1 引言
數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)集中存儲的場所,是信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、信息技術(shù)服務(wù)、數(shù)字內(nèi)容服務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的集中載體。在信息通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過程中,數(shù)據(jù)中心發(fā)揮了重要作用。在數(shù)據(jù)爆炸式增長的今天,云計算已成為下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢;而云計算的發(fā)展離不開數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心正發(fā)展成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的主要組成部分。
與此同時,數(shù)據(jù)中心的能耗和能效問題也越來越成為一個突出的矛盾,其節(jié)能已經(jīng)成為一個核心議題。隨著國家對節(jié)能減排的重視,云化數(shù)據(jù)中心成為數(shù)據(jù)中心運營企業(yè)的重要手段,越來越多的運營商將云計算技術(shù)引入到數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運維中,用以降低整體運營成本,提高自動化運維管理水平。
本文綜合分析當(dāng)前數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀,探討云化數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)和效果等問題。
2 數(shù)據(jù)中心能耗現(xiàn)狀
2.1數(shù)據(jù)中心能耗特點
數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)電信機房相比,其主要特點是服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多且集中,通常采用機柜、機架等方式堆放,需要大量的集中供電。除了服務(wù)器等設(shè)備的直接消耗外,各類信息設(shè)備不間斷運行,全年需要供冷,因設(shè)備散熱問題而帶來的制冷能耗巨大。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的能耗特點主要有以下方面:
(1)數(shù)據(jù)中心運行能耗高、能效低
數(shù)據(jù)中心能耗巨大,主要集中在服務(wù)器設(shè)備和制冷設(shè)備方面,其中制冷系統(tǒng)能耗占整個機房運行能耗的30%~50%。圖1顯示了數(shù)據(jù)中心的大致能耗分布:
圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布圖
據(jù)統(tǒng)計,數(shù)據(jù)中心的能耗成本占到了總成本的50%左右,包括電力、機房占地、帶寬等各方面。在產(chǎn)生高能耗的同時,我國數(shù)據(jù)中心也存在著低能效的問題,機房主設(shè)備的平均負(fù)載比較低,資源利用率一直處于較低水平。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中90%的服務(wù)器90%的時間其CPU占有率低于10%,資源存在極大的浪費。
與高能耗相伴隨的是巨大的電費支出。斯坦福大學(xué)教授OhnathanG.Koomey針對數(shù)據(jù)中心的能耗報告稱,全球數(shù)據(jù)中心2010年共消耗1988億千瓦時的電力,是全年總發(fā)電量的1.1%~1.5%。電費支出已占數(shù)據(jù)中心運營成本的50%以上,有的甚至達(dá)到70%。傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)的電費支出僅占業(yè)務(wù)收入的2%左右,而數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的電費支出占業(yè)務(wù)收入的30%~50%。
數(shù)據(jù)中心耗電量占比如圖2所示。數(shù)據(jù)中心由于建設(shè)和運營的差異,導(dǎo)致其電耗差異很大。在美國,數(shù)據(jù)中心三年的能源消耗成本已經(jīng)等同于設(shè)備購置成本;在歐洲,三年的能源消耗成本已經(jīng)兩倍于設(shè)備購置成本;在我國,一個上規(guī)模的數(shù)據(jù)中心,三年的能源消耗成本甚至相當(dāng)于該數(shù)據(jù)中心的建設(shè)費用。Google、微軟等數(shù)據(jù)中心大戶開始嘗試將數(shù)據(jù)中心建設(shè)在嚴(yán)寒地帶以減少電力消耗。
圖2 數(shù)據(jù)中心耗電量占比圖
(2)隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)增長,能耗增長迅速
近年來,數(shù)據(jù)機房的投資規(guī)模保持25%左右的年增長率,而數(shù)據(jù)機房耗電量將以每年10%~15%的速度遞增。在美國,數(shù)據(jù)中心每年的能源開銷達(dá)到了300億美元,約為總能源開銷的1.5%,并以每年18%的速度增長,其增長速度如圖3所示。
圖3 服務(wù)器增長與耗電量增長
