基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

1. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究杨嘉晨 5070379022 June 17, 2011 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

2. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证大纲 .. 1 绪论背景介绍能耗模型虚拟化技术 2 相关研究成果硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 3 动态云资源管理系统CREAM设计与实现 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 4 对CREAM进行实验验证验证服务器的CPU利用率与其功率的关系 TPC-Wcpu负载生成器的实现实验环境搭建验证CREAM 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

3. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术本节大纲 .. 1 绪论背景介绍能耗模型虚拟化技术 2 相关研究成果硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 3 动态云资源管理系统CREAM设计与实现 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 4 对CREAM进行实验验证验证服务器的CPU利用率与其功率的关系 TPC-Wcpu负载生成器的实现实验环境搭建验证CREAM 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

4. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术服务器能源消耗的增长 .. 一直以来计算机产业的关注焦点是如何在摩尔定律的指导下提升系统的整体性能。随着计算机运算性能的指数级增长，计算资源所消耗的能源也一直不断增长。根据一份针对美国和世界上服务器消耗能源的调查报告显示,虽然每单位计算量的耗能是常数级别增长，但是如表所示，计算机系统的总耗电量一直在随着时间不断增加。表1 服务器类型 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 服务器组 186 193 200 207 213 219 225 中型服务器集群 424 457 491 524 574 625 675 高端服务器集群 5,534 5,832 6,130 6,428 6,973 7,651 8,163 表1 不同服务器级别的平均耗电量估计杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

5. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术服务器能源消耗的增长 .. 一直以来计算机产业的关注焦点是如何在摩尔定律的指导下提升系统的整体性能。随着计算机运算性能的指数级增长，计算资源所消耗的能源也一直不断增长。根据一份针对美国和世界上服务器消耗能源的调查报告显示,虽然每单位计算量的耗能是常数级别增长，但是如表所示，计算机系统的总耗电量一直在随着时间不断增加。表1 服务器类型 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 服务器组 186 193 200 207 213 219 225 中型服务器集群 424 457 491 524 574 625 675 高端服务器集群 5,534 5,832 6,130 6,428 6,973 7,651 8,163 表1 不同服务器级别的平均耗电量估计杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

6. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术计算系统中不同层次的能源消耗计算系统中不同层次的能源消耗杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

7. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术 CREAM — Coordinated Resource Energy-Aware Manager .. 本文在开源云资源管理框架OpenNEbula 的基础上提出了CREAM云资源管理系统，它改变了现有云资源管理器对虚拟机的看待方式，虚拟机不再是当作任务，虚拟机的开始与结束不再被认为是任务的开启与停止。认为虚拟机会持续不断地执行相当长的一段时间，在这段时间内不断监视虚拟机资源利用率的动态变化，并做出预测，判断虚拟机需要多少物理资源。 CREAM系统通过获得网页或者数据库这些服务器应用中都很常见的响应时间作为描述应用性能的指标，根据这个指标和CREAM监视到的动态变化的虚拟机的资源利用率，CREAM做出合理的资源需求预测。在应用层取得预测的服务器负载之后，根据预测负载来调整虚拟机的资源分配。当某台物理机资源空闲时，CREAM可以关闭它以节约能源，动态地将空闲的物理服务器转入待机状态，并在需要的时候通过网络唤醒技术（WOL，Wake On-Lan）自动地唤醒物理服务器。在4台物理服务器和8台虚拟机组成的集群上进行的长达7.5小时的实验表明，CREAM系统有效地降低了系统的总体能耗，节约了大约9.95% 的能源。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

11. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术能耗模型功率和能耗能用公式1和2表示。 P = E T (1) E = P · T (2) 动态能耗可以用公式3定义： Pdynamic = C · V 2 · f (3) 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

15. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术服务器不同组件的能源消耗 Disk(12W×1) PSU Loss PCI Slots(25W×2) Memory(8W×8) Motherboard Other CPU 4core CPU 4core Memory(8W×8) PSU Loss Disk(12W×1) PCI Slots(25W×2) Motherboard Other 服务器不同组件的能源消耗杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

16. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术对能耗的建模 Fan 等人发现了在服务器的CPU利用率和总功率之间的关系是线性关系，这种关系可以表示为公式4： P(u) = Pidle + (Pbusy − Pidle) ∗ u (4) 其中u是CPU利用率，P(u)是在CPU利用率为u时估计的功率，Pidle是服务器空闲时的功率，Pbusy是服务器满载时的功率。作者还给出了一个更精确的非线性模型，由公式5表示： P(u) = Pidle + (Pbusy − Pidle) ∗ (2u − ur ) (5) 其中额外的r是校准因子。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

21. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术 CPU利用率和能源消耗之间的关系线性公式4与测量值之间有5%以下的错误率，非线性公式 5的错误率则是1%以下。根据试验导出的r的估计值是 1.4 。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

22. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术 CPU利用率和能源消耗之间的关系线性公式4与测量值之间有5%以下的错误率，非线性公式 5的错误率则是1%以下。根据试验导出的r的估计值是 1.4 。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

24. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术虚拟化技术的优势通常虚拟化的作用是分散并重新整合物理的计算资源，从而虚拟化技术可以方便地得到以下优势: 1 服务器整合将多个未能充分利用的服务器资源整合在一起，从而节约硬件、管理成本、能源消耗。 2 软件迁移可以方便地迁移运行中的软件。 3 应用整合应用可能需要更新的硬件或者软件支持，通过虚拟化技术可以提供所需的支持从而运行应用。 4 沙盒化通过把应用放置在虚拟出的执行环境中，可以避免应用对外界造成影响。 5 虚拟硬件可以虚拟出更多硬件。 6 并行执行操作系统可以在同一套硬件环境上执行并行执行多个操作系统。 7 调试可以方便调试软件的执行过程。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

32. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术虚拟化技术的分类在相关工作中我将介绍各个领域对于控制服务器能源消耗的研究进展。这里我先介绍一下对于控制服务器能源消耗的关键技术虚拟化技术（Virtualization）的一些背景知识。指令集级别的虚拟化硬件抽象层的虚拟化半虚拟化操作系统级别虚拟化杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

37. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术指令集级别的虚拟化 Bochs 这是一个开源的X86架构的PC模拟器。它可以模拟几乎所有的X86指令集。 Bochs解释执行从开机到关机的每一条指令，并且模拟X86架构上需要的所有物理设备。 Crusoe 这是一个利用VLIW(Very Long Instruction Word，超长指令字)的处理器动态执行X86代码的硬件解释器。 QEMU 这是一个使用动态翻译技术的快速处理器模拟器。它支持两种模式，只模拟用户空间进程或者模拟整个操作系统。由于使用了动态翻译技术，它的执行速度比Bochs 要快很多。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

40. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术硬件抽象层的虚拟化 VMWare VMWare的虚拟机管理器（VMM Virtual Machine Manager）可以以独立的方式运行，也可以以寄宿的方式运行在一个宿主（host）操作系统内部。在宿主操作系统内运行时， VMWare通过插入驱动的方式获得特权执行权限。 Virtual PC 微软的Virtual PC采用类似VMWare的方式执行。与 VMWare不同的是，Virtual PC提供了在Macintosh计算机上二进制翻译执行X86代码的能力。然而Virtual PC具有更多VMWare所没有的缺陷，比如虚拟机创建之后就不能再修改其硬件配置，以及支持更少的外部设备类型和客户(Guest)操作系统类型。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

41. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术硬件抽象层的虚拟化 VMWare VMWare的虚拟机管理器（VMM Virtual Machine Manager）可以以独立的方式运行，也可以以寄宿的方式运行在一个宿主（host）操作系统内部。在宿主操作系统内运行时， VMWare通过插入驱动的方式获得特权执行权限。 Virtual PC 微软的Virtual PC采用类似VMWare的方式执行。与 VMWare不同的是，Virtual PC提供了在Macintosh计算机上二进制翻译执行X86代码的能力。然而Virtual PC具有更多VMWare所没有的缺陷，比如虚拟机创建之后就不能再修改其硬件配置，以及支持更少的外部设备类型和客户(Guest)操作系统类型。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

42. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术半虚拟化上述虚拟化技术的优势在于可以不经修改地运行绝大多数操作系统，不过牺牲了大量性能来解释执行。当虚拟机的数量达到更大规模的时候，解释执行由于其架构特点导致效率难以承受。这种虚拟化技术叫做全虚拟化（Full-virtualization）。另一种方式是修改操作系统的代码，以获得更高的执行性能以及更好的可扩展型。有至少两种不同的途径做到这一点。 Denali 威斯康星大学的Denali项目通过传统的系统调用的方式实现一套虚拟指令集和虚拟寄存器，为其上层的软件和操作系统提供一套虚拟硬件设备，从而做到虚拟化执行的能力。 Xen Denali项目需要整个重新编写新的运行于其上的操作系统，与此不同， Xen通过对现有操作系统打补丁修改的方式，实现虚拟化从而允许现有操作系统上的应用程序保持不变。本文的实验系统采用Xen虚拟机管理器构建的虚拟化环境。 User Mode Linux 用户模式的Linux采用相反的方式，将Linux 实现于用户模式中，从而允许在一个普通操作系统的进程里运行一个Linux操作系统。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

47. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术操作系统级别虚拟化全虚拟化方式和半虚拟化方式，都是在执行层次中添加一层VMM层实现。而操作系统级别的虚拟化直接在操作系统层中实现VMM的功能，从而实现虚拟化。操作系统级别虚拟化中比较著名的是Linux KVM（Kernel mode Virtual Machine），它是在操作系统中隔离出不同的VE（Virtual Environment，虚拟执行环境），每一个VE有不同的根文件系统、进程组、启动引导脚本、网络配置等，从而从效果上达到将一个操作系统当作多个操作系统使用的能力。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

48. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证背景介绍能耗模型虚拟化技术操作系统级别虚拟化全虚拟化方式和半虚拟化方式，都是在执行层次中添加一层VMM层实现。而操作系统级别的虚拟化直接在操作系统层中实现VMM的功能，从而实现虚拟化。操作系统级别虚拟化中比较著名的是Linux KVM（Kernel mode Virtual Machine），它是在操作系统中隔离出不同的VE（Virtual Environment，虚拟执行环境），每一个VE有不同的根文件系统、进程组、启动引导脚本、网络配置等，从而从效果上达到将一个操作系统当作多个操作系统使用的能力。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

49. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持本节大纲 .. 1 绪论背景介绍能耗模型虚拟化技术 2 相关研究成果硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 3 动态云资源管理系统CREAM设计与实现 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 4 对CREAM进行实验验证验证服务器的CPU利用率与其功率的关系 TPC-Wcpu负载生成器的实现实验环境搭建验证CREAM 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

50. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持硬件级别针对服务器节能的研究如同在上一章中介绍的，对于计算资源的节能的研究开始于硬件阶段，最初应用于电池供电的手持设备上。这些技术运用于服务器之后，主要导致了两大技术，分别是 DVFS Dynamic Voltage and Frequency Scaling，动态电压频率调节 ACPI Advanced Configuration and Power Interface，高级电源管理接口杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

53. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 DVFS 根据在前面给出的公式3，CPU的功率由两个动态部分决定，分别是表示电压的平方的V 2 以及表示时钟频率的f。由此我们也可以看出，尽管可以单独地调整CPU频率，不过这对功率的影响并不那么显著，而调整 CPU的工作电压通常需要调整到合适的工作频率，因此通常一起调整CPU的电压和频率以降低功耗。这种技术就是DVFS技术。虽然DVFS技术的应用看起来似乎很简洁明了，不过要将这项在手持设备中广泛运用的技术实际应用到服务器环境中，还是有很多问题有待解决。首先，因为现代计算机 CPU架构的复杂性（比如有流水线、多级缓存等），预测能够符合应用程序性能需求的 CPU时钟周期并不那么简单。并且对CPU时钟频率的改变将直接影响到一段程序的执行时间，从而DVFS将导致执行时间的非线性变化，比如说相比较于CPU密集型的进程，I/O密集型的进程的执行时间就不那么受到DVFS的影响。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

54. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 ACPI 许多动态电源管理策略，比如上面提到的DVFS控制策略，可以被单独用硬件电路实现，不过这将导致相当复杂的实现逻辑以及不灵活。因此，为了解决这个问题，于1996年 Intel、微软、东芝联合发表了第一版的ACPI标准，旨在将电源管理机制和策略分离，统一电源管理机制的接口，并用软件方式实现电源管理策略。 ACPI定义了一系列耗电状态，可以在系统中适时调整。其中比较重要的是： S状态 C状态 P状态杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

59. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 S状态— 睡眠状态 S状态S0–S5描述了计算机处于何种睡眠（Sleep）等级。其中S0是正常运行状态。S3是通常操作系统提供的待机（Suspend）状态，也叫内存睡眠状态（Sleep to Memory），此时CPU停止供电，内存维持低功耗状态保持数据，失去供电时数据会丢失，部分外设维持供电，允许产生中断事件唤醒CPU。S5是通常操作系统提供的休眠（Hibernate）状态，也叫磁盘睡眠状态（Sleep to Disk），此时所有设备停止供电，可以切断外接电源供电。除了这三个常见的S状态之外，S1和S2状态是不同程度的睡眠状态，保持不同等级的CPU 缓存的数据不会丢失。S4状态是通常操作系统的混合睡眠状态（Hybrid Suspend），在写入磁盘S5状态所需的休眠数据后进入S3睡眠，从而可以在保持供电时快速唤醒，在失去供电时不至于丢失数据。 S状态间的切换可能需要人可感知的秒级时间间隔，并且通常由计算机的操作者手动发起切换操作。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

62. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 C状态— 空闲状态 C状态C0–C3描述了CPU处于何种空闲（Idle）等级。其中C0-C3依次是CPU的运转状态、停机（halt）状态、停止时钟状态、以及睡眠（Sleep）状态。在CPU没有任务运转时， C状态处于C1以上等级。 ACPI设备通常还记录了CPU处于C0和C1状态的累计时间。由于没有 CPU时钟，C2以上等级的时间则不记录。 C状态间的切换由操作系统的调度程序在处于空闲没有可以调度的任务时进行，不同C 状态等级间的切换间隔对人的感知而言很短，但是对计算机而言相对很长。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

65. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 P状态— 运行状态当CPU处于运转状态时，它有可能处于某一种P状态，P状态P0–Pn描述了CPU处于何种电压/频率，每一个P状态描述一种DVFS的电压/频率设置组合。P0–Pn总是按照频率降序排列。通过调节P状态节省电能的技术在Intel CPU中被称作 SpeedStep技术，在AMD CPU中被称为 PowerNow! 或者 Cool‘n’Quiet技术，在 VIA CPU中被称作 PowerSaver技术。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

66. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 P状态— 运行状态当CPU处于运转状态时，它有可能处于某一种P状态，P状态P0–Pn描述了CPU处于何种电压/频率，每一个P状态描述一种DVFS的电压/频率设置组合。P0–Pn总是按照频率降序排列。通过调节P状态节省电能的技术在Intel CPU中被称作 SpeedStep技术，在AMD CPU中被称为 PowerNow! 或者 Cool‘n’Quiet技术，在 VIA CPU中被称作 PowerSaver技术。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

68. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持操作系统和应用级别对服务器节能的研究如同上文所述，硬件中的节能相关研究关注于实现节能机制，从而将更多的节能策略留给操作系统层乃至应用层来实现。本节中我将讨论操作系统中实现的节能机制和相关研究。 Pallipadi等人在Linux系统中实现了一套按需调节器（Ondemand governor）。该调节器监视每秒的CPU利用率，并设置一对时钟频率 / 电压，对应当前的CPU工作负载，以保持CPU在大约80%的空闲。通过获取应用级别的负载数据而不是CPU利用率，可能达到更好的节能效果。 Liu提到了通过排队预测来估计网页服务器负载的可能性。 Horvath 则实现了通过获取Apache服务器的吞吐率数据来指导调节 CPU的DVFS方式，已经达到了比Linux内核的按需调节器更好的节能效果。 Sachs等人开发了Illinois GRACE (Global Resource Adaptation through CoopEration)项目，他们提出在多层系统中通过正交自适应调节系统资源来满足应用的需求。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

73. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持虚拟化层对电源管理的影响虚拟化技术及动态迁移技术的出现为这个领域注入了新的可能性。传统的负载均衡只能应用于HTTP服务器这样的无连接服务器，并且也不够灵活。而动态迁移的出现使得负载均衡能够施展在所有应用种类的服务器上，并且保证了不损伤用户体验。虚拟化层的引入允许对操作系统和其上的应用程序从运行它们的硬件环境中剥离出来。从而，有两种方式允许虚拟化层影响电源管理： 1 虚拟化层可以作为统一的电源管理的操作系统层，它监视整个系统的性能，并且适当地调节系统的DVFS等策略。 2 另一种途径是利用操作系统的特定的电源管理策略以及应用层的数据，然后映射那些对能耗控制相关的请求，综合考量这些来自虚拟机的请求并做出一致的决策。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

76. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 Xen对节能的支持 .. Xen在其ACPI相关驱动中实现了对CPU的P-State的调整策略。和Linux的电源管理子系统类似， Xen通过周期性地监视整个系统的CPU利用率，计算出合适的P-State，然后发出状态调节指令。 Xen也提供了四种预设的调节策略: Ondemand — 根据当前的系统CPU利用率按需调节P-State Userspace — 根据用户的决策调节 Performance — 始终保持最高的时钟频率 Powersave — 始终保持最低的时钟频率除了调整P-State之外，Xen也同样会调整CPU的C-State。并且Xen还支持虚拟机的LM （Live Migration动态迁移）技术，允许允许动态的 VM整合。迁移技术是指在物理服务器之间搬运虚拟机。通常的迁移技术是通过停止虚拟机运行，然后复制虚拟机的内存数据，然后在目标物理机上恢复虚拟机运行的方式实现的。而动态迁移则允许在不中断虚拟机运行的前提下搬运内存，从而用户角度来看察觉不到迁移的过程。为了进行动态迁移，两台物理机都必须运行Xen，并且目标物理机必须有足够的物理资源（内存大小）。在LM开始时，Xen首先在目标物理机上建立一个虚拟机的空模板，然后不断的通过网络传输VM的内存，并监视哪些内存页被重写并重新传输。当Xen观测到重写的页面数量不再缩减之后，再终止源物理机上的虚拟机运行，并继续传输剩下为数不多的内存页面，然后在目标物理机上继续运行虚拟机。这么做的前提是所有虚拟机能够一致地访问磁盘存储，这通常使用 NAS(Network Attached Storage)或者类似的方式实现，这样就避免了复制虚拟机的磁盘镜像。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

82. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器本节大纲 .. 1 绪论背景介绍能耗模型虚拟化技术 2 相关研究成果硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 3 动态云资源管理系统CREAM设计与实现 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 4 对CREAM进行实验验证验证服务器的CPU利用率与其功率的关系 TPC-Wcpu负载生成器的实现实验环境搭建验证CREAM 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

83. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 CREAM系统总体介绍 .. ....CREAM. OpenNEbula ... Xen . Xen . VM . VM . VM . VM CREAM的层次关系 CREAM构建于开源云管理框架OpenNEbula和开源虚拟机管理器Xen的基础上。这三者和虚拟机的管理的关系可以用左图表示。如同在图中所描述的， CREAM基于开源的虚拟化云管理引擎OpenNEbula 构建，它采用 OpenNEbula 搭建起来的云环境，调节控制由OpenNEbula 管理的虚拟机。而OpenNEbula又基于Xen虚拟化技术构建起云环境。由于CREAM增加了更多 OpenNEbula所不支持的虚拟机动态迁移决策，这一部分功能会抛弃OpenNEbula直接调用Xen执行。在Xen环境上则构建VM虚拟机。 Xen提供了执行虚拟机的能力。在此基础上， OpenNEbula提供了创建和管理虚拟机集群的能力。我们的CREAM云管理器基于 OpenNEbula构建，提供了对云资源的动态整合和调整的能力。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

84. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器本节大纲 .. 1 绪论背景介绍能耗模型虚拟化技术 2 相关研究成果硬件级别针对服务器节能的研究操作系统和应用级别对服务器节能的研究虚拟化技术以及Xen对节能的支持 3 动态云资源管理系统CREAM设计与实现 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 4 对CREAM进行实验验证验证服务器的CPU利用率与其功率的关系 TPC-Wcpu负载生成器的实现实验环境搭建验证CREAM 杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

85. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 OpenNEbula云管理器在CREAM系统中，我使用了开源的OpenNEbula云管理器作为虚拟机的管理平台，负责创建、监视管理所有物理机和虚拟机组成的动态虚拟机池。这样的服务器集群由如下部分组成：前端服务器(Front-end Server) 虚拟化服务器结点(Nodes) 镜像仓库(Image Repository) OpenNEbula守护进程（Oned） OpenNEbula驱动程序（Drivers）杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

86. . . . . . . 绪论相关研究成果动态云资源管理系统CREAM设计与实现对CREAM进行实验验证 CREAM系统总体介绍 OpenNEbula云管理器 CREAM主循环 CREAM 性能监视器 CREAM 调度器 OpenNEbula作为云管理器的优势 .. 用户权限管理支持云环境的统一用户权限管理，多个云用户和管理员角色支持用户消耗的云资源（物理资源，不包括电能等动态变化的资源）的计数统计，以及更好的角色安全性。虚拟机镜像的集中式管理用OpenNEbula2.0版本以上构建的虚拟机镜像仓库（Image repository），支持仓库中的镜像的分类、访问控制。当创建虚拟机时，自动部署所需要的镜像到目标结点服务器上。虚拟网络管理支持虚拟机间、以及虚拟机和物理机存在的虚拟私有网络的统一管理。支持静态分配以及指定动态范围的IP、MAC地址分配。支持配置虚拟机的网络共享和网络隔离。虚拟机实例管理管理多种虚拟机管理器（VMM）创建出的虚拟机的生命周期，部署、创建、关闭、销毁、迁移虚拟机。支持在虚拟机的状态变化时触发指定脚本动作。虚拟机的共享存储管理支持采用多种共享存储方式，比如NFS共享存储、 iSCSI 和LVM（Linux Volume Manager）共享存储。支持在不同的共享存储方式间复制虚拟机镜像文件。程序接口 OpenNEbula支持多种编程语言的访问接口，包括一套用C语言调用的 libvirt虚拟化控制器库接口，一套XMLRPC（XML远程过程调用，XML　Remote Process Call）接口，以及通过Ruby、Java、Python等编程语言访问的接口。这给于了OpenNEbula极大的可扩展型。开源调度框架Haizea 和我们的 CREAM调度器都采用Python API与OpenNEbula相互调用。杨嘉晨 5070379022 基于OpenNEbula的虚拟化服务器集群中节能的研究

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