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轻灵飞扬，云中之舞

谈云的节能

一、什么是“云”

记得是2002年的五一，三峡即将被淹没，我赶去徒步旅行，沿途风光秀丽无限。途经巫山，数日大雨，无法赶路。山既不高，也少名胜，相当无聊。忽一日雨歇，出门一看，竟置身云中，如立仙境。云雾依山而动，灵动奇巧，变化万千，或如飞瀑，或若青纱，聚散缥缈，虚幻迷离，方知当世之云无出巫山。真是“黄山归来不看山，巫山归来不看云”。

今天，IT也已经步入了“云”的时代。也许你感知不到，但云计算和云存储正通过不同的形式深入到我们的生活。你用淘宝网购，用Google、百度搜索，用126、Gmail邮箱…… 它们的支撑系统都是“云”。

什么是IT“云”呢？云服务提供者通过集群等技术，将多个计算或存储系统进行堆叠，获得单台设备无法获得的高性能，并进行统一管理和运维，构成整体服务系统，提供计算或存储服务，这就是“云”。现在进行一次网络搜索仅需0.1秒，没有“云”的支撑，是无法想象的。

最典型的云系统就是Google，Google采用数以千万计的服务器以及庞大的网络支撑，构成了全球最庞大的云系统。

处于云中的设备，可以分为云节点设备和云网络设备。云节点设备包括云计算节点（服务器）和云存储节点（存储设备），分别为云提供计算和存储资源。云网络设备包括数据交换机和路由器，广义上还包括光传输等所有网络支撑设备。

与变化万千的“巫山云”一样，IT“云”并不是固定的，而是可伸缩、易扩展并可根据业务的需要变化的。上面提到了淘宝网购，Google、百度搜索，每一朵“云”采用的架构都有所不同。而云节点设备（服务器和存储设备）能耗大，服务器上动辄数十上百瓦的CPU、存储设备上每秒高达15000转的硬盘马达，都是非常耗电的部件。高能耗部件已经成为约束IT“云”发展的主因。

怎样能将“云”从这种束缚中解放出来呢？这就需要运用我们即将谈到的“云的绿色节能”技术。

二、云的节能剖析

2009年年初，《星期日泰晤士报》发表了哈佛大学物理学家亚历克斯•魏斯纳-格罗斯（Alex Wissner-Gross）的最新研究成果，引起舆论大哗。研究表明，使用台式机运行两个Google搜索与烧开一壶水所产生的二氧化碳量相仿，都是15克二氧化碳排放当量。经计算发现，每一次搜索，全网会耗费大约0.01度（千瓦时）电量。如果这个数字乘以Google巨大的搜索流量，会是一个非常惊人的数字。Google立刻在官方博客上展开回应，并进行了一系列的危机公关，以挽回其节能环保的正面形象。

其实，进行一次搜索操作，数据将会经过个人电脑终端、数据交换、长途传输、光中继、服务器和存储等设备，将整个网络的电量代价都让Google背负显然是不合适的。但这则消息本身已说明业界对能耗的关注已经由单体设备的节能向数据流端到端的节能、向云节能的方向转移。

IT产业发展迅速。厂家各出奇招，设备花样层出，设备形态和配置大不一样，更新换代非常频繁，让人眼花缭乱。

与此不同的是，云服务提供商提供的服务种类繁多，但使用的设备形态却很简单。他们往往采用相同构架的节点单元进行叠加，以期获得最简单的可管理和可扩展性，“Less is more”的思想在云上得到最好的体现。绝大部分云的节点单元都可简单划分为两、三种类型，每种类型的节点设备都具有相同的CPU、内存、硬盘等硬件配置，以及相同的管理接口。这种设备类型的简单化也为多种节能措施的实施提供了方便。

云节点硬件抽象图

我们可以将云的绿色节能措施归结为以下三点：

1. 合理规划，降低基础设施耗费

云的基础设施包含机房、机柜、供电、制冷、照明等。无论是从初始投资还是从运维成本看，云的基础设施开销都不低于IT设备的开销。如何能用更小的空间费用、电力费用来实现业务目标是云服务提供商非常关心的问题。在这个问题上，节约成本和绿色节能是归一的。

自建机房的云服务商，从尽量减少机房占地出发，要求单机柜能容纳的设备尽量多。这就需要提前对地板的承重、单机柜的电流、散热能力等预留足够的富余量，以容纳高密度的IT设备。从尽量减少电力费用出发，要求尽量降低机房的PUE值（PUE=机房的总能耗/IT设备能耗），减少IT设备之外的能源耗费。通常的机房PUE值为2.5～3之间，这意味着实际用到IT设备上的能耗还不到机房总能耗开销的40%。科学的制冷系统设计是降低PUE值的关键，这包括空调的合理选取、机房的整体布局、减小机房开窗面积、冷热风道隔离、精确送风技术等。通过系统化的制冷设计，一般机房的PUE值都可以达到1.8～2.2。

能源之星“金牌电源”标准

如果是租赁机房或机柜的云服务商，其基础设施已经基本固定，就应尽量在机房的限制或每机柜的限制范围内，将业务设备的布局和使用情况提前规划好，以最大化地利用租赁到的空间和电力资源。单机柜的电流和承重上限是合理规划的最主要依据。

2009年4月1日，Google展示了其最新的云数据中心；同年11月2日，Microsoft展示了其芝加哥级数据中心。面向云的应用，两家巨头采用了同样的基础设施：集装箱数据中心。

集装箱数据中心已经打破了多项设计极限。在集装箱内通过科学合理的布局和制冷设计，可以使一个40英尺的集装箱（占地面积25m2）容纳上千台服务器或存储设备，是一般数据中心容纳密度的10～20倍。Google集装箱的PUE值更达到了1.15，而在常规数据中心，1.5就已经是理论的最低限。

