基于动态调频的数据中心能耗管理方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于动态调频的数据中心能耗管理方法和系统，包括单个服务器的调频节能和服务器间能量感知的任务调度。单个服务器的调频节能包括将任务数目不变的时间段视作调频单元，根据能耗模型和任务信息估算每一单元内消耗的能量，利用启发式算法选择使所有单元能耗之和最小的调频方式来调整处理器频率；服务器间能量感知的任务调度包括当任务到达时根据各服务器状态和任务信息选出候选服务器，各服务器根据任务信息利用单个服务器上的调频节能方法估算能耗变化，控制器选择能耗变化最小的服务器分配新任务，被选择的服务器利用单个服务器上的调频节能方法调节频率运行新任务。本发明专利技术通过频率调节及任务分配，降低数据中心中服务器的能耗，起到节能减排的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于动态调频的数据中心能耗管理方法及系统
本专利技术涉及数据中心中能耗管理，具体是一种基于动态调频的能耗管理方法和系统。
技术介绍
随着云计算在各个领域中的广泛应用，数据中心的能耗也有所增加，电力成本已经成为数据中心总支出的主要部分。如何降低电力开支是绿色数据中心的管理者需要解决的重要问题之一。其中CPU是服务器中最主要的耗能部件，其动态功耗与其运行时的电压与频率有关，利用现代处理器所支持的动态电压调节功能，根据服务器的负载，动态的调节频率和电压改变处理器功耗状态，降低能耗，起到节能减排作用。现有动态调节算法根据服务对计算能力的不同需求，周期性地动态调节处理器的电压与频率，或者根据服务不同时期对处理器的需求，调整不同时间段的CPU频率，以降低服务器上电能的消耗。然而，当前调频策略中调频的时机以及如何调频仍是一个难点，同时调频策略也主要集中在单个服务器上，对整个数据中心中服务的分布对能耗的影响没有充分考虑。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有的数据中心能耗管理技术的不足，本专利提供一种基于动态调频的数据中心能耗管理方法，同时也提供使用基于动态调频的数据中心能耗管理方法的系统。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提供的基于动态调频的数据中心能耗管理方法，通过单个服务器上的调频节能和能量感知的任务调度来进行能耗管理；所述单个服务器上的调频节能包括：将任务数目不变的时间段看作一个调频单元，根据能耗模型和任务信息估算每一个调频单元内消耗的能量，利用启发式算法选择使得所有调频单元能耗之和最小的调频方式来调整各调频单元的处理器频率；所述能量感知的任务调度包括：当一个新的任务到达，控制器根据监控到的各个服务器的状态和分析得到的新任务的信息选出一组候选服务器，将该新任务信息分发到各个候选服务器；各个候选服务器利用单个服务器上的调频节能方法估算出当前负载下的最低能耗和分配到新任务后的最低能耗之间的差值并将该值返回给控制器；控制器搜集各个服务器的返回信息并选择能耗变化最小的候选服务器分配新到达的任务；接收到新任务的服务器利用单个服务器上的调频节能方法调节频率，运行新的任务。优选的，所述单个服务器上的调频节能包括以下步骤：11)获取当前服务器上各个CPU的利用率及工作频率、任务的数目及运行所需的CPU资源、服务器可以调节的频率范围；12)利用启发式算法通过计算不同调频状态下的能耗总和来选择能够产生最小能耗的频率组合状态Sm；13)由于得到的频率组合是当前服务器负载下的结果，因此将当前CPU的频率设置为Sm第一个调频单元中的频率组合，各个处理器保持设定的频率运行，直到任务数目产生变化，即当前调频单元结束；14)当有新的任务被分配到指定服务器或者该服务器上有任务结束时，服务器的任务数目发生变化，即当前调频单元结束，重复上述步骤11)至步骤13)为当前负载下的服务器选择新的最优频率组合来最小化能量消耗。