new5
حراج!

ادغام پویای ماشین های مجازی در مراکز داده

49.000تومان 39.000تومان

توضیحات

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی کامپیوتر(نرم افزار)

چکیده

امروزه برای پیاده سازی رایانش ابری از مراکز داده ای بزرگ استفاده می¬کنند. مراکز داده¬ای بزرگ از صدها میزبان محاسباتی و ده¬ها سوئیچ و سایر تجهیزات شبکه تشکیل شده است که روزانه انرژی زیادی مصرف می¬کنند بطوریکه پیش بینی می¬شود که مصرف انرژی مراکز داده در سال 2020 به 139.8 تراوات در ساعت خواهد رسید. روش های مختلفی چون مدیریت ایستا و پویای ماشین¬های مجازی و سیستم تنظیم خودکار فرکانس پردازنده برای کاهش انرژی ارائه شده است. در این پایان نامه برای کاهش انرژی مراکز داده دو الگوریتم مدیریت پویای ماشین¬های مجازی و مدیریت سلسله مراتبی مراکز داده پیشنهاد شده است که نسبت به روش های قبلی، انرژی مصرفی میزبانان و سوئیچ¬ها و میزان تخطی ازSLA را کاهش داده است.
کلمات کلیدی: رایانش ابری، مرکز داده، ادغام پویای ماشین¬ مجازی

فهرست مطالب
فصل اول پیشگفتار 2
1-1- مقدمه 3
1-2- ادغام پویای ماشین های مجازی در راستای مصرف کارآمد انرژی 4
1-3- اهداف رساله 7
1-4- ساختار پایان نامه 7
فصل دوم مبانی نظری تحقیق و کارهای پیشین 8
2-1- مقدمه 9
2-2- راهکارهای ارائه شده در مدیریتِ کارآمد توان و انرژی 9
2-3- زمان بندی ماشین های مجازی با آگاهی از توان الکتریکی و گرما 12
2-4- روشهای اکتشافیِ آگاه از انرژی در تخصیص منابع 13
2-5- پشتیبانی نیازمندیهای امنیتی برای مدیریت منابع در محیط رایانش ابری 18
2-6- زمانبند شبکه آگاه و انرژی کارای مراکز داده 19
2-7- زمانبند قفسه آگاه در مراکز داده 19
فصل سوم الگوریتم های پیشنهادی 21
3-1- پیش گفتار 22
3-2- ترکیب پویای ماشینهای مجازی به منظورکاهش مصرف انرژی با در نظر گرفتن توافقات سطح سرویس 22
3-2-1- ارتباط بین بهرهوری پردازنده و حافظه اصلی 24
3-2-2- شناسایی میزبانان فروبار 25
3-2-3- جایگذاری ماشینهای مجازی 26
3-2-4- انتخاب ماشینهای مجازی 29
3-2-5- تشخیص میزبانان فرابار 30
3-3- الگوریتم پیشنهادی مدیریت سلسله مراتبی مراکز داده با در نظر گرفتن معماری مراکز داده و تجهیزات شبکه 30
3-3-1- تشریح مسئله 31
3-3-2- توسعه شبیه ساز CloudSim 35
3-3-3- الگوریتمهای ارائه شده برای معماری موجود 35
فصل چهارم پیاده سازی و ارزیابی الگوریتمهایپیشنهادی 41
4-1- مقدمه 42
4-2- شبیه ساز CloudSim 42
4-3- بستر آزمایشی 42
4-3-1- بارکاری 43
4-4- نتایج ترکیب پویای ماشینهای مجازی به منظورکاهش مصرف انرژی با در نظر گرفتن توافقات سطح سرویس 43
4-5- کارهای آینده 50
مراجع و منابع 51

