بخشی از مقاله
بررسي و مقايسه يروش هاي بهبود مصرف انرژي در مراکز داده اي ابري
چکيده با توجه به رشد نگرانيهاي مرتبط با مصرف قابل ملاحظه ي انرژي، پژوهش هايي با هدف حرکت به سمت مراکز داده اي سبز و افزايش بهره وري انرژي صورت گرفته است . با تخصيص بهينه ماشين هاي مجازي به ميزبان هاي فيزيکي علاوه بر اينکه تأثير چشمگيري در کاهش مصرف انرژيدر مراکز داده اي دارد، ميتواند براي جلوگيري از آلودگي محيط زيست ، افزايش بهره وري انرژي و بهبود کيفيت ارائه سرويس مفيد باشد. در محاسبات ابريمسئله تخصيص ماشين هاي مجازي به ميزبان هاي فيزيکي يکي از چالش - هاي مهم لايه IaaSاست که همواره سعي دارد با تخصيص بهينه ماشين هاي مجازي به ميزبان هاي فيزيکي مصرف انرژي را به شکلي بهينه کند. با استفاده از تکنيک هاي مختلفي همچون مجازيسازي، زمان بندي و مديريت منبع ميتوان ، يک فرآيند زيرساختي با هدف بهبود مصرف انرژي در مراکز داده اي ابري ايجاد کرد. در اين مقاله رويکردهاي مهم بهبود مصرف انرژي در مراکز داده اي ابري مورد بررسي قرارگرفته و نتايج به صورت مقايسه اي ارائه گرديده اند.
کلمات کليدي
محاسبات ابري، بهره وري انرژي، مجازيسازي، بهبود مصرف ، مراکز داده اي سبز.
١-مقدمه
محاسبات ابري مدل مبتني بر پرداخت فوري را به کاربران سرتاسر دنيا پيشنهاد ميکند. با اينکهمصرف انرژي در مراکز داده محاسبات ابري زياد است ولي محاسبات ابري در هزينه هاي کلي، عملکرد بهتر و بالايي دارند. به همين خاطر به روش هايي نياز است که بتواند مصرف انرژي را در مراکز داده کم کند تا هم از هزينه ها کاسته شود و هم از توليد کربن دياکسيد زياد جلوگيري شود. در واقع آنچه که باعث استفاده بهينه از منابع و کاهش مصرف انرژي در مراکز داده ها ميشود، تخصيص بهينه ماشين هاي مجازي به ميزبان هاي فيزيکي است . مطالعه زيادي روي مصرف انرژي مراکز داده اي صورت گرفته است که اين خود باعث مطرح شدن استراتژيهاي جديدي براي بهره وري انرژي شده است . بهبود بهره وري انرژي به دلايل زيادي مانند کاهش هزينه برق و نيز تأثير مثبتي که بر محيط زيست دارد به يک کار مهم براي همه مراکز داده تبديل شده است . مطالعه زيادي روي مصرف انرژي مراکز داده صورت گرفته است که اين خود باعث مطرح شدن استراتژيهاي جديدي براي بهره وري از انرژي شده است . بهبود بهره وري انرژي کار به طور فزاينده اي به دلايل زيادي مانند هزينه برق زياد و محدوديت هاي زيربنايي و تأثير منفي محيط زيست به يک کار مهم براي همه مراکز داده ها تبديل شده است .
تکنيک مجازي سازي و همچنين اتحاد و مهاجرت زنده ماشين هاي مجازي ميتواند مصرف انرژي را به طرز چشم گيري کاهش دهد. براي اين کار نياز است که منابع مراکز داده با تکنيک هاي بهره وري از انرژي بررسي مديريت شوند، به طوري که بتوانند نيازمنديهاي QOS1را تضمين کنند و همچنين انرژي مصرفي را کاهش دهند. در ادامه ي مقاله شرح برخي از رويکردهاي بهره وري انرژي ارائه شده است .
در ادامه ي مقاله در بخش ٢ به بررسي و مقايسه ي رويکردهاي بهبود مصرف انرژي بدون استفاده از تکنيک مجازي سازي ميپردازيم . سپس در بخش ٣ رويکردهايي که از تکنيک مجازيسازي استفاده کرده اند مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته و نهايتا در بخش آخر نتيجه کلي اين مقاله ارائه ميگردد.
