本發(fā)明屬于系統(tǒng)能耗評估領(lǐng)域，具體涉及一種評估可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心的能耗的仿真方法。

背景技術(shù)：

近年來，面對能源危機(jī)、金融危機(jī)以及人類對氣候危機(jī)越來越清晰地認(rèn)識，全球范圍內(nèi)新能源出現(xiàn)超常規(guī)發(fā)展的態(tài)勢。而隨著信息化快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)步伐明顯加快，總量已超過300萬個，耗電量占全球總耗電量的比例為1.1％～1.5％，其高能耗問題已引起各國政府的高度重視。我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展同樣迅猛，總量已超過40萬個，年耗電量超過全社會用電量的1.5％。可見，日益龐大的數(shù)據(jù)中心導(dǎo)致了相當(dāng)大的能耗開銷，不斷增加的供電成本，已經(jīng)成為了企業(yè)運(yùn)營的巨大負(fù)擔(dān)。

因此，各國對新能源的投資大幅度增長，新能源產(chǎn)能也急劇擴(kuò)大?？稍偕茉窗l(fā)電是新能源發(fā)展的核心，風(fēng)電和太陽能發(fā)電是在技術(shù)和成本上最具競爭力的新能源形式。盡管短期內(nèi)新能源還無法替代傳統(tǒng)化石能源，但世界范圍內(nèi)資源的供需緊張以及全球為應(yīng)對氣候變化而對溫室氣體排放所做的限制為新能源發(fā)展鋪就了寬廣的道路。新能源技術(shù)的發(fā)展和市場的擴(kuò)大超乎想象，許多可再生能源資源將逐漸變成商業(yè)項目?？梢灶A(yù)見，不同能源形式的逐漸替代將改變世界經(jīng)濟(jì)和政治版圖以及人類的生存和生活方式。

然而，由于可再生能源在生產(chǎn)生活中具有間歇性、不穩(wěn)定性和動態(tài)變化性，如風(fēng)能受風(fēng)速的影響、太陽能受溫度和光照的影響，這就給我們利用可再生能源供電帶來很大挑戰(zhàn)，針對可再生能源以上特性，可根據(jù)現(xiàn)有的特征進(jìn)行建模，提供一種切實可行的可再生能源供電模擬方法，為數(shù)據(jù)中心執(zhí)行任務(wù)造成的能耗開銷降低成本。

此外，構(gòu)建實際的云平臺進(jìn)行實驗研究因為其龐大的規(guī)模和復(fù)雜性使得成本高、效率低；公開的測試平臺不易申請，規(guī)模較小，環(huán)境難以控制，結(jié)果難以重現(xiàn)；因此對于實驗研究而言需要可重復(fù)的、可控制的、成本低廉的仿真環(huán)境，本發(fā)明提出了一種可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心任務(wù)能耗評估仿真方法，用于在可再生能源供電的情況下，評估數(shù)據(jù)中執(zhí)行任務(wù)時的實時耗能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種支持可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心任務(wù)能耗評估仿真方法，以達(dá)到實現(xiàn)用戶自行設(shè)定現(xiàn)實世界各種不同環(huán)境參數(shù)，以此達(dá)到模擬可再生能源產(chǎn)生電能的目的，同時根據(jù)任務(wù)產(chǎn)生來進(jìn)行數(shù)據(jù)中心的能耗評估仿真。

一種評估可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心任務(wù)能耗的仿真方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)用戶實際需求確定數(shù)據(jù)中心的可再生能源混合供電類型，包括太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電。

步驟2、根據(jù)用戶實際需求輸入相應(yīng)可再生能源供電的相應(yīng)參數(shù)，通過該供電模型實施可再生能源供電仿真方案，產(chǎn)生電能，以供數(shù)據(jù)中心用電使用。

步驟3、根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)中心基本設(shè)置進(jìn)行初始化，包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心broker、主機(jī)及虛擬機(jī)。

步驟3.1、設(shè)置數(shù)據(jù)中心對象的名稱、數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大請求數(shù)。

步驟3.2、設(shè)置數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大功率、空閑功率、主機(jī)內(nèi)存大小、帶寬大小，pe(cpu數(shù)量)。

