摘  要： 隨著4G時(shí)代的到來(lái)，IDC建設(shè)也愈發(fā)重要。在擴(kuò)展IDC能力的同時(shí)，能源消耗問(wèn)題也日益嚴(yán)重。以x86化、基于IaaS虛擬化以及優(yōu)化的Min-Min資源調(diào)度算法為主要依據(jù)，討論了以上技術(shù)在實(shí)現(xiàn)IDC節(jié)能化中起到的作用。

　　關(guān)鍵詞： 節(jié)能；IaaS；資源調(diào)度；IDC

0 引言

　　隨著4G產(chǎn)業(yè)的日漸壯大，電信業(yè)IDC的建設(shè)、擴(kuò)容、維護(hù)等一系列配套工程也面臨著所對(duì)應(yīng)的升級(jí)和改造。數(shù)據(jù)顯示，截止到2012年，中國(guó)移動(dòng)目前31省各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的主機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT基礎(chǔ)設(shè)施獨(dú)立建設(shè)和運(yùn)維，基礎(chǔ)設(shè)施資源沒(méi)有實(shí)現(xiàn)整合和共享，IT服務(wù)能力分散，服務(wù)器平時(shí)利用率不足50%[1]。傳統(tǒng)應(yīng)急式、分散式、煙囪式、蛛網(wǎng)式的建設(shè)模式所帶來(lái)的管理信息系統(tǒng)功能重復(fù)、成本高昂、流程割裂、接口不一等諸多問(wèn)題則加劇了這一情況。然而，由上述情況所引起的另外一個(gè)問(wèn)題——巨大能源消耗，則愈發(fā)嚴(yán)重。如何改進(jìn)IDC設(shè)計(jì)，如何合理利用IDC資源以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，成為了當(dāng)下熱點(diǎn)研究課題之一。

　　借助虛擬化技術(shù)和處理能力較強(qiáng)的x86機(jī)器，對(duì)IDC進(jìn)行改造成為可行的方法，本文分析討論兩種手段的可行性，并就引申的資源調(diào)度進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 現(xiàn)狀分析

　　從IDC能耗類型進(jìn)行區(qū)分，可以大致分為三類能源消耗[2]：物理機(jī)能耗、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗、其他能耗。對(duì)于物理機(jī)能耗，CPU、RAM、DAS等均為考量范圍；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能耗則集中在交換機(jī)、鏈路、路由器等；而空調(diào)、照明、風(fēng)扇等則列為配套設(shè)施能耗。時(shí)下，借助于云計(jì)算技術(shù)，對(duì)IDC進(jìn)行集中改造成為了諸多改進(jìn)PUE指數(shù)[3]的有效方案之一，本文以物理機(jī)能耗改進(jìn)為重點(diǎn)，研究可行的減小能耗方案。

　　1.1 服務(wù)器x86化

　　電信業(yè)發(fā)展之初，對(duì)于重要的業(yè)務(wù)系統(tǒng)基本上采用小型機(jī)進(jìn)行部署應(yīng)用。小型機(jī)具有先天的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)處理性能（以SPEC jEnterprise2010為測(cè)量基準(zhǔn)）和RAS性能上有著優(yōu)異的表現(xiàn)[4]。然而，隨著電信業(yè)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，小型機(jī)在各個(gè)方面的考量上已經(jīng)不能滿足時(shí)下需要。購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用昂貴，小型機(jī)由于操作系統(tǒng)復(fù)雜，需要有專業(yè)的維護(hù)人員進(jìn)行日常的設(shè)備維護(hù)；且小型機(jī)單機(jī)柜裝一臺(tái)特殊機(jī)柜，占地面積為780 mm×1 165 mm，每萬(wàn)tpmC需要22.71 cm2，占地面積較大[5]，單臺(tái)滿配1 000 W，半配時(shí)大于5 000 W，每萬(wàn)tpmC消耗25 W，能源消耗較大。

　　此外，基于電信業(yè)普遍的虛擬化、資源池化需求，小型機(jī)虛擬化技術(shù)目前仍然要與設(shè)備廠家綁定，不能實(shí)現(xiàn)跨廠家設(shè)備的虛擬化方案。相較于小型機(jī)，x86服務(wù)器則在節(jié)能、虛擬化等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

　　以x86刀片服務(wù)器、單機(jī)柜裝2框、共32片標(biāo)準(zhǔn)綜合柜為例，占地600 mm×1 000 mm，每萬(wàn)tpmC需要      9.375 cm2，能夠節(jié)省約60%的占地面積。能源消耗成本：?jiǎn)慰驖M配（16片+機(jī)框），消耗2 000 W，每萬(wàn)tpmC消耗6.25 W，相較小型機(jī)能夠節(jié)約75%的能源需求。

