數據中心能耗約束的資源管理技術研究.pdf

1、隨著互聯網技術的迅猛發(fā)展，大量的網絡應用集中部署在數據中心內運行。網絡應用和用戶數量的飛速增長，導致數據中心的規(guī)模不斷擴大，甚至達到了百萬量級。能耗成為數據中心資源管理亟需解決的重要問題，也是近年來學術界、工業(yè)界研究的熱點。數據中心資源管理面臨高能耗、異構性和可擴展性等問題，如何在滿足應用服務質量的前提下，優(yōu)化同構型、異構型數據中心的能耗，是本文主要研究的能耗受限資源管理問題。
　　針對以上問題，本文介紹了數據中心能耗優(yōu)化、資源調

2、度等發(fā)展現狀，在深入分析谷歌數據中心真實負載記錄的基礎上，提出了面向同構型和異構型數據中心的規(guī)模動態(tài)供應技術，該技術能夠依據資源使用的歷史信息，準確預測下一時間段內所需的資源量，并求解出數據中心的最佳規(guī)模，有效優(yōu)化系統能耗；在數據中心規(guī)模確定的情況下，提出一種能耗與SLA懲罰代價感知的資源調度算法，通過資源的優(yōu)化配置，算法能夠降低數據中心的能耗；提出一種系統能耗受限的數據中心資源調度算法，優(yōu)化多種優(yōu)先級業(yè)務的平均調度延遲和響應時間。

3、r>　　本文主要貢獻包括以下四個方面：
　　1、提出一種同構型數據中心的規(guī)模動態(tài)供應技術(Homogeneous Datacenter Dynamic Capacity Provisioning, HmD-DCP)，通過動態(tài)控制活躍的服務器數量來優(yōu)化數據中心的能耗開銷。首先通過分析谷歌數據中心負載工作記錄，得到數據中心承載的應用特征等信息，作為后續(xù)研究的基礎。針對大規(guī)模數據中心存在的能耗巨大的問題，設計了一種規(guī)模動態(tài)供應體系結構，

4、該體系結構基于以下三個因素實現數據中心的規(guī)模調節(jié)：隨時間變化的應用業(yè)務資源需求、動態(tài)變化的電能價格、動態(tài)配置數據中心規(guī)模所帶來的開銷（開/關服務器可能會導致服務器故障）?；谠擉w系結構，本文提出一種基于ARIMA（Auto-Regressive Integrated Moving Average,自回歸差分滑動平均模型）的計算資源預測算法，該算法借助于MPC控制框架，求解出數據中心最佳規(guī)模，平衡數據中心的能耗開銷、違反SLA的懲罰開銷和

5、重配置規(guī)模帶來的開銷，最后使用谷歌數據中心負載記錄數據進行模擬實驗，說明HmD-DCP方法可以降低多達18％的能耗開銷，且能滿足SLA要求。
　　2、提出一種異構型數據中心的規(guī)模動態(tài)供應技術(Heterogeneous Datacenter Dynamic Capacity Provisioning, HtD-DCP)。主要解決在異構型數據中心環(huán)境下，如何動態(tài)地配置數據中心的規(guī)模，使得該數據中心能夠在保證服務質量(Quality

6、of Services, QoS)的前提下有效地降低能耗開銷。首先分析谷歌數據中心負載工作記錄，得出數據中心具有服務器異構性、應用對資源需求異構、應用對性能要求異構等特性。設計了一種規(guī)模動態(tài)供應體系結構，該體系結構基于以下因素實現數據中心的規(guī)模調節(jié)：未來一段時間的資源使用量、違反SLA的懲罰代價。綜合考慮能耗開銷和服務質量兩方面，對異構型數據中心的規(guī)模動態(tài)供應問題進行建模，將異構型數據中心劃分為多個子系統（每個子系統由相同類型的服務器組

7、成），從而將異構型數據中心規(guī)模動態(tài)供應問題轉化成多個同構型數據中心規(guī)模供應問題，通過問題轉化求解出各子系統需要配置的最優(yōu)活躍服務器數量。模擬實驗表明HtD-DCP方法可以有效地降低數據中心的整體能耗，并保證數據中心對外提供的服務質量。
　　3、提出一種能耗與SLA(Service Level Agreement,服務等級協定)懲罰代價感知的計算資源動態(tài)調度算法（CA算法）。系統功耗、SLA懲罰代價是組成異構型數據中心計算資源動態(tài)調

8、度問題的主要因素，功耗是單位時間內的能耗，直接反映能耗，本文分別對系統功耗和SLA懲罰代價建立數學模型，并通過理論分析和推導證明異構型數據中心計算資源動態(tài)調度問題是NP完全的。針對該問題，本文基于貪心算法的思想，提出一種能耗與SLA懲罰代價感知的資源動態(tài)調度算法，并通過實驗與兩種典型的調度算法（首次適應算法和能耗感知算法）進行對比。實驗結果表明:(1)在負載較輕情況下，CA算法能夠在保證服務質量的情況下，相比于首次適應算法和能耗感知算法

9、，使系統能耗進一步下降3.3%;(2)在負載較重情況下，CA算法在能耗和性能上與這兩種典型的調度算法相當。
　　4、提出一種適用于系統能耗受限的數據中心資源調度算法。由于能耗難以精確度量，本文基于功耗對系統能耗受限的數據中心資源調度問題進行描述和建模，提出一種基于公平調度的資源調度算法，FS（Fair Scheduling）算法。該算法通過引入調度權值和放置權值兩個參數，優(yōu)化多種優(yōu)先級業(yè)務的調度。實驗結果表明，在輕負載場景和重負載