CN106886274B - 一种数据中心能耗的管理方法及装置 - Google Patents

一种数据中心能耗的管理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数据中心能耗的管理方法及装置，该种方法包括：步骤1，获取任务需求列表的程序总数；步骤2，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；步骤3，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；步骤4，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能；该种装置包括任务获取模块、个数确定模块、模式确定模块及任务执行模块。本发明在权衡数据中心性能和精度的前提下，提供了一种具有显著节能效果的数据中心能耗的管理方法及装置，对能效的优化效果较好。

Description

一种数据中心能耗的管理方法及装置
技术领域
本发明涉及网络数据中心的耗能管理技术领域，更为具体来说，本发明为一种数据中心能耗的管理方法及装置。
背景技术
对于典型的数据中心，能耗状况是数据中心重要组成部分。网络关键物理基础设施的10年总拥有成本可以高达每机架80000-150000美元。在总拥有成本中，电能消耗占相当大的比重，约为总成本的20％。
绿色数据中心的构建与可再生能源利用在最近几年成为国内外关注的热点。学术界也开始逐渐转向对关于数据中心能耗控制的相关问题进行研究,从不同角度面向节能对数据中心资源管理、任务调度、负载均衡等方法进行研究。有人根据当前负载的需求，动态的控制集群中节点的开关来节约能耗，同时也提出了对负载进行均衡或非均衡决策的系列方法。但这种以启动和关闭节点的方式带来的损耗也较大，此外启动已关闭节点时带来时间上的延迟往往是不可忽略的，这对负载的及时处理也会有较大不利影响。还有人针对虚拟化集群面向节能的动态资源配置进行了研究，在满足多种应用需求的平台中部署能耗管理策略，在达到性能要求的同时控制能量的消耗，其过程主要通过虚拟机的启动、关闭和迁移来实现，但这种方法仍然会造成较大程度的电能浪费。
但是，所消耗的许多电能并没有被充分的利用，如果根据当前能源状况对其进行合理的调用，相当一部分浪费是可以避免的，可目前的用户和管理者并不知道如何才能达到优化能效的目的。
因此，如何能够使数据中心在及时处理任务的前提下避免电能的浪费、提高数据中心的能源效率，成为了本领域技术人员研究的重点。
发明内容
为解决现有技术无法克服数据中心工作的电能浪费问题，本发明提供了一种数据中心能耗的管理方法及装置，从任务需求和当前储能的角度确定单个周期内程序的执行个数和运行模式，避免电能浪费情况发生，使得当前电能储能能够被充分利用，提高电能的利用率。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种数据中心能耗的管理方法，所述数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，该方法包括如下步骤，
步骤1，获取任务需求列表的程序总数；
步骤2，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；
步骤3，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；
步骤4，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能。
本发明使得程序运行需求能够更好地符合电能或能源的供给量，达到需求和供给的高度统一，使数据中心变成一种可变可控的“电力负载”，极大地提高了对电能或能源的利用率。而且，本发明通过对能耗的管理而有效地减少了任务处理的等待时间，提高了数据中心的服务质量。
进一步地，步骤2中，按照任务需求列表的顺序依次获取待运行的每个程序，其运行于中精度模式下的耗电量分别为m1、m2、m3…mk…mi，其中i为需要运行的程序总数，依次累加m1+…+mk后得到的总和与当前储存的电量E比较，如果m1+…+mk-1≤E≤m1+…+mk且k≤i，则本周期内并发执行的程序个数为k-1；如果E≥m1+…+mi，则本周期内并发执行的程序个数为i；
其中，每个程序具有至少两种运行模式，中精度模式为程序运行时耗电量处于中等的模式；将程序运行于所有模式下的耗电量由大到小排序，如果模式个数为奇数，则将排序后对应中间序号的模式确定为中精度模式，如果模式个数为偶数，则将排序后对应中间序号的两个值中序号较大值的模式为中精度模式。
在程序即将运行的周期内，本发明依据各程序的平均耗电量判断当前储存的电能能够满足多少数量的程序运行。这种方法科学、有效地判断出了当前储能的能力范围，避免单个周期运行程序数量过少而导致的能源浪费问题，同时避免了单个周期运行程序数量过多而导致的任务延迟的问题。
进一步地，该方法还包括如下步骤，
步骤5，当本周期结束后，如果本周期内并发执行的程序个数为k-1，则返回步骤2，继续执行未完成的任务；如果本周期内并发执行的程序个数为i，则返回步骤1，获取新的任务需求。
在节约能效的基础上，通过对本周期任务完成数量的统计以及判断，合理地安排程序的执行，本发明能够保证及时有效地完成任务。
进一步地，步骤3中，为本周期内并发执行的每个程序分配权重系数，利用权重系数计算每个并发执行的程序单独运行耗电量，去掉单独运行耗电量中的能耗差部分，得到可能耗电量，确定耗电量与所述可能耗电量差值最小的模式作为程序运行的模式。
为节约更多的能源，本发明能够按需确定各程序的运行模式，而保证电能被程序有效地利用，提高能源的应用效率。
