CN101819459B - 一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，要解决的技术问题是对异构对象存储系统架构下对象存储服务器进行功耗控制，以降低存储系统运行时的功耗。技术方案是根据异构对象存储系统中异构对象存储服务器中使用存储设备的不同，将对象存储服务器划分为两类。针对每类对象存储服务器定义不同的功耗级别，每隔固定时间获取每类存储服务器的使用情况以及功耗级别的设定情况，根据服务请求的变化对每类存储服务器实施功耗级别调整。采用本发明可以动态调整存储服务器的功耗级别，达到既控制对象存储服务器功耗，又避免对其产生过多性能影响的目的。

Description

一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法

技术领域

本发明涉及存储系统的功耗控制方法，尤指基于异构对象存储系统的功耗控制方法。

背景技术

存储系统是大规模并行计算机系统中的重要组成部分。异构对象存储系统基于对象存储架构，由元数据服务器，各种类型的对象存储服务器构成。元数据服务器为应用程序的存储请求提供元数据服务。各种类型的对象存储服务器采用不同类型的存储设备，提供具有不同特点的数据访问服务，满足不同类型应用程序的存储访问需求。原有的同构对象存储系统的对象存储服务器一般采用单一的同构存储设备，如磁盘阵列，或者普通磁盘等。异构对象存储系统中的存储设备类型更加多样，可以为不同类型的应用提供针对性的存储服务。这种从同构到异构的变化使得存储系统更具有服务灵活性，使得对应用的存储服务更具有针对性，从而提高存储系统的利用效率。异构对象存储系统中，不同类型的对象存储服务器上的数据都是活跃的，应用程序可直接访问。由于使用的不同的存储设备，不同类型对象存储服务器之间在提供的访问特性上存在不同。在现有的对象存储系统中，lustre支持异构对象存储，支持将不同类型的对象存储服务器进行功能区域划分，满足不同类型的对象存储服务器需求。

下面给出异构对象存储系统的构成。异构对象存储系统包括1-2台元数据服务器，多台异构对象存储服务器。对象存储服务器依据使用存储设备的不同，可以分成两类：1)使用磁盘阵列作为存储设备，2)使用磁盘作为存储设备。二者在功能特点、功耗特性上有所不同。磁盘阵列构建RAID(RedundantArray of Inexpensive Disk，廉价冗余磁盘阵列)，通过磁盘冗余的方式实现对数据的有效保护，具有较高的可靠性和可用性，可用来保存用户关键数据，如程序代码，文档等。磁盘在性能和数据的可靠性等方面和磁盘阵列存在差距，通常用来存放程序运行过程中的临时文件、中间结果文件以及检查点文件等。

功耗是大规模并行计算机系统设计中的重要问题，存储系统的功耗占据了其中相当的比例，针对存储系统的功耗优化具有重要意义。异构对象存储系统中，不同类型的对象存储服务器之间的特性差异使得针对存储系统的功耗优化具有相当的空间。

目前，大规模计算系统的功耗控制主要集中在处理器的功耗优化方面，包括处理器的动态电压和频率调节，通过对任务分配、调度等研究降低多处理器在计算过程中的功耗。对存储系统的功耗控制方法主要体现在存储设备级，包括设置设备休眠，调节设备转速，减少磁盘寻道次数等。此外，还包括针对数据备份服务器的功耗控制，在有备份需求时降低数据备份期间服务器的功耗。

针对异构对象存储系统特点，对对象存储服务器进行专门的功耗控制以降低存储系统功耗，节约系统运行所需要的能源具有重要意义。在异构对象存储系统中，元数据服务器数量较少，对整个存储系统功耗影响不大，一般不需对其进行功耗控制。对象存储服务器的处理器可以调整运行频率，降低运行功耗。磁盘阵列和磁盘也可以支持多种不同的功耗状态。处理器的多级频率设置和存储设备的多功耗模式可作为功耗控制方法的基本手段发挥作用。异构对象存储系统功耗控制可以将二者结合起来，根据实时的应用特点，提出功耗控制方法，目前尚未有公开文献涉及这方面的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，对异构对象存储系统架构下对象存储服务器进行功耗控制，达到降低存储系统运行时的功耗，减少存储系统的用电量，节约运行成本的目的。

