CN108712480A - 数据中心中的非it资源分配方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种数据中心中的非IT资源分配方法和系统，通过预先建立负载的效用曲线，并由各个节点独立定义其服务等级，即有各个节点定义其期望的性能，效用曲线可以将不同的服务等级需求映射成不同电力功率需求；通过检查当前时刻数据中心可用电力资源容量和所有节点请求的电力功率总量，根据初始化价格确定系统资源价格，即基准价格并广播至各个节点后对基准价格进行动态调整，从而实现优化分配。本发明通过各个节点动态分配资源请求实现整体能耗的利用率提升。

Description

数据中心中的非IT资源分配方法和系统
技术领域
本发明涉及的是一种计算机领域的技术，具体是一种数据中心中的非IT资源分配方法和系统。
背景技术
在一些超负荷的数据中心中，所安装配置的服务器的总功耗需求可能超过其最大供电配额。一旦大量用户涌入而导致超载发生，数据中心则需要储能电池临时提供备用电源，当备用电源也不足，则需要借助软硬件手段动态降低用户应用的性能以实现功耗的错峰。
换言之，用户行为对数据中心的占用和竞争不仅表现在IT资源(比如，带宽、内存、CPU时间等)层面，还表现在非IT资源(比如，功耗、能源等)层面。在数据爆发的今天，由于非IT基础设施难以扩展、重建，其在数据中心日益缺乏。然而，现有数据中心运营方式仅根据用户对IT资源的占用进行规划，忽略了资源密集型用户在非IT资源层面上的间接竞争，这种传统设计模式会导致用户性能间的不良干扰，严重者，还会引发可靠性风险。因此，如何全局管理非IT资源，使得数据中心在超负荷状态下仍然能够稳定、可靠、高性能地运行显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种数据中心中的非IT资源分配方法和系统，通过各个节点动态分配资源请求达到数据中心资源利用率最大化和每个节点在单位成本服务质量效益最优的双赢局面。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于数据中心所有节点单位成本性能公平前提下的电力资源分配方法，通过预先建立负载的效用曲线，并由各个节点独立定义其服务等级，即有各个节点定义其期望的性能，效用曲线可以将不同的服务等级需求映射成不同电力功率需求；通过检查当前时刻数据中心可用电力资源容量和所有节点请求的电力功率总量，根据初始化价格确定系统资源价格，即基准价格并广播至各个节点后对基准价格进行动态调整，从而实现优化分配。
所述的负载的效用曲线是指：根据预先建立的负载的性能-所分配的功率曲线建立对应的效用曲线，具体步骤包括：
①预先对数据中心常见的负载，包括I/O型负载、内存型负载、计算型负载和系统型负载进行性能和所分配的功率关系的描述和分析，建立这四种负载的性能-所分配的功率曲线。
②利用所述性能-所分配的功率曲线预先建立四种负载的用于反应负载服务等级和所分配的非IT资源的关系的效用曲线。
所述的服务等级为表示不同性能的1～7的自然数，所述的效用曲线将其映射为不同的功率需求，其中1表示最低的服务等级，因而负载在服务等级为1的情况下所需要的功率最低；反之在服务等级为7时所要求的功率最高。
所述的服务等级，对应节点所期望的不同的服务等级质量，反应了每个节点对电力功率资源波动的接受程度。服务等级越高，表示对电力功率要求越大并且希望资源越稳定；反之则对功率要求较低，可以接受一定程度的功率波动。
所述的初始化价格，通过但不限于以下方式确定：通过对当前云服务商，如亚马逊、阿里、谷歌等提供的云计算单价进行调研而确定的一个用于我们提出的方法计算的初始价格，这个初始价格区取值是1美元单位资源。这个初始价格代表了当前云资源的市场价格，在我们的方法中用于指导电力资源的管理和调度。
所述的基准价格的确定方式为：当当前时刻数据中心可用电力资源容量大于等于所有节点请求的电力功率总量，当前基准价格则小于初始化价格1；反之基准价格大于初始化价格1。
所述的动态调整，具体包括：
①当基准价格小于1时，即数据中心供应超过需求时，当节点要求更多的资源，即提高当前所需的服务质量等级，并且节点每提升一个等级的服务质量，其实际价格比基准价格低10％。假设节点将服务等级从1提升到了3，则节点的实际价格比基准价格低20％；当节点仍然请求不变的资源，其实际价格等于基础价格，或者是；
②在基准价格大于1时，当节点能够请求更少的资源，即节点降低其服务等级，并且节点每降低一个服务等级，节点实际价格比基准价格低10％；当节点仍然保持请求不变的资源数量，其实际价格等于基础价格。
所述的动态调整，当所有节点经过7～10次调整后当前系统的供应仍然无法满足所有节点的总需求，则将根据每个节点请求资源的高低情况进行惩罚。