运输途中的华赛集装箱数据中心

上图所示为华为赛门铁克独立研制的一体化集装箱数据中心，这是目前为止业界唯一实现只要外接两种线缆（数据线、电力线）就可开展业务的箱式数据中心。它采用精密空调制冷系统，PUE值已经低于1.4；部署周期更较其他厂家快2倍以上；而且降低了使用环境的要求，极大地节约了基建配套费用。

2. 提高节点设备的资源利用率

在这里，我们要引入“资源利用率”的概念。在运行相同业务的情况下，如果资源利用率越高，意味着浪费的资源越少，也就越节能。

就云节点设备而言，无论是服务器还是存储设备，其核心的组成部件都是三大部件：CPU、内存和硬盘，三者的能耗占到节点设备总能耗的70%左右；此外还包括IO模块、散热系统、电源等非核心部件。

提高云节点设备的资源利用率，一是尽量减少在非核心部件上的资源消耗；二是尽量提高核心部件的使用率。

减少在非核心部件上的资源消耗，需要针对不同的部件制定最佳的降耗策略：

针对IO模块，可以根据业务需要最大化地削减IO模块的类型和数量，并使IO端口在未使用时自动降速或休眠。

风扇的风量与风扇转速的平方成正比，而风扇的能耗却与转速的三次方成正比，50%转速下的风扇能耗仅为满转速能耗的12.5%，因此控制风扇的转速是最简单也最有效的系统节能手段。科学地布局系统的温度传感器，根据关键温度点的采样值，采用线性或者接近线性的精细化风扇调速，可以最大化地节约风扇的能耗。

提高设备的电源利用率，需要从两个方面入手，一是系统应尽量采用符合能源之星“金牌电源”标准的电源，在通常业务情况下金牌电源较一般电源的转换效率要高10%；二是要尽量使系统工作在电源的最佳负载点附近（金牌电源的最佳负载点在50%左右，负载低于20%时，电源效率会急速下降）。

在这里，我们不得不再一次提到Google。2009年4月1日，Google展示的第7代服务器，可谓精简到了极致。一张白铁皮，四条尼龙卡扣就是Google“服务器机框”的全部组成；主板上将不用的IO和插槽全部去除；除了两个CPU风扇，系统仅靠电源自带的风扇散热；每个节点搭配一个12V电池，连机房UPS也省掉了。Google的集装箱搭配精简服务器，省去了一切可以节省的资源，达到PUE1.15的传奇极限值。

Google精简服务器

而提高核心部件的资源使用率，关键在于合理地选取设备类型，并对核心部件进行动态能耗管理。

云的节点设备可以分为计算型设备、存储型设备以及存储计算综合型设备三种类型。这三类设备因为定位不同，直接导致三大部件配置的比例也不相同：计算型设备偏重计算，因此CPU和内存的配置比例就较高，硬盘的配置比例会降低；而存储型设备恰恰相反，硬盘的配置比例会达到较高的比例；综合型设备则兼顾计算和存储，三大部件的配置比例介于计算型和存储型之间。

云服务商如果能针对运行的业务或子业务的场景需求，正确判定需要选择哪种类型的设备，并有针对性地购买该类型的设备，就可以使设备达到较高的资源利用率，从而降低了设备的整体拥有成本及总能耗，这一点是云节点设备最有效的节能措施。

对CPU、内存、硬盘的动态能耗管理，应当在保证业务连续性和可靠性的前提下，科学地运用动态调节手段。

采用CPU的智能降频技术，在业务繁忙时将CPU的主频升上去，业务闲暇时，将主频降下来，可以降低25%的CPU能耗。

内存不读写时能耗不到读写时的25%。可以根据业务的需要，优化软件算法，尽量降低对内存的访问频率。

在确保业务运行的前提下，可以通过软件调节，使业务集中在部分硬盘上运行，并使未被访问的硬盘进入休眠状态，休眠状态下的硬盘较正常运行时可以节约95%的能耗。

虚拟化示意图

3. 完善网络能耗管理

多个节点设备通过数据和管理通道进行堆叠，就构成了云网络系统。云的管理子系统对云网络系统中的所有节点进行统一管理，管理内容涉及节点管理和业务调度两部分。

健全的云管理机制需要做到从整体层面对云网络系统及各个节点进行业务和能耗的实时监测和智能控制。针对业务的实际情况，采用资源虚拟化技术，进行云节点资源的实时配置和调节，尽可能地加大节点单体的资源利用率，并使暂时不用的节点整体进入休眠状态，从而达到云系统整体的资源利用最大化。

全球化的云服务提供商，甚至将其支撑数据中心分布于全球，充分利用自然冷却资源和低电费时段，进行全网级的业务调度。Google就充分利用英国和新加坡之间的时差，将英国白天的业务调度到新加坡晚上低电费时段运行。

“云想衣裳花想容，春风拂槛露华浓。若非群玉山头见，会向瑶台月下逢”。绿色节能技术就象是一条绿色的丝带，轻灵飞扬，于云中作舞。多种节能措施并不是孤立的，如何柔性地将它们组合在一起综合应用，最大化地节约“云”的资源消耗，并非朝夕之功，也不应空谈。为此，华为赛门铁克公司设计了完善的云节能弹性体系架构，已经实现了集装箱数据中心、节点S3休眠、硬盘休眠等多种云节能技术，正朝着全网节能的方向迈进。

三、结语

“曾经沧海难为水，除却巫山不是云”。当你在愉快地使用极其廉价的云服务时，你一定不会联想到绿色节能。这正如世人只知有巫山云，而不知有巫山。安知若无青山的映衬，又哪能见到如此琅嬛美景呢？