28

3-4-2 واحد ارسال اطلاعات………………………………………………………………………………………….. 30

3-4-3 واحد دریافت و اجرای دستورات……………………………………………………………………….. 30

3-5 بخش مرکزی مدل پیشنهادی…………………………………………………………………………………….. 34

3-5-1 واحد دریافت اطلاعات………………………………………………………………………………………… 34

3-5-2 واحد ذخیره اطلاعات…………………………………………………………………………………………. 35

3-5-3 واحد طبقه بندی سرورها…………………………………………………………………………………… 35

3-5-4 واحد اتخاذ تصمیم……………………………………………………………………………………………… 37

3-5-5 واحد ارسال دستورات………………………………………………………………………………………… 40

3-6 سربارهای مدل پیشنهادی……………………………………………………………………………………………. 40

فصل چهارم: پیاده سازی……………………………………………………………………………. 42

4-1 پارامترهای آزاد در نرم افزار حاصل……………………………………………………………………………. 43

4-2 مختصات پیاده سازی…………………………………………………………………………………………………… 45

4-2-1 بازه ی داده برداری و ارسال اطلاعات…………………………………………………………………. 45

4-2-2 انتخاب و استقرار………………………………………………………………………………………………… 45

4-2-3 حدود دسته بندی و حاشیه………………………………………………………………………………. 47

4-3 پیکر بندی سفارشی نرم افزار……………………………………………………………………………………… 47

4-4 محیط انجام آزمایش……………………………………………………………………………………………………. 49

4-5 اندازه گیری اولیه…………………………………………………………………………………………………………. 51

4-6 بارکاری استفاده شده برای آزمایش ها…………………………………………………………………………. 52

4-6-1 بارکاری آزمایشی…………………………………………………………………………………………………. 53

4-6-2 بارکاری واقعی……………………………………………………………………………………………………… 55

فصل پنجم: نتایج و پیشنهادها…………………………………………………………………… 57

5-1 نتایج………………………………………………………………………………………………………… 58

5-1-1 نتایج بارکاری آزمایشی……………………………………………………………………………………….. 58

5-1-2 نتایج بارکاری واقعی……………………………………………………………………………………………. 61

5-2 جمع بندی نتایج………………………………………………………………………………………………………….. 64

5-3 خلاصه و نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………. 65

5-4 پیشنهادها………………………………………………………………………………………………………………………. 66

فهرست منابع………………………………………………………………………………………….. 68

1- مقدمه

در این فصل ابتدا به توضیح مصرف برق در رایانه پرداخته می شود. سپس مصرف انرژی در مراکز داده و در نهایت مجازی سازی شرح داده می شوند.

1-1- مصرف انرژی در رایانه

مصرف برق در رایانه را می توان به دو بخش تقسیم نمود:

ایستا: بخشی از انرژی مصرفی رایانه است که تنها صرف روشن بودن سیستم می گردد و به میزان کاری که سیستم انجام می دهد ارتباطی ندارد. این سطح از مصرف انرژی سبب روشن و آماده به کار نگاه داشتن سیستم شده و از لحظه ای که سیستم روشن می شود مصرف می گردد. بخش زیادی از این انرژی در واقع اتلاف به طرق مختلف و در سطوح مختلف سخت افزار است؛ مانند نشت جریان در مدارات مجتمع[1].

پویا: بخشی از انرژی مصرفی رایانه است که صرف انجام فعالیت های سیستم می گردد و با توجه به میزان بار[2] روی بخشهای مختلف یک سیستم (مانند: پردازنده، حافظه[3]، دیسک سخت[4]، کارت گرافیکی[5] و …) متغیر است.

شاید تصور شود که مصرف حالت بیکار یک رایانه کم یا قابل چشم پوشی است زیرا این سهمی از انرژی است که در زمانی که رایانه کار مفیدی انجام نمی دهد مصرف می کند، ولی بر خلاف تصور، یک سرور هنگام بیکاری حدود60 تا 70 درصد از بیشینه ی توان[6] مصرفی خود را مصرف می کند [Barroso, 2007] و [Fan, 2007] و [Lefurgy, 2007]. بیشینه توان مصرفی یک رایانه هنگامی است که با حداکثر توان پردازشی[7] خود کار می کند.

1-2- مراکز داده و مصرف انرژی در آنها

یک مرکز داده ساختمانی است، شامل تعداد زیادی رایانه (سرور) و قطعات مورد نیاز آنها مانند سوئیچ های شبکه و منابع انرژی پشتیبان [Kumar, 2009].

مصرف انرژی یک مرکز داده حاصل مجموع مصرف انرژی سرورهای موجود در آن به علاوه ی مصرف انرژی امکانات دیگر مانند سرورهای ذخیره سازی[8] ، سیستم های خنک کننده، تجهیزات شبکه و … است.

نکته ی قابل توجه در این مورد، سهم تقریباً 50 درصدی سرورها در مصرف انرژی مرکز داده است. به بیان دیگر تنها نیمی از انرژی مصرفی یک مرکز داده صرف پردازش و پاسخ به درخواست ها می گردد و مابقی صرف موارد دیگر که مهمترین آن سیستم های خنک کننده هستند می گردد. شکل 1-1 که نمایش تفکیک انرژی مصرفی یک مرکز داده است، به خوبی گویای این مسئله است:

شکل 1-1 نمودار تفکیکی انرژی مصرفی مرکز داده [Iyengar, 2010]

در مورد میزان مصرف انرژی در مراکز داده آمارها نشان می دهند علاوه بر چشمگیر بودن این مقدار، روند رو به رشدی از لحاظ مقدار و سهم از مصرف کل انرژی جامعه دارد [Koomey, 2011]. شکل 1-2 نمایانگر این موضوع است.

