绿色云计算能效测评方法研究

左向中

（国家信息网络产品质量监督检验中心，江苏 苏州 215104）

0 引 言

当前我国各类云计算中心总量约43万个，可容纳服务器共约500万台。随着云计算的快速发展，未来5年我国对云计算中心流量处理能力的需求将增长7～10倍，机房面积需要再翻一番才能满足云计算发展的需求。

2011年，我国云计算中心总耗电量达700亿kW·h，已经占到全社会用电量的1.5%。云计算中心的高能耗，不仅给企业带来了沉重的负担，也造成了全社会能源的巨大浪费。为了推动云计算节能减排，工业和信息化部在《工业节能“十二五”规划》提出，“到2015年，云计算中心PUE值需下降8%”的目标。国家发改委等组织的“云计算示范工程”也要求示范工程建设的云计算中心PUE要达到1.5以下。

我国目前尚未建立统一的云计算能效测评体系，也缺乏相应的评估标准，本文首次从云计算的IT设备及IT基础设施两个方面，开展绿色云计算综合能效评测方法研究，为政府、企业在云计算产业节能减排方面，提供科学系统技术标准及测评方法。

1 IT设备综合能效比

1.1 交换机/路由器

1.1.1 计算方法

路由器与交换机产品设备的能效受设备的配置、业务流量大小、设备的应用环境等因素的影响比较大，因此采用产品综合能效比的方法评价路由、交换机的设备能效水平，充分考虑到产品的配置及流量的影响。

综合能效比计算方法如下：

式中：EER——设备能效，W/（Gb·s-1）；

Ti——产品在配置模型下的设备吞吐量总和；

Pi——不同模型下的设备综合功耗，W；

Ci——不同模型的应用权重，C1～Cn之和等于1；

a，b，c——同模型下业务流量占比权重，a+b+c=1；u1%，u2%，u3%——设备的不同负荷水平，如100%、70%、30%、0%等（0%代表设备无业务流量，但处于链接状态）；

Pu1%，Pu2%，Pu3%——设备在不同负荷水平下对应不同的功耗值。

设备吞吐量T的计算方法：

对于给定的一种设备配置模型，T为被测设备在IMIX模型下能够达到的吞吐量，依照NLANR对互联网真实的统计分析得出的模型进行测试。在NLANR推荐的IMIX分布模型中，需要将长度为64B、594B和1518B的数据包混合在一起发送给被测设备。这3类数据包数量混合的比例依次为64B∶594B∶1518B=7∶4∶1。

