CN104035542A - 一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法及系统，本发明涉及数据中心节能问题，属于分布式计算领域。该方法包括获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；直到所有服务器中的虚拟机都迁移决策完毕，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
Description
技术领域
本发明涉及数据中心节能问题，具体涉及为权衡数据中心计算和制冷能耗设计的虚拟机迁移方法，属于分布式计算领域。
背景技术
目前，数据中心消耗大量的能源，绿色和平组织估计全球数据中心电力需求约31GW，相当于将近180000户家庭的电力需求，根据美国环保署数据，到2011年，美国数据中心的能源消耗将超过1000亿千瓦时，约花费74亿美元，数据中心的成本主要花费在电力需求上，占数据中心总成本的12％，其中制冷能耗占据高达整个数据中心电力能耗中的1/3甚至是1/2。
对数据中心不合理的设计和操作可能导致由服务器过热引起潜在的系统错误(虽然可以降低部分计算能耗)，或者由过冷的系统引起的高制冷能耗，因此如何在计算能耗与制冷能耗间达到最佳权衡，从而最小化计算和制冷总能耗是优化计算资源的消耗和最大化地利用数据中心已有的计算能力的关键问题之一。
为此，大量研究集中在如何降低数据中心计算能耗或制冷能耗，从而降低总能耗，其中，虚拟机调度是重要的方法之一，在以虚拟机调度为手段降低数据中心总能耗的研究中，主要有两类：针对由于服务器散热不均衡导致的过度制冷问题，通过虚拟机调度的方式，平衡服务器散热，从而升高制冷系统的温度设置，最终达到降低数据中心制冷能耗的目的；针对数据中心服务器资源利用率不高的问题，通过虚拟机调度的方式，将负载集中在少数几台服务器上，关闭其他服务器，从而达到降低数据中心计算能耗的目的。
发明专利“基于虚拟机迁移和负载感知整合的云数据中心节能方法”公开了一种基于虚拟机迁移和负载感知整合的云数据中心节能方法,通过对物理机和虚拟机的资源利用率及当前各物理服务器的资源使用情况的监测,在负载感知的优化整合策略管理模块和虚拟机在线迁移控制模块的统一协调控制下,动态的完成云数据中心虚拟机负载的迁移和再整合操作,关闭无负载运行的物理服务器,提高服务器资源的总体利用率,达到节能目的。该方法有效地实现了基于虚拟机在线迁移和负载感知整合技术的云数据中心节能方法,降低云数据中心实际需要的物理服务器数量,实现绿色节能。但是该发明是对物理机和虚拟机的资源利用率及当前各物理服务器的资源使用情况的监测,在负载感知的优化整合策略管理模块和虚拟机在线迁移控制模块的统一协调控制下,动态的完成云数据中心虚拟机负载的迁移和再整合操作,关闭无负载运行的物理服务器,提高服务器资源的总体利用率,达到节能目的，本发明是将物理服务器按照其单位资源可能带来的最大计算能耗与制冷能耗变化量作为迁移源、目的服务器选择依据来进行虚拟机的迁移，达到降低功耗的目的。
发明专利“一种数据中心负载分配及虚拟机迁移节能方法及系统”公开了一种数据中心负载分配及虚拟机迁移节能方法，包括：首先生成超载服务器列表，按照最优先所需资源的利用率由小到大排序，形成有序的待迁移虚拟机列表，并将有序待迁移虚拟机列表中的虚拟机迁移到目标服务器上；然后选出处于低载状态且能效比最小的服务器sm，对其上的所有虚拟机使用能效感知的负载分配策略预分配到其它服务器上，若都预分配成功，则迁移服务器上的所有虚拟机，并再搜索是否还存在满足条件的服务器sm，否则不迁移并结束低载服务器虚拟机分配阶段。该发明可实现更低能耗负载分配和虚拟机迁移，有效提高了数据中心内服务器的利用率。但是该发明将高载服务器上的虚拟机迁移到低载服务器上来提高服务器的利用率，本发明是将低效的物理机上的虚拟机迁移到高效的物理机上来提高服务器的利用率同时降低功耗。
发明专利“利用虚拟机并发迁移技术降低云计算平台能源消耗的方法”公开了一种利用虚拟机并发迁移技术降低云计算平台能源消耗的方法。具体实现为：对于虚拟机在线迁移的单次内存扫描，使用多核并发的扫描方式，减少单次扫描时间；对于改动内存单次数据传输，使用多网卡并发的传输方式，减少单次数据传输的时间；计算两次内存传输的差异量，若差异量小于阈值，则暂停虚拟机运行并进入末轮扫描与传输，从而减少不必要的轮次。该方法可以有效提高虚拟机在线迁移的效率，减少对不必要的内存更改所做的数据传输，从而减少服务器系统在运行时的整体能量消耗。但是该发明是通过多核并发扫描来减少扫描时间和数据传输时间，从而减少服务器系统在整个运行时的能量消耗，本发明是通过使虚拟机运行在能耗较低的服务器上和通过提高服务器的利用率来降低能耗的。
发明内容
针对现有技术不足，一种数据中心计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法和装置，本发明的特点在于将物理服务器按照其单位资源可能带来的最大计算能耗与制冷能耗变化量作为迁移源、目的服务器选择依据，基于虚拟机对服务器资源占用情况预测其对服务器出风口的温度贡献，基于该预测温度贡献值计算虚拟机迁移对迁移源和目的服务器出风口温度的影响，从而选择降低数据中心总能耗最大的迁移方案。
本发明提供一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；
步骤2，将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；
