综合迁移成本和通信成本的云计算节能策略

    节能问题已成为数据中心运营的重要问题，目前的研究通常将处在不同物理服务器上的虚拟机进行聚集，从而关停或休眠迁空的物理服务器实现节能，该问题被抽象为NP问题，采用启发式方法来确定虚拟机的放置位置，典型地，将其抽象为装箱问题，仅从虚拟机的数目出发使用装箱算法进行迁移判断，并不考虑通信成本和迁移成本，因此会造成整个数据中心通信成本的提高，进而影响性能。

    笔者综合考虑迁移成本、通信成本和能耗成本，提出一种虚拟机迁移策略，实验结果表明，该策略能有效降低迁移成本和通信总成本，并显著减少工作物理服务器的数目，实现节能优化的目标。

1 问题描述及模型建立

    1．1 问题描述

    假设数据中心存在m台物理服务器，凡台虚拟机，运行多个应用程序，在一段时间内当负载较低，出现物理服务器利用率偏低的情况时，触发迁移策略，将有关联关系的虚拟机集中放置，进而实现节能。

2 实验结果

    实验的单个物理服务器配置是Xeon E5620(2．4 G)4核8线程的处理器，30 GB DDR的内存，SAS 1TB RAID5硬盘，物理节点使用Windows Server2008R2 SPl操作系统，采用VMware Workstation作为虚拟化软件，虚拟机配置相同，分配Xeon E5620x1(2．4 G)的CPU，2 GB的内存，30 GB的硬盘空问，运行Ubuntul0．04的操作系统，并在每台虚拟机上搭建分布式系统Hadoop平台，Hadoop版本号为0．20．2。

    数据中心的拓扑结构采用VL2，如图1所示，每簇交换机下有4台物理服务器，每台物理服务器的最大运行虚拟机的数目为10。

    当前场景下，实验数据通过运行基准程序随机测量生成，图2为每次虚拟机迁移完成后，与迁移前相比降低的数据中心总通信成本，由于每次迁移都是将虚拟机迁移到更低通信成本的物理服务器上，因此会降低整体通信成本，图3为迁移前后能耗节省的对比图，本文策略是从物理服务器上虚拟机数目最小的开始进行迁移，能较快迁空物理服务器，图4为本文策略与装箱算法的迁移对比图。图5为本文策略与装箱算法的网络流量对比图，本文考虑了虚拟机之问的应用相关性，每次迁移是将虚拟机放置在总通信成本较少的物理服务器上，能降低网络流量和通信成本。

    图1 I网络拓扑结构

    图2 迁移前后通信成本对比图

    图3 能耗节省对比图

3 相关工作

    文献[2]提出了一个pMapper框架，该框架考虑了迁移成本并能预计出迁移后的能源消耗，使用一种简单的算法证明了通过动态迁移技术可以实现数据中心能耗成本的节省，但并没有考虑虚拟机之间的应用相关性。

    文献[3]提出了一种与应用相关的虚拟机放置和迁移方法，减少了数据交换开销，优化了全局的应用性能，但可能造成物理服务器普遍利用率较低的情况，导致能耗开支加大，文献[4]提出了一种与应用相关的虚拟机迁移策略，在当前网络拓扑基础上考虑工作任务之间的依赖关系，做出虚拟机放置和迁移决定，降低通信成本，文献[5]考虑了应用相关性，将相关性强的虚拟机集中放置，但不是从节能角度出发，也没有考虑迁移本身的成本。

    图4 本文策略与装箱算法能耗对比

    图5 本文策略与装箱算法通信成本对比图

    文献[6]考虑了虚拟机之间的网络流量，但它并没有考虑服务器端的能力限制，可能造成物理服务器过载，文献[7]从节能角度出发，考虑了服务器能力的限制，但仍没有考虑虚拟机之间的通信成本和迁移成本，文献[8]在为过载的虚拟机选择物理服务器时，也仅从服务器端考虑了服务器能力的限制，忽视了虚拟机之间的内在通信模式和应用相关性。

    所提出的策略从节能角度出发，综合考虑了服务器端的能力限制，计算出物理服务器的下限，迁移过程中结合通信成本和迁移成本对虚拟机的目标放置位置进行判断，新策略可以应用于VL2数据中心网络结构中，下一步工作可以将该策略推广到其他数据中心网络结构中，如Fat—tree、Portland、DCell和BCube等。

4 结束语

    节能问题是云计算数据中心的主要问题之一，可以通过虚拟机迁移的手段关停物理服务器来实现节能，由于云计算并行计算的特点，数据中心虚拟机之间存在应用相关性，因此综合考虑虚拟机迁移过程中的通信成本和迁移成本提出了一种新的虚拟机迁移策略，该策略能尽可能逼近目标物理服务器下限来实现能耗节省，有效降低了网络整体的通信成本，并获得了良好的时间复杂度，对数据中心节能有现实意义和应用价值。

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