一種基于sdn架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存能耗技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心 內(nèi)存能耗優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)日臻成熟，用戶應(yīng)用及服務(wù)激增，用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù) 量日趨龐大，數(shù)據(jù)中心能耗問題也日益嚴(yán)重。
[0003] Ranganathan等對(duì)若干典型Web服務(wù)器負(fù)載進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器平均利 用率在11%~50%之間，IBM Bohrer等指出數(shù)據(jù)中心服務(wù)器利用率低導(dǎo)致高能耗；因此提 高數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的利用率來降低能耗問題顯得非常有必要。
[0004] 目前世界范圍內(nèi)針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗的研究很多，Guo等基于數(shù)據(jù)中心處理任務(wù)不 均衡，通過Lyapunoy最優(yōu)化設(shè)計(jì)在線算法，使得能量存儲(chǔ)與花費(fèi)節(jié)省方面折中，處理任務(wù)少 時(shí)將多余電能通過電池存儲(chǔ)，處理任務(wù)多時(shí)將存儲(chǔ)電能及時(shí)釋放，以數(shù)據(jù)中心整體為單位 設(shè)計(jì)能耗模型，并基于此展開研究；
[0005] Kansal等以虛擬化為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)中心虛擬機(jī)進(jìn)行能耗建模，包括CPU能耗模型、 內(nèi)存能耗模型及磁盤能耗模型，但內(nèi)存能耗模型的有效性缺乏進(jìn)一步研究驗(yàn)證；
[0006] 數(shù)據(jù)中心服務(wù)器主要能耗部件之一為內(nèi)存，Delaluz等基于內(nèi)存節(jié)點(diǎn)4種模式(活 動(dòng)、待機(jī)、休眠、掉電）設(shè)計(jì)策略，通過監(jiān)測(cè)內(nèi)存使用情況及時(shí)轉(zhuǎn)換內(nèi)存節(jié)點(diǎn)模式，在不影響 數(shù)據(jù)中心負(fù)載均衡前提下減少能耗，但是沒有嚴(yán)格考慮模式間切換時(shí)機(jī)。
[0007] 在傳統(tǒng)的單進(jìn)程系統(tǒng)中，在一個(gè)指定時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)單獨(dú)的虛擬機(jī)處于工作， 因此虛擬機(jī)占用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)是主要的內(nèi)存能耗來源；目前隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式 在電腦安裝多個(gè)虛擬機(jī)，盡可能的充分利用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存資源，但是必須為每一個(gè)虛擬機(jī) 提供充足的存儲(chǔ)資源，對(duì)一個(gè)擁有龐大內(nèi)存的服務(wù)器來說會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存系統(tǒng)的高能耗，因此 需要減少數(shù)據(jù)中心服務(wù)器內(nèi)存能耗。
[0008] 根據(jù)物理內(nèi)存的特點(diǎn)，傳統(tǒng)做法是將物理內(nèi)存分成許多的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)內(nèi)存 節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的能耗狀態(tài)，當(dāng)一些內(nèi)存節(jié)點(diǎn)接入數(shù)據(jù)時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)就處于允許態(tài)，當(dāng)一些內(nèi) 存節(jié)點(diǎn)沒有被使用時(shí)，將這些節(jié)點(diǎn)置于低能態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的節(jié)能。對(duì)于多進(jìn)程系統(tǒng)，同 一時(shí)刻運(yùn)行的多個(gè)不同的虛擬設(shè)備，內(nèi)存能耗分配動(dòng)態(tài)分布，為了能夠降低內(nèi)存能耗，必須 使這些虛擬機(jī)使用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)盡可能的少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)以上研究存在的問題，采用了一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗 優(yōu)化方法，在保證數(shù)據(jù)中心負(fù)載均衡前提下，使得整個(gè)數(shù)據(jù)中心處于活動(dòng)態(tài)的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)最 少，從而盡可能的降低數(shù)據(jù)中心的能耗。
[0010]該方法具體步驟如下：
[0011]步驟一、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器接收用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，SDN控制器控制Openflow交換機(jī) 將用戶請(qǐng)求均衡分配到各個(gè)服務(wù)器；
[0012] 數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器有n臺(tái)，集合為5=(31，32，."，31，...~）， 31表示第外服務(wù)器。
