高曉欣

【摘要】? ? 近年來，數(shù)據(jù)中心的重要性日益突出，需要高效的運行和管理。因此，直流基礎設施管理（DCIM）成為了一個熱點話題，它可以管理 ICT 設備、電力設備、 HVAC 系統(tǒng)等。在本研究中，我們利用計算流體動力學（CFD）技術，提出了一種設計服務器機房 ICT 設備布局的方法。對該方法的有效性進行了評估，并對其實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)中心運行和管理的能力進行了驗證。在此基礎上， 越來越多的應用程序轉(zhuǎn)移到云計算中，而云計算實際上是由地面上的大型數(shù)據(jù)中心支持的。這些數(shù)據(jù)中心是需要管理的復雜系統(tǒng)，集中解決方案可能無法滿足所需規(guī)模，也無法有效利用其網(wǎng)絡。本文提出了一種數(shù)據(jù)中心動態(tài)資源管理的層次化方法，利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)設計管理層次結(jié)構(gòu)。我們在層次結(jié)構(gòu)中的各個級別定義了一組聚合度量，以將系統(tǒng)狀態(tài)信息傳遞給更高的管理級別，并定義了管理者的職責和交互。我們通過仿真對我們提出的方法進行了評估。實驗結(jié)果表明，該管理方法大大減少了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中管理數(shù)據(jù)的流量，從而降低了網(wǎng)絡開銷。

【關鍵詞】? ? 數(shù)據(jù)中心運營? ? 運營管理? ? 工作組織

引言

越來越多的應用程序轉(zhuǎn)移到了云中。思科預測，到2017年，將近三分之二的工作負載將在云中處理。大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的增加為這種增長提供了支持，這些數(shù)據(jù)中心的明確目的是托管這些云工作負載。這些大型數(shù)據(jù)中心構(gòu)成了一個有趣的管理挑戰(zhàn)： 一方面，數(shù)據(jù)中心供應商希望盡量減少能源消耗以降低成本，而另一方面，數(shù)據(jù)中心客戶希望其應用程序的資源需求在任何時候都能得到滿足。協(xié)商這兩個目標是困難的，并已成為許多研究工作的目標。

數(shù)據(jù)中心由集群組成，每個集群由機架組成，每個機架由物理服務器組成。通過使用系統(tǒng)虛擬化，多個應用程序可以駐留在單個物理服務器（或主機）中，每個應用程序都在自己的虛擬機（VM）中運行。此外，資源可能會被超額預訂（也就是說，在一臺主機中，可以承諾將總共更多的資源提供給共存的虛擬機組，而不是主機實際擁有的資源） ，從而大幅度提高主機的資源利用率。

然而，考慮到應用程序資源需求的動態(tài)特性，如果共用位置的虛擬機的總資源需求超過其主機的容量，這種安排可能會出現(xiàn)問題。如果不采取任何行動，虛擬機將無法滿足其資源需求，這將導致違反服務水平協(xié)議（SLA）。但是，通過利用 VM 實時遷移，可以將 VM 從資源壓力較大的主機重新遷移，從而在本地釋放可以分配給剩余 VM 的資源。遷移后的 VM 將在不同的主機上恢復執(zhí)行，過程中只經(jīng)歷了最小的停機時間。這被稱為動態(tài) VM 管理。

大多數(shù)資源管理系統(tǒng)都是為集群設計的，似乎不會擴展到單個集群之外，通常都是集中式的。集中管理者的假設通常反映在提出的動態(tài)資源管理系統(tǒng)中。然而，這些系統(tǒng)可能無法滿足大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)模以滿足現(xiàn)實需求。此外，通過將整個數(shù)據(jù)中心視為單一資源池，管理數(shù)據(jù)（包括通信和 VM 遷移）在不考慮管理費用的情況下通過網(wǎng)絡發(fā)送，導致數(shù)據(jù)中心資源的使用效率低下。

一、數(shù)據(jù)中心運營管理工作概述

近年來，信息和通信技術系統(tǒng)已成為支持社會生活基礎設施的重要工具。因此，數(shù)據(jù)中心（DCs）管理信息的作用變得越來越重要。此外，云計算和信通技術虛擬化的發(fā)展導致發(fā)展中國家出現(xiàn)高熱密度和增加能源消耗的趨勢[1]。因此，DC 運營管理者需要在考慮各種因素的同時管理復雜的環(huán)境。這些因素包括空氣調(diào)節(jié)、電力、建筑物以及虛擬服務器數(shù)量超過物理服務器數(shù)量的情況。在這樣的環(huán)境下，如何構(gòu)建一個安全、節(jié)能的直流電源系統(tǒng)，并對其進行高效、持續(xù)的運行和維護，已成為一個重要課題。因此，這項研究的目的是檢驗一種管理方法，這種管理方法可以通過對信息通信技術設備、機架、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電力、建筑物和發(fā)展中國家的空間進行單獨管理，從而有效地、持續(xù)地管理安全、節(jié)能的發(fā)展中國家。本文描述了 DC 基礎設施管理（DCIM）的概念、問題和預期作用，并報告了使用 DCIM 設計 ICT 設備布局的效果。