所述的惩罚是指：将所有节点根据其请求的资源数量由多到少进行排序，然后从排序在前50％的节点能够买到的资源是数量中强制扣除相同数量的电力资源来降低总需求，直到满足总需求小于系统供应。
所述的优化分配，优选根据动态调整后的每个节点分配到的资源数量计算其账单。
本发明涉及一种基于数据中心所有节点单位成本性能公平前提下的非IT资源分配的系统，包括：位于数据中心的负载分析模块、电力设施监控模块、基准价格确定模块、节点行为模块、用于根据基准价格和用节点行为在调整当前系统供需平衡的贡献来确定每个节点的实际价格的节点价格确定模块、功率分配模块和非IT资源分配模块，以及位于各个节点中的功率请求模块以及请求优化模块，其中：负载分析模块直接与用户相连并反映用户对服务质量的要求，间接反映了用户电力资源变化的接受程度；基础设计监控模块与数据中心中电力资源基础设施相连并实时读取数据中心中可用资源的状态；基准价格确定模块和非IT资源分配模块相连，用于数据中心向所有节点传输当前数据中心中供需关系；节点行为模块、节点价格确定模块和非IT资源分配模块相连，用于由节点向数据中心反馈自身是否愿意不断自主地调整、反馈服务质量需求来保证当前数据中心供求关系平衡；最后功率分配模块结合当前数据中心供求关系以及用户在保证供需平衡下的贡献值确定每个用户所分得的电力资源数量。
所述的负载分析模块将四种不同的负载类型，即I/O型负载、内存型负载、计算型负载和系统型负载的服务质量等级映射到相应的电力功率的变化范围；电力设施监视模块将电力资源容量的实时数据反映给非IT资源分配模块。
所述的基准价格确定模块根据初始价格乘以可用资源和当前用户总需求的比值确定每个时刻的基准价格并广播至每个节点。
所述的节点行为包括：
a)基准价格大于1时，表明当前时刻数据中心资源供应不能满足总需求，节点会配合数据中心降低自身对资源的需求；
b)基准价格大于1时，节点为了保证自身性能的稳定性，仍然请求不变的资源数量；
c)基准价格小于等于1时，表明当前时刻数据中心资源供应能够满足需求，为了配合数据中心能源利用率，节点将自身请求消耗更多的资源；
d)基准价格小于等于1时，节点仍然保持不变的资源请求。
所述的节点价格，其确定方式包括：(a)当节点降低还是提升自身对资源的需求来保证数据中心供需平衡时，节点贡献值等于其降低或者提升的服务等级数量，因此节点实际价格比基准价格少贡献值个10％；(b)节点当保持不变的资源请求数量，节点价格等于基准价格。
所述的功率分配模块根据节点所拥有的财产总量和自身需求购置功率数量：当所有节点购置的功率数量小于等于数据中心总供应，每个节点都能分配到购置的功率数量；反之，购置功率过大的节点将会接受惩罚。
所述的非IT资源分配模块中预设竞价周期和恒定价格周期，该模块在每个竞价周期内确定每个节点的竞价价格，具体为：通过节点行为模块得到的节点资源请求数量并计算所有节点总需求量；利用基准价格确定模块计算当前系统的基准价格即为当前竞价价格；最后调用节点价格确定模块和功率分配模块确定每个节点的实际价格以及分配的功率数量。
所述的竞价周期优选为1秒。
所述的恒定价格周期优选包含7-10个竞价周期；在每个恒定价格周期时间段内，每个节点的实际价格以及分配到的功率数量都是在上一个恒定价格周期的最后一个竞价周期确定的，并且在整个恒定价格周期时间段中保持不变。
所述的非IT资源分配的系统在恒定价格周期时间段内，通过7-10次的竞价过程，使得每个节点让自身服务质量需求最优地匹配当前数据中心资源供应能力，从而使得每个节点单位成本的服务质量最优。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过一种市场调控的方法来动态的分配非IT资源。一方面，数据中心将节点对非IT资源的需求和影响反映到数据中心定价模式中，对不同的用户进行不同的收费；另一方面，用户根据数据中心的定价改变自身对非IT资源的需求；通过数据中心和每个节点间的这样一种相互影响的方式，在数据中心层面提升非IT资源的使用效率，并且对于每个节点到达其单位成本服务质量最优的效果。
附图说明
图1为本发明竞价式调度方案资源管理时序图；
图2为本发明系统示意图；
图3、图4、图5为实施例示意图。
具体实施方式
针对不同用户提交的性能确定服务等级，不同的服务等级对应不同的计算性能，因此不同的服务等级所消耗的功率也不同。等级越高，功率越大。
以电力资源(功率配额)为例，当应用运行在服务器集群上，每个用户占用一个服务器节点。每个服务器节点的CPU频率和电压可以动态调节，不同的频率电压导致节点呈现不同的性能等级和功耗需求。服务器集群整体具有额定功率，在用户数目多或者某些用户计算任务密集时，会出现功率需求竞争。
本实施例采用动态竞价的方式实现用户间的功耗分配，以一个周期时间段T内等分的多个子时间段G作为最小调整周期，每个子时间段G内用户的功耗是稳定的，不同时间段内用户功耗不同。
