專利名稱：一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)中心中利用太陽能的調(diào)度方法，特別涉及一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法，屬于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了向用戶提供快速、高質(zhì)量和安全的服務(wù)，數(shù)據(jù)中心作為服務(wù)提供方變得越來越重要。目前，國際上許多基于互聯(lián)網(wǎng)的大公司企業(yè)(如谷歌、亞馬遜、雅虎等)都擁有自己的數(shù)據(jù)中心處理來自世界各地的服務(wù)請求。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中心的耗電量非常大，占全球耗電總量的1.3%，并且預計在2020年這一比例將升至8%。而其中大部分數(shù)據(jù)中心的電力都是通過煤電供應(yīng)的，煤的燃燒會產(chǎn)生大量含碳排放物從而對環(huán)境造成嚴重的污染。綠色能源作為一種新型能源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，它的優(yōu)點在于便宜、干凈并且有利于可持續(xù)的長遠使用。但是與傳統(tǒng)的煤礦、石油等能源相比，綠色能源的特點是:(1)間歇性強。綠色能源的產(chǎn)生要遵循自然規(guī)律，所以不能夠持續(xù)供應(yīng)能源，尤其是太陽能、風能最為明顯。(2)可預測性差。雖然太陽能每天有一定的規(guī)律，但是要準確預測還是很困難的，考慮的因素包括很多:如觀察位置、光照輻射、入射角度等。(3)難以存儲。如風能瞬時性較強、時間短、每個時刻差異較大，幾乎無法存儲，即使存儲也要通過化學電池存儲，這樣會加劇環(huán)境的污染。另外，在數(shù)據(jù)中心里除了計算服務(wù)器會消耗大量能耗外，數(shù)據(jù)中心的通信網(wǎng)絡(luò)能耗也占很大的比例。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主要通過路由器和交換機實現(xiàn)服務(wù)器間信息的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。在路由過程中，從一臺服務(wù)器到另外一臺服務(wù)器有多條路徑選擇，由于經(jīng)過的路由器和交換機的數(shù)量不同，每條路徑的路由代價也不同。所以，在解決數(shù)據(jù)中心能耗問題時，通信網(wǎng)絡(luò)的能耗也必須考慮。由以上可知，數(shù)據(jù)中心除了要充分利用綠色能源外，還要處理好服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)高能耗的問題，這樣做才可以降低能耗，減少含碳排放物的輸出，達到可持續(xù)發(fā)展的目的。目前，數(shù)據(jù)中心里能耗最優(yōu)化問題的解決方法主要有兩種:(1)綠色能源的調(diào)度與作業(yè)分配方法。針對太陽能通過天氣預報和收集的歷史數(shù)據(jù)，預測短期(如I小時)太陽能產(chǎn)生量；接著，設(shè)置懲罰機制函數(shù)，其中系統(tǒng)利用綠色能源時懲罰函數(shù)值最低，作業(yè)超時運行懲罰值最高；之后，根據(jù)預測的太陽能情況，在滿足約束的條件下，以懲罰函數(shù)值最小為目標，將到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行分配；重復以上過程，完成所有作業(yè)的分配，使得懲罰函數(shù)最小，即達到最大化利用太陽能的目的。(2)熱能感知與作業(yè)調(diào)度方法。這種方法主要分為以下步驟:首先利用卡爾曼濾波方法估計未來短期內(nèi)作業(yè)的到達率；接著，根據(jù)估計的作業(yè)到達量，宏觀確定數(shù)據(jù)中心開啟服務(wù)器的數(shù)量；之后，由于服務(wù)器的異構(gòu)性，每臺服務(wù)器的熱循環(huán)效應(yīng)機制不同，將作業(yè)量最大的作業(yè)分配至熱循環(huán)效應(yīng)機制最佳的服務(wù)器處理；重復此步驟，直到所有作業(yè)分配完畢，達到系統(tǒng)能耗最低的目的。