發(fā)布時(shí)間：2015-01-09 12:32

【摘要】 隨著云計(jì)算模式的發(fā)展和虛擬化技術(shù)帶來的種種好處，云計(jì)算中心會(huì)是支持傳統(tǒng)高性能計(jì)算、支持MapReduce大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、支持多租戶使用模式的物理和虛擬機(jī)群并存的狀態(tài)；同時(shí)，為了更大范圍的提供計(jì)算能力，多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算中心之間需要通過協(xié)同共享的方式來為彼此提供更多的資源。在這樣一個(gè)復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施使用模式下，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)�；A(chǔ)設(shè)施的有效管理和如何為應(yīng)用按需提供計(jì)算能力是一個(gè)較難解決的問題。本文針對(duì)這個(gè)問題，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中列舉了三種常見的使用場景，并總結(jié)了它們對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)提出的種種需求，結(jié)合這些需求，提出了下一代互聯(lián)網(wǎng)高性能計(jì)算中心基礎(chǔ)設(shè)施管理原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和方案，并給出了具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路線。研究了傳統(tǒng)高性能計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算以及帶有虛擬化特征的云計(jì)算并結(jié)合公安系統(tǒng)的云計(jì)算中心項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)了支持傳統(tǒng)高性能計(jì)算、支持MapReduce大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、支持多租戶使用模式的物理和虛擬機(jī)群并存的狀態(tài)。為了更大范圍的提供計(jì)算能力，多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算中心之間通過協(xié)同共享的方式來為彼此提供更多的資源。本文闡明了整個(gè)系統(tǒng)的需求分析、總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)部署上線。整個(gè)項(xiàng)目歷時(shí)兩年多，取得了非常好的效果。最后，本文總結(jié)了未來可能的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。

近年來，隨著企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展和對(duì)利用信息技術(shù)發(fā)展業(yè)務(wù)的依賴性提高，對(duì)信息技術(shù)（IT）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大，對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求量也越來越大，數(shù)據(jù)中心能耗所帶來的支出已經(jīng)成為信息技術(shù)相關(guān)運(yùn)營成本的主要構(gòu)成部分。如何提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，節(jié)能減排，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本已成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行管理及組織管理人員越來越為關(guān)注的事情。數(shù)據(jù)中心密集運(yùn)行信息技術(shù)設(shè)備，其應(yīng)用特性決定了數(shù)據(jù)中心屬于能耗密集型產(chǎn)業(yè)，大容量的數(shù)據(jù)中心更是能耗巨大，其能耗成本往往占數(shù)據(jù)中心總體運(yùn)營成本的30~50%，在低能效的數(shù)據(jù)中心甚至更高。

要提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的能效，降低能耗需求，涉及到“設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理”三個(gè)方面。“設(shè)計(jì)”指的是在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)上，合理布置功能分區(qū)，采用節(jié)能高效的系統(tǒng)技術(shù)方案，為數(shù)據(jù)中心高效運(yùn)行打下根基；“建設(shè)”指的是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)階段，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)施，確保工藝質(zhì)量，避免出現(xiàn)由于實(shí)施安裝質(zhì)量問題導(dǎo)致的運(yùn)行不穩(wěn)定、消耗增大的問題；“管理”是指在數(shù)據(jù)中心投入運(yùn)行后，通過制定數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行策略，利用監(jiān)控工具對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和測量，對(duì)數(shù)據(jù)中心能源消耗情況、能耗分布情況進(jìn)行深入的分析和研究，進(jìn)而有針對(duì)性地制定優(yōu)化措施和調(diào)整方案，以提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效。
本文調(diào)研和分析數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)分布情況，以及國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)常見的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，研究數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能耗數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)計(jì)分析模型的建立方法。建立案例數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理模型和統(tǒng)計(jì)分析模型。對(duì)案例數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的能效管理工具進(jìn)行優(yōu)化完善，實(shí)現(xiàn)一個(gè)更有效的、更能指導(dǎo)能效管理的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目測試驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

 

Abstract

In recent years, with the rapid developing of enterprises business and dependent on the use of information technology development, the demand of data centers is increasing. However, the power consumption of data center will bring a serious burden to operating costs. Therefore, to improve data center facility efficiency and save energy has become the main concern of operational management and organizational management. 

