綠色云計算能效測評方法研究

左向中

（國家信息網(wǎng)絡產品質量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 蘇州 215104）

0 引 言

當前我國各類云計算中心總量約43萬個，可容納服務器共約500萬臺。隨著云計算的快速發(fā)展，未來5年我國對云計算中心流量處理能力的需求將增長7～10倍，機房面積需要再翻一番才能滿足云計算發(fā)展的需求。

2011年，我國云計算中心總耗電量達700億kW·h，已經(jīng)占到全社會用電量的1.5%。云計算中心的高能耗，不僅給企業(yè)帶來了沉重的負擔，也造成了全社會能源的巨大浪費。為了推動云計算節(jié)能減排，工業(yè)和信息化部在《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》提出，“到2015年，云計算中心PUE值需下降8%”的目標。國家發(fā)改委等組織的“云計算示范工程”也要求示范工程建設的云計算中心PUE要達到1.5以下。

我國目前尚未建立統(tǒng)一的云計算能效測評體系，也缺乏相應的評估標準，本文首次從云計算的IT設備及IT基礎設施兩個方面，開展綠色云計算綜合能效評測方法研究，為政府、企業(yè)在云計算產業(yè)節(jié)能減排方面，提供科學系統(tǒng)技術標準及測評方法。

1 IT設備綜合能效比

1.1 交換機/路由器

1.1.1 計算方法

路由器與交換機產品設備的能效受設備的配置、業(yè)務流量大小、設備的應用環(huán)境等因素的影響比較大，因此采用產品綜合能效比的方法評價路由、交換機的設備能效水平，充分考慮到產品的配置及流量的影響。

綜合能效比計算方法如下：

式中：EER——設備能效，W/（Gb·s-1）；

Ti——產品在配置模型下的設備吞吐量總和；

Pi——不同模型下的設備綜合功耗，W；

Ci——不同模型的應用權重，C1～Cn之和等于1；

a，b，c——同模型下業(yè)務流量占比權重，a+b+c=1；u1%，u2%，u3%——設備的不同負荷水平，如100%、70%、30%、0%等（0%代表設備無業(yè)務流量，但處于鏈接狀態(tài)）；

Pu1%，Pu2%，Pu3%——設備在不同負荷水平下對應不同的功耗值。

設備吞吐量T的計算方法：

對于給定的一種設備配置模型，T為被測設備在IMIX模型下能夠達到的吞吐量，依照NLANR對互聯(lián)網(wǎng)真實的統(tǒng)計分析得出的模型進行測試。在NLANR推薦的IMIX分布模型中，需要將長度為64B、594B和1518B的數(shù)據(jù)包混合在一起發(fā)送給被測設備。這3類數(shù)據(jù)包數(shù)量混合的比例依次為64B∶594B∶1518B=7∶4∶1。

式中：T64、T594、T1518——被測設備分別在幀長

64B、594B、1518B 下的吞吐量。

式中：RX1——被測設備每秒傳輸處理的最大上行的數(shù)據(jù)速率；

RX2——被測設備每秒傳輸處理的最大下行的數(shù)據(jù)速率；

X——數(shù)據(jù)包長度；

Y——包開銷長度。

1.1.2 測試設備配置要求

（1）對于機架式設備，每種類型端口（10/100M、GE、10GE）都需要選擇其中包轉發(fā)率最大的業(yè)務單板進行測試，主控板也要選擇包轉發(fā)率最大的。

