浅析云计算节能技术与应用付飞威睿信息技术(中国)有限公司北京100190摘　要云计算技术发展为数据中心节能减排提供了新的技术保障，本文梳理了云计算技术体系下节能减排的关键技术，并对数据中心服务器整合过程中的能耗进行统计分析。

关键词云计算；虚拟化；节能技术；服务器整合；数据中心前言随着云计算的深入发展，全球各大运营商纷纷将云计算的虚拟化技术引入到数据中心，数据中心经过虚拟化之后，带来的益处是显而易见的。

降低总体运营投资，体现在各个方面，主要包括：1)节能减排，降低整体运营成本。

通过进行服务器整合，遏制了服务器数量的增长，减少了IT设备的采购量，因此会大幅降低设备运行所带来的隐性成本消耗，同时也减少了环境污染，达到了“节能减排”的效果。

2)安全可靠，提升业务系统稳定。

通过虚拟化技术，可以搭建虚拟化集群，通过虚拟化的高可靠性功能，使得应用系统的业务连续性得到更高的保障。

3)灵活部署，提高运维管理水平。

虚拟化技术给企业带来的另一个好处就是管理的便捷性。

由于在IT基础架构方面可以动态调整，资源的使用可以非常灵活调配，因此给IT管理带来质的飞跃，与传统的IT管理相比，大大降低了运营维护的难度，从运维角度来看，会提高管理人员的生产效率。

1服务器虚拟化中的关键节能技术近年来X86服务器性能不断提升，使得X86服务器虚拟化得以充分发展，在服务器虚拟化过程中，通过一系列技术将节能减排落到了实处。

1.1虚拟化与虚拟机定义在计算机科学中，虚拟化(Virtualizatio n)是一个表现逻辑群组或电脑资源的子集的进程，用户可以用比原本组态更好的方式来存取这些进程。

这些资源的新虚拟部份是不受现有资源的架设方式、地域或物理组态所限制。

一般所指的虚拟化资源包括计算能力和资料储存。

虚拟机(V irtual Machine或VM)是可以像真实机器一样运行程序的计算机软件实现[1]。

1)平台虚拟化。

将操作系统和硬件平台资源分割开来，采用完全虚拟化，敏感指令在操作系统和硬件之间被捕捉处理，客户操作系统无需修改，所有软件都能在虚拟机中运行。

●硬件辅助虚拟化，利用硬件(主要是CPU)辅助处理敏感指令以实现完全虚拟化的功能，客户操作系统无需修改。

●部分虚拟化，针对部分应用程序进行虚拟，而不是整个操作系统。

●准虚拟化/超虚拟化(paravirtualization)，为应用程序提供与底层硬件相似但不相同的软件接口，客户操作系统需要进行修改。

●操作系统级虚拟化，使操作系统内核支持多用户空间实体。

如图1所示，在传统物理机上，架构平台虚拟化软件层，将物理机进行虚拟化，实现1(物理机)to N(虚拟机)的虚拟机。

㰮㰮图1物理机、平台虚拟化及虚拟机关系2)应用程序虚拟化，在操作系统和应用程序间建立虚拟环境、便携式应用程序，允许程序在便携式设备中运行而不用在操作系统中安装。

●跨平台虚拟化，允许针对特定CPU或者操作系统的软件不做修改就能运行在其他平台上。

●虚拟设备，运行于虚拟化平台之上，面向应用的虚拟机映像。

●模拟器。

1.2X86服务器的虚拟化整合X86服务器虚拟化的整合是指X86服务器通过虚拟化技术，得以将多台服务器由一台性能更高的X86服务器替代，原有各服务器在更高性能的服务器上，以虚拟机方式体现[2]。

对服务器整合比定义按如下计算方法：服务器的整合比=虚拟化之前的物理服务器数量/虚拟化之后的物理服务器数量服务器经过虚拟化进行整合之后，可以大幅度减少服务器数量，从而达到节能目的。