本实施例通过在一个周期时间段T内，数据中心为每一个用户分配一功耗上限，用户根据其功耗波动情况，动态向数据中心发送功耗分配请求；当所有用户的整体功耗需求小于等于数据中心上限时，数据中心按照各个用户的功耗分配请求分配资源。
所有用户的整体功耗需求越高，基准价格越高；同时基准价格并不会无限额升高，其上限大约是初始价格1的10倍。
进一步地，数据中心在每个子时间段G内向各个节点提供的虚拟价格，这个价格是初始价格1与当前系统供应的资源和所有节点总的需求的比值的乘积，供用户优化其功耗分配请求，具体为：初始状态下，每个节点都预先定义了自己期望的服务等级需求和拥有的财产数量，具体说来，节点预定义的服务等级需求就反映了节点能够接受的所分配的功率资源的范围，一旦确定了价格，财产值决定了用户最大能够支付的电力资源的上限；在每个子时间段G内，用户持续向数据中心申报功率需求，申报的功率需求在用户预定义的功率资源范围之内变化，数据中心根据所有节点整体功耗需求和当前数据中心提供的资源总量的关系计算一个虚拟价格，这个价格反应了当前数据中心的供求关系并且被公开反馈给所有节点；在用户可以接受的功率变化范围内，并且用户所拥有的财产在当前虚拟价格下能够支付，用户可以根据供求关系适当降低/提高自身的需要的功率，以保证数据中心尽可能的处于一种供需相等的状态。
所述的数据中心预先获取用户应用的“性能-功耗”变化关系，该框架通过线下测试绘制一个针对一般应用的性能-功耗变化曲线，该曲线能确定不同类型任务(如计算密集型，内存密集型，I/O密集型)任务在不同服务等级下的功耗变化情况。
所述的任务的服务等级和功耗的关系由性能-功耗变化曲线获得。
所述的数据中心根据当前周期T内虚拟价格情况确定下一周期时间段T内的基准价格。
优选地，数据中心根据节点请求的功耗配额对他们进行排序，在数据中心供应不能满足需求时，对排序在前50％的节点采取惩罚机制，惩罚机制具体表现为强制减少其购买的资源数量，以保证所有数据中心总需求小于等于总供应。从而实现防止少数用户占据多数用户的资源的目的。
本实例采用系统仿真的形式验证了所提出的技术，如图3～图5所示，图中：五种技术方案分别表示为：(a)capping表示现有的利用动态电压和频率扩展来限制功率；(b)shaving代表现有的利用电池和动态电压/频率扩展方法共同来消除功率尖峰；(c)bid代表了现有的基于市场机制的方式来进行电源管理的策略；(d)P&O和CFP都是我们提出了将用户行为融合到电源管理生态循环中的方法，其中P&O并没有引用奖励和惩罚机制。图5中scaleup为一些恶意侵占资源的节点的数量。如图可见，本发明竞价调度方式能有效限制部分功耗密集型应用对其它普通应用的资源抢占现象，提升数据中心整体运行效率和性能价格比。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (16)

1.一种基于数据中心所有节点单位成本性能公平前提下的电力资源分配方法，其特征在于，通过预先建立负载的效用曲线，并由各个节点独立定义其服务等级，即有各个节点定义其期望的性能，效用曲线可以将不同的服务等级需求映射成不同电力功率需求；通过检查当前时刻数据中心可用电力资源容量和所有节点请求的电力功率总量，根据初始化价格确定系统资源价格，即基准价格并广播至各个节点后对基准价格进行动态调整，从而实现优化分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的负载的效用曲线是指：根据预先建立的负载的性能-所分配的功率曲线建立对应的效用曲线，具体步骤包括：
①预先对数据中心常见的负载，包括I/O型负载、内存型负载、计算型负载和系统型负载进行性能和所分配的功率关系的描述和分析，建立这四种负载的性能-所分配的功率曲线；
②利用所述性能-所分配的功率曲线预先建立四种负载的用于反应负载服务等级和所分配的非IT资源的关系的效用曲线。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的服务等级为表示不同性能的多个自然数，所述的效用曲线将其映射为不同的功率需求。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的基准价格的确定方式为：当当前时刻数据中心可用电力资源容量大于等于所有节点请求的资源总量，当前基准价格则小于初始化价格1；反之基准价格大于初始化价格1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的动态调整，具体包括：
①当基准价格小于1时，即数据中心供应超过需求时，当节点要求更多的资源，即提高当前所需的服务质量等级，并且节点每提升一个等级的服务质量，其实际价格比基准价格低10％。假设节点将服务等级从1提升到了3，则节点的实际价格比基准价格低20％；当节点仍然请求不变的资源，其实际价格等于基础价格，或者是；