进一步地，步骤3中，获取权重系数的方法为优先级加权法，按照任务需求列表中的程序顺序由大到小地分配权重系数，第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n。
通过使用优先级加权法，本发明使数据中心的能源利用率达到91.9318％。优先级加权法能够使程序以更高的精度运行，在提高能耗效率的基础上，提高数据中心的服务质量。
进一步地，步骤3中，获取权重系数的方法为最高精度能耗加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式能耗值分别为w1、w2、w3…wn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；所述最高精度模式为程序运行时耗电量最大的模式。
在充分利用能源的前提下进行按照能耗量分配，让每个程序的运行模式精度尽可能的达到最好，通过使用最高精度能耗加权法，本发明使数据中心的能源利用率达到91.9266％。在提高能耗效率的基础上，通过最高精度能耗加权法，数据中心处理任务的速度快，而且提高了数据中心的服务质量。
进一步地，步骤3中，获取权重系数的方法为运行时间加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式的运行时间分别为t1、t2、t3…tn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；所述最高精度模式为程序运行时耗电量最大时的模式。
在充分利用能源的前提下，使用时最短的程度获得更大的权重，加快了并发程序的运行效率。通过使用运行时间加权法，本发明使数据中心的能源利用率达到91.9225％。在提高能耗效率的基础上，运行时间加权法能够最大程度地提高数据中心的服务质量。
进一步地，步骤2中，所述当前储存的电量来源于可再生能源。
本发明对于电量来源于可再生能源的数据中心的节能效果更为明显，本发明能够尽可能的跟随能源变化的趋势，对现有的储能进行合理地分配，充分地利用可再生能源，具有明显提高数据中心应用间歇性可再生能源利用率的技术效果。
本发明的另一发明目的在于提供一种数据中心能耗的管理装置，所述数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，该装置包括任务获取模块、个数确定模块、模式确定模块及任务执行模块；
所述任务获取模块，用于获取任务需求列表的程序总数；
所述个数确定模块，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；
所述模式确定模块，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；
所述任务执行模块，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能。
通过本发明的数据中心能耗的管理装置，本发明使得程序运行需求能够更好地符合电能或能源的供给量，达到需求和供给的高度统一，使数据中心变成一种可变可控的“电力负载”，极大地提高了对电能或能源的利用率。而且，本发明通过对能耗的管理而有效地减少了任务处理的等待时间，提高了数据中心的服务质量。
进一步地，该装置还包括循环判断模块，用于判断单个周期是否完成当前任务需求。
在节约能效的基础上，通过循环判断模块对本周期任务完成数量的统计以及判断，合理地安排程序的执行，本发明能够保证及时有效地完成任务。
本发明的有益效果为：本发明在权衡数据中心性能和精度的前提下，提供了一种具有显著节能效果的数据中心能耗的管理方法及装置，对能效的优化效果较好。
附图说明
图1为数据中心能耗的管理方法流程示意图。
图2为数据中心能耗的管理装置组成示意图。
图3为实施例一中的数据中心能耗的管理方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明数据中心能耗的管理方法及装置进行详细的解释和说明。
实施例一
如图1、3所示，本发明提供了一种数据中心能耗的管理方法，数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，该方法包括如下步骤，
步骤1，获取任务需求列表的程序总数，各程序可分别表示为A1、A2、A3…Ai-1、Ai，A1、A2、A3…Ai-1、Ai按顺序排在任务需求列表中。
步骤2，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期T内并发执行的程序个数，并发执行的程序个数会随着储能的改变而改变；具体来说，按照任务需求列表的顺序依次获取待运行的每个程序，其运行于中精度模式下的耗电量分别为m1、m2、m3…mk…mi，其中i为需要运行的程序总数，依次累加m1+…+mk后得到的总和与当前储存的电量E比较，如果m1+…+mk-1≤E≤m1+…+mk且k≤i，则本周期内并发执行的程序个数为k-1；如果E≥m1+…+mi，则本周期内并发执行的程序个数为i。
需要说明的是，每个程序具有至少两种运行模式，每个程序对应的可调用模式可分别表示为：B11、B12…B1j1，B21、B22…B2j2，B31、B32…B3j3，…，Bi1、Bi2…Biji，其中，ji表示第i个程序的模式个数。中精度模式为程序运行时耗电量处于中等的模式；将程序运行于所有模式下的耗电量由大到小排序，如果模式个数为奇数，则将排序后对应中间序号的模式确定为中精度模式，即ji/2+1；如果模式个数为偶数，则将排序后对应中间序号的两个值中序号较大值的模式为中精度模式，即ji/2。
