一种云数据中心节能方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种云数据中心节能方法及系统，基于容器放置技术和鲸鱼算法实现，对容器到虚拟机和虚拟机到物理机进行联合映射，从减少创建虚拟机数量的角度减少激活物理机数量，从而降低数据中心能耗；首先，以最小化能耗和最大化资源利用率作为优化目标，建立多目标约束的容器放置优化模型；然后，利用离散索引减少解向量结构维数，降低适应度函数复杂度；最后，将容器放置和虚拟机放置两个阶段定义为一个问题，参考鲸鱼环状收缩捕猎模式构建算法进行联合优化，迭代获得最优解。与现有技术相比，本发明专利技术在保证终端时延的前提下，能够有效提升复杂环境下的物理机资源利用率，显著降低物理机激活比例和云数据中心能耗。机激活比例和云数据中心能耗。机激活比例和云数据中心能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种云数据中心节能方法及系统


[0001]本专利技术涉及针对边缘云数据中心服务器的节能机制研究，尤其是涉及一种基于容器放置技术和群智能优化算法的云数据中心节能方法及系统，能够在涉及“云
‑
边”高度复杂环境条件时提供更好的能耗优化方案。

技术介绍

[0002]随着互联网的不断发展和普及，越来越多的领域将自己的业务与互联网结合。这不仅方便了与客户的接触，也提高了业务效率，促进了社会生产力的发展。但随之而来的大规模海量数据，远远超出了传统计算机架构所能提供的计算能力。根据中国互联网络信息中心最新发布的第47次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，移动互联网接入流量达1656亿GB，较上一年增长35.5％，继续保持高速增长，云计算的价值逐渐显现。然而随着云数据中心规模的快速增长，不断攀升的能耗成为其亟需解决的主要问题之一。为了服从用户服务等级协议和保证用户体验质量，云数据中心的物理机(Physical Machine，PM)部分处于无负载待机状态，此类PM消耗其峰值能耗的50％，因此，通过提高资源利用率减少激活的PM数量可有效降低云数据中心能耗，而提升虚拟机(Virtual Machine，VM)放置效果作为提高资源利用率的主流方法已经被广泛研究。
[0003]现有云端服务器节能技术主要从两个方面进行节能优化：通过终端数量接入预测等方式调整投入计算的服务器比例，从而减少不必要的服务器运行能耗；通过优化终端计算任务接入时的虚拟机配置方法提升物理机资源利用率，从而减少物理机激活数量。然而上述传统方法在面临大数据+全异构复杂环境下的资源分配问题时，会造成创建虚拟机数量过于庞大、激活较多物理机，进而造成虚拟机和物理机资源利用率下降及能耗上升的问题。
[0004]中国专利CN201710770929.6公开了一种基于粒子群优化的虚拟机分配方法，实现了虚拟机到物理机的映射和分配，但是虚拟机的数量是依据请求生成的，无法保证虚拟机的数量最优。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种云数据中心节能方法及系统，基于容器放置技术和鲸鱼算法实现，对容器到虚拟机和虚拟机到物理机进行联合映射，从减少创建虚拟机数量的角度减少激活物理机数量，从而降低数据中心能耗；首先，以最小化能耗和最大化资源利用率作为优化目标，建立多目标约束的容器放置优化模型；然后，利用离散索引减少解向量结构维数，降低适应度函数复杂度；最后，将容器放置和虚拟机放置两个阶段定义为一个问题，参考鲸鱼环状收缩捕猎模式构建算法进行联合优化，迭代获得最优解。与现有技术相比，本专利技术在保证终端时延的前提下，能够有效提升复杂环境下的物理机资源利用率，显著降低物理机激活比例和云数据中心能耗。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种云数据中心节能方法，基于容器放置技术和鲸鱼算法实现，包括以下步骤：
[0008]S1、获取初始化参数，包括云数据中心的资源请求、种群数量P、迭代次数S和目标函数，云数据中心的资源请求被封装到L个容器{Cont1,Cont2,
…
,Cont
L
}中，L个容器被提交至N个虚拟机VM{V1,V2,
…
,V
N
}中，N个VM被放置到M个物理机PM{P1,P2,
…
,P
M
}中，所述目标函数以虚拟机数量最少和云数据中心能耗最低为目标；
[0009]S2、基于初始化参数生成初始种群{Sol1,Sol2,
…
,Sol
p
}，初始化生成一个最优解Sol
best
，分别对种群中的每个个体和最优解进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，令p＝1；
[0010]S3、若Sol
p
＝Sol
best
，则执行步骤S4，否则，更新Sol
p
，对Sol
p
进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，执行步骤S4；
[0011]S4、令p的值增加1，若p不大于P，则执行步骤S3，否则，执行步骤S5；
[0012]S5、使用目标函数计算最优解的适应度，若适应度到达预设置的阈值或步骤S5的执行次数达到迭代次数S，则将当前的最优解作为云数据中心节能方案，否则，执行步骤S7；
[0013]S6、对最优解Sol