优选的，使用该能耗管理方法的系统包括控制器和集群服务器，所述控制器上由控制器操作的模块包括任务分析模块、服务器监控模块和任务分配模块，所述集群服务器中由单个服务器操作的模块包括能耗估算模块；所述服务器间能量感知的任务调度包括以下步骤：21)当一个新的任务到达集群，控制器通过任务分析模块获得任务的信息,并将任务的信息发送给服务器监控模块，将任务的信息和任务发送给任务分配模块；22)服务器监控模块根据监控到的各个服务器的状态和分析得到的新任务信息，选出一组候选服务器并发送给任务分配模块；23)任务分配模块将任务的信息发送给各个候选服务器，等待各个候选服务器返回结果；24)各个候选服务器接收到任务分配模块所发送的任务信息后，利用所述单个服务器上的调频节能方法计算得到当前状态下最低的能耗E1，同时计算如果新任务被分配到该服务器上后得到的新的最低能耗E2，计算两个最低能耗之间的差值并将该差值通过服务器监控模块返回给任务分配模块，并记录下对应E2的最佳调频状态Sm；本步骤中最低能耗E1和E2通过上述单个服务器上的调频节能方法的步骤11)和步骤12)计算得到；25)任务分配模块接收到各个候选服务器的返回能耗差值结果，从中选出能耗变化最小的服务器作为指定服务器，发送任务到指定服务器完成新的任务分配；26)当新任务分配到指定服务器上之后，该服务器根据步骤24)中记录的最佳频率状态Sm调整处理器运行频率；控制器等待新的任务的到来。优选的，所述单个服务器上的调频节能的步骤12)中的能耗总和计算方式如下：对于有Np个调频单元的某个服务器，其中Tk表示第k个调频单元的长度，Uk和Fk分别表示第k个调频单元中的各个CPU的利用率和频率，则该服务器在上述状态下的能耗总和为其中Pk(Uk,Fk)为多CPU能耗模型估算函数，具体为：其中Ps为服务器的静态功耗，Nc为服务器上处理器的数目，Pmax表示服务器能够达到的最大功耗，α为比例系数，fmax表示处理器的最高频率，Fc表示c号处理器当前设置的运行频率，Uc表示c号处理器当前的利用率。作为一种优选方案，所述单个服务器上的调频节能的步骤12)中的启发式算法为基于模拟退火的算法，其包括如下步骤：A1)将服务器上所有调频单元中的所有处理器的工作频率调节为最高，即为fmax，将其设置为初始状态S0，计算初始状态S0下的能耗总和E(S0)；A2)随机选取一个调频单元r，随机改变调频单元r中的各个处理器的频率，即改变调频单元r内的频率组合，得到S0的一个邻居状态，将邻居状态记为Sn，并重新计算各个调频单元中的时间长度Tk，计算新频率状态Sn下的能耗总和E(Sn)；A3)将新状态Sn下的能耗与S0的能耗进行对比：如果E(Sn)＜E(S0)，则S0＝Sn，否则，则以大小为p的概率用Sn替换S0；A4)判断比较次数是否小于预设的最多比较次数，如是，则跳回步骤A2)搜索更佳的调频状态，如否，则返回得到的当前最佳频率状态Sm＝S0，结束。作为另一种优选的方案，所述单个服务器上的调频节能的步骤12)中的启发式算法为基于可变长搜索的算法，其包括如下步骤：B1)将服务器上所有调频单元中的所有处理器的工作频率调节为最高，即为fmax，将其设置为初始状态S0，计算初始状态S0下的能耗总和E(S0)；B2)随机选取一个调频单元r，随机改变单元r中各个处理器的频率n次，即选择n个邻居状态，并分别重新计算在这n次不同状态下的各个调频单元的时间长度Tk和能耗总和，并选择其中产生最小能耗总和的频率状态，记为Sn；B3)将新状态Sn下的能耗与S0的能耗进行对比：如果E(Sn)＜E(S0)，则S0＝Sn；B4)判断比较次数是否小于预设的最多比较次数，如是，则跳回步骤B2)搜索更佳的调频状态，如否，则返回得到的当前最佳频率状态Sm＝S0，结束。本专利技术提供的用于上述基于动态调频的数据中心能耗管理方法的系统，包括控制器和集群服务器，所述控制器中包括任务分析模块、服务器监控模块和任务分配模块，所述集群服务器中的单个服务器上设有能耗估算模块；所述任务分析模块，用于通过任务接口接收用户提交的任务数据和预设定参数并分析任务的信息；以及用于将任务的信息发送给服务器监控模块，将任务的信息和任务发送给任务分配模块；所述服务器监控模块，用于监控各个服务器状态获得监控信息，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态调频的数据中心能耗管理方法，其特征在于：该方法通过单个服务器上的调频节能和能量感知的任务调度来进行能耗管理；所述单个服务器上的调频节能包括：将任务数目不变的时间段看作一个调频单元，根据能耗模型和任务信息估算每一个单元内消耗的能量，利用启发式算法选择使得所有单元能耗之和最小的调频方式来调整各单元的处理器频率；所述能量感知的任务调度包括：当一个新的任务到达，控制器根据监控到的各个服务器的状态和分析得到的新任务的信息选出一组候选服务器，将该新任务信息分发到各个候选服务器；各个候选服务器利用单个服务器上的调频节能方法估算出当前负载下的最低能耗和分配到新任务后的最低能耗之间的差值并将该值返回给控制器；控制器搜集各个服务器的返回信息并选择能耗变化最小的候选服务器分配新到达的任务；接收到新任务的服务器利用单个服务器上的调频节能方法调节频率，运行新的任务。