另外，本发明中涉及的当前储存的电量来源于可再生能源。比如，将太阳能辐射作为可再生能源接入。正是因为太阳辐射值具有很强的非线性特征以致其难以精确预测，本发明使得程序耗电量能够有效地跟随太阳能辐射能源变化，能够较好的适应这种非线性的能源供给。
本实施例中，对于能耗测算采用如下方法。通过JConsole工具监听运行程序的CPU占用率，取平均后得到CPU占用率，带入能效模型计算功率P：
P(f3,ω)＝Af3+Bωf3+Cω+D；
其中，f为CPU频率，取值2.8GHz；A、B、C、D为系数，在单机环境下对CPU占用率(t)和计算机功率p(t)进行测量。通过上述中提出的当f(t)固定时，(t)和p(t)的线性关系；随后验证当(t)固定时，p(t)和f(t)的三次方之间的线性关系；最后，推算公式中的A、B、C、D这4个系数的值，A＝0.15，B＝1.4，C＝15.2，D＝50.8。计算出功率后带入能耗计算公式：W＝P·t，其中t为运行时间。
步骤3，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；具体来说，为本周期内并发执行的每个程序分配权重系数，利用权重系数计算每个并发执行的程序单独运行耗电量，去掉单独运行耗电量中的能耗差部分，得到可能耗电量，确定耗电量与可能耗电量差值最小的模式作为程序运行的模式。本发明中涉及的“可能耗电量”为根据各个程序在各个模式下的历史耗电量而得到的经验值。
并发程序的总耗电量往往要大于并发程序中每个程序单独运行时的耗电量总和，因此需要找到并发程序中单个程序能耗叠加值与实际测量值的关系，对通过2个、3个、4个、5个程序并发进行随机抽查，然后进行大量测试取平均得到并发个数与能耗差的拟合关系，本实施例中，能耗差y＝669.9x2-3124.6x+5574.5，其中，y表示能耗差，x表示并发程序中的程序个数。
更为具体地，本发明提供了三种获取权重系数的方法。
(1)获取权重系数的方法为优先级加权法，按照任务需求列表中的程序顺序由大到小地分配权重系数，在任务需求列表中，程序在列表中的顺序表示了程序的优先级，优先级越高的程序所占的权重越高，则分配的电能越多。第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n。
(2)获取权重系数的方法为最高精度能耗加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式能耗值分别为w1、w2、w3…wn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；最高精度模式为程序运行时耗电量最大的模式。
在不同的模式下，同一程序的能耗值是不同的，如下表。
(3)获取权重系数的方法为运行时间加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式的运行时间分别为t1、t2、t3…tn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；最高精度模式为程序运行时耗电量最大时的模式。
在不同的模式下，同一程序的运行时间是不同的，如下表。
步骤4，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能。
步骤5，当本周期结束后，如果本周期内并发执行的程序个数为i，则返回步骤1，获取新的任务需求。经过上述步骤的处理，并发程序运行时的实际耗电量与预估可能耗电量非常接近。
如图2、3、1所示，本发明还公开了一种数据中心能耗的管理装置，数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，该装置包括任务获取模块、个数确定模块、模式确定模块、任务执行模块及循环判断模块；
任务获取模块，用于获取任务需求列表的程序总数。
个数确定模块，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；个数确定模块具体按照如下的方式工作：按照任务需求列表的顺序依次获取待运行的每个程序，其运行于中精度模式下的耗电量分别为m1、m2、m3…mk…mi，其中i为需要运行的程序总数，依次累加m1+…+mk后得到的总和与当前储存的电量E比较，如果m1+…+mk-1≤E≤m1+…+mk且k≤i，则本周期内并发执行的程序个数为k-1；如果E≥m1+…+mi，则本周期内并发执行的程序个数为i；其中，每个程序具有至少两种运行模式，中精度模式为程序运行时耗电量处于中等的模式；将程序运行于所有模式下的耗电量由大到小排序，如果模式个数为奇数，则将排序后对应中间序号的模式确定为中精度模式，如果模式个数为偶数，则将排序后对应中间序号的两个值中序号较大值的模式为中精度模式。
模式确定模块，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；模式确定模块为本周期内并发执行的每个程序分配权重系数，利用权重系数计算每个并发执行的程序单独运行耗电量，去掉单独运行耗电量中的能耗差部分，得到可能耗电量，确定耗电量与所述可能耗电量差值最小的模式作为程序运行的模式。
任务执行模块，在确定本周期并发的程序数量以及各个程序运行模式之后，本发明并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能；在上述模块对电量分配的情况下，并发程序运行时的实际耗电量与预估可能耗电量非常接近。
循环判断模块，用于判断单个周期是否完成当前任务需求。具体地，循环判断模块进行如下的判断工作：当本周期结束后，继续执行未完成的任务；如果本周期内并发执行的程序个数为i，则返回步骤1，获取新的任务需求。
实施例二