　　在虛擬化支持方面，x86服務(wù)器虛擬化技術(shù)目前較為成熟，在計(jì)算密集型應(yīng)用環(huán)境、開(kāi)發(fā)測(cè)試、單機(jī)計(jì)算能力需求較低或資源需求變化較大的環(huán)境中部署x86平臺(tái)的虛擬化應(yīng)用，可以提高服務(wù)器利用率、管理效率，能夠達(dá)到節(jié)約寶貴IDC空間和較少能源消耗的目的。

　　1.2 IaaS虛擬化

　　在傳統(tǒng)的IDC機(jī)房建設(shè)中，為了避免業(yè)務(wù)相互干擾，通常采用煙囪式系統(tǒng)搭建法，即單一物理機(jī)上部署業(yè)務(wù)系統(tǒng)。在隔離業(yè)務(wù)邊界的同時(shí)，也浪費(fèi)了大量的可用物理機(jī)能力資源，造成了能耗過(guò)大的問(wèn)題。而IaaS物理平臺(tái)即服務(wù)的提出，為解決這一問(wèn)題提出了一個(gè)好的契機(jī)。

　　整體來(lái)看，IaaS的實(shí)現(xiàn)是動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡和虛擬技術(shù)的綜合運(yùn)用，而目前就從架構(gòu)上來(lái)分析，分為兩大類虛擬化技術(shù)[6]，如圖1所示。

　?。?）裸金屬類型虛擬化技術(shù)

　　該類型虛擬化技術(shù)是指直接在物理機(jī)上部署VMM，雖然這里稱為虛擬機(jī)，但其本質(zhì)上是具有OS功能的微型操作系統(tǒng)，通過(guò)在物理機(jī)和虛擬機(jī)之間架設(shè)資源映射，可以虛擬出N臺(tái)機(jī)器。目前，較為成熟的服務(wù)器虛擬產(chǎn)品有VMware的ESX、微軟的Hyper-V以及開(kāi)源的Xen。

　　（2）寄居型虛擬化技術(shù)

　　寄居型虛擬化技術(shù)相較裸金屬虛擬化的結(jié)構(gòu)而言，在物理機(jī)與VMM之間多了一層HOST OS層，即在已有的操作系統(tǒng)中安裝VMM，VMM指令通過(guò)操作系統(tǒng)與底層進(jìn)行互操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的假設(shè)。比較常見(jiàn)的產(chǎn)品是VMware的VMware Workstation。顯而易見(jiàn)，在操作系統(tǒng)上搭建VMM是比較浪費(fèi)物理機(jī)資源的一種虛擬化方式。但由于所有的VM都運(yùn)行在同一個(gè)操作系統(tǒng)中，因此，管理起來(lái)統(tǒng)一方便。

　　上述兩種IaaS涉及的虛擬化技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于IDC來(lái)講，主要采用第一種方式，即裸機(jī)型虛擬化技術(shù)，最大程度地對(duì)物理機(jī)進(jìn)行資源利用，綜合統(tǒng)計(jì)，CPU利用率從平均不到10%提升到55%以上，整體能夠提升利用率至60%~80%，利用率的提升，意味著用更少的機(jī)器做更多的事情，在節(jié)省成本的同時(shí)，節(jié)能減排，符合創(chuàng)建綠色I(xiàn)DC宗旨。

2 基于Min-Min的算法優(yōu)化

　　上一節(jié)中，從IDC的服務(wù)器x86化和IaaS虛擬化兩個(gè)方面討論了機(jī)房節(jié)能的可行性和技術(shù)細(xì)節(jié)，然而，有一個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有能夠詳細(xì)論述，即當(dāng)以上兩種手段都應(yīng)用時(shí)，面對(duì)業(yè)務(wù)調(diào)度合理化、新的業(yè)務(wù)上線、舊業(yè)務(wù)替換、閑置物理機(jī)待停等問(wèn)題并沒(méi)有合適的解決方案。本節(jié)以Min-Min算法為基礎(chǔ)，針對(duì)IDC機(jī)房節(jié)能需求進(jìn)行相應(yīng)的算法改造優(yōu)化，完成IaaS中的資源調(diào)度優(yōu)化。

　　2.1 Min-Min算法簡(jiǎn)介

　　Min-Min算法的整體思想是通過(guò)計(jì)算任務(wù)集合  T<t1，t2，…，tn>中的資源消耗值，取出最小消耗的任務(wù)tm，將其映射到執(zhí)行最快的機(jī)器上執(zhí)行，整個(gè)任務(wù)集合按照FIFO的原則進(jìn)行任務(wù)分配執(zhí)行，直到所有任務(wù)執(zhí)行結(jié)束。相較于Min-Min算法，ECMM雖然能夠?qū)⒖臻eCPU休眠，但卻增加了任務(wù)就緒時(shí)間。而優(yōu)化的Min-Min算法并不存在此問(wèn)題。