To improve data center facility energy efficiency management and save energy, it involves three aspects of the data center: preliminary design, project construction and operations management. 'Preliminary Design' refers in the data center planning and design, to make layout of functional areas reasonable, and use of energy efficient systems technology program so as for the efficient operation of data centers and lay the foundation. 'Project Construction' refers in the construction stage in the data center, which has to be implement in strict accordance with the design requirements, ensure the process quality. 'Operations Management' refers In the data center operation management, through the data center infrastructure operation strategy, the operators use monitoring tools to monitor the running state of the data center infrastructure and measurement, and the data center energy consumption, energy consumption distribution of in-depth analysis and research.
In this paper, it researched and analysis of the structure of data centers, and introduced data center energy efficiency management system at home and abroad research and application status. Analyzing common data center infrastructure system architecture and establishing data center infrastructure energy consumption data model and the method of statistical analysis model. To optimize management tools and promote a more effective and guide management of energy efficiency management system, and then test verify the effectiveness of the system and combined with actual project.
Key Words: data center, facility, energy efficiency management, analysis model, energy consumption 

目錄

 

摘  要 I
Abstract II
第一章  緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4
1.3 論文的主要研究內(nèi)容 5
1.4 論文的組織結(jié)構(gòu) 6
第二章 關(guān)鍵技術(shù)研究 8
2.1 軟件工程設(shè)計(jì)方法 8
2.1.1 需求分析 8
2.1.2 概要設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì) 8
2.1.3 代碼實(shí)現(xiàn) 8
2.1.4 軟件測試 9
2.2 能效邏輯 9
2.3 重要參數(shù)數(shù)據(jù)字典化 9
2.4 電量采集的顆粒度 10
2.5 能效評(píng)價(jià)指標(biāo) 11
2.6 本章小結(jié) 12
第三章 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效模型 14
3.1 現(xiàn)有能效分布情況 14
3.2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心能效管理方案 15
3.2.1 分析依據(jù) 15
3.2.2 施耐德PowerStruxure方案 16
3.2.3 艾默生Smart Aisle方案 16
3.2.4 國家電網(wǎng)能效管理方案 17
3.2.5 總結(jié)分析 18
3.3 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理統(tǒng)計(jì)分析模型 18
3.3.1 電能效率維度 18
3.3.2 諧波量維度 21
3.3.3 三相不平衡維度 23
3.4 本章小結(jié) 25
第四章 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26
4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu) 26
4.2 軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì) 27
4.2.1 數(shù)據(jù)采集層 27
4.2.2 數(shù)據(jù)層 30
4.2.3 服務(wù)層 31
4.2.4 展現(xiàn)層 32
4.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì) 33
4.3.1 用戶信息邏輯關(guān)系與數(shù)據(jù)庫表 34
4.3.2 用戶角色邏輯關(guān)系與數(shù)據(jù)庫表 34
4.3.3 區(qū)域設(shè)備參數(shù)信息邏輯關(guān)系與數(shù)據(jù)庫表 35
4.3.4 監(jiān)測區(qū)域邏輯關(guān)系與數(shù)據(jù)庫表 36
4.3.5 監(jiān)測指標(biāo)邏輯關(guān)系與數(shù)據(jù)庫表 38
4.4 能效管理結(jié)果應(yīng)用 39
4.5 本章小結(jié) 40
第五章  數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 42
5.1 開發(fā)環(huán)境的選擇 42
5.2 系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn) 42
5.3 數(shù)據(jù)庫訪問的實(shí)現(xiàn) 44
5.3.1 存儲(chǔ)過程的創(chuàng)建 44
5.3.2 數(shù)據(jù)庫的連接 44
5.4 系統(tǒng)界面 45
5.4.1 主界面模塊 45
5.4.2 角色與用戶管理模塊 46
5.4.3 空調(diào)管理模塊 48
5.4.4 不間斷電源設(shè)備監(jiān)控模塊 48
5.4.5 監(jiān)控區(qū)域模塊 49
5.4.6 電氣系統(tǒng)圖 50
5.4.7 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)分析模塊 50
5.5 本章小結(jié) 51
第六章 系統(tǒng)驗(yàn)證 54
6.1 測試內(nèi)容 54
6.2 測試環(huán)境與配置 55
6.3 測試方法和工具 55
6.4 測量點(diǎn)選擇 56
6.5 測試數(shù)據(jù)與總結(jié) 56
6.6 本章小結(jié) 58
第七章 結(jié)論與展望 60
7.1 結(jié)論 60
7.2 展望 61
參 考 文 獻(xiàn) 63
致    謝 65
個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的論文與研究成果 67

