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国际计算机与通信工程创新研究杂志

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绿色云计算中电能可持续利用的分析与优化技术

Vikash K. Singh博士1以及德文德拉·辛格·库什瓦哈2
  1. 印度阿玛坎塔克市I.G.N.T.U CSE系助理教授
  2. 印度阿玛坎塔克市I.G.N.T.U CSE系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

能源由于其对环境的重大影响以及经济的重要性，人类生活各个方面的效率已成为一个主要问题。信息和通信技术(ICT)在这方面发挥着双重作用;它不仅本身是一个主要的消费者(估计占全球消费的2-10%)，而且还有望通过紧密依赖网络的新技术(智能电网、智能家居、云计算等)实现全球能源效率。为此，本研究工作研究了云计算中电能的可持续利用问题。由于这一课题最近在研究界非常活跃，有几个研究方向的平行研究。在这项工作中，这个问题正在从其基础上进行审查，并提出了一个坚实的分析方法。云计算承诺了一个服务交付和部署的新时代，这样每个人都可以在任何地方、任何时间使用任何有互联网连接的设备访问任何类型的服务，如存储、应用程序、操作系统等。云计算为实现可持续解决方案提供了新的可能性，可以在该平台上部署和推进服务。云计算的可持续性将从环境和经济影响的角度加以解决。近年来，ICT行业出现了两大趋势:绿色计算和云计算。 Green computing implies that the ICT industry has become a significant energy consumer and consequently, a major source of CO2 emissions. Cloud computing makes it possible to purchase IT resources as a service without upfront costs. In this research, the combination of these two trends, green cloud computing, will first be evaluated based on existing research findings, which indicate that private clouds are the most green option to offer services. Case studies of state-of-the-art companies offering green hosting services are presented and incentives affecting their energy-efficiency development are analyzed. The results reveal that currently there is no demand in the market for green hosting services, because the only incentive for companies is low costs. Presently, massive energy consumption in cloud data center tends to be an escalating threat to the environment. In this research work we explore the energy efficient approaches inside data centres from the site and IT infrastructure perspective incorporating Cloud networking from the access network technologies and network equipment point of view to give a comprehensive prospect toward achieving energy efficiency of Cloud computing. Traditional and Cloud data centres would by compared to figure out which one is more recommended to be deployed. Virtualization as heart of energy efficient Cloud computing that can integrates some technologies like consolidation and resource utilization has been introduced to prepare a background for implementation part. Finally approaches for Cloud computing data centres at operating system and especially data centre level are presented and Green Cloud architecture as the most suitable green approach is described in details. In the experiment segment we modelled and simulated system and studied the behaviour in terms of cost and performance and energy consumption to reach a most appropriate solution.

关键字
优化,云。

介绍
.．.所有人，不论种族、性别、收入或地理位置，都有权享有健康、可持续的环境。
首先，综述了ICT网络能效的新研究领域，并对其研究方向进行了识别和分类。作为第一步，我们已经设法形式化了一个理论框架，它可以反映所有重要的参数，并可以实现优化算法的设计。因此，开发的模型允许我们表示QoS和功耗以及控制的效果，并以封闭的形式表示流量方程。此外，提出了复合优化目标的使用，包括功耗和QoS指标。利用该网络模型，建立了可在O(N3)时间复杂度下运行的梯度下降优化算法，对复合代价函数进行优化。基于当前网络设备的功耗特点和对未来网络设备的预测，给出了几个优化目标不同的案例研究。对优化结果进行了评估，并提出了更快的基于梯度下降的启发式算法。
造成云数据中心能耗过高的原因主要有两个:一是云数据中心计算机数量和云用户数量的快速增长，导致云数据中心规模庞大，能耗较大;另一个原因是云计算中的资源分配不合理。资源(CPU、磁盘、内存、带宽)分配成为云数据中心需要解决的关键问题，资源分配不合理会导致云数据中心能耗增加。由于能源效率高的资源分配算法可以大大降低能源消耗，因此在云计算领域得到了广泛的研究。节能资源研究主要有三个目标:(1)合理降低服务质量，最大限度地减少能源消耗;(2)给定总能量，性能最大化;(3)使性能目标和能源目标同时达到。云数据中心的资源配置不仅是为了降低能源消耗，也是为了满足服务质量(Quality of Service)或服务水平协议(Service Level Agreements)的要求。在云数据中心中，虚拟化技术在满足能源和服务质量两方面的要求方面发挥着重要作用。通过虚拟化，可以将多个服务器合并到一个物理节点上，形成虚拟机。 This technology can greatly enhance the utilization of resources in applications.
可持续发展是一种长期的经济和环境福利。如今，在信息和通信技术领域，企业和公司更关心为其运营制定可持续战略。最重要的原因是减少碳足迹和环境影响，同时降低运营成本。云计算是解决和实现这些目标的可持续工具。云计算是一种新兴的技术，它正在变得广泛，因为它可以按需访问计算资源，如应用程序、存储、服务、视频游戏、电影和音乐，云客户端不需要知道如何或从哪里接收这些内容。他们唯一需要的就是宽带连接到云端。

