云计算数据中心节能技术探析

云计算数据中心节能技术探析

郑贤清方行

上海宽带技术及应用工程研究中心上海200336

摘要：随着移动互联网、信息化的普及发展，云计算数据中心的重要性和基础性地位日益凸显，全球数据中心业务发展迅速。数据中心属于高能耗产业，平衡发展与节减排能的关系，已成为产业健康发展的必然要求。本文简单分析了云计算数据中心及其能耗问题，并探讨了相关的节能技术。

关键词：云计算；数据中心；能耗；节能技术

引言

随着云计算在世界各国的蓬勃发展，云计算数据中心也在全球范围内得到广泛部署。为保证对用户的服务质量，快速响应变得尤为重要，而快速响应依托于海量服务器的协同运作。然而，海量服务器使云数据中心能耗惊人，且当前云数据中心的资源利用率还处于较低水平，这无形之中就推高了云服务提供商的运营成本。因此，数据中心高能耗、高费用、高污染等问题在云计算数据中心日渐突出，如何降低能耗，实现节能减排，建设绿色节能数据中心是云计算数据中心发展过程中亟需解决的问题。

1云计算数据中心及其能耗简析

1.1云计算

云计算是在2007年率先由Google提出的。它是并行计算、分布式计算和网格计算的发展，是虚拟化、效用计算、将基础设施作为服务IaaS、将平台作为服务PaaS和将软件作为服务SaaS等概念混合演进并跃升的结果。因此，云计算是一个高级的逻辑抽象概念，是通过虚拟化技术来实现物理资源向逻辑资源转换的过程。目前，云计算还处于初期发展阶段，但它已使3G、物联网和移动互联网三网融合等在内的众多领域发生重大变革。全球计算机行业中最优秀、最大的企业都建立起了自己的云计算平台来谋求商业利益。如Google的GoogleApps、Amazon的弹性计算云EC2、IBM的“蓝云”计算平台、微软的WindowsAzure等云计算平台都在人们生活中扮演着越来越重要的角色。

1.2云计算数据中心

云计算数据中心是在传统的数据中心架构基础上，通过充分利用虚拟化和云计算等最新信息技术，满足企业数据安全标准并具有自我管理和自愈能力的智能数据处理中心，其中的机械、照明、电气和计算机系统旨在实现能源效率最大化和环境影响最小化。按其功能划分，数据中心可分成以下几个模块：IT设备、供电系统、冷却系统、其它部分：第一，IT设备，包括服务器、交换机和存储设备等，服务器数量在IT设备中占绝大多数的，也是最重要的，因为成千上万的服务器随时需要处理大量的的数据密集型业务，交换机在数据中心中起着桥梁的作用，使得整个数据中心的服务器得以互联，数据中心的海量数据则存储在高效、可靠的存储设备中；第二，供电设备采用不间断电源供应系统（UPS）来给数据中心提供不间断的电力，以满足数据中心7×24小时的工作需求，同时，还有一个柴油发电机组组成的备用电源，维持在相同的电压，当市电电源发生故障时立即激活柴油发电机组；第三，冷却系统由于数据中心拥有大量密集的IT设备，其产生的热量往往是不能靠其自身的散热系统来降温的，因此，额外的冷却系统是不可或缺的，CRAC装置是最常见的冷却设备，一些新型的数据中心还引入了自然冷源进行降温处理；第四，其它部分，主要是照明系统，为数据中心的管理者提供必要的光照服务。

1.3数据中心能耗问题

随着近几年云计算的飞速发展，作为其核心基础设施，数据中心也在进行不断得建设。数据中心的耗电量与日俱增，增长速度极快。从全球范围来看，ICT行业的总用电量大约占世界总用电量的10%，而作为ICT行业的耗电大户，全球数据中心用电量达到了全球总用电量的1.5%。从IDC发布的调研结果来看，如图1所示，数据中心的能耗问题，已经成为数据中心管理者目前所面临的最大挑战。

2云计算数据中心节能技术

2.1实现负载平衡

在云数据中心有着负载不同的服务器集群，主要可以分为负载过低服务器集群、负载过高服务器集群、负载正常服务器集群、空闲服务器集群（包含休眠或关闭服务器）。为实现整个云计算数据中心中的负载均衡。首先，应将负载过高主机的虚拟机优先迁移到负载正常的服务器集群中，若负载正常服务器集群不能再接收虚拟机的迁移，则将负载过高主机的虚拟机迁移到负载过低的服务器集群中；然后，再通过虚拟机迁移使负载过低服务器空闲最大化，从而使云计算数据中心中负载过高主机的负载回归正常，负载过低服务器空闲最大化。这样就实现了云计算数据中心中负载均衡最优化，并通过关闭或休眠空闲服务器有效降低能耗。虚拟机整合的过程可以分为两个步骤：第一步，使负载过高服务器集群负载均衡；第二步，使尽量多的负载过低服务器空闲。

2.2转变温控观念

企业在整合优化IT资源，提高数据中心资源利用率的同时，不可避免地要面对因为机柜平均承载功率的提高和IT设备负载的动态调配运行而形成的“动态高热密度环境”冷却问题。为提升制冷系统运行能效，数据中心的建设和运维人员应该对传统的“机房大环境温度控制”理念重新审视。当数据中心制冷系统由“以空调设备回风温度控制”转变为“与芯片运行温度关联”，其运行的总成本就会大幅下降。企业在数据中心基础设施建设规划阶段，就要考虑冷却管道在机柜行间的预先布置，机柜应具备接入各种制冷方案的能力，如空气冷却、侧方冷却、被动门，或者直接使用液体冷却的选择。做到每个机柜能适应5～40kW的容量变化，每个机柜平均可以扩展到28kW，这样就延长了数据中心的使用寿命，从基础设施负载角度看，数据中心不再是保持不变，而是根据IT设备部署需要实现动态调整。

2.3虚拟化技术及管理软件的应用

若云计算数据中心需要达到节约能耗的目的，需要采用先进的技术和合理的方式，可以通过以下三个方面来实现：第一，虚拟化技术，通过软件实现硬件“绿色节能”的一种有效手段，虚拟化技术是合并多台低端使用率比较低的IT设备到一台或少量的几台高端IT设备上运行，虚拟化可以提高系统适应性，提高IT设备的有效利用率，同时降低设备的使用能耗；第二，电源管理软件，IT设备的处理器都有的电源节流装置，可采用电源管理软件设置管理策略控制电源损耗，还可对设备进行监测、统计、控制电源消耗状况；第三，动环监控软件，环境设备监控软件具有对环境及空调设备、电气设备照明设备等进行显示、记录、计量、控制、报警、趋势分析和提示功能。

结束语

总而言之，在云计算及新型节能技术的推动下，数据中心呈现大规模、虚拟化、智能化、绿色化的特征，新建的大型数据中心普遍采用云计算技术，既具备云计算业务灵活的提供力，又具有显著的绿色节能特征，从而使云计算运营商通过良好的成本控制，获得显著的经济效益。

参考文献：

[1]郭宏伟.云计算数据中心节能关键技术分析[J].电信技术，2013，11：37-39.

[2]张慧珍，李长春，周培琴，赵利红.云计算数据中心节能技术研究[J].信息系统工程，2013，10：79-80+134.

[3]张小庆，贺忠堂，李春林，张恒喜，钱琼芬.云计算系统中数据中心的节能算法研究[J].计算机应用研究，2013，04：961-964+970.

注：课题编号：15DZ0501200

课题题目：模块化数据中心设计与节能评估的关键技术与共性技术标准研究。