步驟3.3、創(chuàng)建仿真數(shù)據(jù)中心broker，通過broker可要求數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度。

步驟3.4、創(chuàng)建仿真虛擬機(jī)，設(shè)置虛擬機(jī)參數(shù)，包括虛擬機(jī)id，最大功率，mips，帶寬，內(nèi)存，虛擬機(jī)調(diào)度策略，并提交給任務(wù)代理。

步驟4、將虛擬機(jī)分配到主機(jī)。

步驟5、創(chuàng)建仿真任務(wù)，設(shè)置任務(wù)id，任務(wù)數(shù)量，還有任務(wù)大小，請求執(zhí)行完成該任務(wù)的pe數(shù)量。

步驟6、調(diào)度任務(wù)，設(shè)計mycloudlet類，對分配到數(shù)據(jù)中心的任務(wù)，采用相應(yīng)調(diào)度算法將任務(wù)調(diào)度到虛擬機(jī)上執(zhí)行，若當(dāng)前虛擬機(jī)正在執(zhí)行任務(wù)，則調(diào)度到未來執(zhí)行隊列中進(jìn)行等待。

步驟7、計算虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)的模擬功率，即通過cpu利用率與最大功率的乘積即可獲得。

步驟7.1計算cpu利用率，在一臺虛擬機(jī)上，cpu利用率uocpuij采用正態(tài)分布，任務(wù)ti～n(maxr/2,maxr/6)，maxr表示虛擬機(jī)最大cpu數(shù)量，均值取值為maxr/2，標(biāo)準(zhǔn)方差定義為maxr/6。cpu利用率計算即是以ti為變量，均值取值為maxr/2，標(biāo)準(zhǔn)方差定義為maxr/6的正態(tài)分布函數(shù)。

步驟7.2計算虛擬機(jī)執(zhí)行功率，由步驟7.1獲得虛擬機(jī)sj執(zhí)行任務(wù)ti(1≤i≤n)時的cpu利用率，sj的執(zhí)行功率計算公式：pij＝pidle+(1-pidle/pmax)·pmax·uocpuij，其中pidle表示虛擬機(jī)空閑功率，pmax表示為虛擬機(jī)最大功率。

步驟8、計算單個虛擬機(jī)模擬能耗，將當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的某臺虛擬機(jī)的執(zhí)行功率與執(zhí)行時間相乘，將該虛擬機(jī)的空閑功率與虛擬機(jī)的空閑時間進(jìn)行相乘，然后將兩個功率進(jìn)行相加即可得到虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)能耗。

步驟8.1計算虛擬機(jī)的執(zhí)行能耗，虛擬機(jī)的執(zhí)行能耗為步驟7中虛擬機(jī)的執(zhí)行功率乘以任務(wù)在該虛擬機(jī)上執(zhí)行的時間。

步驟8.2計算虛擬機(jī)空閑能耗，將虛擬機(jī)執(zhí)行的當(dāng)前時間減去虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)的總時間然后與虛擬機(jī)的空閑功率進(jìn)行相乘。

步驟8.3計算虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)總能耗，步驟8.1中的虛擬機(jī)執(zhí)行能耗加上步驟8.2中虛擬機(jī)空閑能耗。

步驟9、計算數(shù)據(jù)中心整體模擬能耗，即將任務(wù)開始執(zhí)行到當(dāng)前時間為止數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建的所有虛擬機(jī)的能耗進(jìn)行累加，即可得到數(shù)據(jù)中心的累加能耗；同時將當(dāng)前時間所有虛擬機(jī)的功率進(jìn)行累加，即可得到數(shù)據(jù)中心在當(dāng)前時間的實時功率。

本發(fā)明提出了一種支持可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心任務(wù)能耗評估仿真方法，在人們沒有現(xiàn)有的設(shè)備能夠?qū)崟r的對可再生能源產(chǎn)電進(jìn)行測量，同時無法獲得其他地理位置的實時可再生能源供電曲線時，僅需要滿足一定精度要求的情況下，以一種快捷方便的方式能夠獲得相應(yīng)地理位置太陽能或風(fēng)能產(chǎn)電數(shù)據(jù)，同時根據(jù)數(shù)據(jù)中心執(zhí)行任務(wù)的實際情況，通過相應(yīng)調(diào)度算法對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，可以獲得數(shù)據(jù)中心的累加能耗和實時功率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實施例的太陽能供電模型流程圖。