背景
我们在这项研究中的目的是检查在何种情况下，节能路由将具有显著的节省及其对网络延迟的影响。此外，我们试图探索梯度下降的局限性，并提出启发式和简化的解决方案。任何节能方案的评价在很大程度上取决于网络基础设施的能耗特性。获得真实网络节点的能量消耗特征是一个挑战，尚未完全实现。此外，由于正在进行硬件层面的节能解决方案的研究，预计网络功耗行为的整体情况将发生变化。提出了一个广义的功耗模型，该模型描述了设备的功耗作为其负载的函数，并且可以适应每个场景的特定特征。节省电力的代价通常是网络性能下降，延迟增加。因此，提出并检查了组合优化目标，包括功耗和延迟度量，以便在需要时调节延迟的增加。最后，由于梯度下降优化在在线计算中速度较慢，提出了一种可以在线使用的更快的启发式算法。这种启发式方法可以执行路由更改，从而达到更节能的状态，而不是搜索耗时的最佳状态。
云计算是一个涉及不同问题、关注点和技术的概念。对于每个IT组织或公司，似乎都可以任意定义一个全局的综合定义。简而言之，云计算是硬件、网络、接口、服务和存储的集合，提供可行性，可以随时随地通过互联网提供任何服务，如社交网络或协作工具(视频会议、网络研讨会、文档管理)。

文献综述
云计算有可能对IT行业未来的碳足迹产生巨大的影响，无论是积极的还是消极的。一方面，云计算数据中心目前消耗了全球发电量的0.5%，随着云计算的普及，这一数字还将继续增长，尤其是这些系统是“永远在线、永远可用”的。然而，云所需的大型数据中心有潜力为计算提供最有效的环境。这种集中度和规模的计算将推动云提供商构建高效的系统，以降低总拥有成本(TOC)，并提高他们的绿色证书。即使在本地数据中心，转移到私有云系统也可以利用这些好处，并且可以采取步骤应用大规模公共云的解决方案。例如，通过接受虚拟化系统不可避免的性能下降，许多当前服务器可以迁移到数量较少的物理机器上，从而关闭多余的设备。这是一个简单的例子，但理论上可以对能源消耗产生重大影响。节能计算的主要目的是提高对软系统和硬系统能耗的认识。云计算的独特地位使这一领域得到了更清晰的关注，并将在一定程度上改善现在和将来的IT的碳足迹。尽管取得了这些进展，但企业级企业出于对安全、隐私和管理控制方面的担忧，一直不愿采用云服务。 These companies would rather employ their own people to administer hardware they own, on premises, with controlled access and established security procedures.
云计算是用于运行HPC、企业和Web应用程序的高可伸缩性和高成本效益的基础设施。然而，云基础设施的需求不断增长，极大地增加了数据中心的能源消耗，这已成为一个关键问题。高能耗不仅意味着高运营成本，降低了云供应商的利润空间，还会导致高碳排放，不利于环境。因此，需要节能解决方案来最大限度地减少云计算对环境的影响。为了设计这样的解决方案，需要对云计算的电源效率进行深入分析。因此，在本研究中，我们讨论了云的各种元素，这些元素对总能量消耗有贡献，以及在文献中是如何处理的。我们还讨论了这些解决方案对实现绿色云计算的未来研究方向的意义。该研究还解释了云用户在实现这一目标中的作用。
在无线网络的能源效率方面已经提出了许多工作;有线网络的能源效率最近才引起人们的注意。古普塔和辛格首先提出了互联网能源意识的问题。作者提出了互联网系统节能的想法，提出了可能的研究方向:让线路卡等子组件进入睡眠状态或以较低的速率为硬件时钟，改变路由以仅沿少数路由聚合流量，同时允许空闲路由上的设备进入睡眠状态，并以支持路由适应和睡眠的方式修改互联网拓扑。正如最近的调查所描述的那样，最近提出了几种技术，以提高网络的能源效率。虽然有许多其他分类是可能的，但绿色信息通信技术的研究可以分为以下几个分支:
测量和功耗模型:对于每个网络组件(硬件、软件/应用程序、网络流量)如何影响整体能耗，人们仍然知之甚少，而这对于节能系统和架构的设计至关重要。因此，对不同的网络设备进行了测量，建立了网络设备能耗模型
节能硬件:这一研究分支试图提出改进硬件以提高能源效率。自适应链路速率(ALR)、通过动态电压缩放(DVS)改变开工率以及启用睡眠模式正在研究中，以实现能量比例的理想情况。
节能路由和网络管理:在这一类别中，研究的重点是通过修改网络状态和路由策略来节省潜在的能源，这取决于对网络功耗行为的不同假设。换句话说，本研究领域是基于前两个研究类别的结果和趋势。重点是量化在不同硬件和功率模型条件下可能的节能，并提出网络能源优化算法。本研究的研究工作就属于这一类，因此对相关提出的方法进行了广泛的分析。