式中：T64、T594、T1518——被测设备分别在帧长

64B、594B、1518B 下的吞吐量。

式中：RX1——被测设备每秒传输处理的最大上行的数据速率；

RX2——被测设备每秒传输处理的最大下行的数据速率；

X——数据包长度；

Y——包开销长度。

1.1.2 测试设备配置要求

（1）对于机架式设备，每种类型端口（10/100M、GE、10GE）都需要选择其中包转发率最大的业务单板进行测试，主控板也要选择包转发率最大的。

（2）在不影响设备的基本性能和功能的前提下，在测试中可以去掉冗余的可插拔模块或让某些模块停止工作，包括备用电源、备用主控板等。

（3）要求所有端口均处于工作状态。

（4）对于同时支持AC和DC电源的设备，可任意选择使用哪种电源。

（5）对于POE设备，不使能POE供电功能。

（6）网线采用标准5m网线。

（7）被测端口使用本标准推荐的光模块。

（8）测定过程中不允许改变被测设备的硬件配置，以及通过命令关闭相关功能。

1.1.3 测试设备业务配置要求

（1）被测设备功耗测试使用64B的报文，吞吐量测试使用IMIX进行测试。

（2）路由器至少使用一种动态路由协议（RIP、OSPF、IS-IS、BGP）。配置IS-IS协议，典型值50万路由。

（3）交换机配置2层转发业务。

1.2 服务器设备

服务器的能耗比测试采用SPECPower的测试方法。

（1）服务器配置

操作系统：企业版Windows2003 64bit R2+SP2或企业版Windows2008 64bit+SP1；

测试软件：SPECPower_ssj2008；

风扇的配置：常温下的自然调速。

电源的配置：根据实际应用原则，若有交流和直流两种电源，都应进行测试。若有冗余设计，电源应备份卸载与操作系统无关的程序。

（2）测试组网。该组网包括被测服务器系统SUT、控制和采集系统CCS、功耗分析器和温度传感器。控制和采集系统主要用来监视及调控被测试系统的负载水平和记录测试数据；功率计则用于测试被测服务器的功耗，记录测试过程中的所有采样数据；温度传感器则记录不同负载水平下的测试环境温度。

服务器产品能效测试组网图见图1。

2 IT基础设施综合能效比

电能利用效率（power usage effectiveness，PUE）是国内绿色云计算普遍接受和采用的一种衡量云计算基础设施能效的综合指标，其计算公式为：

PUE=云计算总耗电/IT设备耗电

在绿色云计算中，只有IT设备的耗电被认为是产生有效输出的“有意义”的电能。PUE的实际含义，是计算在提供给绿色云计算的总电能中，有多少电能是真正应用到IT设备上。

根据定义，PUE值的取值范围为1.0～∞，绿色云计算机房的PUE值越大，则表示制冷和供电等绿色云计算配套基础设施所消耗的电能越大。PUE定义简单、易于操作，只需分别测量出绿色云计算总耗电和IT设备耗电，就能立即计算出整个绿色云计算的PUE值。

2.1 总耗电

绿色云计算的总耗电是维持绿色云计算正常运行的所有耗电，包括前述IT设备、制冷设备、供配电系统和其他设施的耗电的总和。

如果绿色云计算所在建筑同时用于办公等其他用途，则办公等所消耗的电能不包括在绿色云计算总耗电中。

2.2 IT设备耗电

IT设备耗电是如1所描述的各类IT设备耗电的总和。

2.3 局部PUE

pPUE（partial PUE）是绿色云计算PUE概念的延伸，用于对绿色云计算的局部区域或设备的能效进行评估和分析。

在采用pPUE指标进行绿色云计算能效评测时，首先根据需要从绿色云计算中划分出不同的分区（也称为Zone）。例如，一个多层绿色云计算建筑中的一个机房，或者一个集装箱绿色云计算的集装箱模块，都可以作为一个Zone。

图2 局部PUE计算示意图

如图2所示，如果将绿色云计算划分为Zone1和Zone2两个分区，则绿色云计算的整体PUE计算公式为：

式中：I——IT设备耗电；

N——非IT设备耗电。

而Zone1和Zone2两个分区的局部PUE为

局部PUE用于反映绿色云计算的部分设备或区域的能效情况，其数值可能大于或小于整体PUE。要提高整个绿色云计算的能源效率，一般要首先提升pPUE值较大的部分设备或区域的能效。

局部PUE适合用于基于集装箱或其他模块化单元构建的模块化绿色云计算，或者由多个建筑和机房构成的较大型绿色云计算的局部能效评估。

2.4 制冷/供电负载系数

制冷负载系数（cooling load factor，CLF）定义为绿色云计算中制冷设备耗电与IT设备耗电的比值，即

CLF=制冷设备耗电/IT设备耗电

供电负载系数（power load factor，PLF）定义为绿色云计算中供配电系统耗电与IT设备耗电的比值，即：

PLF=供配电系统耗电/IT设备耗电

CLF和PLF可以看作是PUE的补充和深化，通过分别计算这两个指标，可以进一步深入分析制冷系统和供配电系统的能源效率。如果忽略照明、安防等其他少量耗电，则有以下的近似公式：

云计算总耗电≈制冷设备耗电+供配电系统耗电+IT设备耗电

以上各项除以IT设备耗电，可以变换得到

PUE≈CLF+PLF+1

2.5 测量方法

（1）概述。能耗测量方法是为计算绿色云计算能效，对绿色云计算及其子系统耗电进行测量的方法，包括测量点的选择、测量参数和测试设备要求等。为计算PUE，需要在绿色云计算供配电系统中测量绿色云计算总耗电及IT设备耗电，具体测量点如下：