如图1、2所示，本实施例与实施例一的方案基本相同，其区别在于：本实施例中数据中心能耗的管理方法步骤5中，当本周期结束后，如果本周期内并发执行的程序个数为k-1，则返回步骤2，继续执行未完成的任务，本实施例给出的是本周起仅完成了用户本次发出的任务需求的一部分，而实施例一的情况是本周期即完成了用户本次发出的任务需求。
本实施例中数据中心能耗的管理装置中，通过循环判断模块进行判断：当本周期结束后，如果本周期内并发执行的程序个数为k-1，则返回步骤2，继续判断和执行用于本次发出的任务需求，如果下个周期完成了用户本次发出的任务需求，则返回步骤1，重新接收任务需求；如果下个周期仍然没有完成，则循环往复，纸质本次发出的任务需求完成为止。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“本实施例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数据中心能耗的管理方法，所述数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，其特征在于：该方法包括如下步骤，
步骤1，获取任务需求列表的程序总数；
步骤2，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；
步骤3，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；步骤3中，为本周期内并发执行的每个程序分配权重系数，利用权重系数计算每个并发执行的程序单独运行耗电量，去掉单独运行耗电量中的能耗差部分，得到可能耗电量，确定耗电量与所述可能耗电量差值最小的模式作为程序运行的模式；
步骤4，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能。
2.根据权利要求1所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：步骤2中，按照任务需求列表的顺序依次获取待运行的每个程序，其运行于中精度模式下的耗电量分别为m1、m2、m3…mk…mi，其中i为需要运行的程序总数，依次累加m1+…+mk后得到的总和与当前储存的电量E比较，如果m1+…+mk-1≤E≤m1+…+mk且k≤i，则本周期内并发执行的程序个数为k-1；如果E≥m1+…+mi，则本周期内并发执行的程序个数为i；
其中，每个程序具有至少两种运行模式，中精度模式为程序运行时耗电量处于中等的模式；将程序运行于所有模式下的耗电量由大到小排序，如果模式个数为奇数，则将排序后对应中间序号的模式确定为中精度模式，如果模式个数为偶数，则将排序后对应中间序号的两个值中序号较大值的模式为中精度模式。
3.根据权利要求2所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤，
步骤5，当本周期结束后，如果本周期内并发执行的程序个数为k-1，则返回步骤2，继续执行未完成的任务；如果本周期内并发执行的程序个数为i，则返回步骤1，获取新的任务需求。
4.根据权利要求1、2或3所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：步骤3中，获取权重系数的方法为优先级加权法，按照任务需求列表中的程序顺序由大到小地分配权重系数，第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n。
5.根据权利要求1、2或3所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：步骤3中，获取权重系数的方法为最高精度能耗加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式能耗值分别为w1、w2、w3…wn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；所述最高精度模式为程序运行时耗电量最大的模式。
6.根据权利要求1、2或3所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：步骤3中，获取权重系数的方法为运行时间加权法，按需求顺序程序单独运行时最高精度模式的运行时间分别为t1、t2、t3…tn，则第j个程序权重系数的计算方式为：
其中，ηj为权重系数，n为本周期内并发执行的程序个数，1≤j≤n；所述最高精度模式为程序运行时耗电量最大时的模式。
7.根据权利要求1、2或3所述的数据中心能耗的管理方法，其特征在于：步骤2中，所述当前储存的电量来源于可再生能源。
8.一种数据中心能耗的管理装置，所述数据中心用于接收以及处理用户发出的任务需求，其特征在于：该装置包括任务获取模块、个数确定模块、模式确定模块及任务执行模块；
所述任务获取模块，用于获取任务需求列表的程序总数；
所述个数确定模块，根据待运行程序的数量和当前储存的电量，确定任务需求中本周期内并发执行的程序个数；
所述模式确定模块，通过预估每个并发执行的程序可能耗电量的方式确定各程序运行的模式；为本周期内并发执行的每个程序分配权重系数，利用权重系数计算每个并发执行的程序单独运行耗电量，去掉单独运行耗电量中的能耗差部分，得到可能耗电量，确定耗电量与所述可能耗电量差值最小的模式作为程序运行的模式；
所述任务执行模块，并发执行的程序以确定后的模式运行、消耗电能。
9.根据权利要求8所述的数据中心能耗的管理装置，其特征在于：该装置还包括循环判断模块，用于判断单个周期是否完成当前任务需求。
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