فهرست شکل ها

شکل1-1 میزان مصرف انرژی مراکز داده جهان از سال 2000 تا 2010 3
شکل 1-2 نگاه سیستم از بالا به پایین 6
شکل 2-1 طبقه بندی سطح بالای مدیریت توان و انرژی الکتریکی 9
شکل 3-1 نمودار جریان روش ارائه شده 23
شکل 3-2 میزان وابستگی بهره وری پردازنده و حافظه اصلی ماشینهای مجازی 25
شکل 3-3 یک مرکز داده ای سه لایه 32
شکل 3-4 انرژی مصرفی درون یک مرکز داده 34
شکل 3-5 هزینه ماهیانه یک مرکز داده 34
شکل 3-6 شناسایی میزبانان، قفسه¬ها و مراکز داده کوچک فروبار 37
شکل 3-7 جایگذاری سلسله مراتبی VMها 40
شکل 4-1 مصرف انرژی 45
شکل 4-2 تخطی از توافقات سطح سرویس 45
شکل 4-3 تعداد کوچ ماشینهای مجازی 46
شکل 4-4 تعداد خاموش شدن میزبانان 46
شکل 4-5 میزان تخطی از توافقات سطح سرویس بر اساس میزبانان فعال 47
شکل 4-6 میزان مصرف انرژی ¬سوئیچ ها 48

فهرست جداول

جدول 3-1 تجهیزات اساسی درون مرکز داده 32
جدول 3-2 سهم مصرف انرژی تجهیزات بر اساس نحوه توزیع انرژی مصرفی 33
جدول 4-1 مشخصات سخت افزاری میزبانان 42
جدول 4-2 مشخصات ماشین های مجازی استفاده شده برای شبیه سازی 43
جدول 4-3 تعداد VM ها درون بارکاری 43
جدول 4-4 نتایج نهایی شبیه سازی 44
جدول 4-5- نتایج نهایی شبیه سازی مدیریت سلسله مراتبی منابع 47

فصل اول پیشگفتار

1-1- مقدمه

رایانش ابری با توانایی در ارائه خدمات رایانشی بر حسب تقاضا، تحول عظیمی در فنآوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) به وجود آورده است. سازمان¬ها می توانند از یک دید با سپردن منابع رایانشی مورد نیاز خود به ابر، از سرمایه گذاری بسیار در فراهم آوری زیرساخت های رایانشی به صورت خصوصی و به دنبال آن هزینه های نگهداری و به روز رسانی آن ها جلوگیری کنند؛ و از دید دیگر می توانند با ساخت یک ابر خصوصی (یا به عبارت دیگر، مرکز داده خصوصی)، در مدیریت منابع و تأمین فرآیند های سازمان خود پیشرفت نمایند.
ازدیاد روز افزون استفاده از سرویس های رایانش ابری به دلیل مزایای آن، باعث ایجاد مراکز داده ای با مقیاس بزرگ در نقاط مختلف جهان شده است که هر کدام متشکل از هزاران سرور می باشند. با این وجود، مراکز داده مقادیر زیادی از انرژی الکتریکی را مصرف کرده که نتیجه آن، هزینه بالای عملیاتی و انتشار دی اکسیدکربن در محیط زیست می باشد. همانطور که در شکل 1-1 نمایش داده شده است میزان مصرف برق مراکز داده سراسر جهان از سال 2005 تا 2010 میلادی، به میزان 56% افزایش داشته است و در سال 2010 مقداری برابر با 1.1 تا 1.5 درصد از کل برق مصرفی جهان را به خود اختصاص داده است [1]. پیش از این نیز، میزان انتشار دی اکسید کربن توسط صنعت ICT ، هم اکنون حدود 2 درصد تخمین زده شده است که مقداری برابر با صنعت هوانوردی می باشد و سهم قابل توجهی در اثر گلخانه ای دارد[2].

شکل1-1 میزان مصرف انرژی مراکز داده جهان از سال 2000 تا 2010 [1]