　　針對(duì)于IDC中的服務(wù)器而言，在進(jìn)行資源池化后，與VM對(duì)應(yīng)的并不是任務(wù)而是應(yīng)用。這里，需要針對(duì)應(yīng)用的資源消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再合理分配VM，以充分利用服務(wù)器能力，減少能源消耗。下面就以IDC節(jié)能為目的，對(duì)Min-Min算法進(jìn)行特性化優(yōu)化。

　　2.2 Min-Min算法優(yōu)化

　　這里，為了簡(jiǎn)化論證，假設(shè)所有虛擬機(jī)與上面承載的業(yè)務(wù)應(yīng)用為一對(duì)一關(guān)系，即每一個(gè)VM上運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用。相對(duì)于云計(jì)算平臺(tái)市場(chǎng)變化的服務(wù)型應(yīng)用，IDC中部署的應(yīng)用大多數(shù)較為穩(wěn)定，除去版本更迭、新舊替換、新增資源外，少有其他變動(dòng)。

　　優(yōu)化的Min-Min算法分為兩個(gè)層次，即VM層面的遷移和應(yīng)用任務(wù)層面的遷移。算法的具體步驟如下：

　?。?）按照物理機(jī)性能，將虛擬機(jī)能力進(jìn)行排序，得到集合V<v1，v2，…，vn>，排序時(shí)參照物理機(jī)的CPU、RAM、啟用時(shí)間、tmpC能力。

　　（2）對(duì)一段時(shí)間內(nèi)（以一月為例）的應(yīng)用任務(wù)所需要消耗的資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依照Ctotal=Ccpu+Cram+Cio，其中Ctotal指應(yīng)用需要的總資源消耗，Ccpu指平均CPU占用率，Cram指內(nèi)存使用量，Cio指IO消耗，然后，得出應(yīng)用資源消耗集合C<c1，c2，…，cn>（進(jìn)行排序時(shí)，可以同時(shí)參考應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)別），對(duì)應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)集合A<a1，a2，…，an>。

　?。?）對(duì)于任務(wù)集合A<a1，a2，…，an>，如果其為空，則將全部物理機(jī)待機(jī)；否則，將其按照順序遷移到V<v1，v2，…，vn>；若遷移數(shù)量為m，則將剩余的n-m臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行待機(jī)操作（n>m）。

　?。?）每新增、更新、刪除應(yīng)用任務(wù)，需要對(duì)應(yīng)用集合A<>以及消耗資源集合C<>進(jìn)行更新；同理適用于物理機(jī)器。

　　（5）定期或者動(dòng)態(tài)重復(fù)以上步驟。

　　通過(guò)優(yōu)化的Min-Min算法對(duì)應(yīng)用任務(wù)和虛擬機(jī)之間不定期進(jìn)行資源映射，可以有效地利用物理機(jī)性能，并能夠?qū)﹂e置虛擬機(jī)/物理機(jī)進(jìn)行待機(jī)操作，避免空轉(zhuǎn)。

　　2.3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

　　試用CloudSim對(duì)優(yōu)化的Min-Min算法進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，對(duì)于應(yīng)用任務(wù)從100~500的情況下，相比較基于ECMM能源消耗情況來(lái)看，總體上能夠節(jié)約60%以上的能源。

3 結(jié)論

　　本文綜合討論了基于IaaS的云資源調(diào)度優(yōu)化，涉及了小型機(jī)的x86化，服務(wù)器資源池化，并討論了優(yōu)化的Min-Min算法減少能源消耗的能力。同時(shí)，本文也提出了可以優(yōu)化的區(qū)域：（1）Unix服務(wù)器虛擬化技術(shù)，Unix服務(wù)器目前仍然與設(shè)備廠家綁定，不能實(shí)現(xiàn)跨廠家設(shè)備的虛擬化方案，建議小型機(jī)分區(qū)虛擬化的應(yīng)用，利用動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)提高資源調(diào)控靈活度；（2）桌面云技術(shù)，在CRM營(yíng)業(yè)廳、呼叫中心云桌面試點(diǎn)中，采用小能耗的瘦終端桌面虛擬化方案替代原有PC終端；（3）IDC其他設(shè)備，鼓勵(lì)采用具有更高能效比供電、空調(diào)設(shè)備，在完成同等工作量的條件下減少電能消耗；（4）分布式計(jì)算在數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用任務(wù)中的應(yīng)用。

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