数据中心虚拟化在节能减排方面的应用与成效

卜天然 舒升 孙廨尧

摘要：随着虚拟化技术的发展，传统的数据中心的高耗能等问题日益凸显。越来越多的企事业单位对现有数据中心进行了技术升级与改造，通过对服务器资源的抽象、提取与整合，形成了完整的虚拟化改造方案。该文通过研究虚拟化技术在企事业单位数据中心的应用现状，以真实企事业单位的数据中心虚拟化改造成效为分析样本，通过服务器的成本计算方法和HBA卡成本计算方法，计算出使用虚拟化技术前后数据中心成本对比，为节能减排工作方面提供一定的理论依据和技术帮助。

关键词：虚拟化技术；成本计算；节能减排

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）32-0225-03

Abstract：With the development of virtualization technology， more and more enterprises and institutions have virtualized existing data centers and application systems. Virtualization technology in the data center can save space in the equipment room， reduce power and cooling costs， and improve the reliability and flexibility of the business server. This paper studies the application status of virtualization technology in data centers of enterprises and institutions. Through the cost calculation method of the server and the HBA card cost calculation method， the data center cost comparison before and after the use of virtualization technology is calculated， which provides a certain theoretical basis and technical assistance for energy saving and emission reduction work.

Key words： virtualization technology； cost calculation； energy conservation

1 數据中心能耗的现状分析

党的十九大报告中指出，“推进资源全面节约和循环利用，实施国家节水行动，降低能耗、物耗，实现生产系统和生活系统循环链接。”随着信息化技术的不断发展，数据中心对碎片信息和大数据的高速处理的需求、对资源合理配置整合的需求也不断扩大，这对于部署在数据中心的业务系统要求也越来越高。这就需要数据中心提升更为快速的数据处理能力，但如果依然采用在原有设备之外采购新的服务器，既会增加采购成本和运维成本，也会产生如耗电问题、冷却问题、布线问题等诸多能耗问题。众所周知，目前数据中心的能耗主要产生于制冷系统、IT设备、电源系统、照明系统等。图1是数据中心能耗情况分布图。

从图1可以发现，IT设备和配套的空调系统占到数据中心能耗的80%。高能耗必将带来高额电费，据美国相关研究表明，2016年全球共耗去2，188亿度（千瓦*小时）的电力，约占全球2016年总发电量的2.5%。据统计这些能耗成本占到整个中心运维成本的45%左右。

传统的企事业单位的数据中心除了产生高能耗高电费等情况，从另一方面来看，数据中心（网络中心）还存在服务低能效的情况。据统计传统数据中心（网络中心）的85%的资源服务器的CPU占用率仅占15%左右，内存工作负载仅占30%。而一台服务器中CPU耗电占比约为整台设备的30%，如图2所示，为传统数据中心（网络中心）IT设备运行与闲置的效能情况图。

以闲置CPU资源能耗计算为例，将统计出来的数据通过公式进行运算：

XZNH（闲置能耗占比率）=设备闲置率*某硬件耗电占比=85%*30%=22.5%

可以得出单台服务器CPU 闲置能耗占比率竟高达22.5%之多。服务器软硬件资源和能耗的浪费，不符合国家节能减排的政策要求。

在这种环境下，虚拟化技术就体现了整合优势。应用在 IT 的不同层面，从逻辑层将物理层抽象出来意味着逻辑组件会得到更一致的管理。从安全监督来看，虚拟化技术提升了X86服务器的可靠性、可用性，从基础架构层面获得了原先单机系统无法想象的功能，大大提高了业务连续性的级别，降低了故障率、减少了系统宕机的时间；从服务器的角度来看，虚拟化技术让每台设备都能托管多种操作系统，最大化了利用率，降低了服务器数量；从存储的角度来看，虚拟化技术可网络化、整合磁盘设备，并让多个服务器共享磁盘设备，从而提高了利用率；从应用的角度来看，虚拟化技术将应用计算从用户设备中分离出来，并在数据中心对应用及相关数据进行整合，通过集中化技术改善了管理和系统安全性。