 

第一章  緒論

 

1.1 研究背景與意義

近年來，隨著企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展和對(duì)利用信息技術(shù)發(fā)展業(yè)務(wù)的依賴性提高，對(duì)信息技術(shù)（Information Technology，IT）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的不斷加大，對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求量也越來越大，數(shù)據(jù)中心能耗所帶來的支出已經(jīng)成為信息技術(shù)相關(guān)運(yùn)營成本的主要構(gòu)成部分。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營管理及組織管理人員越來越為關(guān)注如何提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，節(jié)能減排，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本。
數(shù)據(jù)中心能耗由數(shù)據(jù)中心內(nèi)安裝運(yùn)行的信息技術(shù)設(shè)備，以及為保證信息技術(shù)設(shè)備正常運(yùn)行所配套的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施（包括供配電、制冷、照明等）的能耗兩大部分組成，在本論文中，不討論信息技術(shù)設(shè)備能效管理問題，僅探討數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理問題。

 

第七章 結(jié)論與展望

 

7.1 結(jié)論

本文通過分析和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)能效管理模型，主要完成以下工作：調(diào)研和分析數(shù)據(jù)中心機(jī)房能耗結(jié)構(gòu)分布情況，以及國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心能效管理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)常見的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，研究數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理能耗數(shù)據(jù)模型和統(tǒng)計(jì)分析模型的建立方法。建立案例數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理數(shù)據(jù)中心模型和統(tǒng)計(jì)分析模型。對(duì)案例數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的能效管理工具進(jìn)行優(yōu)化完善，實(shí)現(xiàn)一個(gè)更有效的、更能指導(dǎo)能效管理的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理系統(tǒng)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目測試驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。
本人在此項(xiàng)目中的工作主要是：
（1） 從能效分析模型的需求、模型現(xiàn)狀分析、能效邏輯模型建立三方面闡述數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效數(shù)據(jù)模型的建立。為能效分析提供模型支撐，該部分為數(shù)據(jù)中心能效評(píng)估軟件的核心部分。其中，能效模型分析主要包括用戶監(jiān)測需求、環(huán)境需求、數(shù)據(jù)中心實(shí)際能耗以及模型需求方面描述，通過對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施共性的分析，總結(jié)出有效的統(tǒng)計(jì)方法和計(jì)算模型，針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)中心，筆耕文化傳播，根據(jù)管理要求建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型，再通過能效拓?fù)涔芾砉δ苣K定制到能效管理系統(tǒng)中，確保滿足該數(shù)據(jù)中心的管理要求。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)能效管理將從電能效率、諧波量、三相不平衡度的三個(gè)維度進(jìn)行分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析。
（2） 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理軟件總體設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)總體架構(gòu)、軟件架構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、能效管理優(yōu)化方案。將能效管理軟件總體架構(gòu)分為四層，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和展現(xiàn)層。采集層支持不同的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，完成能效管理所需數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)層按一定的規(guī)則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集層傳輸過來的能耗數(shù)據(jù)。本文主要采用數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，同時(shí)使用數(shù)據(jù)字典完成數(shù)據(jù)索引。服務(wù)層提供數(shù)據(jù)處理服務(wù)和第三方接口服務(wù)，對(duì)所采集和存儲(chǔ)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和管理。展現(xiàn)層提供統(tǒng)一的門戶，實(shí)現(xiàn)能效管理結(jié)果的展示，并可通過該門戶進(jìn)行用戶登錄、系統(tǒng)管理、定制管理、報(bào)表管理等操作。數(shù)據(jù)庫主要包括5個(gè)數(shù)據(jù)庫表，分別為用戶信息表、用戶角色信息表、監(jiān)測參數(shù)信息表、監(jiān)測區(qū)域環(huán)境表、監(jiān)測指標(biāo)信息表。