شکل 1-2 نمودار میزان(محور عمودی) و سهم (درصدهای بالای ستون ها) مصرف انرژی مراکز داده در سطح جهان (سمت راست) و ایالات متحده (سمت چپ) در سالهای 2000، 2005 و 2010 میلادی [Koomey, 2011].

بر اساس تحقیقات انجام شده [Barroso, 2007] ، [Boher, 2002] ، [Rangan, 2008] و [Siegele, 2008]، متوسط بکارگیری[9] سرورها در یک مرکز داده کمتر از 30 درصد است و یک سرور تنها در 10 درصد اوقات بکارگیری نزدیک به بیشینه دارد [Armbrust, 2010].

از اینرو با توجه به سهم مصرف انرژی یک سرور در حالت بیکاری، مشاهده می گردد که سهم قابل توجهی از انرژی مصرفی مراکز داده به هدر می رود.

1-3- مجازی سازی

مجازی سازی ابتدا در سالهای 1970 میلادی برای استفاده ی همزمان چندین کاربر از یک سیستم ارائه شد [Bugnion, 1997]. طی سالهای گذشته کارهای زیادی در زمینه ی فن آوری مجازی سازی انجام شده است و به مرور توانایی هایی بر آن افزوده شده که شاید در ابتدای ارائه ی ایده، جزء اهداف اصلی نبوده اند[Bugnion, 1997] و [Barham, 2003] و [Clark, 2005] و [Walters, 1999].

امروزه مجازی سازی به انضمام ابزارهایی که به آن افزوده شده است ویژگی هایی مانند افزایش امنیت کاربران به خصوص درفضاهای غیر همکار، افزایش بهره وری سرورها، ایجاد بستر مناسب برای اجزای نرم افزارهای مختلف تحت سیستم عامل های متفاوت و به صورت همزمان، ساده سازی سرویس و نگه داری سیستم ها در مراکز داده، ایجاد امکان توازن بار[10] بین سرورهای مختلف و … را عرضه می کند که سبب شده است بیشتر صنعت به خصوص مراکز داده به سمت استفاده از این فن آوری سوق پیدا کنند آنگونه که امروزه تقریباً تمامی مراکز داده در جهان از این فن آوری بهره می گیرند [Armbrust, 2010]. چنین محیط هایی متشکل از مجموعه ای از رایانه ها که برای ارائه سرویس های خود از فن آوری مجازی سازی استفاده می کنند را “ابرواره”[11] می نامیم. در واقع ابرواره همان مراکز داده هستند که سرویس های خود را روی شبکه و در در قالب بسته هایی از سخت افزار که به واسطه ی مجازی سازی شکل گرفته اند ارائه می دهند [Armbrust, 2010] و [Armbrust,2009]. این بسته های سخت افزار را به انضمام سیستم عامل درون خود “ماشین مجازی”[12] می نامیم.

مهاجرت ماشین مجازی[13] جزء قابلیت هایی است که مدتی پس از ظهور مجازی سازی به آن اضافه شد و به طور خلاصه عبارت است از انتقال ماشین مجازی از روی یک سرور به سرور دیگر. مهاجرت ماشین مجازی می تواند به صورت زنده[14] باشد به شکلی که کاربر نهایی[15] که از ماشین مجازی مهاجرت کننده سرویس می گیرد متوجه هیچگونه اختلالی در دریافت سرویس نشود و به عبارتی اصلاً جابجایی ماشین مجازی سرویس دهنده خود را متوجه نشود [Clark, 2005]. در شکل 1-3 طرحی از مهاجرت ماشین مجازی بین دو سرور فعال نمایش داده شده است.

شکل 1-3 نمایی از مهاجرت ماشین مجازی [Clark, 2005]

اگر بخواهیم مهاجرت ماشین مجازی به صورت زنده را دقیق تر بررسی نماییم، در واقع وقفه ای در ارائه سرویس پیش می آید که این تاخیر بین 60 تا 300 میلی ثانیه خواهد بود [Clark, 2005]. به هر حال از دید کاربر و پاسخ به درخواست ها مهم این است که می توان بدون بروز مشکل یا پرداخت هزینه ی زمانی و مصرف انرژی بالا ماشین های مجازی را بین سرورهای مختلف جابجا نمود [Liu, 2011].

1-4- ساختار پایان نامه

در فصل دوم، به بیان مفاهیم و مرور کارهایی که در این زمینه صورت پذیرفته است خواهیم پرداخت. فصل سوم به بیان مدل پیشنهادی برای کاهش مصرف برق در مراکز داده اختصاص دارد. در فصل چهارم نحوه ی پیاده سازی، محیط و چگونگی انجام تست ها را شرح خواهیم داد. جمع بندی نتایج و پیشنهادها برای کارهای بعدی در فصل پنجم ارائه می گردد.

2- پیشینه ی تحقیق

مصرف انرژی عظیمی که در مراکز داده صورت می گیرد باعث تحمیل هزینه های گزاف و مشکلات جانبی مانند گرمتر شدن کره ی زمین و تشدید بحران انرژی می شود. در چنین شرایطی تلاش برای صرفه جویی در این انرژی اهمیت ویژه ای پیدا می کند به خصوص با توجه به اتلاف انرژی که در این مراکز رخ می دهد. از اینرو در این زمینه کارهایی زیادی صورت پذیرفته است که در این فصل به بیان آنها خواهیم پرداخت.

2-1- صرفه جویی در انرژی مصرفی رایانه

روش های صرفه جویی در انرژی مصرفی یک رایانه، با توجه به اینکه کدام بخش از انرژی مصرفی را هدف صرفه جویی قرار می دهند به دو بخش تقسیم می شوند.

2-1-1. صرفه جویی در انرژی پویا