二、DCIM 概述

DCIM 包括監(jiān)控 DCs 中各種設備故障的系統(tǒng)（ICT 設備、電力設備、空氣調(diào)節(jié)設備） ，并管理各種能力（空間、機架安裝狀態(tài)、 ICT 設備的負載比、電力和空氣調(diào)節(jié)）。它具有分析這些因素的信息的功能。這是一個整合和提高信息和通信技術效率以及管理單獨管理的調(diào)頻系統(tǒng)的工具。

在發(fā)展中國家，“資訊及通訊科技管理人員”主要負責設計、操作及維修與資訊及通訊科技有關的設備，而“設施管理人員”則負責設計、操作及維修樓宇、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)及電力設施等。

每個基金經(jīng)理各自節(jié)省能源、空間和資產(chǎn)管理。雖然支持集成的 DCIM 概念已經(jīng)存在很長一段時間了，但許多 DCIM 供應商都是軟件公司和空氣調(diào)節(jié)設備制造商。因此，許多 DCIM 功能僅限于每家公司的專業(yè)領域，沒有一個能夠支持控制、操作和維護的所有三個領域。另一個問題是，盡管 DCIM 中注冊了大量的數(shù)據(jù)，但它還是不能解決它特有的一個問題：創(chuàng)建和維護數(shù)據(jù)的困難。由于這些原因，對 DCIM 的需求正在變得越來越普遍，但是沒有像預期的那樣廣泛或迅速地擴散。

資訊及通訊科技設備（例如伺服器及網(wǎng)絡設備）與設施（例如建筑物、空調(diào)及電力設施）彼此關系密切。例如，由于信息和通信技術設備不是簡單地安裝在一個空曠的空間里，因此重要的是要從電力供應、空氣調(diào)節(jié)容量、運行效率等方面對其做出全面的判斷。通過使用 DCIM，可以準確有效地完成這些任務。主要角色如下所示：

1、整個直流系統(tǒng)的管理和可視化不僅需要服務器機房內(nèi)部的管理和可視化，而且需要整個直流系統(tǒng)的管理和可視化，包括熱源設備、電源接收設備、應急發(fā)電機和蓄電池。為此，必須能夠與建筑和能源管理系統(tǒng)、出入境管理系統(tǒng)以及其他業(yè)務管理系統(tǒng)等相關系統(tǒng)進行合作。

2、先進的數(shù)據(jù)分析和環(huán)境改善與控制為了實現(xiàn)各種效益，如提高節(jié)能和降低運行和維護成本，對 DCIM 收集的大量信息進行分析是非常重要的。

3、集成化管理與建設和維護信息集成化管理由 DCs 處理的信息多種多樣，變化頻繁。為了有效地利用 DCIM，必須有一個能夠適當反映信息的報表管理功能。

三、DCIM 效果實例

當增加機架和 ICT 設備到直流電，不僅要考慮物理空間和容量，而且要考慮對安全的影響（溫度環(huán)境的變化）和節(jié)能（空氣調(diào)節(jié)消耗）。

首先，一個可以添加 ICT 設備的機架是從物理空間、負載、現(xiàn)有電力容量和空氣調(diào)節(jié)中選擇的。其次，利用 DCIM 收集的信息進行熱流體模擬。在發(fā)展中國家，ICT 設備進氣溫度的上限和下限被歸納為 SLA?；?DCIM 收集的信息和將要添加的 ICT 設備的功耗，進行了熱流體模擬，預測了 ICT 設備在假定的最壞情況或年份下的進氣溫度，滿足 SLA 的位置是有限的。

四、現(xiàn)有云數(shù)據(jù)中心計算平臺

目前最先進的云基礎設施，如亞馬遜 EC2既不支持考慮消費者對節(jié)能計劃偏好的能源效率資源分配，也不利用復雜的經(jīng)濟模型設定正確的激勵機制，讓消費者準確地披露有關其服務需求的信息。因此，供應商無法與消費者進行必要的信息交換，因此無法實現(xiàn)有效的服務分配，而這種分配滿足了消費者對綠色云計算的節(jié)能偏好的需求和期望。