斯坦福大學(xué)研究表明,全球數(shù)據(jù)中心的能耗在2000~2005年間翻了一番,2010年增加了75%。Gartner的調(diào)查顯示,2007~2020年間全球數(shù)據(jù)中心的碳排放量將由80百萬噸當(dāng)量激增到340百萬噸當(dāng)量,直追鋼鐵、造船、航空等產(chǎn)業(yè)。能源花費占IT預(yù)算的比例已經(jīng)從8%激增到48%,電力和制冷問題成為數(shù)據(jù)中心面臨的最大問題,數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高耗能行業(yè)序列。
(3)我國數(shù)據(jù)中心數(shù)量多、規(guī)模小
我國數(shù)據(jù)中心總體規(guī)模比較小。據(jù)統(tǒng)計,規(guī)模在100臺服務(wù)器以下的數(shù)據(jù)機房占了絕大部分,全國有十萬個以上。這些機房不但占據(jù)了大量的場地空間,其運營管理也難以實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。
隨著云計算技術(shù)的發(fā)展,各項業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)中心的依賴越來越大,能耗問題也越來越嚴(yán)重。數(shù)據(jù)中心的高能耗不僅帶來耗電增加和運營成本的急劇攀升,而且產(chǎn)生沉重的碳排量負(fù)擔(dān)。如何利用各種管理、技術(shù)手段和措施,降低數(shù)據(jù)中心的能耗,已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。云計算技術(shù)在帶來數(shù)據(jù)中心巨大發(fā)展的同時,其在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用也為節(jié)能減排指明了新的方向。
2.2云化數(shù)據(jù)中心變革
數(shù)據(jù)中心的發(fā)展是以基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ),隨著網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展而發(fā)展的,其發(fā)展進(jìn)程大致可以分為三個階段。
(1)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前的初期階段。這個階段主要為客戶提供網(wǎng)絡(luò)線路、通信設(shè)備、電源和場地等基礎(chǔ)電信資源與設(shè)施的托管及線路維護(hù)服務(wù)。
(2)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段。這個階段是因上世紀(jì)90年代互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展延伸而來的,以主機、網(wǎng)站等托管業(yè)務(wù)為主,提供場地出租、線路帶寬共享、主機托管維護(hù)、應(yīng)用托管等服務(wù)。由于各類網(wǎng)站的發(fā)展,企業(yè)的各種互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如服務(wù)器、主機、出口帶寬等設(shè)備和資源需要集中放置、維護(hù)與管理,數(shù)據(jù)中心成為企業(yè)IT基礎(chǔ)設(shè)施放置和管理維護(hù)中心。
(3)云計算應(yīng)用發(fā)展階段。本世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)尤其是云計算技術(shù)的發(fā)展,帶動了數(shù)據(jù)中心的新型產(chǎn)業(yè),以大型化、虛擬化、綜合化為主要特征,更注重數(shù)據(jù)的存儲和計算能力的虛擬化、設(shè)備維護(hù)管理的綜合化。
隨著云計算越來越被客戶接受,數(shù)據(jù)中心承擔(dān)了云計算的各類應(yīng)用,這樣就出現(xiàn)了云計算數(shù)據(jù)中心的概念。云計算數(shù)據(jù)中心通過大規(guī)模數(shù)據(jù)中心集成的方式,采用高性能基礎(chǔ)架構(gòu),實現(xiàn)資源按需提供,可以降低數(shù)據(jù)處理的平均費用,并通過規(guī)模運營降低能耗。
云計算正在引發(fā)新一代數(shù)據(jù)中心變革,引入了全新的建設(shè)和運營模式。云計算促使Google、微軟、IBM等大公司投入巨資,大力發(fā)展各自的數(shù)據(jù)中心,并向云方向轉(zhuǎn)化。Google在云計算IT基礎(chǔ)架構(gòu)上投入巨資,在美國平均每個數(shù)據(jù)中心耗資約6億美元。微軟自2007年起在全球已經(jīng)構(gòu)建了15個數(shù)據(jù)中心,每家數(shù)據(jù)中心耗資平均達(dá)到5億美元。IBM也投入巨資向云計算服務(wù)方向轉(zhuǎn)變。
對大數(shù)據(jù)量進(jìn)行高效存儲處理和降低運維的需求,正在促使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心向滿足云計算應(yīng)用條件的數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型。據(jù)IDC公司預(yù)測,到2020年,全球所有IT部門擁有服務(wù)器的總量將會比現(xiàn)在多出十倍(包括虛擬機和物理機),所管理的數(shù)據(jù)將增長50倍,而IT管理人員的總數(shù)增長只有1.5倍。云數(shù)據(jù)中心可以有效增強自動化運維管理,降低運營維護(hù)成本。
3 云化數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)
3.1云化數(shù)據(jù)中心與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的差別