上述第一種方法的優(yōu)點在于利用了綠色能源，缺點是模型過于簡單，沒有考慮數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)；第二種方法的優(yōu)點是通過合理的調(diào)度方法降低系統(tǒng)的能耗，但是沒有利用綠色能源，無法降低數(shù)據(jù)中心成本和含碳排放物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在高能耗的不足，提出了一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法，其通過預測獲得數(shù)據(jù)中心下一時刻能夠利用的太陽能量，在充分考慮服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗情況的條件下，將作業(yè)合理地分配至各服務(wù)器，以達到太陽能利用率為最高的目的。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下:一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法，以太陽能為綠色能源，將到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行優(yōu)化分配，其步驟如下:步驟一，依據(jù)光照幅度和天氣狀況，通過預測獲得數(shù)據(jù)中心未來短期內(nèi)能夠利用的太陽能量；步驟二，對到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行預處理，每個作業(yè)由若干個任務(wù)組成，各任務(wù)之間存在通信約束關(guān)系，按照作業(yè)內(nèi)的通信約束關(guān)系對需要調(diào)度的作業(yè)進行分級，將無約束關(guān)系的任務(wù)逐次分配至每一級；步驟三，在滿足作業(yè)時限的需求下，對于完成預處理的作業(yè)集合按照級別進行調(diào)度，將每一級中的任務(wù)依次分配至每個服務(wù)器，分配過程中充分考慮服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗情況，并以達到最高的太陽能利用率為目的。所述步驟二的具體步驟如下:(I)當一組作業(yè)到達數(shù)據(jù)中心后，先緩存至數(shù)據(jù)中心的隊列；(2)初始化1:=0，將所有沒有父親節(jié)點的任務(wù)保存至于第i級；(3)接著i++處理下一級，找出上一級任務(wù)中所有子節(jié)點:如果沒有子節(jié)點，直接退出程序輸出結(jié)果；(4)如有子節(jié)點，檢查子節(jié)點任務(wù)的父節(jié)點是否已經(jīng)保存在之前遍歷過的級中，如果已經(jīng)保存，則將子節(jié)點保存至當?shù)趇級，否則不保存；(5)重復步驟(2)、(3)和(4)，直至遍歷完所有任務(wù)，輸出結(jié)果，退出程序。所述步驟三的具體步驟如下:(I)初始化從第I級，開始進行任務(wù)分配；(2)假設(shè)在第I級中有NI個任務(wù)，將任務(wù)依次分配至M臺服務(wù)器，并計算出每個任務(wù)在分配至服務(wù)器后，產(chǎn)生的計算和通信網(wǎng)絡(luò)能耗；(3)同時計算出任務(wù)的太陽能利用率，選出利用率最高的任務(wù)-服務(wù)器分配組合；(4)如若同時有多個利用率相同的分配組合，則選出執(zhí)行時間最短的一組；(5)重復步驟(2)、(3)和(4)，直至第I級所有任務(wù)分配完畢；(6)完成第I級所有任務(wù)分配后1++，跳轉(zhuǎn)至步驟(I)；(7)當遍歷完所有級別后，程序結(jié)束，輸出太陽能利用率最高的任務(wù)分配方案。步驟一中所述的短期為一小時。本發(fā)明是一種面向數(shù)據(jù)中心的基于綠色能源感知的調(diào)度方法，主要解決的是數(shù)據(jù)中心中綠色能源充分利用的問題。本發(fā)明的有益效果在于:(I)本發(fā)明通過合理的預測方法，估算出未來短期內(nèi)可利用的太陽能量，在保證作業(yè)滿足時限需求的前提下，將作業(yè)進行預處理后實施合理分配，最后獲得了太陽能利用率最高的效果，達到了降低數(shù)據(jù)中心成本和含碳排放物的目的。(2)本發(fā)明以提高太陽能利用率為目的，復雜度低，運行速度快，因此該方法可以適用于規(guī)模大、任務(wù)數(shù)目多的數(shù)據(jù)中心。(3)本發(fā)明從全局角度出發(fā)，充分考慮數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗，模型上更加復雜，作業(yè)實時動態(tài)到達后進行感知調(diào)度，貼切實際應(yīng)用場景，通過仿真實驗的實驗結(jié)果證明了本發(fā)明的可靠性和優(yōu)越性。