2 数据中心的虚拟化技术趋势与应用

虚拟化技术就是利用高可靠的软件定义硬件、软件定义网络等虚拟技术将现有物理服务器的资源进行分配，从抽象到再生、从提取到整合，形成一整套逻辑资源，通过对数据中心服务器进行物理机虚拟化，对存储以及网络设施创建一个动态的、高效的、灵活的基础设施架构，将数据中心的资源整合在一起，增加服务器、网络设施、存储之间的协同性，从而提高整个数据中心的运行效率。

采用模板或服务器复制方式快速建立一台新的虚拟化服务器，耗时不超过15分钟。与传统方式相比，所需部署时间最短可以缩小到1/1440.极大地提高了用户信息中心应对各类突发新的应用需求的能力，并且节约了工作时间，提高了工作效率。

同时，虚拟化技术的引入，不会对原有的网络架构产生网络结构和物理本质上的变化，原先的网络架构依然保留，仅仅在数据中心（网络中心）的基础设施方面，减少了服务器、交换机、机架、网线、UPS、空调等设备投入与维护成本。原先设备可以根据虚拟化扩展技术进行利旧更新，使得IT管理人员有了更多的选择。

下图3是虚拟化整合之后的IT架构：

从图3可知，虚拟化后的网络拓扑并没有变化。通过软件定义网络，虚拟化后的物理服务器，形成了虚拟化集群，并进行统一管理。同时，原有的传统服务器设备依然正常运行，并且可以同虚拟化集群融合在一起。原先的虚拟局域网（VLAN）、链路备份，业务隔离、协同工作等方式，都延续原来的网络管理模式。

虚拟化后的数据中心还将在以下几个方面凸显优势：

（1） 弹性计算资源池

采用服务器虚拟化技术，将数据中心X86服务器转变成通用的共享硬件基础架构，并按照业务需求进行动态交付，实现计算资源的弹性调度。按照业务生命周期進行计算资源管理，并满足峰值计算资源的需求。

（2） 弹性存储系统

优化存储配置和使用，对于目前现有应用系统对存储需求类型进行分类，采用传统共享存储和分布式虚拟存储相结合的方式，同时对于本地服务器硬盘进行集中整合，配合SSD磁盘组成高性能、高可用、基于策略驱动的分布式虚拟存储，具备较强的水平扩展能力，满足未来业务不断增加的存储需求。

（3） 虚拟网络松耦合

利用网络虚拟化技术实现在不改动原有物理网络的同时，实现虚拟网络资源的池化，根据业务应用或实训环境的动态需要，自动化提供虚拟网络环境，实现云计算数据中心网络的敏捷性；同时满足未来对业务网络可以跨数据中心延展的需求，使虚拟机摆脱原有网络和安全配置的束缚，让虚拟机可以跨数据中心灵活迁移，同时始终保证网络畅通和安全合规。

3 日常办公的虚拟化桌面技术趋势与应用

企事业单位除了庞大的数据中心之外，在日常办公和研发使用的是PtoP模式，即进行个人桌面操作系统和应用程序的均为功能独立的计算机。在这种网络连接模式下，所有应用程序与数据都是以紧耦合模式存在，任意软件或应用系统的更新，用户都会受到影响。随着信息化建设的不断深入、软件或应用系统的不断更新，使得信息服务所需的IT软硬件的数量不断扩大，更为重要的是，独立运行IT软硬件所带来的信息安全问题越来越多，提高了信息中心等相关部门的运营和管理成本，迫切需要日常办公使用虚拟化桌面方式来提高信息系统的可靠性。

经统计，目前企事业单位桌面信息化呈现如下两大个趋势：

（1）桌面安全问题亟待保障

研发设计中心作为企业的业务开发中心，需要支持越来越多的项目，随之而来的桌面管理、桌面供应、开发测试环境的分配等都问题都暴露出来。另外，外包的开发模式在电力企业里越来越普遍，如何保证这些外包项目的信息资产的安全性，都是企业目前面临的难题。

