[论文解读] 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 444

一句话总结

本文通过整合动态资源供应、电源感知调度以及硬件、冷却和工作负载层的软件控制，提出了一种面向云数据中心能效管理的视觉愿景与架构框架。利用CloudSim仿真，结果表明在动态工作负载下，该方法显著降低了能耗和运营成本，通过整体性的能效感知资源分配策略，提升了响应时间与性能效率。

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.

研究动机与目标

• 解决托管云工作负载的数据中心日益增长的能耗与环境影响问题。
• 通过最小化硬件、电源、冷却和软件组件的能耗，降低云计算的运营成本。
• 设计一种综合性的架构框架，实现云资源管理的能效优化，同时考虑服务质量（QoS）约束。
• 设计并验证动态资源供应与调度算法，以在不损害性能的前提下优化能效。
• 提出一种新型软件技术，实现对云基础设施集中化、能效感知的管理。

提出的方法

• 提出将能效融入云基础设施设计的架构原则，涵盖硬件、电源、冷却和软件层。
• 开发考虑设备功耗特性和工作负载动态特性的能效感知资源分配策略。
• 设计调度算法，在动态供应机制下平衡服务质量要求（如响应时间）与节能目标。
• 引入基于软件的管理层，协调数据中心堆栈中各层级的能效决策。
• 采用CloudSim仿真工具包，对所提方法在真实、动态工作负载场景下的表现进行建模与评估。
• 采用综合优化模型，考虑基础设施各组件之间的协同效应，以最大化能效与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在涵盖硬件、电源、冷却和软件的整个数据中心堆栈中提升能效？
• RQ2 在云环境中，哪些动态资源供应策略可最大限度降低能耗，同时维持可接受的服务质量？
• RQ3 如何在调度与分配决策中利用计算设备的功耗特性？
• RQ4 哪些架构组件是实现可扩展、能效感知的云管理所必需的？
• RQ5 能效调度在多大程度上可降低云数据中心的运营成本与碳足迹？

主要发现

• 所提出的能效感知调度与供应算法在动态工作负载下显著降低了数据中心的能耗。
• 通过优化资源利用率并最小化空闲功耗状态，该方法实现了显著的成本节约。
• 由于高效的工作负载分发与动态扩展，响应时间性能得到改善。
• 使用CloudSim的仿真结果表明，在不同工作负载条件下，能效与性能均有可测量的提升。
• 将硬件、电源、冷却与软件组件整合到统一的管理框架中，显著提升了整体系统效率。
• 基于软件的管理层实现了对异构云资源中能耗的实时、自适应控制。