（2）在不影響設備的基本性能和功能的前提下，在測試中可以去掉冗余的可插拔模塊或讓某些模塊停止工作，包括備用電源、備用主控板等。

（3）要求所有端口均處于工作狀態(tài)。

（4）對于同時支持AC和DC電源的設備，可任意選擇使用哪種電源。

（5）對于POE設備，不使能POE供電功能。

（6）網(wǎng)線采用標準5m網(wǎng)線。

（7）被測端口使用本標準推薦的光模塊。

（8）測定過程中不允許改變被測設備的硬件配置，以及通過命令關閉相關功能。

1.1.3 測試設備業(yè)務配置要求

（1）被測設備功耗測試使用64B的報文，吞吐量測試使用IMIX進行測試。

（2）路由器至少使用一種動態(tài)路由協(xié)議（RIP、OSPF、IS-IS、BGP）。配置IS-IS協(xié)議，典型值50萬路由。

（3）交換機配置2層轉發(fā)業(yè)務。

1.2 服務器設備

服務器的能耗比測試采用SPECPower的測試方法。

（1）服務器配置

操作系統(tǒng)：企業(yè)版Windows2003 64bit R2+SP2或企業(yè)版Windows2008 64bit+SP1；

測試軟件：SPECPower_ssj2008；

風扇的配置：常溫下的自然調速。

電源的配置：根據(jù)實際應用原則，若有交流和直流兩種電源，都應進行測試。若有冗余設計，電源應備份卸載與操作系統(tǒng)無關的程序。

（2）測試組網(wǎng)。該組網(wǎng)包括被測服務器系統(tǒng)SUT、控制和采集系統(tǒng)CCS、功耗分析器和溫度傳感器。控制和采集系統(tǒng)主要用來監(jiān)視及調控被測試系統(tǒng)的負載水平和記錄測試數(shù)據(jù)；功率計則用于測試被測服務器的功耗，記錄測試過程中的所有采樣數(shù)據(jù)；溫度傳感器則記錄不同負載水平下的測試環(huán)境溫度。

服務器產品能效測試組網(wǎng)圖見圖1。

2 IT基礎設施綜合能效比

電能利用效率（power usage effectiveness，PUE）是國內綠色云計算普遍接受和采用的一種衡量云計算基礎設施能效的綜合指標，其計算公式為：

PUE=云計算總耗電/IT設備耗電

在綠色云計算中，只有IT設備的耗電被認為是產生有效輸出的“有意義”的電能。PUE的實際含義，是計算在提供給綠色云計算的總電能中，有多少電能是真正應用到IT設備上。

根據(jù)定義，PUE值的取值范圍為1.0～∞，綠色云計算機房的PUE值越大，則表示制冷和供電等綠色云計算配套基礎設施所消耗的電能越大。PUE定義簡單、易于操作，只需分別測量出綠色云計算總耗電和IT設備耗電，就能立即計算出整個綠色云計算的PUE值。

2.1 總耗電

綠色云計算的總耗電是維持綠色云計算正常運行的所有耗電，包括前述IT設備、制冷設備、供配電系統(tǒng)和其他設施的耗電的總和。

如果綠色云計算所在建筑同時用于辦公等其他用途，則辦公等所消耗的電能不包括在綠色云計算總耗電中。

2.2 IT設備耗電

IT設備耗電是如1所描述的各類IT設備耗電的總和。

2.3 局部PUE

pPUE（partial PUE）是綠色云計算PUE概念的延伸，用于對綠色云計算的局部區(qū)域或設備的能效進行評估和分析。

在采用pPUE指標進行綠色云計算能效評測時，首先根據(jù)需要從綠色云計算中劃分出不同的分區(qū)（也稱為Zone）。例如，一個多層綠色云計算建筑中的一個機房，或者一個集裝箱綠色云計算的集裝箱模塊，都可以作為一個Zone。

圖2 局部PUE計算示意圖

如圖2所示，如果將綠色云計算劃分為Zone1和Zone2兩個分區(qū)，則綠色云計算的整體PUE計算公式為：

式中：I——IT設備耗電；

N——非IT設備耗電。

而Zone1和Zone2兩個分區(qū)的局部PUE為

局部PUE用于反映綠色云計算的部分設備或區(qū)域的能效情況，其數(shù)值可能大于或小于整體PUE。要提高整個綠色云計算的能源效率，一般要首先提升pPUE值較大的部分設備或區(qū)域的能效。

局部PUE適合用于基于集裝箱或其他模塊化單元構建的模塊化綠色云計算，或者由多個建筑和機房構成的較大型綠色云計算的局部能效評估。

2.4 制冷/供電負載系數(shù)

制冷負載系數(shù)（cooling load factor，CLF）定義為綠色云計算中制冷設備耗電與IT設備耗電的比值，即

CLF=制冷設備耗電/IT設備耗電

供電負載系數(shù)（power load factor，PLF）定義為綠色云計算中供配電系統(tǒng)耗電與IT設備耗電的比值，即：

PLF=供配電系統(tǒng)耗電/IT設備耗電

CLF和PLF可以看作是PUE的補充和深化，通過分別計算這兩個指標，可以進一步深入分析制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的能源效率。如果忽略照明、安防等其他少量耗電，則有以下的近似公式：

云計算總耗電≈制冷設備耗電+供配電系統(tǒng)耗電+IT設備耗電

以上各項除以IT設備耗電，可以變換得到

PUE≈CLF+PLF+1

2.5 測量方法

（1）概述。能耗測量方法是為計算綠色云計算能效，對綠色云計算及其子系統(tǒng)耗電進行測量的方法，包括測量點的選擇、測量參數(shù)和測試設備要求等。為計算PUE，需要在綠色云計算供配電系統(tǒng)中測量綠色云計算總耗電及IT設備耗電，具體測量點如下：

