Експериментальне дослідження енергоефективності обробки даних в розподіленому дата центрі
Вантажиться...
Дата
2019
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Робота містить 99 сторінок, 31 рисунок та 12 таблиць. Було використано 52 джерела.
Мета дослідження – підвищити енергоефективність та продуктивність обробки запитів користувача в гетерогенному ЦОД (центрі обробки даних) оператора зв’язку.
Завдання:
1. Дослідити технологію NFV (Network Function Virtualization), а також особливості її використання в мережі LTE. Визначити підхід щодо розрахунку обсягу навантаження, який надходитиме на ЦОД мобільних операторів зв’язку України.
2. Дослідити існуючі алгоритми балансування навантаження в серверному кластері, визначити їх переваги та недоліки.
3. Розробити удосконалений алгоритм балансування навантаження, який покращить енергоефективність обробки даних на основі даних, отриманих за запропонованим розрахунком обсягу навантаження.
4. Створити імітаційну модель серверного кластеру з функцією балансування навантаження в середовищі Matlab, базуючись на отриманих даних. Після проведеної апробації моделі дослідити ефективність запропонованого алгоритму на прикладі дата-центру з середнім розміром (100 вузлів).
5. Розробити крос-платформне ПЗ (програмне забезпечення), яке виконуватиме функції балансування навантаження. ПЗ має містити можливості автоматизованого формування логічних кластерів серед наявних фізичних серверів, які знаходяться як в одній фізичній мережі, так і в різних, а також підтримки функцій балансування навантаження серед усіх вузлів логічного кластера.
6. Провести апробацію розробленої імітаційної моделі.
Об’єкт дослідження: процес балансування навантаження в розподілених дата-центрах (серверних кластерах) операторів мобільного зв’язку.
Предмет дослідження: підходи щодо покращення ефективності гетерогенної територіально розподіленої віртуалізованої інфраструктури оператора мобільного зв’язку.
Методи дослідження:
1. Теоретичне дослідження – математичні методи системного аналізу, загальнодоступні специфікації технологій, наукові праці, статистики та прогнози операторів стільникового зв’язку;
2. Імітаційне моделювання - програма математичного моделювання Matlab;
3. Апробація на обладнанні - серверний кластер Технічного університету Дрездена для перевірки адекватності моделі алгоритмів балансування навантаження.
Новизна роботи:
Запропонований підхід до енергоефективного планування завдань складається, на відміну від відомих, з двох основних етапів:
1. Етап попередньої атестації;
2. Етап планування завдань.
Етап попередньої атестації проводиться у серверному кластері періодично, при його налаштуванні. Індивідуальне визначення функцій P = f(CPU) для кожного вузла обробки та їх подальше використання у процесі планування завдань є ключовою особливістю запропонованого підходу.
Другий етап передбачає на відміну від відомих технічних рішень вирішення оптимізаційного завдання за критеріями енергоефективності та продуктивності обробки завдань з використанням індивідуально визначених енергетичних моделей вузлів. Результатом цього процесу є розміщення кожного поточного завдання для обробки на сервер із оптимальними параметрами.
Запропонований підхід представлено у вигляді алгоритму планувальника завдань.
Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій:
1. Проведено аналіз існуючих підходів до підвищення енергоефективності обчислень у центрі обробки даних, який показав наявність низки методів, що мають на меті зниження енергоспоживання під час обробки даних, але не враховують одночасно параметр продуктивності обчислень.
2. Виділено клас методів підвищення енергоефективності обчислень, а саме енергоефективне планування завдань, у рамках якого доцільним є внесення змін з метою покращення показників енергоефективності та продуктивності обчислень.
3. Запропоновано підхід до підвищення енергоефективності обчислень для серверного кластера як інформаційно-телекомунікаційної одиниці інфраструктури ЦОД оператора зв’язку або провайдера онлайн-послуг, який відрізняється одночасним врахуванням параметрів енергоефективності та продуктивності при розподілі завдань.
4. Розроблено алгоритм підвищення енергоефективності обчислень на основі запропонованого підходу, який складається з етапу попередньої індивідуальної атестації серверного кластера та етапу енергоефективного розподілу завдань. Врахування індивідуальних математичних залежностей енергоспоживання серверів з урахуванням їх завантаженості є основною відмінною рисою запропонованого підходу.
5. Перевірено роботу запропонованого підходу експериментально та шляхом імітаційного моделювання. Проведено аналіз отриманих результатів, та визначено, що підхід проявляє більшу ефективність – до 25% за показниками продуктивності та енергоефективності при оптимальних вагових коефіцієнтах – для великих гетерогенних кластерів.
Наукове значення роботи:
Запропоновані в дисертації підходи щодо удосконалення процесу балансування навантаження в розподілених дата-центрах (серверних кластерах) операторів мобільного зв’язку розширюють спектр можливостей балансування навантаження в серверному кластері, покращуючи енергоефективність обчислень, які в них виконуються, при збереженні поточного рівня QoS під час надання послуг зв’язку.
Практичне значення отриманих результатів:
Запропоновані в роботі підходи можуть бути використані для покращення енергоефективності існуючих масштабних дата-центрів мобільних операторів зв’язку. Зекономлена електроенергія матиме як економічний (зменшення операційних витрат на функціонування дата-центрів) так і екологічний (зменшення викидів в атмосферу при виробництві електроенергії) ефект. При цьому якісні показники обробки інформації не деградуватимуть і відповідно не нестимуть економічних збитків операторам зв’язку.
Особистий внесок магістранта:
Була виконана розробка імітаційної моделі з використанням середовища MATLAB. Проведена апробація моделі на реальному обладнанні серверного кластера (якісний і кількісний склад якого був відтворений у моделі MATLAB). Результати апробації вказують, що налаштування моделі було виконане правильно. Створене програмне забезпечення, яке реалізує підхід щодо балансування навантаження, яке дозволить покращити показники енергоспоживання та продуктивності в дата-центрі мобільних операторів зв’язку.
Опис
Ключові слова
балансування навантаження, обробка інформації в дата-центрах оператора зв’язку, віртуалізація мережевих функцій, енергоефективність, virtualization of network functions, energy efficiency, load balancing, information processing in the data center of the telecommunication operator
Бібліографічний опис
Прокопець, В. А. Експериментальне дослідження енергоефективності обробки даних в розподіленому дата центрі : магістерська дис. : 172 Телекомунікації та радіотехніка / Прокопець Володимир Андрійович. – Київ, 2019. – 99 с.