云计算中心基础设施能效管理系统的统计分析模型设计与实现

发布时间：2015-01-09 12:32

【摘要】 随着云计算模式的发展和虚拟化技术带来的种种好处，云计算中心会是支持传统高性能计算、支持MapReduce大规模数据处理、支持多租户使用模式的物理和虚拟机群并存的状态；同时，为了更大范围的提供计算能力，多个互联网计算中心之间需要通过协同共享的方式来为彼此提供更多的资源。在这样一个复杂的基础设施使用模式下，如何实现大规模基础设施的有效管理和如何为应用按需提供计算能力是一个较难解决的问题。本文针对这个问题，从实践经验中列举了三种常见的使用场景，并总结了它们对基础设施管理平台提出的种种需求，结合这些需求，提出了下一代互联网高性能计算中心基础设施管理原型系统的设计原则和方案，并给出了具体的系统实现路线。研究了传统高性能计算、网格计算以及带有虚拟化特征的云计算并结合公安系统的云计算中心项目，本文设计了支持传统高性能计算、支持MapReduce大规模数据处理、支持多租户使用模式的物理和虚拟机群并存的状态。为了更大范围的提供计算能力，多个互联网计算中心之间通过协同共享的方式来为彼此提供更多的资源。本文阐明了整个系统的需求分析、总体架构设计、详细设计、系统测试、系统部署上线。整个项目历时两年多，取得了非常好的效果。最后，本文总结了未来可能的关键技术和创新点。

近年来，随着企业业务发展和对利用信息技术发展业务的依赖性提高，对信息技术（IT）基础设施建设投入的不断加大，对数据中心的需求量也越来越大，数据中心能耗所带来的支出已经成为信息技术相关运营成本的主要构成部分。如何提高数据中心基础设施运行效率，节能减排，进而降低数据中心运营成本已成为数据中心运行管理及组织管理人员越来越为关注的事情。数据中心密集运行信息技术设备，其应用特性决定了数据中心属于能耗密集型产业，大容量的数据中心更是能耗巨大，其能耗成本往往占数据中心总体运营成本的30~50%，在低能效的数据中心甚至更高。

要提高数据中心基础设施的能效，降低能耗需求，涉及到“设计、建设、管理”三个方面。“设计”指的是在数据中心的规划设计上，合理布置功能分区，采用节能高效的系统技术方案，为数据中心高效运行打下根基；“建设”指的是在数据中心建设阶段，要严格按照设计要求进行实施，确保工艺质量，避免出现由于实施安装质量问题导致的运行不稳定、消耗增大的问题；“管理”是指在数据中心投入运行后，通过制定数据中心基础设施运行策略，利用监控工具对数据中心基础设施运行状态进行监控和测量，对数据中心能源消耗情况、能耗分布情况进行深入的分析和研究，进而有针对性地制定优化措施和调整方案，以提高数据中心基础设施能效。
本文调研和分析数据中心机房能耗结构分布情况，以及国内外数据中心能效管理系统的研究和应用现状。对常见的数据中心基础设施系统架构进行分析，研究数据中心基础设施能耗数据模型和统计分析模型的建立方法。建立案例数据中心基础设施能效管理模型和统计分析模型。对案例数据中心现有的能效管理工具进行优化完善，实现一个更有效的、更能指导能效管理的数据中心基础设施能效管理系统，并结合实际项目测试验证系统的有效性。

 

Abstract

In recent years, with the rapid developing of enterprises business and dependent on the use of information technology development, the demand of data centers is increasing. However, the power consumption of data center will bring a serious burden to operating costs. Therefore, to improve data center facility efficiency and save energy has become the main concern of operational management and organizational management. 

To improve data center facility energy efficiency management and save energy, it involves three aspects of the data center: preliminary design, project construction and operations management. 'Preliminary Design' refers in the data center planning and design, to make layout of functional areas reasonable, and use of energy efficient systems technology program so as for the efficient operation of data centers and lay the foundation. 'Project Construction' refers in the construction stage in the data center, which has to be implement in strict accordance with the design requirements, ensure the process quality. 'Operations Management' refers In the data center operation management, through the data center infrastructure operation strategy, the operators use monitoring tools to monitor the running state of the data center infrastructure and measurement, and the data center energy consumption, energy consumption distribution of in-depth analysis and research.
In this paper, it researched and analysis of the structure of data centers, and introduced data center energy efficiency management system at home and abroad research and application status. Analyzing common data center infrastructure system architecture and establishing data center infrastructure energy consumption data model and the method of statistical analysis model. To optimize management tools and promote a more effective and guide management of energy efficiency management system, and then test verify the effectiveness of the system and combined with actual project.
Key Words: data center, facility, energy efficiency management, analysis model, energy consumption 