امروزه رشد مصرف انرژی الکتریکی در مراکز داده نیاز به راه حل های پیشرفته ای در راستای مدیریت منابع به منظور مصرف کارآمد انرژی الکتریکی دارد.
برای حل مشکل مصرف بالای انرژی، باید در راه برق رسانی به منابع رایانشی و چگونگی بهره وری از منابع رایانشی برای سرویس دهی به کارهای تقاضا شده، از ناکارآمدی و اتلاف بیهوده انرژی الکتریکی جلوگیری شود. این امر می تواند با بهبود زیرساخت های فیزیکی مراکز داده و یا استفاده از راهکارهای مدیریت و تخصیص منابع انجام گردد.
یک منشأ اساسی در اتلاف انرژی الکتریکی، استفاده ناکارآمد از منابع رایانشی می باشد. داده های جمع آوری شده در 6 ماه از بیش از 5000 سرور، نشان می دهد که سرورها اگر چه در بسیاری از مواقع بیکار نیستند ولی به ندرت بهره وری از پردازنده آن ها به 100% می رسد [3]. بیشتر اوقات فقط از 10 تا 50 درصد از کل توان سرورها استفاده می شود و این عاملی بر پیدایش هزینه های اضافی به دلیل تأمین بیش از نیاز منابع می باشد[3]. بیش از این نیز مدیریت و نگهداری این منابع اضافی باعث افزایش هزینه برای مالک منابع می گردد. علاوه بر موارد گفته شده، بازه کوچک مصرفِ توان الکتریکی پویا در سرور ها، مسأله بهره وری پایین در سرورها را تشدید می کند: یک سرور در وضعیت کاملا بیکار، حدود 70 درصد از حداکثرِ توان الکتریکی خود را مصرف می کند[4] . بنابراین از دیدگاه مصرف انرژی الکتریکی، بهره وری پایین سرورها بسیار ناکارآمد می باشد.
تمرکز این رساله بر روی مسأله مدیریت منابع در راستای مصرف کارآمد انرژی الکتریکی می باشد که از یک سو با کاهش هزینه برق مصرفی، سود بیشتری را برای فراهم کنندگان ابر به ارمغان می¬آورد و از سوی دیگر مخاطرات ناشی شده از تولید برق برای محیط زیست را کاهش می¬دهد. این عمل با استفاده بهینه از منابع رایانشی به منظور سرویس دهی به مشتریان و در راستای کاهش انرژی الکتریکی به گونه ای انجام شده است که سرویس های ارائه شده کیفیتی مطلوب و منظقی داشته باشند.

1-2- ادغام پویای ماشین های مجازی در راستای مصرف کارآمد انرژی

یک راه ایده آل برای حل مصرف ناکارآمد انرژی الکتریکی، پیاده سازی یک سیستم رایاناشی با مصرف متناسبِ انرژی می¬باشد؛ به این معنی که مصرف انرژی الکتریکی متناسب با بار کاری اعمال شده بر سیستم باشد. چنین راهکاری به طور ناقص با استفاده از شیوه پر کاربرد مقیاس پذیریِ پویای ولتاژ و فرکانس (DVFS) پیاده سازی شده است.DVFS ، اجازه تنظیم پویای میزان ولتاژ و فرکانس پردازنده را بر اساس میزان تقاضای منابع در هر زمان، می¬دهد. به عنوان نتیجه این امر، پردازنده های موجود در رایانه های رو میزی و سرورها، در حالت های کم قدرت می توانند مصرفی کمتر از 30 درصد از حداکثر مصرف خود را داشته باشند؛ که این دلیلی بر دامنه 70 درصدیِ توان الکتریکی پویا در پردازنده می¬باشد[3] .
میزان انرژی مصرفی پردازنده میزبانان بسیار حائز اهمیت¬تر از سایر مولفه¬های میزبانان است. به عنوان مثال بازه¬های زمانی مورد استفاده شدن از سایر اجزای میزبانان بدین قرار است: کمتر از 50% برای حافظه با دسترسی تصادفی پویا (DRAM) ،25% برای دیسک درایوها 15% سوئیچ های شبکه و مقادیر ناچیزی برای دیگر اجزاء است[4]. دلیل این مسئله این است که فقط پردازنده ها از حالت های کم مصرف پشتیبانی می¬کنند و بقیه اجزا یا به طور کامل و یا قسمتی از آن ها باید خاموش شود؛ ضمناً سربار زیادی بر روی عملکرد اجزاء سخت افزاری، در تغییر حالت از فعال به غیر فعال و بر عکس، وجود دارد. برای مثال یک دیسک درایو در حالت خواب عمیق ، تقریبا هیچ برقی مصرف نمی¬کند؛ اما تغییر حالت آن به حالت فعال، تأخیری معادل با 1000 برابر یک دسترسی معمولی ایجاد می¬کند. اتلاف انرژی در اجزای سرور (غیر از پردازنده) در زمان هایی که سرور کاری برای انجام دادن ندارد باعث می شود که بازه توان مصرفی پویای کل سرور کوچکتر شود که این مقدار حدوداً 30% می¬باشد. به عبارت دیگر حتی در زمانی که یک سرور کاملا بیکار است حدوداً 70% از اوج برق مصرفی خود را استفاده می-کند.
یکی از روشهای بهبود میزان بهره وری از منابع و کاهش مصرف انرژی، که کارآمد بودن آن در این مسیر اثبات شده است؛ ادغام پویای ماشین های مجازی می باشد [5, 6, 7, 8, 9]. مجازی سازی به فراهم آورندگان ابر، این اجازه را می¬دهد که با اجرای چندین ماشین مجازی بر روی یک سرور، استفاده از منابع را بهینه کرده و میزان سود خود را افزایش دهند. کاهش مصرف انرژی الکتریکی با قرار دادن سرور های بیکار در حالت های کم مصرف انرژی، مثل خواب و به دنبال آن حذف توان مصرفی ایستا امکان پذیر است. همانطور در که در شکل 1-2 نشان داده شده است با بهره¬گیری از مجازی سازی امکان اجرای چندین ماشین مجازی بر روی یک میزبان فراهم شده است و بدین شکل زمان¬هایی که میزبانی دارای بارکاری چندان قابل توجهی نیست این امکان وجود دارد که بارکاری آن¬را به سایر میزبانان انتقال داده و میزبان مذکور را نیز به صورت پویا به حالت خواب انتقال داد.
مهاجرت زنده ماشینهای مجازی، قابلیت دیگری می باشد که مجازی سازی آن را ممکن می¬¬کند. با استفاده از مهاجرت زنده [10] ، ماشین های مجازی می¬توانند در هر زمانی از اجرای خود از یک سرور فیزیکی به دیگری انتقال یابند؛ و این عمل می تواند در راستای استفاده بهینه از منابع و کاهش سرورهای فعال استفاده گردد.

