数字云如何实现节能?

发布时间：2011-11-02

        如果把高耗能的数字云看作是“乌云”，那么怎样才能驱散网络中的“乌云”，使我们的网络呈现出“蓝蓝的天上白云飘”这种靓丽的景象呢？

对数字云的认识

　　  在剖析数字云的节能之前，还得将“云”的基本形态说清楚。“云”的花样再多，其物理实现就是两个字——集群，它有两种典型的应用形式。

　　  第一种是基于互联网的集群应用（以下称为“互联网云”）。随着互联网和IP化通信的发展，理论上任何具有IP网络端口以及CPU的设备都可以成为“云”的节点或终端。只要通过集群软件，将它与IP网络上的其它节点和终端一起组成集群，用户就可以共享网络上所有设备的计算与存储能力。例如BT（BitTorrent）下载，你在下载文件的同时，也在为其他用户提供上传，因为大家在“互相帮助”，所以你的下载速度不会随着用户数的增加而降低。这是一种典型的互联网“云”技术。

　　  另一种是云服务提供商的集群应用（以下称为“运营云”）。云服务提供商通过集群技术，将多个计算或存储系统进行堆叠，并进行统一管理，以获得单台设备无法得到的性能与可靠性。这就构成了云服务系统，可对外提供计算与存储服务。Google、Amazon走的就是这条路。

　    那么，怎样才能实现数字云的节能呢？

互联网云的节能

　　互联网云的节能要从两个层面来分析，一是终端层面，一是网络层面。

终端节能

　　具备CPU和IP网络端口的云终端设备，目前最典型的就是个人电脑（笔记本或台式机）。笔记本电脑出于移动性需求的考虑，要尽量降低箱体的温度，减小风扇和硬盘噪音，增加电池的续航能力，因而本身做了相当多的节能设计。例如，笔记本的CPU运行功耗大都低于35W，最近甚为流行的上网本，采用的CPU功耗甚至低至3W（单核）到8W（双核）；笔记本采用的1.8寸硬盘，其功耗不到台式机3.5寸硬盘功耗的1/4；笔记本的电源控制设计极其精巧，不仅确保电源转换效率高，而且对部件的运行进行实时监控，尽量将不用的部件全部关闭，以节省用电量。笔记本电脑待机时的功耗仅有2W。

　　台式机厂家往往出于成本的考虑，弱化了台式机的设备节能设计。厂家通常采用高达80W甚至上百瓦的高耗能CPU以及廉价的散热系统，以最大限度地降低成本。这也怨不得厂家，算个经济帐：单台台式机的功耗一般在300W左右，以每天台式机开机3小时，每度电0.7元计算，每年的耗电量为328.5度，电费仅230元人民币；将台式机的功耗减少一半，一年只能省下100块左右，而成本却会增加500元以上。因而，厂家的节能设计积极性不高。但即便如此，也不能说台式机就无法做到节能。

　　2007年，Google和英特尔发起了“电脑节能拯救气候”行动（Climate Savers Computing Initiative），致力于到2010年将全球电脑的耗电量降低50%。这相当于节约了1100 万辆汽车，或20座煤炭热电厂的年排放量。如何达成这个使命呢？非常简单，它建议个人电脑用户采用如下三招：

　　第一招，开启电脑的能耗管理模式，将显示器和硬盘的休眠时间设置在15分钟，系统的待机睡眠时间设置为30分钟或以下；第二招，购买带有能源之星（Energy Star）标志的电脑，通过能源之星认证的台式电脑，休眠功耗低于4W，笔记本电脑更低于2W；第三招，电脑不用时，拔下电源插头。只此三招，即可让以个人电脑为主的云终端能耗下降一半。

　 因此，云终端的节能，重在提倡终端用户养成良好的节约用电习惯，既能节省个人的电费支出，又节省了能源消耗，还可以有效延长云终端设备的使用寿命，可谓一举多得。

网络节能

　 2009年初，互联网上的一则消息引起舆论哗然：《星期日泰晤士报》发表了哈佛大学物理学家亚历克斯•魏斯纳-格罗斯（Alex Wissner-Gross）的最新研究成果。研究表明，使用台式机运行两个Google搜索与烧开一壶水所产生的二氧化碳排放量相仿——15克二氧化碳排放量。折算过来，每次搜索全网会消耗0.01度的电量。如果乘上Google巨大的搜索流量，会是一个非常惊人的数字。Google立刻在官方博客上展开回应，并进行了一系列的危机公关，以重塑其节能环保方面的正面形象。