目录

 

摘  要 I
Abstract II
第一章  绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 4
1.3 论文的主要研究内容 5
1.4 论文的组织结构 6
第二章 关键技术研究 8
2.1 软件工程设计方法 8
2.1.1 需求分析 8
2.1.2 概要设计与详细设计 8
2.1.3 代码实现 8
2.1.4 软件测试 9
2.2 能效逻辑 9
2.3 重要参数数据字典化 9
2.4 电量采集的颗粒度 10
2.5 能效评价指标 11
2.6 本章小结 12
第三章 数据中心基础设施能效模型 14
3.1 现有能效分布情况 14
3.2 现有数据中心能效管理方案 15
3.2.1 分析依据 15
3.2.2 施耐德PowerStruxure方案 16
3.2.3 艾默生Smart Aisle方案 16
3.2.4 国家电网能效管理方案 17
3.2.5 总结分析 18
3.3 数据中心基础设施能效管理统计分析模型 18
3.3.1 电能效率维度 18
3.3.2 谐波量维度 21
3.3.3 三相不平衡维度 23
3.4 本章小结 25
第四章 数据中心基础设施能效管理系统的设计 26
4.1 系统总体架构 26
4.2 软件架构的设计 27
4.2.1 数据采集层 27
4.2.2 数据层 30
4.2.3 服务层 31
4.2.4 展现层 32
4.3 数据库的设计 33
4.3.1 用户信息逻辑关系与数据库表 34
4.3.2 用户角色逻辑关系与数据库表 34
4.3.3 区域设备参数信息逻辑关系与数据库表 35
4.3.4 监测区域逻辑关系与数据库表 36
4.3.5 监测指标逻辑关系与数据库表 38
4.4 能效管理结果应用 39
4.5 本章小结 40
第五章  数据中心基础设施能效管理系统的实现 42
5.1 开发环境的选择 42
5.2 系统功能模块实现 42
5.3 数据库访问的实现 44
5.3.1 存储过程的创建 44
5.3.2 数据库的连接 44
5.4 系统界面 45
5.4.1 主界面模块 45
5.4.2 角色与用户管理模块 46
5.4.3 空调管理模块 48
5.4.4 不间断电源设备监控模块 48
5.4.5 监控区域模块 49
5.4.6 电气系统图 50
5.4.7 数据查询统计分析模块 50
5.5 本章小结 51
第六章 系统验证 54
6.1 测试内容 54
6.2 测试环境与配置 55
6.3 测试方法和工具 55
6.4 测量点选择 56
6.5 测试数据与总结 56
6.6 本章小结 58
第七章 结论与展望 60
7.1 结论 60
7.2 展望 61
参 考 文 献 63
致    谢 65
个人简历、在学期间发表的论文与研究成果 67

 

第一章  绪论

 

1.1 研究背景与意义

近年来，随着企业业务发展和对利用信息技术发展业务的依赖性提高，对信息技术（Information Technology，IT）基础设施建设投入的不断加大，对数据中心的需求量也越来越大，数据中心能耗所带来的支出已经成为信息技术相关运营成本的主要构成部分。数据中心运营管理及组织管理人员越来越为关注如何提高数据中心基础设施运行效率，节能减排，进而降低数据中心运营成本。
数据中心能耗由数据中心内安装运行的信息技术设备，以及为保证信息技术设备正常运行所配套的数据中心基础设施（包括供配电、制冷、照明等）的能耗两大部分组成，在本论文中，不讨论信息技术设备能效管理问题，仅探讨数据中心基础设施能效管理问题。

 

第七章 结论与展望

 