方法
这个问题的一个非常重要的方面是首先测量和建模网络和云组件的功耗。从这些测量可以看出，基本系统是最大的消费者，所以最好在给定的存在点(PoP)最小化机箱的数量，并最大化每个机箱的卡片数量。然后，基于不同配置和运行条件的系统，建立了路由器功耗的通用模型。该模型反映了对机箱、已安装线路卡和设备上的流量配置文件所需功率的依赖关系，应用于一组网络拓扑和流量矩阵。
节能硬件:在这一类别中，一些作品考虑了个人电脑、交换机或路由器层面的硬件变化，以实现节能。第一种方法是基于单个链路的利用率进行速率调整。这些性能状态试图通过降低工作的处理速率来减少主动处理包时消耗的能量。第二种方法使网络接口在空闲期间进入睡眠状态。睡眠状态试图减少在没有数据包的情况下消耗的能量。为了实现这种方法，引入了少量的缓冲，从而减缓了突发和延迟。根据结果，睡眠和速率调整都可以显著节省能源，两者之间的权衡主要取决于硬件功能的功率配置和网络利用率。另一种技术是接口代理，它将流量管理转移到专用实体。这个外部代理存储所有数据包和对请求的响应，使耗电的网络节点能够休眠更长的时间。IEEE工作组最近制定了IEEE 802.3az-2010标准，也被称为节能以太网(EEE)，该标准描述了实现链路休眠的节点机制，为相关政策的研究留下了空间。 As Ethernet is a widely adopted networking interface, a fraction of savings in the operation of Ethernet will translate in large overall energy savings. In the legacy Ethernet standards for interfaces of 100M and higher, the circuitry is required to remain powered up whether or not data is being transmitted. The reasoning behind this was that the link must be maintained with full bandwidth signalling so that it is ready to support data transmission at all times. When there is no data they transmit an auxiliary signal called IDLE, used to align transmitters and receivers. This active idle state results in comparable power consumption regardless of whether there is data on the link. Moreover, as the complexity of the interfaces increases for larger data rates, the power consumption also increases significantly. Moreover, the majority of the presented approaches, present specific cases of network routing policies and hardware capabilities, i.e. sleep modes, adaptive rates etc, which could become obsolete in case future hardware design follows different direction. In contrast, in this work the problem of a given packet network, with given hardware capabilities and power consumption characteristics is first presented and a generalized model for energy efficient routing control is built. Having in hand the network model, a gradient descent optimization algorithm is used, in order to explore the potential savings from routing control. Several specific cases of power consumption characteristics and objectives are examined.
能源效率:在本节中，我们将介绍云计算能源效率的两种主要方法:云数据中心和云网络。第一个是最重要的，因为它消耗了云内部的大部分能量。因此，如果我们成功地提高了云数据中心的能源效率，这将意味着我们几乎已经将云环境转变为绿色环境。但我们不能忽视网络部分的影响;因此，我们试图为这一部分找到一个绿色的解决方案，并解决所有影响云能源消耗的趋势。
数据中心能源效率:正如我们之前提到的，数据中心是云计算中最大的能源消费者，它们消耗了大量的云电力，因此降低云数据中心的能源消耗可以实现更可持续和更节能的云计算。本节概述了节能数据中心的有效方法和方面。它将涵盖It设备、冷却系统(冷水机、泵和风扇)、空调、电力系统和能源。能源消耗分为两类，即IT和站点基础设施，两者消耗的能源总量几乎相等。站点和IT基础设施消耗的大部分能源分别用于冷却/空气系统和为服务器供电。与之前的因素相比，照明对能源使用的影响非常小。

