云计算节能关键技术在IT支撑系统的应用

宫大鹏 雷蕾 赵参 冯静芳 陈卓

摘 要 云计算对于IT界来说是一场技术上的革命，成为IT行业未来的发展方向是毋庸置疑的。在这个倡导节能减排的时代，数据中心的节能减排则需要云计算技术来保驾护航。本文主要介绍在云计算技术体系下节能减排的关键技术，通过调查、分析IT支撑系统云计算管理平台的现状，提出了云计算数据中心节能关键技术在IT支撑系统中的应用原则和建设方案。

【关键词】云计算 数据中心 节能关键技术 IT支撑系统 动态资源调度 动态能耗管理

云计算技术的发展越来越好，建设数据中心所需要的IT设备也越来越多，数据中心的规模正在逐渐步入大型化，能耗也就成了数据中心不可忽视的问题。2011年开始，在IT支撑系统中引入云计算管理平台开始盛行，在经过虚拟化和云平台的建设之后，给数据中心带来的益处是有目共睹的。与此同时，支撑云平台的硬件规模得以快速发展，如何实现能源的合理利用是人们面临的一大挑战。

在数据中心的运营中，降低总体运营成本的方法有很多种，通常主要包括以下几个方面：

引入虚拟化等技术，提高资源的利用率，从而降低数据中心的整体运营成本；通过构建虚拟化资源池，实现物理服务器和应用的解耦，应用可以在池内漂移；灵活部署，提升运维管理效率。

本文首先阐述云计算的关键节能技术，分析云计算节能关键技术在IT支撑系统的应用原则和建设方案，总结云计算节能技术的能效分析。

1 云计算的关键节能技术

首先将物理资源进行整合，创建一个共享的资源池，其次根据系统当前负载、系统资源的使用情况，启用动态资源调度和智能电源管理，实现云计算环境下的节能减排。

1.1 服务器整合

由于硬件发展速度远远超过软件系统的发展速度，绝大多数情况下应用服务器的平均利用率非常的低。服务器虚拟化技术的出现，改变了这一现状。通常虚拟化有两种形式，即一虚多和多虚一。一虚多是将一台物理服务器抽象成多台相互隔离的逻辑服务器，多虚一是指多台物理服务器相互协作，处理同一个业务，即分布式计算。本文主要讨论的服务器虚拟化技术是指一虚多的形式。

原来一台物理服务器运行一套系统，虚拟化后一台物理服务器可以虚拟为多台相互独立的系统。经过虚拟化的整合后，物理服务器的数量明显减少，从而降低IT设备的总能耗。物理服务器数量的减少，不仅可以节省电力，还可以节省数据中心的机房空间、设备维保、空调制冷等资源。在服务器整合时，还要充分考虑系统的处理能力，即单台虚拟机的资源不能超过所在宿主机的资源上限，同时为满足系统的高可用性，还需要在资源池中提前预留一定量的资源做冗余。

1.2 动态资源调度

在资源使用过程中，需求与容量随着时间的变化，会有资源闲置和资源过载等情况，通过资源调度管理的优化，可以对资源进行动态地重新分配。

资源调度通常可分为侧重PaaS层的作业级调度和侧重IaaS层的设施级调度。作业级调度主要针对PaaS层具体的运行程序进行调度，是系统为作业分配资源及调度资源的过程。设施级调度是指将底层资源作为一种基础设施服务提供给用户，用户根据实际情况使用这些资源。

丰富的资源管理调度的策略为IT支撑系统的节能提供了有利支撑，目前IT支撑系统常用的资源管理调度策略包括基于负载的策略、基于填满的策略、基于分散的策略、基于高可用的策略、弹性扩展算法、负载均衡调整算法、预负载算法。

1.2.1 基于负载的策略

虚拟机优先安装于负载最轻的物理服务器之上，使应用程序的运行效率更高。在基于负载的策略下，影响主机部署优先级的因子有：主机负载。

1.2.2 基于填满的策略

虚拟机集中安装在数量尽量少的物理服务器上，最大化每个被使用的服务器利用率，一方面可以减少资源碎片，另一方面可以根据需求动态启动和关闭服务器，从而达到节能减排的目的。

1.2.3 基于分散的策略

虚拟机被分散安装在数量尽可能多的物理服务器上，这样可以降低物理服务器故障带来的影响，提高应用程序的运行效率。在基于分散的策略下，影响主机部署优先级的因子有：主机CPU容量、主机内存容量、主机优先级。

1.2.4 基于高可用的策略

将支持高可用性的物理服务器资源分配给关键业务，使提供更高的资源可用性。在基于高可用性的策略下，影响主机部署优先级的因子有：服务器类型。

1.2.5 弹性扩展算法

弹性扩展指在云应用提供服务期间实现支撑云应用的虚拟机实例个数动态的增加或减少，通俗地说就是在业务负载较高的时候启动较多的虚拟机实例，在业务负载较低的时候停止一些虚拟机实例。云应用集群的动态管理就是弹性扩展的一个典型用例。

