[論文レビュー] Energy-Efficient Management of Data Center Resources for Cloud Computing: A Vision, Architectural Elements, and Open Challenges

Rajkumar Buyya, Anton Beloglazov+1 more|Jun 2, 2010

Cloud Computing and Resource Management参考文献 20被引用数 444

ひとこと要約

本稿は、動的リソースプロビジョニング、電力感知スケジューリング、ハードウェア、冷却、ワークロードレイヤーの across にソフトウェアベースの制御を統合することで、エネルギー効率の良いクラウドデータセンターの管理のためのビジョンとアーキテクチャフレームワークを提案する。CloudSimのシミュレーションを用いて、動的ワークロード下でエネルギー消費と運用コストの顕著な低減を実証し、包括的なエネルギー意識のリソース割り当てポリシーにより応答時間とパフォーマンス効率が向上することを示している。

ABSTRACT

Cloud computing is offering utility-oriented IT services to users worldwide. Based on a pay-as-you-go model, it enables hosting of pervasive applications from consumer, scientific, and business domains. However, data centers hosting Cloud applications consume huge amounts of energy, contributing to high operational costs and carbon footprints to the environment. Therefore, we need Green Cloud computing solutions that can not only save energy for the environment but also reduce operational costs. This paper presents vision, challenges, and architectural elements for energy-efficient management of Cloud computing environments. We focus on the development of dynamic resource provisioning and allocation algorithms that consider the synergy between various data center infrastructures (i.e., the hardware, power units, cooling and software), and holistically work to boost data center energy efficiency and performance. In particular, this paper proposes (a) architectural principles for energy-efficient management of Clouds; (b) energy-efficient resource allocation policies and scheduling algorithms considering quality-of-service expectations, and devices power usage characteristics; and (c) a novel software technology for energy-efficient management of Clouds. We have validated our approach by conducting a set of rigorous performance evaluation study using the CloudSim toolkit. The results demonstrate that Cloud computing model has immense potential as it offers significant performance gains as regards to response time and cost saving under dynamic workload scenarios.

研究の動機と目的

• クラウドワークロードをホスティングするデータセンターの増大するエネルギー消費と環境への影響に対処すること。
• ハードウェア、電力、冷却、ソフトウェアコンponents におけるエネルギー使用量の最小化を通じて、クラウドコンピューティングの運用コストを低減すること。
• サービス品質（QoS）制約を考慮した包括的なエネルギー効率の良いクラウドリソース管理のためのアーキテクチャフレームワークを構築すること。
• パフォーマンスに影響を与えることなくエネルギー効率を最適化する動的リソースプロビジョニングおよびスケジューリングアルゴリズムの設計と検証すること。
• クラウドインfraストラクチャの集中型でエネルギー意識の高い管理を可能にする新規なソフトウェア技術を導入すること。

提案手法

• ハードウェア、電力、冷却、ソフトウェアレイヤーをカバーする、エネルギー効率をクラウドインfraストラクチャ設計に統合するためのアーキテクチャ的原則を提案する。
• デバイスの電力特性とワークロードのダイナミクスを考慮したエネルギー意識のリソース割り当てポリシーを開発する。
• 応答時間などのQoS要件をエネルギー節約とバランスさせるために、動的プロビジョニングを活用したスケジューリングアルゴリズムを設計する。
• データセンターのスタック全体にわたりエネルギー効率の良い意思決定を調整するソフトウェアベースの管理レイヤーを導入する。
• 実際の動的ワークロードシナリオ下で提案手法をモデル化および評価するために、CloudSimシミュレーションツールキットを採用する。
• インfraストラクチャコンponents 間の相乗効果を考慮する包括的最適化モデルを用い、エネルギー効率とパフォーマンスを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェア、電力、冷却、ソフトウェアを含む、データセンター全体のスタックにおいて、エネルギー効率をどのように向上させられるか？
• RQ2 動的ワークロード環境下で、エネルギー消費を最小限に抑えつつ、受け入れ可能なQoSを維持するための動的リソースプロビジョニング戦略は何か？
• RQ3 計算デバイスの電力使用特性を、スケジューリングおよび割り当て意思決定にどのように活用できるか？
• RQ4 スケーラブルでエネルギー意識の高いクラウド管理を可能にするために、どのようなアーキテクチャコンポーネントが不可欠か？
• RQ5 エネルギー効率の良いスケジューリングは、クラウドデータセンターにおける運用コストと炭素排出量をどの程度低減できるか？

主な発見

• 提案されたエネルギー意識のスケジューリングおよびプロビジョニングアルゴリズムは、動的ワークロード下でデータセンターのエネルギー消費を顕著に低減する。
• リソース利用効率の最適化とアイドル電力状態の最小化により、顕著なコスト削減を達成する。
• 効率的なワークロード分散と動的スケーリングのおかげで、応答時間のパフォーマンスが向上する。
• CloudSimを用いたシミュレーション結果から、さまざまなワークロード条件下でエネルギー効率とパフォーマンスの測定可能な向上が得られた。
• ハードウェア、電力、冷却、ソフトウェアコンポーネントを統合された管理フレームワークに統合することで、全体のシステム効率が向上する。
• ソフトウェアベースの管理レイヤーにより、異種のクラウドリソースにわたり、リアルタイムで適応的なエネルギー消費制御が可能になる。