常運(yùn)行，并且可以同虛擬化集群融合在一起。原先的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）、鏈路備份，業(yè)務(wù)隔離、協(xié)同工作等方式，都延續(xù)原來的網(wǎng)絡(luò)管理模式。

虛擬化后的數(shù)據(jù)中心還將在以下幾個(gè)方面凸顯優(yōu)勢：

（1） 彈性計(jì)算資源池

采用服務(wù)器虛擬化技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心X86服務(wù)器轉(zhuǎn)變成通用的共享硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，并按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)交付，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的彈性調(diào)度。按照業(yè)務(wù)生命周期進(jìn)行計(jì)算資源管理，并滿足峰值計(jì)算資源的需求。

（2） 彈性存儲(chǔ)系統(tǒng)

優(yōu)化存儲(chǔ)配置和使用，對(duì)于目前現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)需求類型進(jìn)行分類，采用傳統(tǒng)共享存儲(chǔ)和分布式虛擬存儲(chǔ)相結(jié)合的方式，同時(shí)對(duì)于本地服務(wù)器硬盤進(jìn)行集中整合，配合SSD磁盤組成高性能、高可用、基于策略驅(qū)動(dòng)的分布式虛擬存儲(chǔ)，具備較強(qiáng)的水平擴(kuò)展能力，滿足未來業(yè)務(wù)不斷增加的存儲(chǔ)需求。

（3） 虛擬網(wǎng)絡(luò)松耦合

利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)在不改動(dòng)原有物理網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)資源的池化，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用或?qū)嵱?xùn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)需要，自動(dòng)化提供虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的敏捷性；同時(shí)滿足未來對(duì)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以跨數(shù)據(jù)中心延展的需求，使虛擬機(jī)擺脫原有網(wǎng)絡(luò)和安全配置的束縛，讓虛擬機(jī)可以跨數(shù)據(jù)中心靈活遷移，同時(shí)始終保證網(wǎng)絡(luò)暢通和安全合規(guī)。

3 日常辦公的虛擬化桌面技術(shù)趨勢與應(yīng)用

企事業(yè)單位除了龐大的數(shù)據(jù)中心之外，在日常辦公和研發(fā)使用的是PtoP模式，即進(jìn)行個(gè)人桌面操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的均為功能獨(dú)立的計(jì)算機(jī)。在這種網(wǎng)絡(luò)連接模式下，所有應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)都是以緊耦合模式存在，任意軟件或應(yīng)用系統(tǒng)的更新，用戶都會(huì)受到影響。隨著信息化建設(shè)的不斷深入、軟件或應(yīng)用系統(tǒng)的不斷更新，使得信息服務(wù)所需的IT軟硬件的數(shù)量不斷擴(kuò)大，更為重要的是，獨(dú)立運(yùn)行IT軟硬件所帶來的信息安全問題越來越多，提高了信息中心等相關(guān)部門的運(yùn)營和管理成本，迫切需要日常辦公使用虛擬化桌面方式來提高信息系統(tǒng)的可靠性。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前企事業(yè)單位桌面信息化呈現(xiàn)如下兩大個(gè)趨勢：

（1）桌面安全問題亟待保障

研發(fā)設(shè)計(jì)中心作為企業(yè)的業(yè)務(wù)開發(fā)中心，需要支持越來越多的項(xiàng)目，隨之而來的桌面管理、桌面供應(yīng)、開發(fā)測試環(huán)境的分配等都問題都暴露出來。另外，外包的開發(fā)模式在電力企業(yè)里越來越普遍，如何保證這些外包項(xiàng)目的信息資產(chǎn)的安全性，都是企業(yè)目前面臨的難題。

（2）桌面管理日趨復(fù)雜

桌面復(fù)雜性的問題已經(jīng)演變成了企業(yè)IT項(xiàng)目成功道路上的一大障礙，它困擾著每一名IT及工作人員。 如果企業(yè)仍然堅(jiān)持原有的思想來管理桌面，那么這些存在的問題不可避免的仍然會(huì)出現(xiàn)。同時(shí)，平板設(shè)備等的接入也已經(jīng)成為必然，如何保證用戶的使用與企業(yè)的安全性也是IT必須跨越的一個(gè)障礙。