圖2為本發(fā)明數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建任務(wù)執(zhí)行能耗仿真方法流程圖。

圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)中心核心類關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明實施例以某地區(qū)太陽能和風(fēng)能數(shù)據(jù)作為研究對象，在該地區(qū)建立數(shù)據(jù)中心，并進(jìn)行數(shù)據(jù)中心執(zhí)行任務(wù)能耗仿真。

一種支持可再生能源混合供電的數(shù)據(jù)中心任務(wù)能耗評估仿真方法，太陽能供電方式的方法流程圖如圖1所示，數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建任務(wù)執(zhí)行能耗仿真方法流程圖如圖2所示，數(shù)據(jù)中心核心類關(guān)系圖如圖3所示，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)用戶實際需求確定數(shù)據(jù)中心的可再生能源混合供電類型，包括太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電；

本發(fā)明實施例中，根據(jù)用戶需求選擇可再生能源供電模型。在本實施例中選擇太陽能對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行供電。

步驟2、根據(jù)用戶實際需求輸入相應(yīng)可再生能源供電的相應(yīng)參數(shù)，通過該供電模型實施可再生能源供電仿真方案，產(chǎn)生電能，以供數(shù)據(jù)中心用電使用；

本發(fā)明實施例中，用戶太陽照射與地面夾角為h＝90度，太陽光線與被照射平面(太陽能板)法線之間的夾角為θ＝30度。晴朗天氣垂直到達(dá)海平面高度的太陽輻射強(qiáng)度i0選取1367w/m²。

計算參數(shù)m＝(sin90^°)^-1＝1。

本發(fā)明實施例中，定義p1為h＝90^°時的大氣透明度。p1可按照天氣的好壞進(jìn)行選取，晴天可選取p1＝0.532和0.65之間。并且p1還和海拔高度有關(guān)，海拔越高p1越大。在本實例中p1選取0.6。

光照強(qiáng)度i公式計算，i＝i0p1^mcosθ＝710.3w/m²。

光伏電池板傾角變位導(dǎo)致的光照利用率為x＝0.8，逆變器效率為y＝0.75。修正系數(shù)k是個變量，所以單一知道輻照度很難判斷組件的發(fā)電量，其中影響修正系數(shù)的因素包括：傾角變位、逆變器效率下降，在正常情況下有一個相對穩(wěn)定的值。修正系數(shù)k＝xy＝0.6。

光伏方陣面積s＝100m²，組件轉(zhuǎn)換效率u＝70％。

太陽能產(chǎn)電公式計算，p＝isuk＝316.89mj＝29832.6w＝29.8326kw。

步驟3、根據(jù)實際需求對數(shù)據(jù)中心基本設(shè)置進(jìn)行初始化，包括創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心broker、主機(jī)及虛擬機(jī)；

步驟3.1、設(shè)置數(shù)據(jù)中心對象的名稱、數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大請求數(shù)；

本發(fā)明實施例中，設(shè)計軟件仿真核心類datacenter類，其主要負(fù)責(zé)管理事件隊列和控制仿真事件的順序執(zhí)行。設(shè)置數(shù)據(jù)中心對象名稱dc。數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大請求數(shù)5。

步驟3.2、設(shè)置數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大功率、空閑功率、主機(jī)內(nèi)存大小、帶寬大小，pe(cpu數(shù)量)；

本發(fā)明實施例中，設(shè)計host類，模擬如計算機(jī)、存儲服務(wù)器等物理資源。它封裝了一些重要信息，如內(nèi)存/存儲器的容量、處理器內(nèi)核列表及類型(多核機(jī)器)、虛擬機(jī)之間共享處理能力的分配策略、為虛擬機(jī)分配內(nèi)存和帶寬的策略等。設(shè)置數(shù)據(jù)中心主機(jī)最大功率為250w、空閑功率150w。主機(jī)內(nèi)存大小10000m，帶寬為300000,pe＝100。