（3） 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理軟件的實(shí)現(xiàn)與測試。項(xiàng)目中選擇了C#與.Net Framework 4.0來進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)選擇SQL Server2005作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。模塊實(shí)現(xiàn)主要包括采集模塊、數(shù)據(jù)庫訪問模塊、系統(tǒng)的操作界面設(shè)置，操作界面的實(shí)現(xiàn)主要由主界面、角色與用戶管理模塊、空調(diào)模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊、監(jiān)控參數(shù)模塊以及監(jiān)控區(qū)域。以中金數(shù)據(jù)中心為案例，對(duì)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理模型和軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，并利用實(shí)際采集的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)中心能效管理軟件進(jìn)行測試。

 

7.2 展望
未來10年，可以預(yù)期企業(yè)對(duì)信息技術(shù)的依賴程度將會(huì)日漸加深，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)建設(shè)投入逐步加大，對(duì)數(shù)據(jù)中心的需求量也會(huì)隨之增大，數(shù)據(jù)中心能耗所帶來的支出已經(jīng)成為信息技術(shù)相關(guān)運(yùn)營成本的主要構(gòu)成部分。如何提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，節(jié)能減排，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本已成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行管理及組織管理人員越來越為關(guān)注的事情。數(shù)據(jù)中心密集運(yùn)行信息技術(shù)設(shè)備，其應(yīng)用特性決定了數(shù)據(jù)中心屬于能耗密集型產(chǎn)業(yè)，大容量的數(shù)據(jù)中心更是能耗巨大，其能耗成本往往占數(shù)據(jù)中心總體運(yùn)營成本的40~60%，在低能效的數(shù)據(jù)中心甚至更高。
要提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的能效，降低能耗需求，涉及到“設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理”三個(gè)
方面。“設(shè)計(jì)”指的是在數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì)上，合理布置功能分區(qū)，采用節(jié)能高效的系統(tǒng)技術(shù)方案，為數(shù)據(jù)中心高效運(yùn)行打下根基。“建設(shè)”指的是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)階段，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行實(shí)施，確保工藝質(zhì)量。 “管理”是指在數(shù)據(jù)中心投入運(yùn)行后，通過制定數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行策略，切實(shí)提高運(yùn)行效率，降低數(shù)據(jù)中心能耗。
而在“管理”方面，好的管理工具和系統(tǒng)平臺(tái)是必不可少的，只有這樣才能掌握充分、全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況和能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而采取有效的措施，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行管理策略，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行效率，降低數(shù)據(jù)中心能耗。
本研究實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理系統(tǒng)將在“管理”方面，為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營管理者提供強(qiáng)有力的支持和幫助。

目前，中金數(shù)據(jù)系統(tǒng)有限公司已經(jīng)計(jì)劃在其它數(shù)據(jù)中心部署數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施能效管理軟件，以全面掌握各地?cái)?shù)據(jù)中心能耗情況，為提高數(shù)據(jù)中心能源效率和節(jié)能減排、降低運(yùn)營成本提供數(shù)據(jù)支撐和決策支持。

 

參 考 文 獻(xiàn)
[1] 王鑫濤.  云管理平臺(tái)中虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連理工大學(xué) 2013
[2] 丘群業(yè).  企業(yè)私有云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)研究與設(shè)計(jì)[D]. 華南理工大學(xué) 2012
[3] 魏偉.  一種基于laaS的模式的管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 復(fù)旦大學(xué) 2012
[4] 劉金濤.  基于云計(jì)算的資源開放平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學(xué) 2012
[5] 邵文清.  基于Xen的云管理平臺(tái)下資源調(diào)度策略的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學(xué) 2012
[6] 楊光.  基于云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D]. 成都理工大學(xué) 2012
[7] 劉英男.  基于云計(jì)算框架的終端管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學(xué) 2011
[8] 王佳雋.  基于云計(jì)算環(huán)境的虛擬化資源管理研究[D]. 復(fù)旦大學(xué) 2011

 

本文編號(hào)：11050