结论与讨论
在这项研究中，我们将云计算作为IT企业部署其应用程序的可持续解决方案。然后，我们从经济和环境的角度对云计算作为IT行业的一个重要关注点，如何以更可持续的方式运行提出了关于可持续电能的问题。
讨论和假设:“绿色计算”领域还很年轻，它解决了计算的环境成本问题。这项研究强调了进一步探索的几个途径。研究中提出的温室气体减排议定书涵盖了广泛的潜在应用，但其他情况仍未得到解决。数据中心根据当地可再生能源的可用性、电力价格和估计的碳强度进行调整，或提供辅助服务，这些还没有纳入协议。当存在过量的云容量时，研究“周期窃取”或使用低于正常价格的现货实例等方法的足迹也是值得的。更好地了解来自设备生命周期运行阶段的高比例财务和环境成本的影响也将是有益的。其他研究人员试图降低最大电力消耗，以减少可能占电力账单相对较大比例的容量成本，但诸如基于增量成本的传输定价、使用可中断传输服务以及可能扣除重复或客户拥有的设备等方法，可能会大大降低位于可再生能源附近的数据中心的成本。应进一步探讨这些机会。评估在与不同区域的不同电网相连的数据中心同时提供辅助服务的影响也是有用的。
•当服务接近用户时，由于互联网延迟和带宽造成的影响较小，响应时间缩短。这表明，当我们有多个数据中心时，用户从离他们更近的数据中心接受服务，因此他们容忍的互联网延迟和带宽造成的影响更小，这导致更短和更好的响应时间。换句话说，数据中心的去中心化将提高性能。
•每个数据中心的数据中心传输成本下降，因为我们将数据中心分布在更靠近用户群的地方，因为每个数据中心的数据传输减少了，因为将人口划分到各个数据中心。
•我们了解到，我们使用虚拟化技术(VM)越多，我们就越能改善响应和处理时间，因此虚拟化在云计算中具有重要作用，即使我们增加数据中心但减少虚拟机，处理和响应时间也会相反地增加。
•处理时间可以通过在数据中心和虚拟化级别分别使用峰值负载共享和节流应用负载平衡来提高。
•通过节流在虚拟化级别应用负载平衡，可以改善响应时间。
•使用的虚拟机越多(整合率越高)，我们就越能节省能源成本和消耗。
•仅将虚拟化应用于IT基础设施并不能显著提高数据中心的能源效率。因此，必须将其应用于现场基础设施，以获得理想和可接受的能源成本和消耗节约。

期望出来和未来的工作
我们广泛的预期结果是，云计算的能源消耗需要被视为一个集成的供应链物流问题，其中加工、存储和运输都被一起考虑。使用这种方法，我们将展示云计算可以更高效地使用计算能力，特别是当用户的主要计算任务强度较低或不频繁时。然而，在某些情况下，云计算可能比传统计算消耗更多的能量，传统计算是每个用户在自己的PC上执行所有计算。即使采用了服务器虚拟化和先进冷却系统等节能技术，云计算也并不总是最环保的计算技术。
总之，通过简单地提高设备的效率，云计算不能被宣称是绿色的。从用户和供应商的角度来看，重要的是使其使用更加碳高效。云供应商需要减少云的电力需求，并在使用可再生能源方面采取重大措施，而不仅仅是寻求成本最小化。现实世界的系统通常分布在多个数据中心，这对能源的影响值得进一步考虑。使用KVM管理程序在虚拟机上运行测试，以评估迁移的能源开销。对于迁移过程中其他服务的可能开销，我们得出了结论，但是应该使用其他管理程序和其他云服务进行进一步测试，以验证它们的性能。还应该进一步探讨数据压缩和重复数据删除技术对迁移开销的影响。确定何时可以以低开销执行特定工作负载的迁移可以降低复制成本。将关于正在执行的每个应用程序的可迁移性的信息与关于其可延迟性的信息结合在一起，可能会在未来的服务定价中发挥作用。随着网络的能源比例越来越高，绿色路由技术的应用越来越广泛，应该更密切地评估与网络相关的能源成本和碳排放。

数字一览
图1
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参考文献









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