[0013] 步驟二、每個(gè)服務(wù)器為各用戶請(qǐng)求建立進(jìn)程，多個(gè)進(jìn)程在服務(wù)器內(nèi)核上組成進(jìn)程 隊(duì)列；
[0014] 每臺(tái)服務(wù)器包括處理器及內(nèi)存;其中，內(nèi)存資源由物理內(nèi)存節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，處理器包括 m個(gè)CPU內(nèi)核，集合為0=(&，&，···，Cj，.. .Cm)。
[0015] 步驟三、針對(duì)第i臺(tái)服務(wù)器Si，計(jì)算t時(shí)刻，m個(gè)CPU內(nèi)核上的進(jìn)程總集合pro(Si，t); [0016]
[0017]其中，pr〇(Cij，t)表示t時(shí)刻服務(wù)器Si上每個(gè)CPU內(nèi)核Cij上的進(jìn)程單集合;Cij表示 第i臺(tái)服務(wù)器si中的第j個(gè)CPU內(nèi)核；
[0018] CPU內(nèi)核Cij的各進(jìn)程為冰…，<，...，圮），其中q表示CPU內(nèi)核Cij上進(jìn)程的數(shù) 量，g表示CPU內(nèi)核Cij進(jìn)程中的第k個(gè)進(jìn)程；mem(4)表示CPU內(nèi)核Cij分配給第k個(gè)進(jìn)程的內(nèi) 存節(jié)點(diǎn)。
[0019] 步驟四、針對(duì)第i臺(tái)服務(wù)器81，計(jì)算t時(shí)刻，進(jìn)程總集合pro(Sl，t)中的進(jìn)程使用的內(nèi) 存節(jié)點(diǎn)集合M( Si，t);
[0020]
[0021 ]其中mem(pro (Cij，t))表示每個(gè)進(jìn)程單集合pro (Cij，t)上的進(jìn)程所使用的內(nèi)存節(jié) 點(diǎn)。
[0022]簡(jiǎn)化后得到：
[0023] M(si, t) =mem(pro(si, t))
[0024]步驟五、針對(duì)服務(wù)器Si，從每個(gè)CPU內(nèi)核Cij上的進(jìn)程單集合pro(Cij ,t)中各隨機(jī)選 取一個(gè)進(jìn)程，組成新進(jìn)程集合pro'（si,t);
[0025]
[0026] 其中新進(jìn)程集合pro (聲，）的個(gè)數(shù)為"選取第一個(gè)作為初始進(jìn)程集合，Pl(j (t)，k(t))為t時(shí)刻進(jìn)程單集合pro(cij，t)中任意選取的一個(gè)進(jìn)程，pi(j (t)，k(t))與進(jìn)程隊(duì) 列序號(hào)k和CPU內(nèi)核序號(hào)j相關(guān)。
[0027] 步驟六、計(jì)算初始進(jìn)程集合使用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)集合mem '（pro (Si，t))以及內(nèi)存節(jié)點(diǎn) 數(shù)|mem，（pro(si，t))I;
[0028] 步驟七、計(jì)算各剩余進(jìn)程集合分別占用的活動(dòng)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)集合以及內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)；
[0029] 剩余進(jìn)程集合個(gè)數(shù)為：- 1
[0030]步驟八、將初始進(jìn)程集合占用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)|mem'（pro(si，t)) |與各剩余進(jìn)程集 合占用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)按序進(jìn)行逐一比較；
[0031]步驟九、判斷當(dāng)前剩余進(jìn)程集合占用的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)是否小于|mem'（pro(si，t)) I， 如果是，將當(dāng)前剩余進(jìn)程集合作為初始進(jìn)程集合，返回步驟八，否則，進(jìn)入步驟十；
[0032] 步驟十、繼續(xù)比較下一個(gè)剩余進(jìn)程集合進(jìn)入步驟九，直至找到內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)最少的 剩余進(jìn)程集合；
[0033] 步驟十一、選擇內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)最少的剩余進(jìn)程集合作為服務(wù)器81下一個(gè)進(jìn)程隊(duì)列集 合；
[0034]
[0035]步驟十二、返回步驟三，處理下一個(gè)服務(wù)器，使得各服務(wù)器的占用內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)最 少，達(dá)到整個(gè)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的效果。
[0036]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0037] 1)、一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗優(yōu)化方法，利用SND架構(gòu)能夠靈活管理 網(wǎng)絡(luò)及快速配置更新網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)算法的部署實(shí)施方面具備很好的支持。
[0038] 2)、一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗優(yōu)化方法，能夠充分利用計(jì)算資源，提 高服務(wù)器內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的利用率，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗效果。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明SDN架構(gòu)示意圖；
