[论文解读] The carbon footprint of distributed cloud storage

Lorenzo Posani, Alessio Paccoia+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2018

Cloud Computing and Resource Management参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文评估了一种基于ARM的去中心化云存储系统（Cubbit），作为集中式数据中心的替代方案，表明其可将数据存储的碳排放减少约77%，数据传输的碳排放减少50%。该系统利用用户家中低功耗单板计算机实现去中心化存储，从而最大限度地降低能耗。

ABSTRACT

The ICT (Information Communication Technologies) ecosystem is estimated to be responsible, as of today, for 10% of the total worldwide energy demand - equivalent to the combined energy production of Germany and Japan. Cloud storage, mainly operated through large and densely-packed data centers, constitutes a non-negligible part of it. However, since the cloud is a fast-inflating market and the energy-efficiency of data centers is mostly an insensitive issue for the collectivity, its carbon footprint shows no signs of slowing down. In this paper, we analyze a novel paradigm for cloud storage (implemented by Cubbit, http://cubbit.io), in which data are stored and distributed over a network of p2p-interacting ARM-based single-board devices. We compare Cubbit's distributed cloud to the traditional centralized solution in terms of environmental footprint and energy efficiency. We demonstrate that, compared to the centralized cloud, the distributed architecture of Cubbit has a carbon footprint reduced of a 77% factor for data storage and of a 50% factor for data transfers. These results provide an example of how a radical paradigm shift in a large-reach technology can benefit both the final consumer as well as our society as a whole.

研究动机与目标

• 评估去中心化云存储与传统集中式数据中心相比的环境影响。
• 量化通过去中心化、低功耗存储架构可实现的碳足迹减少量。
• 分析在数据存储和数据传输工作负载中能耗的差异。
• 评估去中心化云模型在大规模消费者存储服务中的可扩展性。
• 提供集中式与点对点云存储系统在能效和排放方面的数据驱动对比。

提出的方法

• 将Baliga等人提出的能耗模型进行适配，以估算集中式与去中心化系统在存储和传输方面的能耗。
• 收集企业级存储机架（如HP SO 3620、ECS-D5600）和Cubbit Cells的技术规格（峰值功耗、PUE、冗余度）。
• 使用公式计算每TB存储功耗：$ P^{\text{storage}}_{\text{dcenter}} = \text{PUE} \times \text{redundancy} \times \frac{\text{peak Wattage}}{\text{n disks} \times 8~{}\text{TB}} $。
• 基于公共互联网模型估算每GB传输能耗，将运行功耗转换为每比特焦耳，再换算为J/GB。
• 将模型应用于真实场景：备份（低访问频率）、流媒体（高访问频率）以及全球规模消费者存储（6亿用户）。
• 采用保守的0.5 kgCO2每kWh排放因子，将能耗节省转换为碳减排估算值。

实验结果

研究问题

• RQ1 点对点去中心化云存储系统的碳足迹与集中式数据中心相比如何？
• RQ2 在数据存储和数据传输方面，去中心化与集中式架构之间的能耗差异有多大？
• RQ3 在备份和视频流媒体等真实工作负载中，去中心化存储能在多大程度上减少碳排放？
• RQ4 若大规模消费者云服务迁移到去中心化模式，其全球规模的碳减排潜力如何？
• RQ5 冗余度、PUE和设备效率如何影响云存储系统的整体环境影响？

主要发现

• 与集中式数据中心相比，去中心化的Cubbit架构可将存储能耗降低约77%，峰值功耗节省达9 W/TB。
• 在去中心化模式下，数据传输能耗减少50%，每GB传输能耗节省约12.0 kJ/GB，即每TB节省3.33 kWh。
• 对于低访问频率的25 TB专业备份，年碳排放减少约1,000 kgCO2，相当于每PB每年减少40,000 kgCO2。
• 对于每日传输10 TB数据的中型网站，由于存储与传输能耗的综合节省，年碳减排可达约7,000 kgCO2。
• 若扩展至拥有6亿用户的全球消费者云服务，模型估算每年潜在碳减排达300万吨，相当于节省670万千瓦时能源。
• 本研究证明，从集中式向去中心化、低功耗云存储的彻底转型，可在所有主要使用场景中带来显著的环境效益。