②在基准价格大于1时，当节点能够请求更少的资源，即节点降低其服务等级，并且节点每降低一个服务等级，节点实际价格比基准价格低10％；当节点仍然保持请求不变的资源数量，其实际价格等于基础价格。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征是，所述的动态调整，当所有节点经过7～10次调整后当前系统的供应仍然无法满足所有节点的总需求，则将根据每个节点请求资源的高低情况进行惩罚。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的惩罚是指：将所有节点根据其请求的资源数量由多到少进行排序，然后从排序在前50％的节点能够买到的资源是数量中强制扣除相同数量的电力资源来降低总需求，直到满足总需求小于系统供应。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的优化分配，根据动态调整后的每个节点分配到的资源数量计算其账单。
9.一种实现上述任一权利要求所述方法的非IT资源分配的系统，其特征在于，包括：位于数据中心的负载分析模块、电力设施监控模块、基准价格确定模块、节点行为模块、用于根据基准价格和用节点行为在调整当前系统供需平衡的贡献来确定每个节点的实际价格的节点价格确定模块、功率分配模块和非IT资源分配模块，以及位于各个节点中的功率请求模块以及请求优化模块，其中：负载分析模块直接与用户相连并反映用户对服务质量的要求，间接反映了用户电力资源变化的接受程度；基础设计监控模块与数据中心中电力资源基础设施相连并实时读取数据中心中可用资源的状态；基准价格确定模块和非IT资源分配模块相连，用于数据中心向所有节点传输当前数据中心中供需关系；节点行为模块、节点价格确定模块和非IT资源分配模块相连，用于由节点向数据中心反馈自身是否愿意不断自主地调整、反馈服务质量需求来保证当前数据中心供求关系平衡；最后功率分配模块结合当前数据中心供求关系以及用户在保证供需平衡下的贡献值确定每个用户所分得的电力资源数量。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的负载分析模块将四种不同的负载类型，即I/O型负载、内存型负载、计算型负载和系统型负载的服务质量等级映射到相应的电力功率的变化范围；电力设施监视模块将电力资源容量的实时数据反映给非IT资源分配模块。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的基准价格确定模块根据初始价格乘以可用资源和当前用户总需求的比值确定每个时刻的基准价格并广播至每个节点。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的节点行为包括：
a)基准价格大于1时，表明当前时刻数据中心资源供应不能满足总需求，节点会配合数据中心降低自身对资源的需求；
b)基准价格大于1时，节点为了保证自身性能的稳定性，仍然请求不变的资源数量；
c)基准价格小于等于1时，表明当前时刻数据中心资源供应能够满足需求，为了配合数据中心能源利用率，节点将自身请求消耗更多的资源；
d)基准价格小于等于1时，节点仍然保持不变的资源请求。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的节点价格，其确定方式包括：(a)当节点降低还是提升自身对资源的需求来保证数据中心供需平衡时，节点贡献值等于其降低或者提升的服务等级数量，因此节点实际价格比基准价格少贡献值个10％；(b)节点当保持不变的资源请求数量，节点价格等于基准价格。
14.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的功率分配模块根据节点所拥有的财产总量和自身需求购置功率数量：当所有节点购置的功率数量小于等于数据中心总供应，每个节点都能分配到购置的功率数量；反之，购置功率过大的节点将会接受惩罚。
15.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的非IT资源分配模块中预设竞价周期和恒定价格周期，该模块在每个竞价周期内确定每个节点的竞价价格，具体为：通过节点行为模块得到的节点资源请求数量并计算所有节点总需求量；利用基准价格确定模块计算当前系统的基准价格即为当前竞价价格；最后调用节点价格确定模块和功率分配模块确定每个节点的实际价格以及分配的功率数量。
16.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的恒定价格周期包含7-10个竞价周期；在每个恒定价格周期时间段内，每个节点的实际价格以及分配到的功率数量都是在上一个恒定价格周期的最后一个竞价周期确定的，并且在整个恒定价格周期时间段中保持不变。
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