1）綠色云計算總耗電在正常情況下，綠色云計算的電能由市電提供，測量點應取市電輸入變壓器之前。當市電故障情況下，柴油發(fā)電機產生的電力作為綠色云計算總耗電的測量點。如果是多用途機房樓，綠色云計算總耗電計算中，需減去辦公等其他耗電。

2）IT設備耗電嚴格來說，IT設備耗電應該在各IT設備輸入電源處測量耗電量并進行加總，但由于IT設備數(shù)量較多，這一方法將大大增加測量工作量和成本。因此，在實際操作中，可在UPS輸出或者列頭柜配電輸入處進行測量，將測量值加總作為IT設備耗電。

（2）pPUE指標測量點。局部PUE的具體測量與Zone的定義有關，其中pPUE的測量和計算方法參考2.3。

（3）能耗的間接測量和估算。在實際測量中，部分需要的耗電量可能無法直接測量得到，而必須通過一定的方法進行間接測量和估算。

1）制冷設備能耗的間接測量和估算。采用水冷空調的綠色云計算通常與所在建筑的辦公場所等共用冷水機組，為測量綠色云計算制冷所消耗的電能，可測量或估計綠色云計算和其他負載之間的熱負荷比例（根據(jù)水流量、水溫的設置等），然后根據(jù)比例將冷水機組消耗電能的一部分分配給綠色云計算。

計算局部PUE的區(qū)域與其他區(qū)域有共享制冷系統(tǒng)時，也應采用這種方法進行間接測量和估算。

2）供配電系統(tǒng)能耗的間接測量和估算。在測量供配電系統(tǒng)能耗的過程中，如果指定的測量點難以安裝測試設備，根據(jù)相關設備的能效因子進行間接推算。此外，當需要從綠色云計算總耗電中扣除辦公等耗電時，也應采取按比例分攤的方式，將對應的供配電系統(tǒng)的損耗進行扣除。

2.5.1 測量周期和頻率

能耗指標的數(shù)值受各種因素的影響，會隨季節(jié)、節(jié)假日和每天忙閑時段的改變發(fā)生變化，因此為全面、準確了解綠色云計算的能效，應采用固定測量儀表，對綠色云計算能耗進行持續(xù)、長期的測量和記錄。若綠色云計算未安裝固定測量設備，可采用鉗形功率計等設備測量綠色云計算及IT設備等的短時用電量。測量的周期和頻率如無特殊說明，綠色云計算的PUE、pPUE、CLF、PLF 等能效指標，是指采用固定測量儀表，在指定測量點測量并記錄至少一年的數(shù)據(jù)。

2.5.2 測量設備和系統(tǒng)

（1）必須在規(guī)定的對應測量點進行測量。可安裝固定測量設備，也可以利用供電、空調或IT設備內置的測量功能。

（2）測量設備的精度要求誤差不超過±3%，解析度不低于0.1kW·h。

（3）采用支持通過網(wǎng)絡自動上報或者自動獲取能耗數(shù)據(jù)的智能測量儀表，實現(xiàn)能耗遠程、自動化采集。

（4）建設能效管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和能效指標的自動計算。

3 結束語

云計算IT及通信設備的能耗占51%，空調制冷系統(tǒng)的能耗占24%，空調通風加濕系統(tǒng)的能耗占11%，照明能耗占2.5%，其他能耗占11.5%。綠色云計算節(jié)能重點是IT及網(wǎng)絡通信設備，本方法能填補綠色云計算能效評測標準方面的空白，也符合國內的綠色云計算產業(yè)的發(fā)展要求。此研究基于IP測試儀器平臺，利用高性能的模塊化硬件，高效靈活的ITEST軟件，依據(jù) TIA-942，TEER，Green Grid，Energy Star，GB50174等國內外標準，結合TEER、PUE等國際權威的能效算法，首次致力于綠色云計算能效評測標準研究，幫助政府、企業(yè)在綠色云計算規(guī)劃、設備采購選型等節(jié)能設計運維方面，提供科學系統(tǒng)技術標準及評測標準，為推進全國綠色云計算產業(yè)節(jié)能減排工作提供有力的技術支撐，促進全國綠色云計算產業(yè)發(fā)展。

[1]GB 50174—2008電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]The Standard Performance Evaluation Corporation.