بخشی از مقاله
بهره وري مصرف انرژي در محاسبات ابري
چکيده - محاسبات ابري به زيرساخت ها، بسترها، برنامه ها و سرويس هايي اشاره دارد که در يک محيط توزيعي با مقياس بزرگ اجرا شده و با استفاده از فن آوري مجازيسازي به شکل بهينه از منابع موجود استفاده ميکنند. تقاضاي رو به رشد زيرساخت هاي ابري باعث افزايش مصرف انرژي در مراکز داده شده که اين امر چالش هاي فراواني را به دنبال داشته است . مصرف بالاي انرژي نه تنها هزينه هاي نگهداري مراکز داده را افزايش ميدهد، بلکه باعث انتشار فراوان گاز دي - اکسيدکربن نيز ميشود که اين به نوبه خود براي محيط زيست خطرناک است . تحقيقات زيادي در اين حوزه انجام شده تا مراکز داده با استفاده از روش هايي مثل مجازيسازي، امکانات سخت افزاري يا الگوريتم هاي کم مصرف ، انرژي مصرفي خود را کاهش دهند. اين مقاله به توضيح در زمينه ي محاسبات ابري، مراکز داده و مجازيسازي ميپردازد. مزايا و معايب و همچنين چالش هاي موجود در بهره وري مصرف انرژي را بررسي کرده و راه حل هايي براي رفع اين مشکلات ارائه ميکند.
واژه هاي کليدي- محاسبات ابري، بهره وري مصرف انرژي، مجازيسازي، مراکز داده
١- مقدمه
محاسبات ابري يک مدل محاسباتي است که نرم افزارها، ميان افزارها و منابع محاسباتي مبتني بر وب را هنگام تقاضاي کاربران ارائه مي کند. با پيشرفت فن آوري به عنوان خدمات ، کاربران فقط به منابعي که براي انجام کارشان نياز دارند دسترسي پيدا ميکنند. بنابراين نيازي به پرداخت هزينه براي منابع ، همانند روش سنتي نيست . محاسبات ابري علاوه بر اينکه باعث صرفه جويي در هزينه ها ميشود به کاربران اجازه ي دسترسي به آخرين نرم افزارها و زيرساخت ها براي نوآوري در کسب و کار را ميدهد. بسترهاي محاسباتي کنوني، درصدد هستند تا امکانات موجود را يکپارچه کرده و تا حد ممکن سرويس ها را از طريق سرويس دهنده هاي کمتري پياده سازي کنند. اين کار از طريق فن آوري مجازيسازي انجام ميشود. فن آوري مجازيسازي باعث صرفه جويي در بسياري از زمينه ها از جمله مکان فيزيکي، برق ، هزينه ، خنک کننده و غيره ميشود. تاکنون اقدامات مفيدي در زمينه بهينه سازي مصرف انرژي در مراکز داده صورت پذيرفته است . تدوين استانداردها و معيارهاي برچسب مصرف انرژي در ساختمان ها، تهيه زيرساخت هاي نرم افزاري کم مصرف ، از جمله اين اقدامات بوده است . اما عليرغم موارد به انجام رسيده ، همچنان پتانسيل هاي بسيار گسترده اي براي بهينه سازي مصرف انرژي وجود دارد، که در صورت بکارگيري راهکارهاي مناسب ، نتايجي همچون کاهش سطح تقاضاي انرژي و بهبود ضريب استفاده از سيستم موجود را به دنبال خواهد داشت [١].
٢- محاسبات ابري
دنياي فن آوري اطلاعات و اينترنت که امروزه تبديل به قسمتي از حيات زندگي بشر شده ، روز به روز در حال گسترش است . محاسبات ابري نمونه اي است که همه ي نيازهاي فن آوري اطلاعات ١ را از قبيل ذخيره سازي و محاسبه در اينترنت و همچنين نيازهاي اعضاي جوامع مانند امنيت اطلاعات ، پردازش سريع ، دسترسي پويا و از همه مهم تر، صرفه جويي در هزينه ها را برآورده مي - کند و برحسب تقاضاي مشتريان ، دسترسي آسان و سريع و بدون دخالت سرويس دهنده به منابع محاسباتي را ممکن ميسازد [٢].
محاسبات ابري چند سال پيشتر در مراکز تحقيقاتي دانشگاهي و صنعتي پيشنهاد شده و توسعه يافته است .
کارايي انرژي محاسبات ابري به برنامه ها و سرويس هايي اشاره دارد که در يک شبکه توزيع شده اجرا ميشوند و از منابع مجازي استفاده ميکنند، همچنين از طريق پروتکل هاي رايج اينترنت و استانداردهاي شبکه قابل دستيابي مي - باشند. براي درک محاسبات ابري از تمامي جنبه ها لازم است انواع مختلف ابر را طبقه بندي کنيم . مدل هاي سرويس دهي يا اشکال ارائه محاسبات ابري، در واقع منابعي است که در اين فن آوري از طريق اينترنت در اختيار کاربران گذاشته مي شود و مي توان تمام سرويس هاي ابري را براساس اين منابع طبقه - بندي کرد [٣].