根据异构对象存储系统中对象存储服务器使用的存储设备的不同，将对象存储服务器分为两类：使用磁盘阵列的和使用磁盘的。两类对象存储服务器的特点不同，功耗级别的设定是不相同的，使用的策略也不相同。对于使用磁盘阵列的对象存储服务器，其保存的数据重要程度较高，用户需要随时访问。为了保证服务请求的正常响应，在功耗级别改变时，采用较为严格的转换条件，并且保证存储设备不关闭，可以随时提供访问服务，称之为保守的功耗状态转换策略。使用磁盘的对象存储服务器用于存放程序运行时的临时数据，其功耗级别调整以功耗降低为优先目标，一旦存在功耗状态下调的可能，即会下调功耗级别，且磁盘出现空闲时，直接将其设置为关闭状态，称之为激进的功耗转换策略。

对象存储服务器的功耗调节手段包括处理器频率调节和存储设备功耗级别调节。通过对两种调节手段的组合进行功耗测试，获得不同组合下对象存储服务器的功耗值，并对功耗值进行排序，形成对象存储服务器的多个不同的功耗级别。定义对象存储服务器的功耗级别为：功耗级别对应对象存储服务器的一个处理器频率和一个存储设备功耗状态组合，以及对象存储服务器在该组合下的功耗值。功耗级别的调整表示处理器频率和存储设备的功耗状态发生变化，带来对象存储服务器功耗值发生变化。功耗级别上调是指选择一个处理器频率以及存储设备的功耗状态，使得对象存储服务器的功耗值升高。功耗级别下调是指选择一个处理器频率以及存储设备的功耗状态，使得对象存储服务器的功耗值降低。

对象存储服务器为大量计算节点提供存储服务。每个对象存储服务器以队列的方式来保存计算节点的服务请求，这个队列称为服务请求队列。服务请求队列的长度越长，表示对象存储服务器中等候处理的请求越多。

技术方案为：根据异构对象存储系统中异构对象存储服务器中使用存储设备的不同，将对象存储服务器划分为不同的种类。针对每类对象存储服务器定义不同的功耗级别，每隔固定时间获取每类对象存储服务器的使用情况以及功耗级别的设定情况，根据服务请求的变化对每类对象存储服务器实施功耗级别调整，降低整个存储系统运行过程中的功耗，实现对对象存储服务器进行功耗控制的目的。

具体技术方案为：

第一步，根据异构对象存储系统中对象存储服务器使用的存储设备的不同，将对象存储服务器分为两类：第一类为使用磁盘阵列的对象存储服务器，第二类为使用磁盘的对象存储服务器。

第二步：根据每类存储设备的特性和处理器所支持的多级频率，设定每类对象存储服务器所支持的功耗级别。具体包括：

2.1设定第一类对象存储服务器所支持的功耗级别，方法是：

2.1.1设处理器支持A₁个不同的频率，磁盘阵列支持B₁个不同的功耗状态，B₁个不同的功耗状态中不包括磁盘阵列的关闭，分别选择不同的处理器频率和磁盘阵列的功耗状态，得到A₁×B₁种组合。

2.1.2使用功率计测量对象存储服务器在A₁×B₁种组合情况下进行持续数据写操作时的功耗值。

2.1.3在A₁×B₁种组合中，如果有m(m＞1)个组合具有相同的功耗值，则将这些组合构造一个组合子集。

2.1.4使用顺序选择删除法，将组合子集中的组合数删减为1个。顺序选择删除法过程如下：

1)对m个组合，根据处理器频率由低到高进行排序；

2)在m个组合中只保留具有最低处理器频率的1个组合，删除其余的组合；

2.1.5选择A₁×B₁个组合中所有具有相同功耗值的组合子集，逐一使用顺序选择删除法，直到所有剩余组合中每个组合的功耗值都不相同。

2.1.6对剩余组合所对应的功耗值进行排序，并将排序后的组合以及其相对应的功耗值构造一个表格，称为第一类对象存储服务器的功耗级别表，用W₁表示。W₁表中每一项包括一个处理器频率、存储设备功耗状态组合，以及该组合条件下的功耗值，表示对象存储服务器的一个功耗级别。W₁表中共包括C₁项，每项的功耗值不相同，有C₁≤(A₁×B₁)。确定一个功耗级别，也就确定了对象存储服务器工作时的功耗值，以及表W₁中相对应的处理器频率和存储设备功耗状态组合。对象存储服务器的功耗级别用

