基于随机网络演算的数据中心QoS保障节能策略研究

Data Centers provide the supporting infrastructure for a wide range of IT services, and consume a significant amount of electricity. Extensive research has been carried out to reduce the energy cost in data centers, however, there still lacks effective analytical tools to study the QoS of the data center energy saving strategies, which needs a theoretical modeling method to understand and investigate them essentially. Stochastic network calculus is a theoretical framework for performance evaluation based on bounds, which can characterize a variety of arrival and service processes, and provide stochastic performance guarantee analysis. Based on stochastic network calculus, we model the workload arrive processes and service capacity for the data centers. On top of that, we build an optimizaiton model for the data centers, and propose a number of energy saving strategies,so as to minimmize the energy cost in data centers while providing stochastic QoS ganrantee. With the trace-driven experiments based on the real-world data center workloads,by adjusting the parameters in the stochastic network calculus model, we can explore the potential benefits of the energy saving strategies quantitatively. Based on both the numerical and analytic results, we are going to further improve the energy saving strategies.

数据中心为众多的网络服务提供了后台支撑基础构架，同时也消耗了大量的电能，能耗成为数据中心总体成本的重要组成部分。尽管存在着大量降低数据中心能耗的研究工作，目前仍然缺乏有效的理论工具对数据中心节能策略进行QoS研究，十分需要采用理论模型方法从基础上对其进行认识和研究。随机网络演算是一种基于边界的性能评价方法，能够刻画多种类型的业务到达与服务过程，并对统计性能保障提供分析。本项目以随机网络演算作为理论工具，对数据中心的业务到达与服务能力进行建模；在此基础上构建数据中心成本优化模型，提出一类节能策略，在降低数据中心能耗的同时，为数据中心业务提供统计QoS保障；结合真实系统的日志记录文件进行数值实验，在随机网络演算模型框架下调整模型参数，量化分析数据中心节能策略的潜在效益；并将基于数值计算和理论分析的结果，对节能策略进行改进。

本项目为关于动态调整数据中心服务能力潜在效益提出了新的见解。动态调整问题中涉及到的关于工程实现、算法和可靠性方面的许多问题，它们都是试图实现动态调整潜在效果非常重要的问题。本项目指出在量化分析动态调整的潜在效果时，理解业务负载和SLA特征的共同影响是至关重要的。.为了说明这些观点，本项目提出了新的随机网络演算模型来刻画工作负载在慢时间尺度下的非平稳性和快时间尺度下的突发性对SLA特征的影响。该模型使得本章同时刻画了真实工作负载的随机突发性和每天的非平稳性来对动态调整进行研究。通过该模型，本项目提供了基于真实工作负载日志记录的数值以及分析结果，并在数据中心集群中进行了相关的部署验证。最值得关注的是，本项目指出当SLA、峰均值比和突发性其中任意两个参数固定时，能够对第三个参数进行选择，使得动态调整能或不能为数据中心提供显著的成本节约。本项目给出了动态调整的潜在收益如何依赖于这三个参数。本项目充分说明，作为任何关于动态调整价值争论的前提，必须理解预期业务到达的特征和所需的SLA，接下来才能开始讨论是否能获得该潜在收益。