云計算環(huán)境下的網絡服務器集群節(jié)能技術研究和綠色配置策略設計.pdf

1、隨著社會對云計算需求的持續(xù)擴大,規(guī)模巨大的數(shù)據(jù)中心不斷被建立,而維護其運行需要大量的能量。隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和價格的飛漲,維護運行數(shù)據(jù)中心的費用將會超過購買系統(tǒng)硬件的費用。因此如何高能效地運行數(shù)據(jù)中心是一個亟待解決的問題。近年來的研究熱點是基于“綠色”配置理念,即使得數(shù)據(jù)中心的能量消耗與系統(tǒng)負載成正比。然而,當前的云計算數(shù)據(jù)中心(比如HOTMAIL和微軟研究院)也遠達不到這個目標,甚至系統(tǒng)空閑時的能量消耗也達到其峰值的一半左右。由于

2、面向云計算的數(shù)據(jù)中心一般由大量服務器組成,一種廣泛被國內外學者接受的有效綠色配置方式,是使用軟件動態(tài)的調整活躍服務器數(shù)量與系統(tǒng)負載相匹配;在進行系統(tǒng)任務調度時進行合理的分配負載使得某些服務器,在較低負載時間段內無需承擔任何任務進程,從而進入低功耗模式以節(jié)約能源。本文的研究對象為同構服務器組成的數(shù)據(jù)中心,將其服務運行過程劃分為若干時間周期,根據(jù)每個周期內的負載信息基于歷史統(tǒng)計或在線預測獲得,將“綠色配置”策略分為離線算法和在線算法。離線算

3、法適用于每個周期負載已知的情況,其最優(yōu)化結果一方面提供活躍服務器數(shù)量精準的評估,另一方面為在線算法設置了較好的預測基礎。
　　首先在任意周期內考慮操作能耗以及在相鄰周期之間考慮切換能耗,建立了數(shù)據(jù)中心能耗最小化數(shù)學模型;針對模型中出現(xiàn)的非線性約束,通過公式重建的方法進行簡化。作為后續(xù)討論最優(yōu)離線算法的基礎,首先對兩種特殊情況(無操作能耗和無切換能耗)下的最優(yōu)解進行討論,進一步引出一般情況下的最優(yōu)解特性,并給出了相關引理及證明過程。

4、
　　其次,給出了服務器綠色配置的最優(yōu)離線算法。算法基于整數(shù)動態(tài)規(guī)劃思想,一般具有指數(shù)復雜度。通過消除動態(tài)規(guī)劃中的遞推過程,其具有多項式復雜度。針對于不同負載變化趨勢的數(shù)值結果表明,所提最優(yōu)離線算法能保證能耗達到最小的同時計算過程平穩(wěn)。
　　最后,針對工作負載可能遇到的最差情況,設計了在線算法,該算法沿用了滾動時域控制的思想。通過仿真與最優(yōu)離線算法的結果進行比較,得出在線算法為近似最優(yōu)的結論。
　　保持合適數(shù)量的活躍服