步骤3，循环步骤2，直到所有服务器都执行完步骤2，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，步骤2还包括：将迁移源服务器中的虚拟机按照该虚拟机在迁移源服务器中cpu资源占用率从高到低依次进行迁移。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，在步骤2中该目的服务器要满足以下条件才能迁入虚拟机：该目的服务器未迁出虚拟机、该目的服务器上至少有1个虚拟机。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，该条件还包括：该目的服务器上的资源量满足增加的虚拟机所需资源量、该目的服务器增加虚拟机后未成为新热点。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，在步骤2中若变量最小的目的服务器未满足条件，则选取变量次小的服务器作为目的服务器，直到满足条件为止。
本发明还包括一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，包括：
获取数据模块，用于获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；
迁移决策文件生成模块，用于将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；
迁移模块，用于数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，该迁移决策文件生成模块还包括：将迁移源服务器中的虚拟机按照该虚拟机在迁移源服务器中cpu资源占用率从高到低依次进行迁移。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，在迁移决策文件生成模块中该目的服务器要满足以下条件才能迁入虚拟机：该目的服务器未迁出虚拟机、该目的服务器上至少有1个虚拟机。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，该条件还包括：该目的服务器上的资源量满足增加的虚拟机所需资源量、该目的服务器增加虚拟机后未成为新热点。
所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，在迁移决策文件生成模块中若变量最小的目的服务器未满足条件，则选取变量次小的服务器作为目的服务器，直到满足条件为止。
由以上方案可知，本发明的优点在于：
本发明的优点在于提供了一种数据中心计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法和装置，通过权衡不同虚拟机迁移方案对计算能耗和制冷能耗的影响，最终确定降低总能耗最大的迁移方案，达到最大程度降低数据中心总能耗的目的，对于降低数据中心整体能耗具有重要的实际意义，具有良好的市场前景和应用价值，能有效降低数据中心的整体成本，提高运行效率。
附图说明
图1为计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法一个执行周期的流程图；
图2为为服务器上虚拟机选择以最小化能耗为目标的迁移方案细化流程图；
其中附图标记为：
步骤100为计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法一个执行周期的步骤，包括：
步骤101/102/103/104/105/106/107/108；
步骤200为虚拟机选择以最小化能耗为目标的迁移方案的具体步骤，包括：
步骤201/201/202/203/204/205/206/207/208/209/210/211；
具体实施方式
本发明提供了一种数据中心计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法和装置，目标是权衡不同负载场景下通过服务整合降低计算能耗和通过均衡数据中心服务器出风口温度降低制冷能耗，从而降低数据中心总能耗，该方法按照物理服务器单位资源可能带来的最大计算能耗与制冷能耗变化量作为迁移源、目的服务器选择依据，基于虚拟机对服务器资源占用情况预测其对服务器出风口的温度贡献以及虚拟机迁移后对源和目的服务器资源利用率的影响，基于该预测值选择降低数据中心总能耗最大的迁移方案，其中步骤1，获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；步骤2，将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；步骤3，循环步骤2，直到所有服务器都执行完步骤2，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