　　其实，进行一次搜索操作，数据将会经过个人电脑终端、数据交换、长途传输、光中继、服务器和存储等等设备，将全网的电量代价都让Google背负显然是不公平的。但这则消息本身说明业界对能耗的关注已经由单体节能向全网节能的方向转移。

　　全网节能的关键在两点：各节点设备的节能和全网的能耗管理。

　　云的各节点设备，即一次操作所产生的数据流所经过的所有网络设备。节点设备的节能包括三方面：一是降低设备本身的能耗；二是设备能耗可控制，具备管理接口；三是设备的节能深度，包括设备没用到的部件能否进入低耗能状态，能低到多少，等等。

　　只有采用全网能耗管理软件来衡量和控制网络上所有节点设备的能耗，才能真正达到全网综合节能的目的。但由于网络上的IT和CT设备种类繁杂，生产厂家更是不计其数，缺乏统一的管理接口，全网能耗管理一直停留在假想阶段。目前，业界已有厂家迈出了向全网能耗管理的第一步：通过一种网络能耗管理软件，可以测量出从该厂家的交换机到所有IP连接设备（如电话、监控摄像机、无线路由器等）的能耗，但其精准度也仅是建立在平均值估算的基础上。在所有设备厂商达成统一的能耗管理接口定义之前，全网的能耗管理仍只能有限地实现。

运营云的节能

　　云服务提供商在建设网络时，往往采用相同架构的节点设备，并进行叠加，以期获得更简洁的管理和更佳的可扩展性。

　　绝大部分节点单元都可划分为几种典型类型，每种类型的节点设备都具备相似甚至相同的CPU、内存、硬盘等硬件配置，以及相同的管理接口，从而省去了互联网云设备种类繁杂的缺陷，也为节能方案的实施提供了方便。

　　与互联网云类似，运营云的节能也需从节点设备和全网两个层面进行考虑，方案也与互联网云大体一致。下面从不同的角度来探讨运营云的节能思路。

提高设备资源利用率

　　在这里，我们要引入“资源利用率”的概念。在运行相同应用的条件下，资源利用率越高，意味着浪费的资源越少，也就越节能。

　　就云节点设备而言，无论是服务器还是存储设备，其核心的组成部分都是三大部件：CPU、内存和硬盘，三者的能耗占到节点设备总能耗的50－75%。云节点设备的资源利用率，也集中反映在这三个部件的资源利用率上。因此，我们可以将云节点的硬件组成抽象为这三个部件。

　    运营云的节点设备可以分为计算型设备、存储型设备以及存储计算综合型设备三种类型。这三类设备因为定位的不一样，直接导致三大部件的配置比例也不一样：计算型设备偏重计算，因此CPU和内存的配比就较高，硬盘的配比会较低；而存储型设备恰恰相反，硬盘的配比会较高；综合型设备则兼顾计算和存储，三大部件的配比介乎计算型和存储型之间。

　　云服务提供商如果能针对所运行业务或子业务的计算需求，正确判断需要选择哪种类型的设备，并有针对性地购买该类型的设备，就可以达到较高的资源利用率，从而降低TCO，降低总能耗。这是运营云最有效的节能措施。

完善节点能耗管理

　　单节点设备的节能，要求设备本身应该具备低能耗特性，包括具备低能耗的CPU、内存和硬盘，以及高效率的电源转换部件、散热系统等等。优化单节点设备的能耗管理，简单地讲包括以下三条：

　　第一条：使暂时不用的部件进入休眠甚至关电状态。

　　第二条：通过软件手段，将未充分利用的部件资源进行集中管理，并进行调节，以达到资源的最佳利用。举个简单的例子：某项业务消耗了8只硬盘，每只硬盘功耗为20W，业务总共消耗160W的硬盘功耗；若系统在线检测表明只需消耗4只硬盘即可满足该业务需求，就可以将数据进行迁移，使业务集中到4只硬盘上，并将空闲的4只硬盘关闭，从而节省了80W的能耗。

　　第三条：提供能耗监控的管理接口，使设备和重要部件的能耗可监控、可度量、可管理。

完善网络能耗管理

　　多个节点设备通过数据和管理通道进行堆叠，就构成了云系统。“云”的管理子系统对“云”中的所有节点进行统一管理，这一管理涉及节点管理和业务调度两部分。

　　健全的云管理机制，需要做到从整体层面对云系统及各个节点进行业务、能耗的实时监测与智能控制。在确保可用性和可靠性的前提下，针对业务的实际情况，采用诸如VMware软件等资源虚拟化技术，进行云节点资源的实时配置和调节，尽可能地提高各节点的资源利用率，并使暂时不用的节点进入休眠状态，从而达到云系统整体的资源利用率最大化。