（2）桌面管理日趋复杂

桌面复杂性的问题已经演变成了企业IT项目成功道路上的一大障碍，它困扰着每一名IT及工作人员。 如果企业仍然坚持原有的思想来管理桌面，那么这些存在的问题不可避免的仍然会出现。同时，平板设备等的接入也已经成为必然，如何保证用户的使用与企业的安全性也是IT必须跨越的一个障碍。

因此，传统的PC模式部署桌面已无法满足当前企业业务的发展需求，使用虚拟化桌面方式在一定程度可以帮助了企业IT转型。

4 虚拟化数据中心在降低成本、节能方面的优势

虚拟化技术在提升硬件资源利用率的同时，不仅提高了业务系统的可用性及灵活性，提升了存储以及网络基础设施的利用率，更重要是节省了电力和冷却成本。无论是电力能耗还是空调冷却能耗对于数据中心来说都是一笔巨大的开支，毫无疑问，降低成本是IT部门推行虚拟化项目的另一个主要原因。虚拟化的成本节约主要表现在以下几个方面：

（1）减少服务器的数量

无论是独立安装的机架还是刀片型服务器，虚拟化技术都意味着更少的服务器数量，这是虚拟化技术最基本的功能。

（2）降低能源成本

更少的服务器就意味着只需要更少的电力和冷却成本。

（3）减少空间成本

由于数据中心虚拟化的整合大大减少了地面空间，从而减少了房产这方面的成本。

5 虚拟化数据中心应用后成本分析及节能回报

一般情况下，虚拟化数据中心的成本计算方法有：服务器的成本计算方法、HBA卡成本计算方法、操作系统成本计算方法和电力成本计算方法，本文采用服务器成本计算方法。以一个标准数据中心为例，将当前服务数量设定为60台，根据常规数据需求和业务增长，每年服务增长比例约为10%，通过计算可得单台物理服务器总体电力开销0.8870万元/年，如下表1所示。

在虚拟化之前，基于物理服务器方式，以60台双路CPU的服务器，以5年运维情况为节点，每年开销主要集中在新增服务器、服务器更换、能耗开销等方面，其中，因采用虚拟化架构而节省的其他成本，例如交换机、机架、电源线、空调、机房空间、管理成本等，未列入表中。五年共计开销为857万元。如表2所示。

在虚拟化之后，我们如果按照7：1的整合比为例，进行计算，这样就只需要10台左右的双路CPU服务器，投入方式包括：新增虚拟化软件授权、虚拟化软件维保等方面。如下表3所示，五年共计投入为147.2万元

同时，虚拟化方案执行后，基于虚拟化方式的开销主要包括：新增服务器、能耗开销等方面，如下表4基于虚拟化方式开销所示，五年共计开销为127.5万元。

将基于虚拟化方式的投入和开销累加即虚拟化的总体开销之和，与虚拟化前传统模式开销进行产出比较，如表5所示，从表中，可以得出，除了第一年产出比为负数之外，以后每年产出比都逐年增长，尤其在设备运行的第5年，产出比可高达396%。

可见，通过数据中心虚拟化建设项目的实施，可以节省能耗近63%成本。

6 结语

习总书记说：“绿水青山，就是金山银山”，坚持可持续发展战略是每一个企业应尽的社会责任。虚拟化数据中心的建设和发展需要沿着循环经济建设的步伐有效的节能减排，希望通过本文的分析，对促进数据中心在节能减排工作方面提供一定的理论依据和技术帮助，从而推动IT行业的可持续发展。

参考文献：

[1] 邓维，刘方明，金海，等.云计算计算数据中心的新能源应用：研究现状与趋势[J].计算机学报，2013，36（3）.

[2] 童亮斌.云背景下数据中心节能减排的策略和应用[J].中国高新技术企业，2014（11）：219.

[3] 吴永佑.数据中心机房节能建设方式浅析化[J].广播电视信息，2014（12）：59-61.

[4] 马飞.云数据中心中虚拟机放置和实时迁移研究[D].北京交通大学，2013.

【通联编辑：代影】