以下为本发明的整体步骤，如图1所示，步骤100为计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法一个执行周期的步骤，首先执行步骤101周期性数据采集，其实现方法为：周期性(如以1秒为周期)收集运行过程中虚拟机和物理服务器的cpu利用率、内存利用率、磁盘I/O、网络I/O以及服务器出/入风口温度，其中服务器出/入风口温度需要用温度传感器监控，执行步骤102对所有物理服务器按照其单位资源能够带来的最大计算能耗和制冷能耗变化量进行排序(如按照从小到大进行排序)，其实现方法为：根据离线测量的每台服务器空闲和满载时的能耗(分别用Pidle和Pbusy表示)和空闲时的出风口温度(Tidle)，空调设置温度变化与制冷能耗变化关系函数ΔPcool＝func(ΔT)和在线采集服务器CPU资源总量(Rcpu)、CPU资源利用率(Ucpu)和服务器出风口温度(T)，计算每台服务器单位资源带来的最大计算和制冷能耗变化量，对服务器按照上述指标进行排序，执行步骤103在排好序的服务器列表中，依次按照排序指标从大到小取出服务器进行迁移决策，直到所有服务器都决策完毕，其实现方法为：取出的服务器作为迁移源服务器，将源服务器上的虚拟机按照对该服务器CPU资源占用率从高到低排序，分别对该VM(虚拟机)序列从头取1、2、…、vm_num(vm_num表示该服务器上虚拟机的个数)个虚拟机作为待迁移虚拟机，为这些虚拟机选择迁移目的服务器，执行步骤104为该服务器上的虚拟机选择以最小化总能耗为目标的迁移方案，其实现方法为：分别计算上述迁移1、2、…、vm_num个虚拟机后数据中心总能耗，选取总能耗最小的一个布局方案，作为当前决策方案，执行步骤105服务器是否判断完毕，如完毕，则执行步骤106根据上述得到的迁移方案与原迁移方案进行比较，服务器将总能耗最小的迁移方案作为最终方案，执行步骤107确定迁移虚拟机并发出迁移命令，执行步骤108返回，否则执行步骤103，继续进行决策，其中以上迁移方案的生成方法为：每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件，直到所有服务器中的虚拟机都迁移决策完成，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
以下为本发明步骤100的细化流程，步骤101的具体流程为周期性数据采集，周期性(如以1秒为周期)获取服务器上资源的使用情况，包括CPU利用率、内存利用率、disk I/O、网络I/O以及服务器出/入风口温度，其实现方法为：使用编写的辅助工具读取Linux系统下/proc/stat文件获取当前CPU的使用率；通过读取Linux系统下/proc/meminfo文件获取内存的使用率；通过读取Linux系统下/proc/diskstats文件获取磁盘读写量(disk I/O)；通过读取Linux系统下/proc/net/dev文件获取网络收发数据量(网络I/O)；通过在服务器出/入风口处安装温度传感器，监控、收集服务器出/入风口温度；步骤102的具体流程为对所有物理服务器按照其单位资源能够带来的最大计算和制冷能耗变化量进行排序(如按照从小到大进行排序)，其实现方法为：离线测量每台服务器空闲和满载时的能耗(分别用Pidle和Pbusy表示)以及服务器空闲时的出风口温度(Tidle)，根据每个服务器空闲时的出风温度(Tidle)得出所有服务器空闲时的最低出风口温度(Tlow)；根据采集到的服务器的CPU资源总量，即根据核数和每个核的频率计算CPU总的频率作为CPU资源总量(Rcpu)；在线实时收集每台服务器的出风口温度(T)，和每台服务器的CPU资源利用率(Ucpu)；离线测得的空调设置温度变化与制冷能耗变化关系函数ΔPcool＝func(ΔT)；服务器单位资源能够带来的最大计算和制冷能耗变化量可表示为：[Pidle+(Pbusy-Pidle)×Ucpu+func(T-Tlow)]/Rcpu；根据上述指标([Pidle+(Pbusy-Pidle)×Ucpu+func(T-Tlow)]/Rcpu)对所有服务器进行排序(如按照从小到大进行排序)；步骤103的具体流程为在排好序的服务器列表中，依次按照排序指标从大到小取出服务器进行迁移决策，直到所有服务器都决策完毕，其实现方法为：取出的服务器作为迁移源服务器；将源服务器上的虚拟机按照对该服务器CPU资源占用率从高到低排序，形成排好序的虚拟机队列，依次在该队列中从头取出N(N的取值依次为：1、2、…、vm_num(vm_num表示该服务器上虚拟机的个数))个虚拟机作为待迁移虚拟机；步骤104的具体流程为依次为这N个虚拟机选择迁移目的服务器，具体方法为：对于每一个虚拟机优先选择服务器序列中排序指标最小的作为目的服务器，需要满足四个条件：在迁移判断之前该服务器未迁出虚拟机；在迁移判断之前该服务器上还有至少1个虚拟机；该服务器提供的资源满足增加这些虚拟机所需资源量；该服务器不会成为新热点，若排序指标最小的服务器条件不满足，再选择排序指标次小的服务器，依次进行，直到为这N个虚拟机都选择了目的服务器。计算此时数据中心计算能耗和制冷能耗总和与初始布局时计算能耗与制冷能耗总和相比降低的变化量，该值越大说明对于总能耗降低得越多。在上述方案中，选取总能耗降低最大的一个布局方案，作为当前决策方案；步骤107的具体流程为确定迁移虚拟机并发出迁移命令，其实现方法为：根据上述得到的新布局方案与原布局方案进行比较，其差异即为最终的迁移方案，根据最终的迁移方案发出迁移虚拟机的命令，其中以上迁移方案的生成方法为：每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件，直到所有服务器中的虚拟机都迁移决策完成，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