此外，对于数据中心来说，还可以在其他方面带来更多好处，比如节省数据中心的机房空间、服务器机柜/架、线缆、外围设备(空调、网络交换机)等。

在对服务器进行整合时，需要考虑服务器的计算能力，即整合之后，高性能服务器的计算能力之和必须大于整合前全部服务器计算能力总和，通常还需要留有一定余量的计算能力，这是出于满足系统高可用性的考虑。

1.3虚拟资源池在云计算环境下，资源不再是分散的硬件，而是将物理服务器经过整合之后，形成一个或多个逻辑上的虚拟资源池，共享包括计算、存储、网络资源。

资源池可以委派对主机(或群集)资源的控制权，在使用资源池划分群集内的所有资源时，其优势非常明显。

可以创建多个资源池作为主机或群集的直接子级，并对它们进行配置。

然后可向其他个人或组织委派对资源池的控制权[3]。

虚拟资源池如图2所示。

2E b u btu psf Ebu btu p s f E bu b tu psf3o图2虚拟资源池使用资源池具有下列优点：1)提供灵活的层次结构组织。

①根据需要添加、移除或重组资源池，或者更改资源分配。

资源池之间相互隔离，资源池内部相互共享。

②顶级管理员可向部门级管理员提供一个资源池。

某部门资源池内部的资源分配变化不会对其他不相关的资源池造成不公平的影响。

2)访问控制和委派。

顶级管理员使资源池可供部门级管理员使用后，该管理员可以在当前的份额、预留和限制设置向该资源池授予的资源范围内进行所有的虚拟机创建和管理操作。

委派通常结合权限设置一起执行。

3)资源与硬件的分离。

如果使用的是已启用动态资源调度(DRS，Dynamic Res ource Schedul)的群集，则所有主机的资源始终会分配给群集。

这意味着管理员可以独立于提供资源的实际主机来进行资源管理。

如果将三台2GB主机替换为两台3GB主机，无需对资源分配进行更改，分离的特点可使管理员更多地考虑聚合计算能力而非各个主机。

管理运行多层服务的各组虚拟机——为资源池中的多层服务进行虚拟机分组。

无需对每个虚拟机进行资源设置，相反，通过更改所属资源池上的设置，您可以控制对虚拟机集合的聚合资源分配。

例如，假定一台主机拥有多个虚拟机。

营销部门使用其中的三个虚拟机，QA 部门使用两个虚拟机。

由于QA 部门需要更多的CPU 和内存，管理员为每组创建了一个资源池。

管理员将QA 部门资源池和营销部门资源池的CPU 份额分别设置为高和正常，以便QA 部门的用户可以运行自动测试。

CPU 和内存资源较少的第二个资源池足以满足营销工作人员的较低负载要求。

只要QA 部门未完全利用所分配到的资源，营销部门就可以使用这些可用资源。

图3中的数字表示为有效的、可分配的计算资源。

V M -QA 1V M-QA2VM-M a rke tin g 1V M -Ma r ke tin g 2VM-Marke tin g 36GHz 3GB4GHz 2GB2GHz 1GB图3虚拟资源池有效分配示例图3中RP -Q A 表示Q A 部门分配的资源池，RP -Marketing 表示Marketing 分配的资源池，VM 字样开头的图示表示不同的虚拟机。

1.3.1动态资源调度(D R S)在资源池中，采用动态资源调度技术，将同一资源池中的虚拟机和主机集中调度，可以实现负载均衡、电源管理、关联性规则功能。

从节约能耗出发，可以通过电源管理与关联性规则结合，将符合节能策略规则的虚拟机迁移到其他主机上，从而通过电源管理，将空闲的主机关机，并在需要的时候，通过电源管理唤醒开启主机。

