● 摘要
近年来，随着互联网技术的不断发展，数据中心的数量不断增加，规模不断扩大，数据中心的能耗也显著增加。当前，数据中心的能耗问题已经成为数据中心发展面临的重大挑战之一，成为了一个研究热点。传统数据中心中硬件隔离（将不同的应用部署到不同服务器上）的资源分配方式将导致数据中心的资源利用率过低，这种过低的资源利用率一方面会使数据中心增加对硬件资源的需求，另一方面也会使数据中心的电能消耗显著增加。虚拟化技术的出现为多种应用聚合到少量的服务器上运行提供了一种可行方案。虚拟化技术能够将单一的服务器转变成多个彼此之间拥有性能隔离性的虚拟机，进而让各个虚拟机来承载不同的应用。虚拟化技术还能够实现资源的按需分配，通过动态地增加或减少虚拟机、聚合工作负载以及开启和关闭服务器，数据中心能够有效提高自身的资源利用率以及能源使用效率。但是传统的动态地资源分配方式却会对数据中心的稳定运行产生不利的影响：假设数据中心刚刚根据上一时刻较低的工作负载需求关闭了一台服务器，而下一时刻工作负载却显著增加了，在这种情况下，由于服务器的启动需要时间，在服务器的启动时间内应用的性能就难以得到满足。本文着重对上述问题进行分析研究，设计并实现了一个虚拟化数据中心节能调度机制，来解决数据中心的电能管理问题。论文工作围绕节能调度的策略展开，以互联网web应用为应用场景，主要内容包括：1、针对web应用资源需求量随时间动态变化幅度较大的问题，也即如何动态、按需地为web应用分配资源的问题，本文采用基于时间序列的ARIMA模型对web应用的请求速率进行预测，按需动态地为数据中心的web应用进行资源分配，实现了在保证数据中心所承载的web应用的性能的前提下进行电能管理；2、针对物理服务器负载集中的问题，本文利用虚拟机迁移作为负载集中的基本实现手段，采用一种类似于霍夫曼编码的方式进行物理服务器的负载集中控制，进而完成对数据中心中运行服务器数量的控制，达到减少数据中心电能消耗的目的；3、针对节能调度操作对系统稳定性的影响问题，也即如何减少节能调度过程中虚拟机迁移和物理机开关的操作问题，本文采用有限向前预测控制机制，给出了在缩短调度算法运行间隔的同时，减少管理操作的方法，使得系统能够在为web应用稳定的运行环境的同时，提高数据中心的能源使用效率；4、针对调度管理操作执行效率的问题，本文结合数据中心多节点分布式的特点，采用串、并行结合的方式执行状态转移操作，有效减少了状态转移操作的总执行时间，提高了系统执行节能调度操作的性能。在本文的最后，针对以上工作设计了相应的实验场景，对系统的功能有效性以及节能调度算法性能两个方面进行了验证。实验结果表明，基于有限向前预测控制机制的节能调度算法可有效提高数据中心的能源使用效率，减少大量不必要的电能消耗，同时引起比较少的管理操作。