表示，其中1≤i≤C₁，且满足

其中“＜”表示不同功耗级别的功耗值的排序关系，

中的上标1表示该功耗级别为第一类对象存储服务器设定。

2.2设定第二类对象存储服务器所支持的功耗级别，方法是：

2.2.1设处理器支持A₂个不同的频率，磁盘支持B₂个不同的功耗状态，B₂个不同的功耗状态不包括磁盘的关闭。分别选择不同的处理器频率和磁盘的功耗状态，得到A_2×B₂种组合。

2.2.2使用功率计测量对象存储服务器在A₂×B₂种组合情况下进行持续数据写操作时的功耗值。

2.2.3使用和2.1.3-2.1.6同样的方法，将A₂×B₂个组合删减为C₂个具有不同功耗值的组合，并构成第二类对象存储服务器的功耗级别表，用W₂表示。其中，C₂≤(A₂×B₂)。第二类对象存储服务器的功耗级别用

表示，其中1≤j≤C₂，且满足

其中“＜”表示不同功耗级别的功耗值的排序关系，

中的上标2表示该功耗级别为第二类对象存储服务器设定。

第三步：确定两种类型对象存储服务器的功耗级别调整标准。

3.1设定第一类对象存储服务器的功耗级别调整阈值X_low和X_up。X_low是第一类对象存储服务器功耗级别下调阈值，取值为0，只要当前对象存储服务器的服务请求队列长度为X_low，则将功耗级别下调。X_up是第一类对象存储服务器功耗级别上调阈值，取值范围为30～50，只要当前对象存储服务器的服务请求队列长度大于X_up，则功耗级别上调。

3.2设定第二类对象存储服务器类型的级别调整阈值Y_low和Y_up。Y_low是第二类对象存储服务器功耗级别下调的阈值，其取值范围为1～20，只要存储设备队列长度小于Y_low，则降低该对象存储服务器的功耗级别。Y_up是第二类对象存储服务器功耗级别上调阈值，取值范围为大于50，如果请求队列长度大于Y_up，则该对象存储服务器的功耗级别需要提高。这两个值的取值根据磁盘的性能变化而不同，磁盘性能越高，两个取值也越高。

第四步：启动异构对象存储系统。设定功耗级别转换时间间隔T，其取值范围为10～30秒。根据每个对象存储服务器所属的类型，设定其功耗状态为最高功耗级别

或者

第五步：对于第二类对象存储服务器，初始化计数器Counter值为0，Counter用于统计当前服务请求队列为空的次数。初始化常量Counter_up，Counter_up由用户自行设定，取值范围为5～10。

第六步：每个对象存储服务器每隔时间T获得当前自己的请求队列长度L。令上一次的队列长度为L′，第一次时间间隔时L′＝L。

第七步：每个对象存储服务器根据L的取值执行不同的操作，调整存储服务器的功耗级别：

7.1对于第一类对象存储服务器，

7.1.1如果此时L＝X_low，则表示当前对象存储服务器没有任何请求，查看当前的功耗级别，如果不是最低级别

则根据表W₁下调一级功耗级别；如果当前已经是最低级别则功耗级别保持不变。

7.1.2如果L＞X_up，则表示当前请求队列已满，查看当前的功耗级别，如果不是最高级别

则根据表W₁上调一级功耗级别；如果已经是最高级别

则功耗级别保持不变。

7.1.3如果L的值满足X_low＜L＜X_up，则保持当前功耗级别不变。

7.2对于第二类对象存储服务器，

7.2.1如果连续两次查看服务请求队列，队列长度为0，即L＝L′＝0，则将Counter加1。如果L＝0且L′≠0，则保持功耗级别不变。如果Counter的值达到上限Counter_up，则表示服务队列长时间为0，将磁盘设定为关闭状态，停止服务；如果磁盘已经处于休眠状态，则功耗状态保持不变。

7.2.2如果L＞0，则根据磁盘状态设定功耗级别：如果磁盘处于休眠状态，则唤醒磁盘，将对象存储服务器设定为最低功耗状态，Counter设为0；否则，根据L的值，采取不同的功耗设定操作，包括：