整个过程涉及到多项技术共同协作，包括动态资源调度中的电源管理、关联性规则、虚拟机在线迁移。

1)电源管理。

资源池可以根据资源利用率来打开和关闭主机电源，从而减少其功耗。

通过监控内存和CPU 资源的资源池中所有虚拟机的累积需求，并将其与资源池中所有主机的总可用资源量进行比较，如果找到足够的额外容量，则会将一台或多台主机置于待机模式，并将其虚拟机迁移到其他主机，然后关闭其电源。

相反，当认为容量不够时，DRS 会使这些主机退出待机模式(将它们打开电源)，并使用在线迁移技术将虚拟机迁移到这些主机上。

当进行这些计算时，资源池的DRS 不仅考虑当前需求，而且还会考虑所有虚拟机的资源预留。

资源池的DRS 可以使用三个电源管理协议之一使主机退出待机模式：智能平台管理界面(IP MI)、Hewlett-Packard In teg rated Lights-Out(iLO)或Wake-On-LAN (WOL)。

每个协议均需要其各自的硬件支持和配置。

如果主机不支持以上任何协议，则无法通过电源管理将其置于待机模式。

如果主机支持多个协议，则将按顺序使用协议。

电源状况(主机打开电源或关闭电源)应当按优先级进行分配。

优先级分类的依据为：DRS 资源池内资源的过度利用或利用率不足，以及预期对主机电源状况的改善。

具体比如：优先级1的建议是强制性的，而优先级5的建议仅带来轻微改善。

如图4所示，当物理服务器计算负荷较低时，电源管理(DPM)通过调用资源池的DRS 策略，将低负荷服务器上的虚拟机，迁移至其他服务器，然后将低负荷服务器调入至待机模式或节电模式，从而达到节省服务器耗电目的。

图4电源管理2)关联性规则。

关联性规则是用于管理和控制主机上的虚拟机的放置位置。

通常会包含两种类型的关联性规则：一是用于指定虚拟机组和主机组之间的关联性或反关联性。

关联性规则规定，所选虚拟机DRS 组的成员可以或必须在特定的主机DRS 组成员上运行。

反关联性规则规定，所选虚拟机DRS 组的成员不能在特定的主机DRS 组成员上运行。

二是用于指定各个虚拟机之间的关联性或反关联性。

指定关联性的规则会使DRS 尝试将指定的虚拟机一起保留在同一台主机上(例如出于性能考虑)。

根据反关联性规则，DRS 尝试将指定的虚拟机分开，例如，当一台主机出现问题时，将不会同时丢失两台虚拟机。

1.3.2实时迁移迁移是指将虚拟机从一个主机或存储位置移至另一个主机或存储位置的过程。

实时迁移是将已打开电源的虚拟机移至新的主机。

通过实时迁移，可以在不中断虚拟机可用性的情况下将虚拟机移至新的主机。

如图5所示，在多个主机连接到相同的共享存储前提下，可以支持实时迁移虚拟机，从一台主机迁移至另一台主机，在迁移过程中，不会影响到迁移虚拟机的正常通信以及其上的应用。

图5实时迁移示例2节能技术的应用与能效分析2.1节能技术应用有了上述有关X86服务器虚拟化中的节能技术，则可以在数据中心具体应用这些技术，达到节约能耗的目的。

具体应用环节如下：①首先将数据中心的低配置或服务到期的X86服务器进行整合，以高性能服务器替代；②将整合的高性能服务器进行资源池化；③资源池采用动态资源调度，定义计算资源的高、低阈值；④在资源池内设定虚拟机和主机的关联性则；⑤对资源池内的主机启用电源管理；⑥制订资源调度策略和电源管理策略，定义业务忙时，主机负载的高、低阈值[4]。

这样在业务非忙时阶段，通过实时迁移，将负载低的主机上的全部虚拟机迁移至其他未达到负载上限的主机，并控制将空闲下来的主机进入待机模式，而在业务忙时到来前，将待机模式的主机唤醒启动，通过实时迁移，将一部分虚拟机迁移至已经启动尚处于空闲状态的主机上。