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态调频的数据中心能耗管理方法，其特征在于：该方法通过单个服务器上的调频节能和能量感知的任务调度来进行能耗管理；所述单个服务器上的调频节能包括：将任务数目不变的时间段看作一个调频单元，根据能耗模型和任务信息估算每一个调频单元内消耗的能量，利用启发式算法选择使得所有调频单元能耗之和最小的调频方式来调整各调频单元的处理器频率；所述能量感知的任务调度包括：当一个新的任务到达，控制器根据监控到的各个服务器的状态和分析得到的新任务的信息选出一组候选服务器，将该新任务信息分发到各个候选服务器；各个候选服务器利用单个服务器上的调频节能方法估算出当前负载下的最低能耗和分配到新任务后的最低能耗之间的差值并将该值返回给控制器；控制器搜集各个服务器的返回信息并选择能耗变化最小的候选服务器分配新到达的任务；接收到新任务的服务器利用单个服务器上的调频节能方法调节频率，运行新的任务。2.根据权利要求1所述的基于动态调频的数据中心能耗管理方法，其特征在于：所述单个服务器上的调频节能包括以下步骤：11)获取当前服务器上各个CPU的利用率及工作频率、任务的数目及运行所需的CPU资源、服务器可以调节的频率范围；12)利用启发式算法通过计算不同调频状态下的能耗总和来选择能够产生最小能耗的频率组合状态Sm；13)由于得到的频率组合是当前服务器负载下的结果，因此将当前CPU的频率设置为Sm第一个调频单元中的频率组合，各个处理器保持设定的频率运行，直到任务数目产生变化，即当前调频单元结束；14)当有新的任务被分配到指定服务器或者该服务器上有任务结束时，服务器的任务数目发生变化，即当前调频单元结束，重复上述步骤11)至步骤13)为当前负载下的服务器选择新的最优频率组合来最小化能量消耗。3.根据权利要求2所述的基于动态调频的数据中心能耗管理方法，其特征在于：使用该能耗管理方法的系统包括控制器和集群服务器，所述控制器上由控制器操作的模块包括任务分析模块、服务器监控模块和任务分配模块，所述集群服务器中由单个服务器操作的模块包括能耗估算模块；所述服务器间能量感知的任务调度包括以下步骤：21)当一个新的任务到达集群，控制器通过任务分析模块获得任务的信息,并将任务的信息发送给服务器监控模块，将任务的信息和任务发送给任务分配模块；22)服务器监控模块根据监控到的各个服务器的状态和分析得到的新任务信息，选出一组候选服务器并发送给任务分配模块；23)任务分配模块将任务的信息发送给各个候选服务器，等待各个候选服务器返回结果；24)各个候选服务器接收到任务分配模块所发送的任务信息后，利用所述单个服务器上的调频节能方法计算得到当前状态下最低的能耗E1，同时计算如果新任务被分配到该服务器上后得到的新的最低能耗E2，计算两个最低能耗之间的差值并将该差值通过服务器监控模块返回给任务分配模块，并记录下对应E2的最佳调频状态Sm；本步骤中最低能耗E1和E2通过上述单个服务器上的调频节能方法的步骤11)和步骤12)计算得到；25)任务分配模块接收到各个候选服务器的返回能耗差值结果，从中选出能耗变化最小的服务器作为指定服务器，发送任务到指定服务器完成新的任务分配；26)当新任务分配到指定服务器上之后，该服务器根据步骤24)中记录的最佳频率状态Sm调整处理器运行频率；控制器等待新的任务的到来。4.根据权利要求2所述的基于动态调频的数据中心能耗管理方法，其特征在于：所述单个服务器上的调频节能的步骤12)中的能耗总和计算方式如下：对于有Np个调频单元的某个服务器，其中Tk表示第k个调频单元的长度，Uk和Fk分别表示第k个调频单元中的各个CPU的利用率和频率，则该服务器在上述状态下的能耗总和为其中Pk(Uk,Fk)为多CPU能耗模型估算函数，具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：钱柱中，王臻，陆桑璐，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32