如果满足0＜L＜Y_low，则表示请求队列的长度在最低值以下。查看当前服务器的功耗级别，如果不是最低级别

则根据表W₂将功耗级别下调一级；如果已经是最低级别，则功耗级别保持不变。

如果满足L＞Y_up，表示请求队列中请求较多。查看当前的功耗级别，如果不是最高级别

则根据表W₂将功耗级别上调一级；如果已经是最高级别

则功耗级别保持不变。

如果满足Y_low＜L＜Y_up，则保持当前功耗级别不变。

7.2.3L′＝L。

第八步：判断是否收到功耗控制结束命令。如果是，则执行第九步，否则转第六步。

第九步：根据类型不同，将对象存储服务器的功耗级别设定为最高值或者便于退出本方法后系统继续运行，退出功耗控制。

采用本方法，可以达到如下技术效果：

1)可以动态调整对象存储服务器的功耗级别，达到既控制对象存储服务器功耗，又避免对其产生过多性能影响的目的。

2)对不同类型对象存储服务器采用不同的功耗设定策略，充分利用不同类型对象存储服务器的服务特点，对第一类对象存储服务器采用保守策略，第二类对象存储服务器采用激进策略，通过磁盘关闭，可以进一步降低存储系统功耗。

附图说明

图1是异构对象存储系统结构图。

图2是本发明总体流程图。

具体实施方式

图1是异构对象存储系统结构图。其中，OST₁到OST_m是第一类对象存储服务器，OST_m+1到OST_n是第二类对象存储服务器，MDS是元数据服务器。元数据服务器、两类对象存储服务器通过互连通信网络向计算节点提供存储服务。

图2是本发明总体流程图：

步骤1)将对象存储服务器划分为两类。

步骤2)设定不同类型对象存储服务器所支持的多个功耗级别。

步骤3)确定不同类型对象存储服务器的功耗级别调整标准，包括功耗级别上调和下调标准。

步骤4)启动对象存储系统。

步骤5)对第二类对象存储服务器，初始化Counter和Counter_up。

步骤6)每隔时间间隔T获取请求队列长度L。

步骤7)根据L值，对不同类型的对象存储服务器采取不同操作。

步骤8)判断是否收到退出命令，如果是，执行步骤9)，如果不是，执行步骤6)。

步骤9)恢复功耗级别到最高值，退出。

Claims (5)

1.一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，根据异构对象存储系统中对象存储服务器使用的存储设备的不同，将对象存储服务器分为两类：第一类为使用磁盘阵列的对象存储服务器，第二类为使用磁盘的对象存储服务器；

第二步：根据每类存储设备的特性和处理器所支持的多级频率，设定每类对象存储服务器所支持的功耗级别，具体包括：

2.1设定第一类对象存储服务器所支持的功耗级别，方法是：

2.1.1设处理器支持A₁个不同的频率，磁盘阵列支持B₁个不同的功耗状态，B₁个不同的功耗状态中不包括磁盘阵列的关闭，分别选择不同的处理器频率和磁盘阵列的功耗状态，得到A₁×B₁种组合；

2.1.2使用功率计测量对象存储服务器在A₁×B₁种组合情况下进行持续数据写操作时的功耗值；

2.1.3在A₁×B₁种组合中，如果有m个组合具有相同的功耗值，则将这些组合构造一个组合子集，m＞1；

2.1.4使用顺序选择删除法，将组合子集中的组合数删减为1个；

2.1.5选择A₁×B₁个组合中所有具有相同功耗值的组合子集，逐一使用顺序选择删除法，直到所有剩余组合中每个组合的功耗值都不相同；

2.1.6对剩余组合所对应的功耗值进行排序，并将排序后的组合以及其相对应的功耗值构造一个表格W₁，称为第一类对象存储服务器的功耗级别表；W₁表中每一项包括一个处理器频率、存储设备功耗状态组合，以及该组合条件下的功耗值，表示对象存储服务器的一个功耗级别；W₁表中共包括C₁项，每项的功耗值不相同，C₁≤(A₁×B₁)；对象存储服务器的功耗级别用

表示，其中1≤i≤C₁，且满足

其中“＜”表示不同功耗级别的功耗值的排序关系，

中的上标1表示该功耗级别为第一类对象存储服务器设定；

2.2设定第二类对象存储服务器所支持的功耗级别，方法是：

2.2.1设处理器支持A₂个不同的频率，磁盘支持B₂个不同的功耗状态，B₂个不同的功耗状态不包括磁盘的关闭，分别选择不同的处理器频率和磁盘的功耗状态，得到A₂×B₂种组合；