1.2.6 负载均衡调整算法

资源负载均衡调整目的是保证云计算环境的计算平均分摊到各个资源上，提升整体资源利用率，并缩短任务执行时间。主要实现手段为：把池内负载高于“均衡负载阀值”的物理主机上绝对负载最轻的虚拟机迁移到池内负载低于“均衡负载阀值”的物理主机上，直到源物理主机的负载低于“均衡负载阀值”，同时也要保证目标物理主机的负载不得高于“均衡负载阀值”。

1.2.7 预负载算法

应用的负载通常具有一定的周期性，根据虚拟机负载的历史数据，分析虚拟机的负载高峰特征对虚拟机负载进建模，可以合理判断出应用高峰期的时间段并将高性能的物理服务器及时启动，将该应用迁移到高性能的服务器上，以便在高峰期时，可以提供高性能的服务。

1.3 智能电源管理

在IT支撑系统的资源池中，为了降低能耗，可以通过动态的资源调度來实现资源负载均衡，也可以把动态电源管理与关联性规则相结合，将符合节能策略的虚拟机从现有主机迁移到另外一台主机上，再通过智能电源管理，将空闲的主机关机。根据规则，当现有主机不足以支撑现有的业务时，可自动唤醒主机。

这个过程需要结合电源管理、关联性规则、在线迁移虚拟机多项技术共同协作来实现。根据资源的利用率，资源池可以动态的开启和关闭主机的电源，从而减少能源的浪费。通过动态监控资源池中所有虚拟机的资源负载，与资源池中所有主机的可用资源总量进行比较，如果有足够的额外容量，则可关闭某些主机使其进入待机模式。首先将待关闭的主机上的虚拟机迁移到仍有可用资源的其他主机，然后关闭其电源。相反，当认为容量不够时，动态资源調度功能模块会启动这些主机，然后通过在线迁移将虚拟机迁移到这些主机上。在这些资源的计算过程中，该功能模块在考虑当前需求的同时，也需要将预留资源考虑在内。

资源池的动态资源调度是使用电源管理协议令主机恢复在线状态：智能平台管理界面（IPMI）或Wake-On-LAN（WOL）。每个协议的实现离不开硬件的支持和配置。如果主机不支持电池管理协议，就不能通过电源管理将主机关机。如果主机的硬件和配置支持多个协议，则按顺序使用协议。

主机电源的打开和关闭操作应按照设置的优先级进行。优先级分类的依据为：资源池内资源的利用率过高或不足，以及预期对主机电源状况的改善。

当物理服务器计算负荷较低时，电源管理会调用动态资源调度策略，将低负荷服务器上的虚拟机，通过迁移技术迁移到仍有资源空间的服务器上，然后将低负荷服务器关机或进入节电模式，节省服务器耗电。

2 节能技术的应用与能效分析

2.1 节能技术的应用

通过在数据中心中应用云计算的关键节能技术，从而实现节能减排。具体应用环节如下：

（1）将数据中心的低配置或服务到期的服务器进行整合，以高性能服务器替代；

（2）整合高性能服务器进行资源池化；

（3）资源池采用动态资源调度，定义计算资源的高、低阈值；

（4）在资源池内设定虚拟机和主机的关联性规则；

（5）对资源池内的主机启用电源管理；

（6）制订资源调度策略和电源管理策略，定义业务忙时，主机负载的高、低阈值。

当业务不处于忙碌期时，通过实时迁移，将负载较低的主机上的全部虚拟机迁至其他未达到负载上限的主机上，将空闲下来的主机关机；而当业务进入忙碌期之前，唤醒待机的主机，将一部分虚拟机迁移至新启动的主机上。整个过程的实现可以手动控制，也可以设置按计划的执行策略，使之自动化控制。

2.2 能效分析

通过智能电源管理，可以降低数据中心运营过程中的主机功耗，因业务计算能力需求越高，能耗越高，而业务计算能力需求也会因为因业务的不同而有所区别。根据表1实际测试结果来看，在没有启用DMP的情况下，资源无法得到充分利用，且服务器总功耗高达1132W；在设置了合理的DMP阀值的情况下，虚拟机重新分配，空闲服务器下电，CPU、内存利用率相比之前有所提升，总功耗相比之前降低33%，具体对比结果如图1所示。因此通过系统动态电源管理，可有效的降低主机的总功耗，并且提升服务器资源利用率，实现节能减排。

以上的数据只是功耗的节省，整合服务器所能带来的能源节省还包括：机房占地、机柜/架空间、网络路由与交换设备、传输线缆等。

3 结束语

节能关键技术在支撑云平台的应用中，可以有效降低能耗。通过对入云业务场景进行梳理，对资源源调度依据、资源调度算法的研究，建立一个节能调度模型，并将其应用于支撑云平台业务，能够有效解决云计算环境下的节能减排问题。同时云计算节能关键技术资源调度策略的灵活性，在业务支撑系统领域具有较强的实用性，尤其是在系统数量多、机房空间紧张、能耗偏高、业务响应速度要求越来越高的情况下，可以大大提升资源利用率，合理控制用电量，显著提升经济效益。

作者单位

中国移动通信集团广西有限公司信息系统部 广西壮族自治区南宁市 530022