[0040] 圖2是本發(fā)明一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗優(yōu)化方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0042] 本發(fā)明采用新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN，Software Defined Network)， 并基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建立了數(shù)據(jù)中心內(nèi)存節(jié)點(diǎn)能耗模型，提出了基于內(nèi)存共享機(jī)制數(shù)據(jù) 中心進(jìn)程優(yōu)化調(diào)度策略算法，以實(shí)際內(nèi)存節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了在保證數(shù)據(jù)中心負(fù)載均 衡基礎(chǔ)上，通過合理進(jìn)程調(diào)度實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享率最大，使得處于活動(dòng)態(tài)內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，數(shù)據(jù) 中心能耗盡可能低，達(dá)到數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗最優(yōu)。
[0043]首先，如圖1所示，SDN架構(gòu)包括:SDN控制器，openf low交換機(jī)，數(shù)據(jù)中心的各個(gè)服 務(wù)器，以及交換機(jī)；
[0044] SDN控制器又名網(wǎng)絡(luò)控制器；
[0045]將內(nèi)存能耗進(jìn)程優(yōu)化算法(P0AMEC算法)部署在SDN控制器中，整個(gè)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)流 程如下：
[0046] 首先SDN控制器利用監(jiān)測(cè)程序監(jiān)測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)中心中各服務(wù)器負(fù)載狀況，然后通過 控制Openflow交換機(jī)對(duì)用戶請(qǐng)求流進(jìn)行流量分配，保證各服務(wù)器之間負(fù)載均衡。具體是SDN 控制器通過向openf low交換機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流表，改變流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)openf low交換 機(jī)對(duì)負(fù)載的分配，達(dá)到負(fù)載均衡的目的。
[0047] 同時(shí)，SDN服務(wù)器為每個(gè)用戶請(qǐng)求建立相應(yīng)的進(jìn)程，多個(gè)進(jìn)程在服務(wù)器內(nèi)核以進(jìn)程 隊(duì)列形式存在，SDN控制器通過監(jiān)測(cè)程序?qū)崟r(shí)獲取當(dāng)前服務(wù)器內(nèi)核進(jìn)程隊(duì)列狀況，然后執(zhí)行 P0AMEC算法對(duì)各服務(wù)器進(jìn)程隊(duì)列進(jìn)行合理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器各進(jìn)程隊(duì)列之間的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)共 享率最大，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗的效果
[0048]內(nèi)存節(jié)點(diǎn)能耗模型的建立如下：
[0049] 首先，計(jì)算t時(shí)刻數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上的所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的總能耗功率P(t):
[0050] P(t) =PaNa(t)+Ps(m-Na(t))
[0051] Pa表示t時(shí)刻活動(dòng)模式下所有服務(wù)器的所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)能耗功率，Na(t)表示t時(shí)刻處 于活動(dòng)模式下內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù);P s表示t時(shí)刻待機(jī)模式下所有服務(wù)器的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)能耗功率， m表示每臺(tái)服務(wù)器中CPU內(nèi)核的數(shù)量；
[0052] 然后計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)中心總運(yùn)行時(shí)間T下的所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)總能耗E:
[0053]
[0054]展開合并得到：
[0055]
[0056] 最后，為了使數(shù)據(jù)中心所有內(nèi)存節(jié)點(diǎn)的總能耗E最小，f (/?€)&和?343對(duì)時(shí)間變 量t而言是常數(shù)，省略不計(jì)，進(jìn)而得到內(nèi)存能耗數(shù)學(xué)模型：
[0057]
[0058]內(nèi)存能耗數(shù)學(xué)模型力求在某一時(shí)刻使處于活動(dòng)模式的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，但是Jang 等已證明該問題是NP-complete問題，即該問題不能直接求解；因此，從另一角度出發(fā)設(shè)計(jì) 進(jìn)程調(diào)度算法，以便間接解決該問題。
[0059] 一種基于SDN架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)存能耗優(yōu)化方法，如圖2所示，具體步驟如下：
[0060] 步驟一、數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器接收用戶