best
进行更新，对Sol
best
进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，比较初始种群至当前种群中的所有最优解，将其中最优的解作为最优解，令p＝1，执行步骤S3。
[0014]进一步地，一个容器对应一个VM和一个PM，解的构建格式为：
[0015][0016]其中，表示第g个容器所提交的VM位置，表示第g个容器所提交的VM放置的PM位置，1≤g<L。
[0017]进一步地，基于解生成容器和虚拟机VM的放置矩阵，如下：
[0018][0019][0020]其中，X
gi
的值为1或0，X
gi
＝1表示容器Cont
g
放置在虚拟机vm
i
上，X
gi
＝0表示容器Cont
g
未放置在虚拟机vm
i
上；Y
ij
的值为1或0，Y
ij
＝1表示虚拟机vm
i
放置在物理机pm
j
上，Y
ij
＝0表示虚拟机vm
i
未放置在物理机pm
j
上，1≤i<N，1≤j<M。
[0021]进一步地，若一个解满足以下条件，则其为可行解：
[0022]对于任一g，满足：
[0023][0024]对于任一i，满足：
[0025][0026]对于任一i，满足：
[0027][0028]对于任一j，满足：
[0029][0030]其中，Cont
g,k
表示容器Cont
g
所需的资源量，V
i,k
表示虚拟机vm
i
所需的资源量，P
j,k
表示物理机pm
j
拥有的资源量。
[0031]进一步地，初始化生成解以及对解进行更新后，先进行调整再进行可行解检查，调整具体为：
[0032]基于解确定每个虚拟机VM的容器放置情况，若一个虚拟机VM中放置了多个容器，则检查该虚拟机VM被放置的物理机PM并进行调整，使得该虚拟机VM被放置在同一个物理机PM中。
[0033]进一步地，对解Sol进行更新具体为：
[0034][0035]其中Sol
best
为最优解，Sol
rand
为自{Sol1,Sol2,
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种云数据中心节能方法，其特征在于，基于容器放置技术和鲸鱼算法实现，包括以下步骤：S1、获取初始化参数，包括云数据中心的资源请求、种群数量P、迭代次数S和目标函数，云数据中心的资源请求被封装到L个容器{Cont1,Cont2,
…
,Cont
L
}中，L个容器被提交至N个虚拟机VM{V1,V2,
…
,V
N
}中，N个VM被放置到M个物理机PM{P1,P2,
…
,P
M
}中，所述目标函数以虚拟机数量最少和云数据中心能耗最低为目标；S2、基于初始化参数生成初始种群{Sol1,Sol2,
…
,Sol
P
}，初始化生成一个最优解Sol
best
，分别对种群中的每个个体和最优解进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，令p＝1；S3、若Sol
p
＝Sol
best
，则执行步骤S4，否则，更新Sol
p
，对Sol
p
进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，执行步骤S4；S4、令p的值增加1，若p不大于P，则执行步骤S3，否则，执行步骤S5；S5、使用目标函数计算最优解的适应度，若适应度到达预设置的阈值或步骤S5的执行次数达到迭代次数S，则将当前的最优解作为云数据中心节能方案，否则，执行步骤S7；S6、对最优解Sol
best
进行更新，对Sol
best
进行可行解检查，若不是可行解，则对其修正，比较初始种群至当前种群中的所有最优解，将其中最优的解作为最优解，令p＝1，执行步骤S3。2.根据权利要求1所述的一种云数据中心节能方法，其特征在于，一个容器对应一个VM和一个PM，解的构建格式为：其中，表示第g个容器所提交的VM位置，表示第g个容器所提交的VM放置的PM位置，1≤g<L。3.根据权利要求2所述的一种云数据中心节能方法，其特征在于，基于解生成容器和虚拟机VM的放置矩阵，如下：拟机VM的放置矩阵，如下：其中，X
gi
的值为1或0，X
gi
＝1表示容器Cont
g
放置在虚拟机vm
i
上，X
gi
＝0表示容器Cout
g
未放置在虚拟机vm
i
上；Y
ij
的值为1或0，Y
ij
＝1表示虚拟机vm
i
放置在物理机pm
j
上，Y
ij
＝0表示虚拟机vm
i
未放置在物理机pm
j
上，1≤i<N，1≤j<M。
4.根据权利要求3所述的一种云数据中心节能方法，其特征在于，若一个解满足以下条件，则其为可行解：对于任一g，满足：对于任一i，满足：对于任一i，满足：对于任一j，满足：其中，Cont
g,k
表示容器Cont
g
所需的资源量，V
i,k
表示虚拟机vm
i
所需的资源量，P
j,k
表示物理机pm
j
拥有的资源量。5.根据权利要求2所述的一种云数据中心节能方法，其特征在于，初始化生成解以及对解进行更新后，先进行调整再进行可行解检查，调整具体为：基于解确定每个虚拟机VM的容器放置情况，...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔昊杨，李星桤，秦伦明，戴莹莹，陈磊，江超，胡安铎，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：