٢- رويکردهاي بهره وري انرژي بدون استفاده از تکنيک مجازي سازي
رويکردي که در جهت بهره وري انرژي ارائه شده اند از روش هاي مانند زمان بندي، مديريت منبع براي بهينه سازي مصرف انرژي استفاده ميکنند. در اين بخش برخي از رويکردهاي بهره وري انرژي در مراکز داده اي محيط ابري که عمدتا از تکنيک مجازي سازي استفاده نمي کنند بررسي و مقايسه شده اند.
٢-١- تأثير توازن و عدم توازن بار در مصرف انرژي و کارآيي محيط خوشه اي
Pinheiro و همکارانش رويکرد نظارت بار کاري در فاصله هاي مشخصي، جهت خاموش و روشن کردن نودها و با هدف کاهش مصرف انرژي و رسيدن به کارآيي شرح داده اند. تکنيک خاموش کردن نودهاي بيکار با هدف کاهش مصرف انرژي و کاهش تنزل کارآيي و فراهم کردن QoS مورد نياز را ارائه داده اند[١].
٢-٢- خوشه هاي سرور با بهره وري انرژي
رويکردي که سيستم مقدار فرکانس پردازنده را تخمين مي زند تا به زمان پاسخ منطقي برسد، سپس آن فرکانس را متناسب بين نودها تقسيم مي کند در مقاله [٢] به آن اشاره شده است . در اين مقاله براي مشخص شدن خاموش يا روشن بودن نودها از آستانه استفاده شده است . به منظور کاهش مصرف انرژي و رسيدن به کارآيي در اين رويکرد از تکنيک هاي DVFS٢ و خاموش کردن نودهاي بيکار استفاده شده است .
٢-٣- زمان بندي هوشيار محيط برنامه هاي محاسباتي با کارآيي بالا
اين رويکرد مربوط به زمان بندي برنامه هاي محاسباتي با کارآيي بالا ميباشد که از پنج سياست زمان بندي براي مراکز داده که در ناحيه هاي جغرافيايي مختلف قرار دارند، استفاده مي کند. از تکنيک DVFS براي ذخيره انرژي استفاده ميکند. هدف کاهش انتشار Co2و کاهش مصرف انرژي و افزايش بازده کاري ميباشد[٣].
٢-٤- اتحاد هوشيار انرژي براي محاسبات ابري
در مقاله [٤] رويکردي ارائه شده است با هدف کاهش مصرف انرژي و رسيدن به کارآيي، توزيع بار کاري در ميان سرورها به صورت ايده آل و با استفاده از روش اکتشافي صورت ميگيرد، اگر يک درخواست نتواند انجام شود با استفاده از روش اکتشافي يکسان ، سرور ديگري روشن ميشود تا درخواست مورد نظر را انجام دهد. اين رويکرد از يک مدل چند بعدي استفاده ميکند که منابع سيستم بعدي آن را تشکيل ميدهند. از تکنيک هاي خاموش کردن نودهاي بيکار و اتحاد بار کاري استفاده ميشود.
٢-٥- تخصيص انرژي بهينه در فريم هاي سرورها
رويکردتخصيص انرژي بهينه در فريم هاي سرورها از تکنيک DVFS
استفاده ميکند. زمان پاسخ متوسط را به عنوان تابع نرخ ورود، رابطه انرژي و فرکانس و غيره ، با استفاده از يک مدل صف بندي تخمين ميزند و ميتواند نياز به انرژي را براي اين توابع به طور بهينه مشخص کند. از هدف اختصاص دادن بودجه هاي انرژي جهت مينيمم کردن زمان پاسخ و رسيدن به کارآيي ميباشد[٥].
٢-٦- مديريت منابع سرور و انرژي در مراکز ميزبان
رويکردي که در مقاله [١٢] شرح آن را ارائه داده است ، بدين صورت است که سيستم تا زمان رسيدن به حداکثر سود، ارزش يک منبع و سودمندي تخصيص آن به يک سرويس را کنترل ميکند. از ديدگاه کيفيت و حجم ، منابع توسط سرويس ها نشانه گذاري ميشوند. از تکنيک هاي اتحاد بار کاري و خاموش کردن نودهاي بيکار با هدف کاهش مصرف انرژي و کاهش تنزل کارآيي استفاده ميشود.
