[论文解读] A Taxonomy and Future Directions for Sustainable Cloud Computing: 360 Degree View

Sukhpal Singh Gill, Rajkumar Buyya|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2017

Green IT and Sustainability参考文献 160被引用 21

一句话总结

本文提出了一种全面的360度可持续云计算分类法，将现有研究组织为能源管理、虚拟化、热感知调度以及可再生能源集成等关键类别。该文提出了一个可持续云系统的概念模型，并确定了未来关键的研究方向，以提升下一代云基础设施的能效并减少环境影响。

ABSTRACT

The cloud computing paradigm offers on-demand services over the Internet and supports a wide variety of applications. With the recent growth of Internet of Things (IoT) based applications the usage of cloud services is increasing exponentially. The next generation of cloud computing must be energy-efficient and sustainable to fulfil the end-user requirements which are changing dynamically. Presently, cloud providers are facing challenges to ensure the energy efficiency and sustainability of their services. The usage of large number of cloud datacenters increases cost as well as carbon footprints, which further effects the sustainability of cloud services. In this paper, we propose a comprehensive taxonomy of sustainable cloud computing. The taxonomy is used to investigate the existing techniques for sustainability that need careful attention and investigation as proposed by several academic and industry groups. Further, the current research on sustainable cloud computing is organized into several categories: application design, sustainability metrics, capacity planning, energy management, virtualization, thermal-aware scheduling, cooling management, renewable energy and waste heat utilization. The existing techniques have been compared and categorized based on the common characteristics and properties. A conceptual model for sustainable cloud computing has been proposed along with discussion on future research directions.

研究动机与目标

• 为应对由物联网和不断增长的服务需求所驱动的、能耗密集型云数据中心带来的日益严峻的环境与经济挑战。
• 识别当前云计算可持续实践中的关键缺口，特别是在能效提升与碳足迹减少方面。
• 提供一个结构化且全面的分类法，对可持续云计算中的现有研究与技术进行分类，以实现系统性分析。
• 提出一个整合技术、运营与环境维度的可持续云计算概念模型。
• 概述未来研究方向，以指导学术界与产业界迈向更节能、更环保的云系统。

提出的方法

• 通过分析应用设计、可持续性度量指标和能源管理等领域的38项研究与实践类别，构建了可持续云计算的360度分类法。
• 将现有技术组织为七个核心类别：应用设计、可持续性度量指标、容量规划、能源管理、虚拟化、热感知调度和冷却管理。
• 将可再生能源集成与废热利用作为可持续性框架中的关键组成部分。
• 提出一个可持续云计算的概念模型，将技术、运营与环境因素统一为一个整体系统设计。
• 基于现有技术的共享特征与属性进行对比分析，以识别其优势、局限性及研究空白。
• 通过整合学术与产业贡献的综合分析，评估研究趋势与行业实践，以指导未来的研究路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些关键技术与运营维度定义了云计算中的可持续性？
• RQ2 当前在能源管理、虚拟化与热控方面的技术如何有助于降低云数据中心的碳足迹？
• RQ3 在下一代云系统中实现能效与可持续性的最关键研究空白与挑战是什么？
• RQ4 如何有效将可再生能源与废热回收整合到云基础设施设计中？
• RQ5 何种概念框架能够将多样化的可持续技术统一为一个连贯且可扩展的未来云系统模型？

主要发现

• 该分类法识别出七类可持续云计算技术，为未来的研究与系统设计提供了结构化基础。
• 能源管理与虚拟化是目前最成熟的领域，已有大量关于动态资源分配与资源合并以降低能耗的研究。
• 热感知调度与冷却管理正成为关键领域，因其对硬件寿命与能效具有直接影响。
• 可再生能源集成与废热利用尚处于探索不足阶段，但具有显著降低数据中心碳足迹的潜力。
• 可持续云计算的概念模型实现了应用、基础设施与环境维度之间的跨层优化。
• 未来研究必须优先考虑可持续性度量指标的标准化，以及面向动态工作负载的自适应、自愈型云系统的发展。