محاسبات ابري در ٣ شکل ارائه مي گردد:
• نرم افزار به عنوان سرويس (SaaS)٢
• بستر به عنوان سرويس (PaaS)٣
• زيرساخت به عنوان سرويس (IaaS)٤
محاسبات ابري متشکل از اين سه لايه است که همه ي بخش محاسباتي سيستم را مي پوشاند.
٣- بهره وري مصرف انرژي
با رشد روزافزون نيازهاي محاسباتي از طرف کاربران ، افزايش مصرف انرژي مراکز داده اي به يک مسئله بحراني تبديل شده است . مصرف زياد انرژي باعث افزايش انتشار گاز دياکسيدکربن ميشود و همچنين باعث کاهش قابليت اطمينان سيستم و کاهش طول عمر دستگاه ها بر اثر حرارت بيش از حد مي شود [٤,٥].
در قبال هزينه هايي که کاربران در سيستم محاسبات ابري پرداخت ميکنند، ميزبانان مراکز داده ، خدماتي را انجام ميدهند و اين باعث مصرف مقادير زيادي از انرژي در مراکز داده و هزينه هاي عملياتي و در نتيجه افزايش ميزان کربن در محيط زيست شده و به همين دليل مبحثي به نام محاسبات ابري سبز بوجود آمده است . محاسبات ابري سبز نه تنها باعث حداقل شدن هزينه - هاي عملياتي شده ، بلکه به کاهش اثرات زيست محيطي نيز کمک ميکند.
بهره وري انرژي به طور فزاينده اي براي فن آوري اطلاعات و ارتباطات آينده مهم است ، زيرا افزايش استفاده از فن آوري اطلاعات و ارتباطات ، همراه با افزايش هزينه هاي انرژي ، نياز به کاهش انتشار گازهاي گلخانه اي براي فن - آوريهاي انرژي کارآمد دارد که باعث کاهش مصرف انرژي کلي محاسبات مي شود. به دليل انعطاف پذير بودن ابر برخي از منابع مانند سرورها و نرم - افزارها ميتوانند به صورت پويا از مخزن حذف و يا اضافه شوند [٦].
مصرف انرژي با توجه به نور، کاهش توزيع نيرو و تجهيزات الکتريسيته رخ مي دهد. به عبارت ديگر، اکثر مصرف نيرو در مراکز داده ها براي هدف هايي به غير از سرويس هاي فن آوري اطلاعات استفاده مي شود.
١-٣- اهميت بهره وري مصرف انرژي
برخي از تحقيقات نشان مي دهند که محاسبات ابري مي تواند به طور واقعي مراکز داده هاي سنتي را با استفاده از تکنولوژيهايي مثل تقويت نيروي کاري و منابع مجازي پرانرژيتر سازد. مراکز داده هاي سنتي که برنامه هاي کاربردي وب را اجرا مي کنند اغلب از حداکثر بار استفاده مي کنند که اين مي تواند باعث بهره برداري منابع کم و هدر رفتن انرژي شود. از طرف ديگر، مراکز داده هاي ابري، مي توانند مصرف انرژي را در تقويت سرور کاهش دهند و همچنين تحقيقات اخير توسط کاربرد تجاري مي تواند باعث کاهش کربن سازمان ها شود [٧,٨]. در نتيجه ، به راه حل هاي کارايي انرژي نياز است تا از قابليت پايداري محيط از اين نمونه ي محاسباتي جديد مطمئن شويم . تاکنون ، از آنجايي که مراکز داده ها اجزاي اصلي منابع محاسباتي ابر هستند، بيشتر راه حل هاي اوليه روي به حداقل رساندن مصرف انرژي مراکز داده ها تمرکز داشته اند که به طور غيرمستقيم انتشارات کربن را به حداقل مي رسانند.
مصرف انرژي محاسبات ابري بايد به عنوان يک مسئله منطقي در زنجيره فراورده هاي مکمل در نظر گرفته شود که در آن پردازش ، ذخيره سازي و انتقال با هم مورد توجه قرار مي گيرند. با استفاده از اين راهکار محاسبات ابري مي تواند راه مناسبي براي استفاده از کارايي انرژي بيشتر باشد، به ويژه هنگامي که وظايف کاربر از شدت کمي برخوردار است .
٢-٣- تاثيرات بهره وري مصرف انرژي بر محاسبات سبز
محاسبات ابري داراي يک خط سبز است . امروزه فن آوريهاي نوين باعث افزايش تقاضاي کسب و کار در محيط وب شده است . در قبال هزينه هايي که کاربران در سيستم کسب و کار وب پرداخت ميکنند، ميزبانان مراکز داده ، خدماتي را انجام ميدهند. افزايش تقاضا منجر به افزايش خدمات و در نتيجه ايجاد مراکز داده محاسباتي با مقياس بزرگ شده که علاوه بر هزينه هاي عملياتي بالا، مقادير عظيمي از توان الکتريکي را مصرف مي کنند. از طرفي سيستم هاي خنک کننده ناکافي و ناکارآمد نه تنها باعث گرم شدن بيش از حد منابع و کاهش عمر کاري دستگاه ها ميشود، بلکه باعث توليد کربن شده که در محيط زيست نقش مهمي دارد. از اين رو بايد به دنبال تخصيص الگوريتم - هايي براي مديريت انرژي کارآمد باشيم .
