绿色云计算：利用实时虚拟机迁移迈向环境可持续性

### 绿色云计算：利用实时虚拟机迁移迈向环境可持续性 #### 1. 引言 在过去二十年里，由于能源消耗的快速增长，可持续性在开发者（包括硬件和软件开发人员）和用户中变得愈发重要。为了推动绿色环保的可持续项目（即信息通信技术项目），人们开始计算信息通信技术在整个过程中对环境的影响。目前，在基于云的信息通信技术解决方案中，节约能源和信息已成为该领域的一个严峻问题。 云计算是一种非常合适的技术，它能为组织提供各种信息技术服务，方便不同的按需付费虚拟资源的使用。随着基于互联网的需求和云服务的增加，公司纷纷投资建设大型数据中心来托管云服务。美国国家标准与技术研究院（NIST）将云计算定义为：“云计算是一种模型，它能实现无处不在、便捷、按需的网络访问，让用户可以使用共享的可配置计算资源池（如网络、服务器、存储、应用程序和服务），这些资源可以快速开启和释放，只需最少的管理工作或与服务提供商的交互。” 然而，这些数据中心不仅建设复杂，而且消耗大量能源。因此，制造商面临着开发能够减少对生态系统负面影响的方法、产品和服务的压力。为此，虚拟化和整合等技术被用于提高数据中心的能源效率。 #### 2. 碳排放挑战与云能源消耗 云服务通过大型数据中心（DC）提供，这些数据中心由多个服务器和物理机器（PM）组成，云服务提供商（CSP）会使用这些设备。大规模数据中心的主要问题之一是它们需要大量能源，而这些能源大多来自化石燃料。根据自然资源保护委员会（NRDC）的一份报告，仅在2013年，美国的数据中心就消耗了910亿千瓦时的电力。随着全球经济的持续增长，未来化石燃料产生的能源消耗将会增加。有研究预测，基于信息通信技术的二氧化碳排放量每年增长6%，按照这样的快速增长速度，到2020年，它们将约占全球排放量的12%。通过建设节能的数据中心，云服务提供商能够减少能源使用和二氧化碳排放。 为了克服能源消耗带来的生态问题，即能源来源产生的大量二氧化碳排放，一些可行的解决方案包括改进现有的数据中心。通过建设能源高效且对能源来源敏感的数据中心，云服务提供商能够显著减少能源使用和碳足迹。 #### 3. 环境友好型云计算：绿色计算 绿色计算起源于1987年，源于世界委员会的报告《我们共同的未来》，它主要关注可持续发展。有研究人员提出了绿色云建设的概念，旨在减少数据中心的电力消耗，同时不影响云的特性。以下是绿色云计算的架构视图和能源与碳水平技术（即绿色云技术）的分类： | 分类 | 技术内容 | | ---- | ---- | | 数据中心级绿色云技术 | 虚拟化、迁移、服务器电源开关、基于预测的算法、虚拟机放置、绿色服务水平协议安排、整合 | | 服务器级绿色云技术 | | #### 4. 背景 如今，大多数组织都在努力提高云数据中心的能源效率。近期的研究集中在与绿色信息通信技术相关的问题以及降低当今云计算系统的能源消耗上。 不同的研究人员在这方面进行了诸多探索： - Baliga等人指出，随着云计算的发展趋势，需要从传统的基于办公室的计算转向基于网络的计算。在整个计算概念的转变过程中，需要管理整个信息通信技术领域的能源消耗。目前更多关注的数据中心的能源使用，而对连接用户与云的关键组件（包括交换和传输网络）的能源使用关注较少。 - Avgerinou等人关注气候变化这一人类面临的重大挑战。信息通信技术中各种技术的使用导致全球二氧化碳排放中占比显著，其中云计算和互联网的使用是主要因素。文章讨论了能源消耗的近期趋势，并评估了欧盟数据中心的效率。2008年创建了一个能源效率计划来解决这些数据中心不断增加的能源消耗问题，并对其影响进行了测量。 - Dougherty等人认为，通过云计算的虚拟化和按需使用功能可以降低功耗。借助自动扩展，我们可以根据需求精确使用资源，消除了大量资源分配浪费的问题。他们提出了一个模型，该模型考虑了自动扩展功能，兼顾了配置、能源消耗和成本，以提供更好、更绿色的计算环境，并消除闲置资源的排放。 - Jain等人指出，云计算的发展带来了对高性能数据中心的巨大需求，随着这些数据中心使用的增加，排放量也大幅增加。绿色计算的需求源于这些技术使用过程中排放的大量二氧化碳。绿色计算提倡节约能源、回收利用和减少浪费。高速计算意味着更多的处理器/芯片，芯片越多产生的热量就越多，而更多的热量需要更多的冷却，这又会产生热量，因此我们需要一种能够在提供高速计算的同时减少热量产生的方法。 以下是基于五类节能云计算的文献综述： | 年份 | 算法 | 一般问题 | 架构 | 框架 | 模型与方法 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 2009 | | | | | | | 2010 | | | | | | | 2011 | | | | | | | 2012 | | | | | | | 2013 | | | | | | | 2014 | | | | | | | 2015 | | | | | | | 2016 | | | | | | 不同研究人员的方法、目标和成果总结如下： | 序号 | 方法 | 目标 | 成果 | | ---- | ---- | ---- | ---- | | 1 | 云计算中的能源有效方法 | 定义优化硬件资源和最小化功耗的指标 | 如果最小化迁移时间，服务质量将得到改善 | | 2 | 虚拟机迁移技术 | 提供减少重新定位（即迁移）的方法，并使用网络框架实现动态电压频率缩放（DVFS） | 提出基于能源使用、服务水平协议违规和虚拟机重新定位