數(shù)據(jù)中心是云計算發(fā)展的必要條件,云計算技術(shù)也為數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排提供了新的技術(shù)保障。
從圖1可以看出,數(shù)據(jù)中心的能耗主要集中在IT設(shè)備、空調(diào)制冷、供電等方面。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能也主要基于這幾方面進(jìn)行,具體如下(數(shù)據(jù)來自于艾默生):
(1)通信/IT設(shè)備節(jié)能是機房節(jié)能的基礎(chǔ)。主設(shè)備降耗100W,機房可降耗284W。因此,主設(shè)備的節(jié)能至關(guān)重要。
(2)空調(diào)設(shè)備節(jié)能是機房節(jié)能的關(guān)鍵。消除274W機房熱能需要消耗107W電能。
(3)供電系統(tǒng)節(jié)能是機房節(jié)能的重要要素。為194W負(fù)載供電,供電系統(tǒng)需要消耗18W電能。
由此可以看出,主設(shè)備的節(jié)能可以帶來級聯(lián)性的節(jié)能效果,不但降低了設(shè)備本身能耗,也降低了相關(guān)的空調(diào)、供電等能耗。云計算技術(shù)通過虛擬化、實時遷移電源管理技術(shù),可以極大降低主設(shè)備的數(shù)量和運行效率及時間,進(jìn)而極大降低主設(shè)備的能耗。
從設(shè)備層面來說,云化數(shù)據(jù)中心在服務(wù)器、機房、帶寬、電力、制冷等硬件基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能處理上與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心沒有大的差別;但是,云計算通過虛擬化、實時遷移等技術(shù)可以節(jié)約能源、提高能效,真正實現(xiàn)節(jié)能減排。比如,Google、Facebook等大型云數(shù)據(jù)中心的能源利用率達(dá)到了90%以上。
3.2云化數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵技術(shù)
云計算的核心技術(shù)包括并行技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)、海量存儲處理、負(fù)載均衡等。在云化數(shù)據(jù)中心中,采用云計算技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能最主要的技術(shù)是虛擬化,這也是云計算技術(shù)的本質(zhì)特征。
虛擬化技術(shù)為數(shù)據(jù)中心的設(shè)計、建設(shè)和運營帶來了新的發(fā)展機遇。它對數(shù)據(jù)中心節(jié)能減排、降低投資和運營成本所起到的作用是顯而易見的:通過服務(wù)器整合,遏制了服務(wù)器數(shù)量的增長,極大減少了IT設(shè)備的采購量;極大減少了運營維護(hù)難度,提高了運維人員生產(chǎn)效率,大幅降低設(shè)備運行帶來的隱性消耗。
虛擬化技術(shù)涉及很廣,包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)、桌面和應(yīng)用程序的虛擬化等,典型的虛擬化技術(shù)的原理如圖4所示。
圖4虛擬化技術(shù)原理
虛擬化后的主機形成各種硬件設(shè)備的資源池(如CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)等),并采用動態(tài)資源調(diào)度技術(shù)(DRS),將同一資源池中的虛擬機和主機集中調(diào)度,實現(xiàn)負(fù)載均衡、電源管理、關(guān)聯(lián)性規(guī)則等功能。
從節(jié)約能耗出發(fā),可以通過電源管理與關(guān)聯(lián)性規(guī)則結(jié)合,將符合節(jié)能策略規(guī)則的虛擬機遷移到其他主機上,從而通過電源管理,將空閑的主機關(guān)機,并在需要的時候,通過電源管理喚醒開啟主機。整個過程涉及到多項技術(shù)的協(xié)作,包括動態(tài)資源調(diào)度中的電源管理、關(guān)聯(lián)性規(guī)則、虛擬機在線遷移等。
同時,虛擬化技術(shù)將先進(jìn)的自動化和系統(tǒng)管理引進(jìn)到數(shù)據(jù)中心,為數(shù)據(jù)中心提供了一種共享、隔離(保障安全、可信)的云計算基礎(chǔ)架構(gòu),形成了云計算功能架構(gòu)的彈性數(shù)據(jù)中心。
研究資料表明,虛擬化技術(shù)將IT環(huán)境改造成為更加強大、更具彈性的云架構(gòu),帶來了平均35%~75%的總體成本節(jié)約。通過將多個物理服務(wù)器整合到一個物理服務(wù)器,可以降低40%軟硬件成本,而服務(wù)器的平均利用率從7%提高到60%~80%,運營成本降低70%~80%。
4 結(jié)束語
本文對云化數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)和效果進(jìn)行了探討。隨著云計算、虛擬化技術(shù)的發(fā)展,未來服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化整合效果會更加明顯。為了達(dá)到更好的節(jié)能減排效果,云計算數(shù)據(jù)中心需要從規(guī)劃、設(shè)計、選址到運營維護(hù),全流程貫穿云計算、虛擬化和節(jié)能減排思想。
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