[發明專利]基于熱負載均衡的數據中心自適應性耗能管理方法

有效

• 申請號: 201410322951.0
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104158754B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 姚建國;周海航;管海兵
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H04L12/803
• 分類號: H04L12/803;H04L12/24;G06F1/32
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中,樊昕

技術領域

本發明涉及網絡數據中心的耗能管理，更具體的說，涉及一種基于熱負載均衡的數據中心自適應性耗能管理方法。

背景技術

最近幾年，隨著云計算的蓬勃發展。網絡數據中心，作為其基礎設施，承載著大量的計算、存儲和應用等任務，需要消耗大量的能量來運行和冷卻設備。隨著云計算服務發展的越來越迅速，數據中心中的能耗越來越大。

數據中心中的服務器，作為處理和存儲用戶任務請求的所在，需要使用大量的能量，并散發大量能量。而由于電子設備的工作溫度限制，需要使用冷卻設備對數據中心中服務器產生的大量熱能進行冷卻。

當前，學術界和工業界對于數據中心中能量消耗的問題越來越感興趣。不過，當前學術界的研究主要專注于

1、提高服務器的耗能效率，包括使用虛擬化技術，動態電壓、頻率切換等。

2、解決制冷系統中能量效率問題，主要是計算機房間空調系統(Computer Room Air Conditioner，CRAC)制冷效率的提高。

3、其它提高方式。如通過動態負載來達到降溫和計算功率的平衡；通過對IT設備、功率及降溫設施的整合管理等。

然而，對于如何分配任務給服務器，使得服務器和冷卻系統的總功率消耗降低，這個問題，卻并沒有涉及。

發明內容

針對上述現有技術中存在的技術問題，本發明提供一種基于熱負載均衡的數據中心自適應性耗能管理方法，來動態地分配服務器任務，使數據中心中服務器和冷卻系統的總功率消耗降低。考慮到問題可擴展性、實時性和應用性，對數據中心中的制冷系統和服務器模型進行了相應的設計和約束，并設計了一種任務分配算法，能夠實時地將任務分配給各服務器。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于熱負載均衡的數據中心自適應性耗能管理方法，在每個采樣時間內，采用以下步驟進行耗能管理：

1)使用RLS模型估算服務器的功耗；

2)在約束條件下對費用函數進行優化求解，得出最優的U_p(k)；

3)從U_p(k)中選出第一組輸入U(k|k)作為真實的控制量U(k)；

4)計算需要的活躍服務器個數m_j；

5)平均分配任務到每個機架。

所述步驟1)的方法是：

a)首先建立熱量模型、功率消耗模型以及任務模型；

b)對數據中心功率控制，對所述功率消耗模型做處理能力、負載、功率輸入、總功率的限制；

c)基于RLS的熱量模型評估。

所述步驟a)中，熱量模型的建立方法是：

根據熱力學定理，機架j出口的空氣溫度與機架j輸入空氣溫度，機架j功率消耗的關系為：

根據熱力學定理，機架j輸入空氣溫度，同機架j輸出空氣溫度及CRACh輸出空氣溫度的關系為：

同理，根據熱力學定理，CRACh出口的空氣溫度，輸入空氣溫度與CRACh功率消耗，機架j出口的空氣溫度間關系為：

功率消耗模型的建立方法是：

對于功率消耗模型，由于服務器的功率消耗主要依賴于服務器的兩個參數，CPU使用率和頻率，假定在每個服務器CPU頻率一定的情況下，服務器的功率消耗則主要同CPU使用率相關，同時，假定可以采用開-關服務器以節省服務器能耗的策略，則機架j上功率消耗還和機架j上保持開狀態的服務器個數相關，因此，可以對其功率建模為：

任務模型的建立方法是：

考慮Web服務器架構產生的數據請求，前段Web服務器從客戶端接收用戶請求后，將這些請求分配到不同機架的服務器上進行處理，其中，總請求數為：

根據排隊論，對任務請求的平均處理延時為：

考慮到實時性，需要對任務的平均處理延遲進行限制，即其最大值在一定范圍內：

所述步驟b)對功率消耗模型做處理能力、負載、功率輸入、總功率的限制的方法是：

對于一般的連續系統而言，其狀態空間模型為：

Y＝WX，

其中U＝[P₁,...,P_M,P,...,P_F]^T，對離散系統而言，其狀態模型為：

X(k)＝ΦX(k-1)+GU(k-1)，

Y(k)＝WX(k)，