基于反馈控制原理的数据中心节能策略设计方法

The data center will be a dominate element of future information infrastructure, and will provide fundamental support for cloud computing and online Internet applications with intensive computing and storage in servers. The continued increase in number and size of data centers will lead to a lot of power consumption. Therefore, it is urgent to develop energy-saving technologies and build green data centers. In this proposal, complying with the basic guideline towards designing energy-saving schemes, i.e. energy-proportional computing, the investigators intend to convert the problem, which deals with dynamic power allocation according to load status, into how to design a controller for typical.regulating systems in control theory, and enhance the designing method in pure control theory to restrain the negative impact of the discrete and bounded control input caused by physical constraints on the performance, and eventually develop a general method which is suitable for designing energy-saving schemes employed in independent IT equipments in data center. Combining with the implementable energy-saving mechanism, such as dynamic voltage and frequency scaling, power adjustment on ports in network device and dynamic regulation of disk rotational speed, we will apply the developed general method to design the concrete saving-energy schemes for computing, storage and network subsystem in data center. As for system-level saving-energy solution, we will define the proper utility function, and regard making trade-off between high performance and low power as a typical optimal control problem. Then solving the maximum of utility function, we.can obtain the perfect power distribution solution. The deliveries will include patent and high-level publications, which should be Influential in both academic and industrial community.

数据中心是云计算等新的计算模式和服务器端计算与存储密集型在线应用的物理载体。数据中心数量和规模的持续增加将导致大量电能消耗。研究节能技术，建设绿色数据中心是一个需要迫切解决的现实问题。项目遵从“能耗成比例计算”的节能设计原则，提出将电能依负载状态的动态分配转化为控制理论中典型的调节系统设计问题，在理论上发展控制理论中的设计方法，克服因物理约束而离散有界的控制变量对性能的不利影响，为数据中心设备的节能提供一种具有普遍指导意义的节能策略设计方法。在动态电压与频率调节、网络端口功率调整、磁盘转速动态调节等节能技术的支持下，应用基于反馈控制原理的节能设计方法为服务器、存储和网络设备设计节能策略。定义恰当的效用函数，在系统级将性能与能耗的协调与平衡转化为一类最优控制问题，采用适当方法求解效用函数最大化解，取得理想的能量分配与管理策略。做出有学术影响力和工业应用价值的成果，发表高质量学术论文。

项目以数据中心IT设备的节能策略与算法设计为主要研究目标，主要研究如何将依据负载状态的能耗动态分配问题转化为控制理论中经典的调节系统设计问题，并发展控制理论中的设计方法，为数据中心设备的节能提供一种具有普遍指导意义的节能策略设计方法，取得的主要研究成果可以概括为四个方面：(1)高速分组I/O的性能建模分析与能耗优化设计。建立了高速网络I/O排队论性能分析模型；应用反馈控制理论，提出了双回路控制策略在性能与能耗之间取得了理想折衷。(2)以太网端口节能机制的性能评价和策略设计。建立二维马氏链模型分析评价了以太网端口节能机制，利用分组聚合机制设计了综合性能优良的节能策略。(3)延时敏感应用中高速网络I/O的能耗优化。提出了一种分级能耗优化管理架构，在保证应用尾部延迟的前提下显著降低分组I/O的处理能耗。(4)一体化数据中心交换网络中的流量管理。围绕无丢失交换网络中链路层流量管理增强机制，开展了相关研究，提出了光子拥塞通告、三态拥塞探测和温和流量控制等策略，解决了无丢失交换网络中队头阻塞、拥塞树扩展和死锁等难题，形成了一体化以太交换网流量管理的新架构，为构建大规模无丢失交换网提供了基础理论的支持。项目总计发表学术论文26篇，其中领域顶级期刊论文9篇，包括IEEE ToN, TPDS, TMC, TC,TM; 顶级或有影响力的学术会议论文17篇，包括ACM SICOMMM，USENIX NSDI，IEEE INFOCOM等，总计CCF A论文12篇，获得Euro-Par 2022(CCF B)最佳论文；申请专利6件，授权专利4件；培养博士研究生8名，硕士研究生4名，其中1人获2022年度IEEE 网络与通信领域“希望之星”(全球10名)；1人获2021年CCF优秀博士学位论文提名奖；与华为和字节头条等公司积极开展合作，转化项目研究成果，获2019年华为“数据通信优秀生态伙伴(高校合作)”