٣- رويکردهاي بهره وري انرژي در مراکز داده محيط ابري با استفاده از تکنيک مجازي سازي
يکي از تکنيک هاي به کارگيري در محاسبات ابري تکنيک مجازي سازي مي باشد. مجازيسازي يکي از تکنيک هاي بارز کاهش مصرف انرژي در مراکز داده ميباشد. در اين بخش برخي از رويکردهاي بهره وري انرژي در مراکز داده محيط ابري که از تکنيک مجازي سازي استفاده مي کنند از نظر کارآيي، اساس کاري رويکرد و تکنيک هاي استفاده شده بررسي و مقايسه شده اند.
Magnet -1-3
رويکرد Magnetيک معماري چند لايه اي را ارائه ميدهد که از مهاجرت زنده ماشين هاي مجازي براي انتقال بار بين نودهاي سرور استفاده ميکند. اين رويکرد يک روش پيکربندي دوره اي را در نظر ميگيرد که روي کارآيي تأثير ميگذارد. اگر دوره خيلي طولاني باشد، باعث مصرف انرژي اضافي ميشود و اگر دوره خيلي کوتاه باشد باعث مهاجرت هاي ماشين مجازي خيلي زيادي ميشود. از تکنيک هاي مهاجرت زنده ماشين مجازي خاموش کردن نودهاي بيکار استفاده ميشود. هدف افزايش کارآيي و کاهش مصرف انرژي ميباشد[٦].
Enacloud -2-3
لي و همکارانش رويکرد Enacloud را در مقاله [٧] ارائه داده اند که قادر به مکان يابي زنده برنامه به طور پويا با در نظر گرفتن بهره وري انرژي ميباشد. در اين روش يک راه حل مبتني بر رخداد را به کار ميگيرد تا به طور پويا با رويداد تغيير بار کاري تطبيق پيدا کند. در رويکردEnacloud از تکنيک هاي مهاجرت زنده ماشين مجازي و خاموش کردن نودهاي بيکار استفاده ميشود. هدف اصلي کاهش مصرف انرژي و حداقل کارآيي ميباشد.
Virtual Power -3-3
اساس کاري که در رويکرد Virtual Power استفاده شده است ، مديريت انرژي در دو سطح انجام ميشود. در سطح اول ، سياست هاي محلي براي مديريت انرژي ماشين هاي مجازي که روي سرورهاي فيزيکي اجرا ميشوند، به کار ميروند درحاليکه سياست هاي عمومي در سطح دوم انجام ميشوند تا مسئوليت يکساني را در ميان سرورهاي فيزيکي بر عهده ميگيرند. بنابراين بايد در مورد نيازها و صفات هوشيار باشند. از تکنيک هاي DVFS،خاموش کردن نودهاي بيکار و مقياس پذيري نرم افزاري براي ذخيره انرژي استفاده ميشود. هدف کاهش استفاده از انرژي و رسيدن به کارآيي مورد انتظار مي باشد.مقياس پذيري نرم افزاري تقليد مقياس پذيري سخت افزار مي باشد که از توانايي زمان بنديVMM1استفاده ميکند که باعث ميشود ماشين هاي مجازي زمان کمتري براي استفاده از منابع داشته باشند[٨].
٣-٤- مديريت انرژي چند سطحي هماهنگ شده براي مراکز داده
مديريت انرژي چند سطحي هماهنگ شده براي مراکز داده رويکردي ارائه داده است که بر پايه روندهاي مديريت انرژي مختلف ، به صورت پويا در بين نودها عمل ميکند. در حقيقت اين رويکرد مشکل مديريت انرژي در مراکز داده را با ترکيب و هماهنگي بين پنج سياست مديريت انرژي مختلف ، انجام ميدهد. از تکنيک هاي DVFS، اتحاد ماشين - مجازي و خاموش کردن نودهاي بيکار استفاده ميکند. هدف کاهش مصرف انرژي و کاهش تنزل کارآيي مي باشد[٩].
٣-٥- مديريت کارآيي و انرژي محيط هاي محاسباتي مجازي به وسيله کنترل پيش بيني محدود
در اين رويکرد هر وضعيت برنامه به وسيله کنترل پيش گويي محدود، پيش گويي و نگهداري مي شود. از فيلتر Kalman براي پيشگويي تعداد درخواست هاي آينده استفاده ميکند تا وضعيت آينده سيستم را پيش گويي کند و تخصيص هاي لازم را انجام دهد. از تکنيک هاي خاموش کردن نودهاي بيکار، DVFS و اتحاد ماشين مجازي استفاده ميکند. هدف کاهش تنزل کارآيي و کاهش مصرف انرژي ميباشد[١٠].