因此，傳統(tǒng)的PC模式部署桌面已無法滿足當(dāng)前企業(yè)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，使用虛擬化桌面方式在一定程度可以幫助了企業(yè)IT轉(zhuǎn)型。

4 虛擬化數(shù)據(jù)中心在降低成本、節(jié)能方面的優(yōu)勢

虛擬化技術(shù)在提升硬件資源利用率的同時(shí)，不僅提高了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可用性及靈活性，提升了存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，更重要是節(jié)省了電力和冷卻成本。無論是電力能耗還是空調(diào)冷卻能耗對(duì)于數(shù)據(jù)中心來說都是一筆巨大的開支，毫無疑問，降低成本是IT部門推行虛擬化項(xiàng)目的另一個(gè)主要原因。虛擬化的成本節(jié)約主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）減少服務(wù)器的數(shù)量

無論是獨(dú)立安裝的機(jī)架還是刀片型服務(wù)器，虛擬化技術(shù)都意味著更少的服務(wù)器數(shù)量，這是虛擬化技術(shù)最基本的功能。

（2）降低能源成本

更少的服務(wù)器就意味著只需要更少的電力和冷卻成本。

（3）減少空間成本

由于數(shù)據(jù)中心虛擬化的整合大大減少了地面空間，從而減少了房產(chǎn)這方面的成本。

5 虛擬化數(shù)據(jù)中心應(yīng)用后成本分析及節(jié)能回報(bào)

一般情況下，虛擬化數(shù)據(jù)中心的成本計(jì)算方法有：服務(wù)器的成本計(jì)算方法、HBA卡成本計(jì)算方法、操作系統(tǒng)成本計(jì)算方法和電力成本計(jì)算方法，本文采用服務(wù)器成本計(jì)算方法。以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心為例，將當(dāng)前服務(wù)數(shù)量設(shè)定為60臺(tái)，根據(jù)常規(guī)數(shù)據(jù)需求和業(yè)務(wù)增長，每年服務(wù)增長比例約為10%，通過計(jì)算可得單臺(tái)物理服務(wù)器總體電力開銷0.8870萬元/年，如下表1所示。

在虛擬化之前，基于物理服務(wù)器方式，以60臺(tái)雙路CPU的服務(wù)器，以5年運(yùn)維情況為節(jié)點(diǎn)，每年開銷主要集中在新增服務(wù)器、服務(wù)器更換、能耗開銷等方面，其中，因采用虛擬化架構(gòu)而節(jié)省的其他成本，例如交換機(jī)、機(jī)架、電源線、空調(diào)、機(jī)房空間、管理成本等，未列入表中。五年共計(jì)開銷為857萬元。如表2所示。

在虛擬化之后，我們?nèi)绻凑?：1的整合比為例，進(jìn)行計(jì)算，這樣就只需要10臺(tái)左右的雙路CPU服務(wù)器，投入方式包括：新增虛擬化軟件授權(quán)、虛擬化軟件維保等方面。如下表3所示，五年共計(jì)投入為147.2萬元

同時(shí)，虛擬化方案執(zhí)行后，基于虛擬化方式的開銷主要包括：新增服務(wù)器、能耗開銷等方面，如下表4基于虛擬化方式開銷所示，五年共計(jì)開銷為127.5萬元。

將基于虛擬化方式的投入和開銷累加即虛擬化的總體開銷之和，與虛擬化前傳統(tǒng)模式開銷進(jìn)行產(chǎn)出比較，如表5所示，從表中，可以得出，除了第一年產(chǎn)出比為負(fù)數(shù)之外，以后每年產(chǎn)出比都逐年增長，尤其在設(shè)備運(yùn)行的第5年，產(chǎn)出比可高達(dá)396%。

可見，通過數(shù)據(jù)中心虛擬化建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，可以節(jié)省能耗近63%成本。

6 結(jié)語

習(xí)總書記說：“綠水青山，就是金山銀山”，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是每一個(gè)企業(yè)應(yīng)盡的社會(huì)責(zé)任。虛擬化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和發(fā)展需要沿著循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的步伐有效的節(jié)能減排，希望通過本文的分析，對(duì)促進(jìn)數(shù)據(jù)中心在節(jié)能減排工作方面提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)幫助，從而推動(dòng)IT行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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