圖1是數(shù)據(jù)中心的示意圖。圖2是本發(fā)明的方法流程圖。圖3是本發(fā)明作業(yè)預處理的流程圖。圖4是本發(fā)明任務(wù)分配的框圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一種面向數(shù)據(jù)中心的綠色能源感知的調(diào)度方法。在本發(fā)明中主要的側(cè)重是一種基于太陽能感知的調(diào)度方法，這種方法復雜度低，運行速度快，可以適用于大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。請參閱圖2，本發(fā)明所述基于綠色能源感知的調(diào)度方法以太陽能為綠色能源，將到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行優(yōu)化分配，所述數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該調(diào)度方法的步驟如下:步驟一，依據(jù)光照幅度和天氣狀況，通過預測獲得數(shù)據(jù)中心未來短期內(nèi)能夠利用的太陽能量。本發(fā)明通過預測的方法，估測出未來短期內(nèi)，例如一小時內(nèi)可供數(shù)據(jù)中心使用的太陽能量；預測太陽能主要依據(jù)兩個因素:光照幅度和天氣狀況，基于光照幅度可從理論上計算出下一時刻產(chǎn)生的能量，而天氣狀況則決定了能量的損失，比如晴天能量損失最低，
暴雪天損失最高。步驟二，對到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行預處理，每個作業(yè)由若干個任務(wù)組成，各任務(wù)之間存在通信約束關(guān)系，按照作業(yè)內(nèi)的通信約束關(guān)系對需要調(diào)度的作業(yè)進行分級，將無約束關(guān)系的任務(wù)逐次分配至每一級。在估測出未來短期內(nèi)太陽能的情況后，下一步要做的就是在滿足時限的需求下，將作業(yè)調(diào)度至太陽能足夠多的時候處理。在本發(fā)明中，主要考慮的作業(yè)模型為有向無環(huán)圖，每個作業(yè)由若干個任務(wù)組成，任務(wù)之間存在通信約束關(guān)系，所以在大批量調(diào)度作業(yè)之前，必須要對作業(yè)進行預處理，按照作業(yè)內(nèi)的約束關(guān)系將要調(diào)度的作業(yè)進行分級，將無約束關(guān)系的任務(wù)逐次分配至每一級，然后按照級別依次調(diào)度。所述步驟二的作業(yè)預處理方法請參閱圖3，其具體步驟如下:(I)當一組作業(yè)到達數(shù)據(jù)中心后，先緩存至數(shù)據(jù)中心的隊列；(2)初始化1:=0，將所有沒有父親節(jié)點的任務(wù)保存至于第i級；(3)接著i++處理下一級，找出上一級任務(wù)中所有子節(jié)點:如果沒有子節(jié)點，直接退出程序輸出結(jié)果；
(4)如有子節(jié)點，檢查子節(jié)點任務(wù)的父節(jié)點是否已經(jīng)保存在之前遍歷過的級中，如果已經(jīng)保存，則將子節(jié)點保存至當?shù)趇級，否則不保存；(5)重復步驟(2)、(3)和(4)，直至遍歷完所有任務(wù)，輸出結(jié)果，退出程序。步驟三，在滿足作業(yè)時限的需求下，對于完成預處理的作業(yè)集合按照級別進行調(diào)度，將每一級中的任務(wù)依次分配至每個服務(wù)器，分配過程中充分考慮服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗情況，并以達到最高的太陽能利用率為目的。對于已經(jīng)完成預處理的作業(yè)集合，接著要實現(xiàn)的是將每一級中的任務(wù)，以太陽能利用率最高為目的，依次分配至每個服務(wù)器，并且在分配的過程中充分考慮通信網(wǎng)絡(luò)的能耗代價；本方法的假設(shè)是已知任務(wù)的執(zhí)行時間、功耗以及通信帶寬和通信功耗，根據(jù)下面的步驟將所有的任務(wù)分配至服務(wù)器。所述步驟三的任務(wù)分配方法請參閱圖4，其具體步驟如下:( I)初始化從第I級，開始進行任務(wù)分配；(2)假設(shè)在第I級中有NI個任務(wù)，將任務(wù)依次分配至M臺服務(wù)器，并計算出每個任務(wù)在分配至服務(wù)器后，產(chǎn)生的計算和通信網(wǎng)絡(luò)能耗；(3)同時計算出任務(wù)的太陽能利用率，選出利用率最高的任務(wù)-服務(wù)器分配組合；(4)如若同時有多個利用率相同的分配組合，則選出執(zhí)行時間最短的一組；(5)重復步驟(2)、(3)和(4)，直至第I級所有任務(wù)分配完畢；(6)完成第I級所有任務(wù)分配后1++，跳轉(zhuǎn)至步驟(I)；(7)當遍歷完所有級別后，程序結(jié)束，輸出太陽能利用率最高的任務(wù)分配方案。
權(quán)利要求