在本文中，我們研究了一種層次化的方法來管理數(shù)據(jù)中心。分層方法提供了更高的可伸縮性，但代價是只有系統(tǒng)的部分視圖。

我們將管理域劃分為管理范圍，每個范圍包含一個托管元素子集，并在其中封裝管理數(shù)據(jù)和管理操作。我們利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)來定義范圍，范圍包括主機、機架、集群和數(shù)據(jù)中心。通過使層次結(jié)構(gòu)具有拓撲感知性，我們限制了跨越數(shù)據(jù)中心的管理數(shù)據(jù)流。我們假設，這種組織將導致更有效地使用數(shù)據(jù)中心，大大減少網(wǎng)絡流量。

使用分層方法進行動態(tài)數(shù)據(jù)中心管理的挑戰(zhàn)包括： （Ⅰ）定義一組度量標準來表示機架和集群的系統(tǒng)狀態(tài)。集群管理器可以向數(shù)據(jù)中心管理器發(fā)送關于其所有主機的信息，但這將代表需要傳輸和分析的大量數(shù)據(jù); （Ⅱ）確定管理器的職責以及它們之間的交互。這兩個挑戰(zhàn)都在這項工作中得到了解決。

目標基礎設施由一組集群組成，每個集群是一組機架，每個機架是一組物理服務器。虛擬機（vm）被托管在物理服務器（或主機）中，在那里它們被分配資源來運行。數(shù)據(jù)中心有兩個網(wǎng)絡： 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡。

虛擬機使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行應用程序的通信，而管理網(wǎng)絡則用于管理數(shù)據(jù)（即通信和 VM 遷移）。兩個網(wǎng)絡具有相同的架構(gòu)。機架中的主機通過放置在機架中的兩個交換機（每個網(wǎng)絡一個交換機）連接到網(wǎng)絡。集群中的機架通過集群級交換機相互連接，集群級交換機連接到數(shù)據(jù)中心級的中央交換機。從現(xiàn)在開始，當我們談論數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡時，我們將指的是管理網(wǎng)絡。

使用分層管理方法背后的思想是對主機集合進行邏輯分組，并將每個主機集合作為一個單元進行管理，盡可能在單元內(nèi)封裝詳細的監(jiān)控和管理操作。此外，每個級別的元素再次組合，形成上面級別的元素。這些結(jié)果導致了管理范圍的創(chuàng)建，從而限制了管理數(shù)據(jù)在整個數(shù)據(jù)中心的傳播。在每個范圍內(nèi)收集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并與上級管理層共享數(shù)據(jù)摘要。盡可能多的 VM 遷移也限制在它們自己的范圍內(nèi)。我們決定利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的組織，使用主機、機架和集群來劃定管理范圍。此外，數(shù)據(jù)中心作為一個整體形成了一個龐大的、包羅萬象的管理范圍。

主機管理器定期從主機和（托管）虛擬機收集監(jiān)視數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)包括每個虛擬機和主機本身的資源利用率（CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡帶寬和存儲）、主機功耗以及當前傳入和傳出的虛擬機遷移次數(shù)。這些信息被打包并以狀態(tài)更新的形式發(fā)送給主機所屬的機架的管理員。機架管理員處理各主機管理員在其范圍內(nèi)發(fā)送的狀態(tài)更新，并根據(jù)所收到的信息更新其知識庫。

五、小結(jié)

未來，數(shù)據(jù)中心（DC）業(yè)務將在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展。信息和通信技術的發(fā)展可望使發(fā)展中國家的規(guī)模更大、密度更高，但也可望帶來對更廉價和更可靠的發(fā)展中國家服務的需求。為了實現(xiàn)這一目標，管理和分析綜合信息和節(jié)能方法以降低運行和維護成本將變得越來越重要。我們相信，通過使用直流基礎設施管理來管理和分析 ICT 設備以及空氣調(diào)節(jié)、電力和建筑設施，不僅有可能實現(xiàn)本報告所示的 ICT 設備放置計劃，還有可能實現(xiàn)直流設備和設施的高效運行/維護。

參? 考? 文? 獻

[1]毋江波. 競合環(huán)境下基于信息和關系的企業(yè)戰(zhàn)略匹配研究[D].山西大學，2019.

[2]趙瑞勝. 內(nèi)蒙古鐵塔公司運營流程優(yōu)化研究[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2019.

[3]黃圓圓. 跨界破產(chǎn)承認與救濟制度研究[D].對外經(jīng)濟貿(mào)易大學，2019.

[4]劉壯. 西非水務工程項目中推進人力資源屬地化進程的研究[D].湖南大學，2019.

[5]何秋. 美國氣候變化法律制度研究[D].中南財經(jīng)政法大學，2018.