基于服务器集群预留机制的高级云体系架构研究

摘要

当前信息领域的研究热点--云计算带动了整个商业模式的转变，延伸出了新的商业体系。对于终端用户来说，它宣告了低成本提供超级计算时代的到来，给用户、产业界及各国政府带来深远影响与变革。作为信息技术产业最深刻的变革，云计算以服务的形式向各种用户提供计算、存储等资源，形成了一种基于虚拟化的动态的、伸缩的计算资源使用新模式。与传统的基于桌面的计算资源使用模式不同，这种模式将计算、存储等资源转变为向用户提供公共服务的社会基础设施，真正实现了信息服务的透明化，并以其灵活、高效、低成本的运作方式成为推动21世纪产业绿色发展的重要引擎。
　　然而，信息技术产业碳排放量的全球占比的直线上升引起了专家的注意，特别是信息技术产业中的碳排放大户数据中心。据推测，2020年全球数据中心的碳排放量将达到2059亿吨，成为ICT碳足迹中增长最快的因素。数据中心作为基础设施为云计算服务发挥作用的重要场所，不但承载着巨大能源消耗，其大量排放的二氧化碳对环境的影响同样受到相关人员的关注。一个典型的云计算数据服务中心包括数千台服务器，其消耗的电力包括有效电力和无效电力两大类，而后者占比极高，目前最好的数据服务中心的服务器设计方案的无效电力仍占65％以上。随着云计算技术的广泛应用，云计算数据服务中心的能源消耗问题日益凸显，如何平衡供应商的成本与收益关系成为解决此问题的关键点所在。
　　本文从能源的角度研究了云计算数据服务中心电力消耗问题，主要做了以下工作：
　　(1)在云计算技术体系架构的基础上，提出了基于能源感知的高级云体系架构。该体系架构包括云用户/经纪人、绿色服务调度器、资源虚拟化、物理层等四个层次。
　　(2)以(1)中的绿色服务调度器层为研究出发点，引入预留机制提出了基于服务器集群预留机制的动态分配策略。该策略提出，数据服务中心包括服务主模块和服务预留模块两大服务器集群模块。云用户任务背叛率与处于运行状态的服务器数量成反比，而处于运行状态的服务器数量与电力消耗成正比，该策略能够有效确定服务主模块的服务器数量，使得云用户任务背叛与服务中心电力消耗达到最佳平衡状态。
　　(3)就服务器数据服务中心的电力消耗问题进行建模，详细分析了模型的电力消耗成本函数。
　　最后采用CloudSim云计算仿真工具对基于服务器集群预留机制的动态分配策略进行了仿真实验。实验表明：该动态分配策略能够平衡云用户的忍耐度和云供应商的电力消耗成本，数据服务中心在最大限度接收服务请求的前提下达到电力消耗最低点，从而其效益也达到最高点。