1）绿色云计算总耗电在正常情况下，绿色云计算的电能由市电提供，测量点应取市电输入变压器之前。当市电故障情况下，柴油发电机产生的电力作为绿色云计算总耗电的测量点。如果是多用途机房楼，绿色云计算总耗电计算中，需减去办公等其他耗电。

2）IT设备耗电严格来说，IT设备耗电应该在各IT设备输入电源处测量耗电量并进行加总，但由于IT设备数量较多，这一方法将大大增加测量工作量和成本。因此，在实际操作中，可在UPS输出或者列头柜配电输入处进行测量，将测量值加总作为IT设备耗电。

（2）pPUE指标测量点。局部PUE的具体测量与Zone的定义有关，其中pPUE的测量和计算方法参考2.3。

（3）能耗的间接测量和估算。在实际测量中，部分需要的耗电量可能无法直接测量得到，而必须通过一定的方法进行间接测量和估算。

1）制冷设备能耗的间接测量和估算。采用水冷空调的绿色云计算通常与所在建筑的办公场所等共用冷水机组，为测量绿色云计算制冷所消耗的电能，可测量或估计绿色云计算和其他负载之间的热负荷比例（根据水流量、水温的设置等），然后根据比例将冷水机组消耗电能的一部分分配给绿色云计算。

计算局部PUE的区域与其他区域有共享制冷系统时，也应采用这种方法进行间接测量和估算。

2）供配电系统能耗的间接测量和估算。在测量供配电系统能耗的过程中，如果指定的测量点难以安装测试设备，根据相关设备的能效因子进行间接推算。此外，当需要从绿色云计算总耗电中扣除办公等耗电时，也应采取按比例分摊的方式，将对应的供配电系统的损耗进行扣除。

2.5.1 测量周期和频率

能耗指标的数值受各种因素的影响，会随季节、节假日和每天忙闲时段的改变发生变化，因此为全面、准确了解绿色云计算的能效，应采用固定测量仪表，对绿色云计算能耗进行持续、长期的测量和记录。若绿色云计算未安装固定测量设备，可采用钳形功率计等设备测量绿色云计算及IT设备等的短时用电量。测量的周期和频率如无特殊说明，绿色云计算的PUE、pPUE、CLF、PLF 等能效指标，是指采用固定测量仪表，在指定测量点测量并记录至少一年的数据。

2.5.2 测量设备和系统

（1）必须在规定的对应测量点进行测量。可安装固定测量设备，也可以利用供电、空调或IT设备内置的测量功能。

（2）测量设备的精度要求误差不超过±3%，解析度不低于0.1kW·h。

（3）采用支持通过网络自动上报或者自动获取能耗数据的智能测量仪表，实现能耗远程、自动化采集。

（4）建设能效管理系统，实现对能耗数据的统计、分析和能效指标的自动计算。

3 结束语

云计算IT及通信设备的能耗占51%，空调制冷系统的能耗占24%，空调通风加湿系统的能耗占11%，照明能耗占2.5%，其他能耗占11.5%。绿色云计算节能重点是IT及网络通信设备，本方法能填补绿色云计算能效评测标准方面的空白，也符合国内的绿色云计算产业的发展要求。此研究基于IP测试仪器平台，利用高性能的模块化硬件，高效灵活的ITEST软件，依据 TIA-942，TEER，Green Grid，Energy Star，GB50174等国内外标准，结合TEER、PUE等国际权威的能效算法，首次致力于绿色云计算能效评测标准研究，帮助政府、企业在绿色云计算规划、设备采购选型等节能设计运维方面，提供科学系统技术标准及评测标准，为推进全国绿色云计算产业节能减排工作提供有力的技术支撑，促进全国绿色云计算产业发展。

[1]GB 50174—2008电子信息系统机房设计规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]The Standard Performance Evaluation Corporation.