基于虚拟机的数据中心能耗管理机制:数据中心能耗分析

　　中图分类号：TN915.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 (2012) 04-0015-004　　摘要：文章认为虚拟化技术的广泛应用使得数据中心的能耗管理复杂化，如虚拟机迁移和服务器整合时，迁移哪个虚拟机，何时迁移虚拟机，如何放置虚拟机，整合负载需要考虑哪些问题等。整理、分类分析当前虚拟化数据中心环境中的各种能耗，对于资源和虚拟机的全局管理、合理的放置虚拟机、动态的迁移虚拟机、整合服务器等具有重大意义。文章研究了数据中心节能机制，包括虚拟化数据中心中的全局调度管理、虚拟机初始放置和整合、虚拟机在线迁移策略，以及迁移整合时对网络通信量的考虑、迁移开销、虚拟机负载相关性等。
　　关键词：绿色计算；虚拟化；数据中心；性能和能耗管理；虚拟机迁移；服务器整合
　　Abstract:There are certain power management issues that must be considered when a data center is virtualized. These issues include where virtual machines (VMs) should be placed, when VMs should be migrated, and which VMs should be migrated. Sorting and classifying VMs according to energy consumption is essential for managing, placing and migrating VMs and for consolidating servers. In this paper, we focus on energy saving in a data center, including scheduling management, initial placement and consolidation, and online migration strategies. We also discuss network traffic, cost, and load when VMs are being consolidated.
　　Key words: green computing; virtualization; data center; performance and power management; virtual machine migration; server consolidation
　　绿色计算已成为最受关注的研究热点之一，尤其是随着云计算、网联网和移动互联网的快速发展和数据中心的大量新建，能耗问题越来越严重。虚拟化技术也由此被广泛应用在数据中心来减少成本、提高利用率、降低能耗。
　　1 数据中心能耗管理现状
　　1.1 数据中心的能耗问题
　　美国联邦环境保护署(EPA)报告[1]指出美国数据中心在2006年消耗了610亿千瓦时的电力，这足以供给580万家庭的生活用电，而到2011年相关能耗翻倍。高能耗增加了电力供给和冷却系统的开销。例如，一个30 000 m2，额定功率为10 MW，具有
　　1 000台每台功率为10 kW的机架的数据中心，每年的电费就是800万美元，散热用的空调系统将消耗200～500万美元[2]。高能耗自然也导致严重的环境污染问题。每1 000 kWh的功耗将排放0.72吨的CO2，美国数据中心在2006年就排放了4 400万吨的CO2。能耗问题目前已经成为阻碍大规模计算系统发展的因素之一，很多计划建设的数据中心因为没有足够的电力供应以及冷却系统的保证而被搁浅。
　　1.2 虚拟化技术
　　目前大部分的数据中心都采用虚拟化技术，尤其是云平台中虚拟化应用更为广泛。物理资源被划分为多个独立的称为虚拟机(VM)的逻辑域。每个VM可以运行一个独立的操作系统。从用户的角度看虚拟机像是运行在独立的物理机上，实质是多个VM共享同一个物理机。虚拟机监视器(VMM)负责控制资源多路复用和管理虚拟机。利用虚拟机技术，服务器虚拟化已经成为很多企业的基础架构。利用虚拟机迁移技术可以很便捷地进行服务器整合，将负载迁移聚合到少部分的服务器上，将其余的服务器关闭或者调节到低功耗的状态，从而实现节能。
　　1.3 功耗、能量和能效
　　功耗是以瓦特来度量，而能量的单位是瓦时。
　　减少功耗不一定会降低能量的消耗。比如降低CPU的频率可以减少功耗，但是运行同样的任务相应的执行时间可能会更长，总共消耗的能量可能差不多。
　　数据中心的能耗不仅仅是指服务器消耗的能量，还包括电力系统、冷却系统和照明的能耗。PUE[3]是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，因此提高能效更重要。虚拟化技术就是一种很好的解决方案，它使得多个VM共享服务器。
　　1.4 虚拟化环境下节能的挑战
　　虚拟化技术的应用本身将给能耗管理带来很多新的挑战和困难。主要由于VMM和VM之间的隔离和多个VM之间操作的独立性，使得各个软件栈之间信息不互通，尤其是具体应用程序对底层硬件不感知。在集群或数据中心中，虚拟机如何分配到各个服务器直接影响能效。不合理的VM放置策略会导致服务器地利用率或VM之间资源冲突。虚拟机迁移和服务器整合是重要的提高利用率和节能的方法，但这产生一系列相关问题：何时迁移、整合VM？迁移哪个VM？VM迁移到哪个结点?那些服务器开启?那些服务器关闭或者调节到低功耗状态？另外节能不能以牺牲性能为代价，必需在保证性能的同时实现节能才有意义。需要在服务质量(QoS)或服务等级协议(SLA)和能耗之间权衡。
　　2 数据中心节能机制
　　数据中心中用虚拟机执行任务的一般步骤是：