2.2.2使用功率计测量对象存储服务器在A₂×B₂种组合情况下进行持续数据写操作时的功耗值；

2.2.3使用和2.1.3-2.1.6同样的方法，将A₂×B₂个组合删减为C₂个具有不同功耗值的组合，并构成第二类对象存储服务器的功耗级别表W₂，其中，C₂≤(A₂×B₂)；第二类对象存储服务器的功耗级别用

表示，其中1≤j≤C₂，且满足

中的上标2表示该功耗级别为第二类对象存储服务器设定；

第三步：确定两种类型对象存储服务器的功耗级别调整标准：

4.1设定第一类对象存储服务器的功耗级别调整阈值X_low和X_up，X_low是第一类对象存储服务器功耗级别下调阈值，X_up是第一类对象存储服务器功耗级别上调阈值；

4.2设定第二类对象存储服务器类型的级别调整阈值Y_low和Y_up，Y_low是第二类对象存储服务器功耗级别下调阈值，Y_up是第二类对象存储服务器功耗级别上调阈值；

第四步：启动异构对象存储系统，设定功耗级别转换时间间隔T，并根据每个对象存储服务器所属的类型，设定其功耗状态为最高功耗级别

或者

第五步，对于第二类对象存储服务器，初始化计数器Counter值为0，Counter用于统计当前服务请求队列为空的次数，初始化常量Counter_up，Counter_up取值范围为5～10；

第六步：每个对象存储服务器每隔时间T获得当前自己的请求队列长度L；令上一次的队列长度为L′，第一次时间间隔统计时L′＝L；

第七步：每个对象存储服务器根据L的取值执行不同的操作，调整存储服务器的功耗级别：

7.1对于第一类对象存储服务器，

7.1.1如果此时L＝X_low，则查看当前的功耗级别，如果不是最低级别

则根据表W₁下调一级功耗级别；如果当前已经是最低级别

则功耗级别保持不变；

7.1.2如果L＞X_up，则查看当前的功耗级别，如果不是最高级别

则根据表W₁上调一级功耗级别；如果已经是最高级别

则功耗级别保持不变；

7.1.3如果L的值满足X_low＜L＜X_up，则保持当前功耗级别不变；

7.2对于第二类对象存储服务器，

7.2.1如果连续两次查看服务请求队列，队列长度为0，即L＝L′＝0，则将Counter加1；如果L＝0且L′≠0，则保持功耗级别不变；如果Counter的值达到上限Counter_up，则将磁盘设定为关闭状态，停止服务；如果磁盘已经处于休眠状态，则功耗状态保持不变；

7.2.2如果L＞0，则根据磁盘状态设定功耗级别：如果磁盘处于休眠状态，则唤醒磁盘，将对象存储服务器设定为最低功耗状态，Counter设为0；否则，根据L的值，采取不同的功耗设定操作，包括：

如果满足0＜L＜Y_low，则查看当前对象存储服务器的功耗级别，如果不是最低级别则根据表W₂将功耗级别下调一级；如果已经是最低级别，则功耗级别保持不变；

如果满足L＞Y_up，查看当前的功耗级别，如果不是最高级别

则根据表W₂将功耗级别上调一级；如果已经是最高级别

则功耗级别保持不变；

如果满足Y_low＜L＜Y_up，则保持当前功耗级别不变；

7.2.3L′＝L；

第八步：判断是否收到功耗控制结束命令，如果是，则执行第九步，否则转第六步；

第九步：根据类型不同，将对象存储服务器的功耗级别设定为最高值

或者

退出功耗控制。

2.如权利要求1所述的一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，其特征在于所述顺序选择删除法过程如下：

A1)对m个组合，根据处理器频率由低到高进行排序；

A2)在m个组合中只保留具有最低处理器频率的1个组合，删除其余的组合。

3.如权利要求1所述的一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，其特征在于所述X_low取值为0，X_up取值范围为30～50。

4.如权利要求1所述的一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，其特征在于所述Y_low取值范围为1～20，Y_up取值范围为大于50，这两个值的取值根据磁盘的性能变化而不同，磁盘性能越高，两个取值也越高。

5.如权利要求1所述的一种基于异构对象存储系统的功耗控制方法，其特征在于所述功耗级别转换时间间隔T取值范围为10～30秒。

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