7.1 结论

本文通过分析和设计数据中心基础能效管理模型，主要完成以下工作：调研和分析数据中心机房能耗结构分布情况，以及国内外数据中心能效管理系统的研究和应用现状。对常见的数据中心基础设施系统架构进行分析，研究数据中心基础设施能效管理能耗数据模型和统计分析模型的建立方法。建立案例数据中心基础设施能效管理数据中心模型和统计分析模型。对案例数据中心现有的能效管理工具进行优化完善，实现一个更有效的、更能指导能效管理的数据中心基础设施能效管理系统，并结合实际项目测试验证系统的有效性。
本人在此项目中的工作主要是：
（1） 从能效分析模型的需求、模型现状分析、能效逻辑模型建立三方面阐述数据中心基础设施能效数据模型的建立。为能效分析提供模型支撑，该部分为数据中心能效评估软件的核心部分。其中，能效模型分析主要包括用户监测需求、环境需求、数据中心实际能耗以及模型需求方面描述，通过对数据中心基础设施共性的分析，总结出有效的统计方法和计算模型，针对每个数据中心，笔耕文化传播，根据管理要求建立对应的计算模型，再通过能效拓扑管理功能模块定制到能效管理系统中，确保满足该数据中心的管理要求。数据中心基础能效管理将从电能效率、谐波量、三相不平衡度的三个维度进行分项统计分析。
（2） 数据中心基础设施能效管理软件总体设计，包括系统总体架构、软件架构、数据库的设计、能效管理优化方案。将能效管理软件总体架构分为四层，包括数据采集层、数据层、服务层和展现层。采集层支持不同的数据通讯协议，完成能效管理所需数据的采集。数据层按一定的规则存储数据采集层传输过来的能耗数据。本文主要采用数据库对数据进行存储和管理，同时使用数据字典完成数据索引。服务层提供数据处理服务和第三方接口服务，对所采集和存储的能耗数据进行统计分析和管理。展现层提供统一的门户，实现能效管理结果的展示，并可通过该门户进行用户登录、系统管理、定制管理、报表管理等操作。数据库主要包括5个数据库表，分别为用户信息表、用户角色信息表、监测参数信息表、监测区域环境表、监测指标信息表。

（3） 数据中心基础设施能效管理软件的实现与测试。项目中选择了C#与.Net Framework 4.0来进行系统功能模块的实现，同时选择SQL Server2005作为系统数据库平台。模块实现主要包括采集模块、数据库访问模块、系统的操作界面设置，操作界面的实现主要由主界面、角色与用户管理模块、空调模块、设备监控模块、监控参数模块以及监控区域。以中金数据中心为案例，对数据中心基础设施能效管理模型和软件进行了验证，并利用实际采集的数据，对数据中心能效管理软件进行测试。

 

7.2 展望
未来10年，可以预期企业对信息技术的依赖程度将会日渐加深，数据中心基础建设投入逐步加大，对数据中心的需求量也会随之增大，数据中心能耗所带来的支出已经成为信息技术相关运营成本的主要构成部分。如何提高数据中心基础设施运行效率，节能减排，进而降低数据中心运营成本已成为数据中心运行管理及组织管理人员越来越为关注的事情。数据中心密集运行信息技术设备，其应用特性决定了数据中心属于能耗密集型产业，大容量的数据中心更是能耗巨大，其能耗成本往往占数据中心总体运营成本的40~60%，在低能效的数据中心甚至更高。
要提高数据中心基础设施的能效，降低能耗需求，涉及到“设计、建设、管理”三个
方面。“设计”指的是在数据中心的规划设计上，合理布置功能分区，采用节能高效的系统技术方案，为数据中心高效运行打下根基。“建设”指的是在数据中心建设阶段，要严格按照设计要求进行实施，确保工艺质量。 “管理”是指在数据中心投入运行后，通过制定数据中心基础设施运行策略，切实提高运行效率，降低数据中心能耗。
而在“管理”方面，好的管理工具和系统平台是必不可少的，只有这样才能掌握充分、全面、准确的数据，实现精细化管理，对数据中心运行情况和能耗情况进行统计分析，进而采取有效的措施，优化数据中心基础设施和运行管理策略，进而提高数据中心基础设施运行效率，降低数据中心能耗。
本研究实现的数据中心基础设施能效管理系统将在“管理”方面，为数据中心基础设施运营管理者提供强有力的支持和帮助。

目前，中金数据系统有限公司已经计划在其它数据中心部署数据中心基础设施能效管理软件，以全面掌握各地数据中心能耗情况，为提高数据中心能源效率和节能减排、降低运营成本提供数据支撑和决策支持。

 

参 考 文 献
[1] 王鑫涛.  云管理平台中虚拟网络设计与实现[D]. 大连理工大学 2013
[2] 丘群业.  企业私有云计算基础架构研究与设计[D]. 华南理工大学 2012
[3] 魏伟.  一种基于laaS的模式的管理系统的设计与实现[D]. 复旦大学 2012
[4] 刘金涛.  基于云计算的资源开放平台研究与实现[D]. 西安电子科技大学 2012
[5] 邵文清.  基于Xen的云管理平台下资源调度策略的研究与实现[D]. 西安电子科技大学 2012
[6] 杨光.  基于云计算的基础设施云服务平台设计和实现[D]. 成都理工大学 2012
[7] 刘英男.  基于云计算框架的终端管理系统设计与实现[D]. 西安电子科技大学 2011
[8] 王佳隽.  基于云计算环境的虚拟化资源管理研究[D]. 复旦大学 2011

 

本文编号：11050