شکل 1-2 نگاه سیستم از بالا به پایین

ادغام پویای ماشین های مجازی از دو فرآیند اصلی تشکیل شده است:
1- انتقال ماشین های مجازی از میزبانهای فروبار در راستای کاهش تعداد میزبانهای فعال
2- انتقال ماشین های مجازی از میزبان های فرابار در راستای جلوگیری از افت کارایی در ماشین های مجازی که ممکن است به نقض مسائل کیفیتی بینجامد.
میزبانهای بیکار به طور خودکار، در حالت های کم مصرفِ انرژی قرار می گیرند و در صورت نیاز به منابع، دوباره فعال می شوند.
سرویس های نوین تحت وب اغلب، بارکاری بسیار متغیری را تجربه می کنند که نیاز به ایجاد الگوهای پویا در استفاده از منابع می گردد و این موضوع باعث می شود مسأله ادغام ماشین های مجازی به مسأله ای پیچیده تبدیل شود. بنابراین، دقت ناکافی در ادغام ماشین های مجازی، ممکن است به دلیل افزایش نیاز ماشین های مجازی به منابع فیزیکی در یک مقطع زمانی، موجب افتِ غیر منتظره عملکرد آن ها گردد. اگر منابع مورد نیاز یک ماشین مجازی و به تبع آن برنامه در حال اجرا بر روی آن، به ماشین مجازی تخصیص داده نشود، ممکن است برنامه با افزایش زمان پاسخگویی و یا حتی شکست در اجرا مواجه شود. اطمینان از کیفیت خدمات که از طریق توافقنامه های سطح سرویس بین فراهم آورنده و مشتری تعیین می گردد یک مسئله اساسی در محیط های رایانش ابری می¬باشد. بنابراین فراهم کنندگان ابر با یک چالش میان کاهش انرژی و افت کارایی رو به رو هستند. بنابراین کاهش انرژی باید به گونه ای باشد که در آن کیفیت خدمات نیز در نظر گرفته شود.

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “ادغام پویای ماشین های مجازی در مراکز داده”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

− 3 = 6

شناسه محصول: d1230 دسته: ,