1.一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法，以太陽能為綠色能源，將到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行優(yōu)化分配，其特征在于，所述調(diào)度方法步驟如下: 步驟一，依據(jù)光照幅度和天氣狀況，通過預測獲得數(shù)據(jù)中心未來短期內(nèi)能夠利用的太陽能量； 步驟二，對到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行預處理，每個作業(yè)由若干個任務(wù)組成，各任務(wù)之間存在通信約束關(guān)系，按照作業(yè)內(nèi)的通信約束關(guān)系對需要調(diào)度的作業(yè)進行分級，將無約束關(guān)系的任務(wù)逐次分配至每一級； 步驟三，在滿足作業(yè)時限的需求下，對于完成預處理的作業(yè)集合按照級別進行調(diào)度，將每一級中的任務(wù)依次分配至每個服務(wù)器，分配過程中充分考慮服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗情況，并以達到最高的太陽能利用率為目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于綠色能源感知的調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟二的具體步驟如下: (1)當一組作業(yè)到達數(shù)據(jù)中心后，先緩存至數(shù)據(jù)中心的隊列； (2)初始化1:=0，將所有沒有父親節(jié)點的任務(wù)保存至于第i級； (3)接著i++處理下一級，找出上一級任務(wù)中所有子節(jié)點:如果沒有子節(jié)點，直接退出程序輸出結(jié)果； (4)如有子節(jié)點，檢查子節(jié)點任務(wù)的父節(jié)點是否已經(jīng)保存在之前遍歷過的級中，如果已經(jīng)保存，則將子節(jié)點保存至當?shù)趇級，否則不保存； (5)重復步驟(2)、(3)和(4)，直至遍歷完所有任務(wù)，輸出結(jié)果，退出程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于綠色能源感知的調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟三的具體步驟如下: (1)初始化從第I級，開始進行任務(wù)分配； (2)假設(shè)在第I級中有NI個任務(wù)，將任務(wù)依次分配至M臺服務(wù)器，并計算出每個任務(wù)在分配至服務(wù)器后，產(chǎn)生的計算和通信網(wǎng)絡(luò)能耗； (3)同時計算出任務(wù)的太陽能利用率，選出利用率最高的任務(wù)-服務(wù)器分配組合； (4)如若同時有多個利用率相同的分配組合，則選出執(zhí)行時間最短的一組； (5 )重復步驟(2 )、( 3 )和(4 )，直至第I級所有任務(wù)分配完畢； (6)完成第I級所有任務(wù)分配后1++，跳轉(zhuǎn)至步驟(I)； (7)當遍歷完所有級別后，程序結(jié)束，輸出太陽能利用率最高的任務(wù)分配方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于綠色能源感知的調(diào)度方法，其特征在于，步驟一中所述的短期為一小時。
全文摘要
一種基于綠色能源感知的調(diào)度方法，以太陽能為綠色能源，將到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行優(yōu)化分配，其步驟為一，依據(jù)光照幅度和天氣狀況，通過預測獲得數(shù)據(jù)中心未來短期內(nèi)能夠利用的太陽能量；二，對到達數(shù)據(jù)中心的作業(yè)進行預處理，每個作業(yè)由若干個任務(wù)組成，各任務(wù)之間存在通信約束關(guān)系，按照作業(yè)內(nèi)的通信約束關(guān)系對需要調(diào)度的作業(yè)進行分級，將無約束關(guān)系的任務(wù)逐次分配至每一級；三，在滿足作業(yè)時限的需求下，對于完成預處理的作業(yè)集合按照級別進行調(diào)度，將每一級中的任務(wù)依次分配至每個服務(wù)器，分配過程中充分考慮服務(wù)器和通信網(wǎng)絡(luò)的能耗情況，并以達到最高的太陽能利用率為目的。本發(fā)明適用于任意動態(tài)的數(shù)據(jù)中心調(diào)度，達到了太陽能利用率最高并且降低數(shù)據(jù)中心成本和含碳排放物的效果。
文檔編號H04L12/869GK103107954SQ20131004591
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者敬超, 朱燕民, 李明祿 申請人:上海交通大學