以下为本发明迁移方案的具体步骤，如图2所示，步骤200为虚拟机选择以最小化能耗为目标的迁移方案的具体步骤，首先执行步骤201将源服务器上的虚拟机按照对该服务器CPU资源占用率从高到低排序并生成队列，执行步骤202依次在该队列中从头取出N(N的取值依次为：1、2、…、vm_num(vm_num表示该服务器上虚拟机的个数))个虚拟机作为待迁移虚拟机，执行步骤203为虚拟机i选择目的服务器：依次按照排序指标从小到大取出未迁入任何其他虚拟机且其上至少有1个虚拟机的服务器，执行步骤204判断服务器资源是否满足需求且不是新热点，如果服务器资源不满足需求，则执行步骤211判断是否还有为判断的服务器，如果是，则执行步骤203，否则执行步骤208，如果执行步骤204后服务器资源满足需求且不是新热点，则执行步骤205为虚拟机i选择该服务器为目的服务器，继续执行步骤206将虚拟机i加1，即虚拟机个数加1，执行步骤207判断将要迁移虚拟机的个数是否超过N(待迁移虚拟机个数)，如果没超过，则执行步骤203，如果超过，则执行步骤208将N加1，即从虚拟机队列中再取出一个待迁移虚拟机，执行步骤209判断N是否大于vm_num，即判断当前从虚拟机队列中取出的待迁移虚拟机是否超过源服务器上虚拟机的个数，如果没超过，则执行步骤203，如果超过，则执行步骤210结束任务。
本发明的系统包括如下模块：
获取数据模块，用于获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；
迁移决策文件生成模块，用于将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件，其中将迁移源服务器中的虚拟机按照该虚拟机在迁移源服务器中cpu资源占用率从高到低依次进行迁移；
迁移模块，用于数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
在迁移决策文件生成模块中该目的服务器要满足以下条件才能迁入虚拟机：该目的服务器未迁出虚拟机、该目的服务器上至少有1个虚拟机；该条件还包括：该目的服务器上的资源量满足增加的虚拟机所需资源量、该目的服务器增加虚拟机后未成为新热点。其中若变量最小的目的服务器未满足条件，则选取变量次小的服务器作为目的服务器，直到满足条件为止。
Claims (10)
1.一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；
步骤2，将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；
步骤3，循环步骤2，直到所有服务器都执行完步骤2，数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
2.如权利要求1所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，步骤2还包括：将迁移源服务器中的虚拟机按照该虚拟机在迁移源服务器中cpu资源占用率从高到低依次进行迁移。
3.如权利要求1所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，在步骤2中该目的服务器要满足以下条件才能迁入虚拟机：该目的服务器未迁出虚拟机、该目的服务器上至少有1个虚拟机。
4.如权利要求3所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，该条件还包括：该目的服务器上的资源量满足增加的虚拟机所需资源量、该目的服务器增加虚拟机后未成为新热点。
5.如权利要求1或3或4所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移方法，其特征在于，在步骤2中若变量最小的目的服务器未满足条件，则选取变量次小的服务器作为目的服务器，直到满足条件为止。
6.一种计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，包括：
获取数据模块，用于获取数据中心中每台服务器的运行数据，根据运行数据获取每台服务器单位资源最大计算能耗与制冷能耗的变化量；
迁移决策文件生成模块，用于将变化量最大的服务器作为迁移源服务器，将迁移源服务器中的虚拟机依次迁移到目的服务器中，其中目的服务器为变化量最小的服务器，且每迁移一个虚拟机，则获取虚拟机迁移后的数据中心总能耗，并根据数据中心总能耗、迁移源服务器、已迁移虚拟机的个数、目的服务器，生成迁移决策文件；
迁移模块，用于数据中心根据数据中心总能耗最低的迁移决策文件将虚拟机进行迁移。
7.如权利要求6所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，该迁移决策文件生成模块还包括：将迁移源服务器中的虚拟机按照该虚拟机在迁移源服务器中cpu资源占用率从高到低依次进行迁移。
8.如权利要求6所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，在迁移决策文件生成模块中该目的服务器要满足以下条件才能迁入虚拟机：该目的服务器未迁出虚拟机、该目的服务器上至少有1个虚拟机。
9.如权利要求8所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，该条件还包括：该目的服务器上的资源量满足增加的虚拟机所需资源量、该目的服务器增加虚拟机后未成为新热点。
10.如权利要求6或8或9所述的计算与制冷能耗权衡的虚拟机迁移系统，其特征在于，在迁移决策文件生成模块中若变量最小的目的服务器未满足条件，则选取变量次小的服务器作为目的服务器，直到满足条件为止。
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