步驟3.3、創(chuàng)建仿真數(shù)據(jù)中心broker，通過broker可要求數(shù)據(jù)中心提供服務(wù)并進(jìn)行相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度；

本發(fā)明實施例中，設(shè)計datacenterbroker類，其主要代替用戶向數(shù)據(jù)中心提出服務(wù)請求，主要包括提交用戶創(chuàng)建的虛擬機(jī)列表以及用戶創(chuàng)建的任務(wù)列表，同時還可以將用戶創(chuàng)建的指定任務(wù)與指定虛擬機(jī)進(jìn)行綁定，使該指定虛擬機(jī)能夠定向的執(zhí)行任務(wù)

步驟3.4、創(chuàng)建仿真虛擬機(jī)，設(shè)置虛擬機(jī)參數(shù)，包括虛擬機(jī)id，最大功率，mips，帶寬，內(nèi)存，虛擬機(jī)調(diào)度策略，并提交給任務(wù)代理；

本發(fā)明實施例中，設(shè)計vm(虛擬機(jī))類，它在主機(jī)內(nèi)運(yùn)行，提供了對虛擬機(jī)生命周期的管理，如將主機(jī)分配給虛擬機(jī)、虛擬機(jī)創(chuàng)建、虛擬機(jī)銷毀以及虛擬機(jī)的遷移。設(shè)置虛擬機(jī)id為1，pmax＝100w，pidle＝60w，mips＝50，帶寬＝2500，內(nèi)存＝128。

步驟4、將虛擬機(jī)分配到主機(jī)；

本發(fā)明實施例中，設(shè)計vmallocationpolicy類，虛擬機(jī)分配到主機(jī)時，首先記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)中心所有主機(jī)可用的處理器核心數(shù)，從中選出可用處理器核心數(shù)最多的第一臺主機(jī)，并嘗試在其上創(chuàng)建虛擬機(jī)；如果失敗了并且還有主機(jī)沒有嘗試過，就排除當(dāng)前選擇的這臺主機(jī)重新選擇一臺處理器核心數(shù)次多的主機(jī)，根據(jù)虛擬機(jī)是否創(chuàng)建成功，返回true或者false。

步驟5、創(chuàng)建仿真任務(wù)，設(shè)置任務(wù)id，任務(wù)數(shù)量，還有任務(wù)大小，請求執(zhí)行完成該任務(wù)的pe數(shù)量；

本發(fā)明實施例中，設(shè)定任務(wù)類：cloudlet類，即隨機(jī)創(chuàng)建1個任務(wù)，任務(wù)id為0，此外還有執(zhí)行完成該任務(wù)的pe數(shù)量為2。

步驟6、調(diào)度任務(wù)，設(shè)計mycloudlet類，對分配到數(shù)據(jù)中心的任務(wù)，采用相應(yīng)調(diào)度算法將任務(wù)調(diào)度到虛擬機(jī)上執(zhí)行，若當(dāng)前虛擬機(jī)正在執(zhí)行任務(wù)，則調(diào)度到未來執(zhí)行隊列中進(jìn)行等待；

本發(fā)明實施例中，采用貪心調(diào)度算法對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，將任務(wù)優(yōu)先調(diào)度到mips最大的虛擬機(jī)上，若當(dāng)前虛擬機(jī)正在執(zhí)行任務(wù)，則按照虛擬機(jī)中mips由大到小的順序進(jìn)行調(diào)度。

步驟7、計算虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)的模擬功率，即通過cpu利用率與最大功率的乘積即可獲得。

步驟7.1計算cpu利用率，在一臺虛擬機(jī)上，cpu利用率uocpuij采用正態(tài)分布，任務(wù)ti～n(maxr/2,maxr/6)，maxr表示虛擬機(jī)最大cpu數(shù)量，均值取值為maxr/2，標(biāo)準(zhǔn)方差定義為maxr/6。cpu利用率計算即是以ti為變量，均值取值為maxr/2，標(biāo)準(zhǔn)方差定義為maxr/6的正態(tài)分布函數(shù)。