در حالي که مزاياي مالي محاسبات ابري به طور وسيعي تحليل شده است ، کارايي انرژي محاسبات ابري به عنوان يک کار تحليل نشده است . در سراسر مراکز داده هاي مجازي، محاسبات ابري مي تواند ذخيره ي انرژي را در حد بالا به اشتراک بگذارد، اما سرويس هاي ابري مي توانند ترافيک اينترنت را افزايش دهند و پايگاه داده هاي رو به رشد ذخاير انرژي را کاهش دهند [٩].
بنابراين چهارچوب بهره وري مصرف براي کاهش ردپاي کربن در حالتي بي - خطر به کار ميرود، بدون اينکه کيفيت خدمات آن که توسط فراهم کنندگان ابر پيشنهاد شده است ، قرباني شود [١٠].
محاسبات ابري از لحاظ پتانسيلي ، مزاياي مالي را نيز پيشنهاد مي دهد که در آن کاربران نهايي، منابع محاسباتي بي شماري را اشتراک مي کنند و سيستم - هاي خود را مديريت مي کنند.
اغلب از مراکز داده هاي موجود به عنوان پايه و اساس استفاده مي شود، فراهم کنندگان سرويس ابري در زيرساخت هاي لازم و سيستم هاي مديريت سرمايه گذاري مي کنند و در برگشت دستمزدي را به خاطر استفاده و زمان از کاربران نهايي دريافت مي کنند.
٣-٣- کارکردهاي افزايش بهره وري مصرف انرژي
چندين تکنولوژي و مفهوم استقرار توسط فراهم آورندگان ابر بکار رفته است تا به سودمندي و کارايي بهتر نسبت به محاسبات سنتي دستيابي پيدا کنند.
مجازيسازي، فرايند ارائه يک گروه منطقي يا مجموعه اي از منابع محاسباتي است که مي تواند در روش هايي که بر پيکربندي اصلي مزيت داشته باشد ارزيابي شود. با تثبيت سرورهاي سودمند به شکل ماشين هاي مجازي چندگانه که همان سرور فيزيکي را با بهره برداري بالاتر به اشتراک مي گذارند، شرکت ها مي توانند به ذخيره سازي بالايي به مديريت و انرژي برسند [١١].
بسياري از کارها روي اجزاي خاص محاسبات ابري تمرکز مي کنند در حالي که اثر ديگري را ناچيز مي شمارند که ممکن است باعث کارايي انرژي کلي نشود. مثلا تثبيت ماشين مجازي ممکن است تعداد سرورهاي فعال را کاهش دهد اما بازه هايي بيش از حد در چند سرور برجاي بگذارد و آن جايي است که توزيع گرما مي تواند موضوع مهمي باشد. ديگر کارهايي نيز صورت گرفته است که صرفاً تأکيد روي توزيع نيروري بار دارند تا خنک سازي کارايي انرژي را بدون درنظر گرفتن تأثير مجازيسازي پشتيباني کنند. بنابراين چهارچوب ابري سبز اهداف فراهم کننده را در حالي که مصرف انرژي ابر کنترل ميشود محاسبه ميکند.
٤-٣- الگوهاي مصرف انرژي
اين الگوها شامل توصيف تکنيک هاي ذخائر انرژي هستند که توسط فراهم - کنندگان سرويس محاسباتي ابر بکار گرفته شده است . براي محاسبه انتقال و پردازش مصرف انرژي و نيرو از اين الگوها استفاده مي شود. انرژي و نيرو سنجش هاي اصلي مصرف انرژي مي باشند. انجام دادن محاسبات در مفهوم انرژي، نتايجي را ارائه مي دهد که به آساني در هر سطح مصرف سنجيده مي - شود.
الگوي سرويس محاسبات ابري شامل شرايطي است که از منابع محاسباتي با عملکرد بالا فراهم مي شود و همچنين شامل وسيله هاي ذخيره سازي ظرفيت بالاست که در ميان کاربران اشتراک گذاشته مي شود. الگوهاي سرويس ابري زيادي وجود دارد که به طور کلي ، کاربران داده ها را توسط سرويس ها دريافت مي کنند که از منابع محاسباتي جمع آوري شده و در تقاضاها استفاده مي - شود. پيشنهاد فراهم کننده ي سرويس ممکن است به نرم افزارهاي برنامه کاربردي توسعه يابد و براي اينکه اين فرايند موفقيت آميز عمل کند نياز به شبکه هايي با سرعت بالا دارد تا بين کاربر نهايي و زيرساخت فراهم کننده ي سرويس ارتباط ايجاد کند.