本發(fā)明實施例中，虛擬機(jī)i的最大處理器數(shù)為2，任務(wù)量為1，則計算的均值為1，標(biāo)準(zhǔn)方差為1/3，則由正態(tài)分布計算cpu利用率為0.5。

步驟7.2計算虛擬機(jī)執(zhí)行功率，由任務(wù)7.1獲得虛擬機(jī)sj執(zhí)行任務(wù)ti(1≤i≤n)時的cpu利用率，將sj的執(zhí)行功率計算公式描述為：pij＝pidle+(1-pidle/pmax)·pmax·uocpuij，其中pidle表示虛擬機(jī)空閑功率，pmax表示為虛擬機(jī)最大功率。

本發(fā)明實施例中，步驟3中設(shè)計的虛擬機(jī)空閑功率為60w，最大功率為100w，所以虛擬機(jī)執(zhí)行功率為：pij＝60+(1-60/100)*100*0.5＝80w。

步驟8、計算單個虛擬機(jī)模擬能耗，將當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的某臺虛擬機(jī)的執(zhí)行功率與執(zhí)行時間相乘，將該虛擬機(jī)的空閑功率與虛擬機(jī)的空閑時間進(jìn)行相乘，然后將兩個功率進(jìn)行相加即可得到虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)能耗。

步驟8.1計算虛擬機(jī)的執(zhí)行能耗，虛擬機(jī)的執(zhí)行能耗＝步驟7中虛擬機(jī)的執(zhí)行功率×任務(wù)在該虛擬機(jī)上執(zhí)行的時間。

本發(fā)明實施例中，虛擬機(jī)共運(yùn)行了一個小時，其中執(zhí)行任務(wù)i運(yùn)行了30分鐘，剩余30分鐘空閑，由步驟7中獲得執(zhí)行功率為80w，則該虛擬機(jī)能耗＝80/1000*0.5＝0.04kwh。

步驟8.2計算虛擬機(jī)空閑能耗，將虛擬機(jī)執(zhí)行的當(dāng)前時間減去虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)的總時間然后與虛擬機(jī)的空閑功率進(jìn)行相乘。

本發(fā)明實施例中，虛擬機(jī)空閑能耗＝(1-0.5)*60/1000＝0.03kwh。

步驟8.3計算虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)總能耗，步驟8.1中的虛擬機(jī)執(zhí)行能耗加上步驟8.2中虛擬機(jī)空閑能耗。

本發(fā)明實施例中，虛擬機(jī)執(zhí)行任務(wù)總能耗＝0.04+0.03＝0.07kwh。

步驟9、計算數(shù)據(jù)中心整體模擬能耗，即將任務(wù)開始執(zhí)行到當(dāng)前時間為止數(shù)據(jù)中心創(chuàng)建的所有虛擬機(jī)的能耗進(jìn)行累加，即可得到數(shù)據(jù)中心的累加能耗；同時將當(dāng)前時間所有虛擬機(jī)的功率進(jìn)行累加，即可得到數(shù)據(jù)中心在當(dāng)前時間的實時功率；

本發(fā)明實施例中，將數(shù)據(jù)中心每個虛擬機(jī)開始執(zhí)行任務(wù)時間到執(zhí)行任務(wù)完畢的時間的差值與其執(zhí)行功率進(jìn)行相乘，將數(shù)據(jù)中心銷毀虛擬機(jī)前每個虛擬機(jī)的空閑時間與空閑功率進(jìn)行相乘，然后將兩者相加，則獲得數(shù)據(jù)中心整體累加能耗。同時，每個虛擬機(jī)在當(dāng)前時間的功率進(jìn)行累加，即可得到數(shù)據(jù)中心在當(dāng)前時間的實時功率。

這里，數(shù)據(jù)中心只設(shè)計一個虛擬機(jī)，運(yùn)行了一個小時，所以累加能耗為0.07kwh，實時功率的計算需要按照每個虛擬機(jī)在當(dāng)前時間的功率進(jìn)行累加，這里由于只有一個虛擬機(jī)，所以，其實時功率前半個小時穩(wěn)定為80w，后半個小時穩(wěn)定為60w。