一种网络云资源池节能降耗研究
摘 要：结合现网实际情况积极探索应用节能新技术，努力实现降本增效，积极开展实训基地节能降耗测试,修改虚拟层主机操作系统内核参数并重启操作系统以支持核休眠和频率控制，所采用的方案为：对于未使用的空闲核自动设置为深度休眠模式，将能耗降到最低，如在要使用这些处理器核心时自动将其唤醒，其次如虚拟机关机后，自动将被关虚拟机的物理核休眠，虚拟机开机前自动将欲用的物理核唤醒，同样虚拟机迁移时，将目的节点的物理核唤醒，将源节点迁出虚拟机的物理核休眠。最后对于有潮汐效应的虚拟机设置为动态频率控制，自动根据业务负荷调高/降低虚拟机核工作频率。对于虚拟机所用的核，如果工作负载较重虚拟机，物理核工作在较高的频率，工作负载较低的虚拟机的物理核工作在较低的频率。对于高性要求的虚拟机则不做升降频操作，让其一直工作在较高的工作频率上。从测试数据来看，可达到节能降耗效果及业务性能要求，整体节能效果在15%左右。
关键词：虚拟机；能耗；节能；工作负载；潮汐效应；
正文：
一、技术方案
在VIM层的技术方案如下，首先需要对BIOS进行适当的设置，开启服务器的核休眠和节能降耗功能，其次需要在VIM软件中内置工作频率工作范围，可根据虚拟机要求限定虚拟机的工作频率。对于有节能需求的虚拟机可以要求工作频率范围位于最低频率和标准基频间（如1.0GHz-2.3GHz)。对于高性能虚拟机，可以指定其工作在2.3GHz这个高性能模式中。
1、BIOS设置
BIOS设置如下图所示。
Intel服务器BIOS配置 | ||
Power Policy Select | Efficient | Efficiency（节能模式）：效率优先，启用后是低性能低功耗模式，此模式可确保降低系统的功耗。 Performance（性能模式）：性能优先，启用后是高性能高功耗模式。Performance（性能模式）：性能优先，启用后是高性能高功耗模式。 Custom（自定义）：用户自定义模式，兼顾性能、延迟和能耗。建议配置CPU运行在标准频率。 |
Power Performance Tuning | OS Control | 选择BIOS或者OS进行CPU的节能性能调整，OS Control：操作系统来设置 |
EIST (P-states) | Enabled | EIST（Enhanced Intel SpeedStep Technology，增强型Intel SpeedStep技术）开关，开启该功能后，当系统处于空闲状态时，会自动调节CPU的P态（Performance States，性能状态），降低CPU的电压和频率，减少CPU能耗。 |
P State Domain | Per Logical | P 状态域设置：Per Logical每个逻辑核，Intel CPU每个核可以独立的调节P态； |
Boot Performance Mode | Max Efficient | 启动性能模式，选择BIOS进入OS前将设置的性能状态，Max Efficient为最大效率模式 ； |
Turbo Mode | Disabled | Turbo模式开关，Disable：关闭CPU超频 |
Hradware P-States | Native Mode | 硬件 P 状态，Native Mode：硬件基于 OS 的引导选择P状态，通过OS直接访问HWPM寄存器，对CPU进行配置，该模式既支持传统ACPI表，也支持新的ACPI规范； |
Autonomous Core C-States | Enabled | 自主的CPU核的C状态： Enabled：开启自动CPU核的C状态 |
CPU C3 report | Enabled | 向OS报告C3状态开关设置，根据ACPI规范定义，BIOS 会将支持的 CPU C STATE 种类通过 ACPI table 的形式汇报给 OS，让OS可以知晓它可以调度的 C STATE种类; |
CPU C3 report | Enabled | 向OS报告C3状态开关设置，根据ACPI规范定义，BIOS 会将支持的 CPU C STATE 种类通过 ACPI table 的形式汇报给 OS，让OS可以知晓它可以调度的 C STATE种类; |
CPU C6 report | Enabled | 向OS报告C6状态开关设置，根据ACPI规范定义，BIOS 会将支持的 CPU C STATE 种类通过 ACPI table 的形式汇报给 OS，让 OS 可以知晓它可以调度的 C STATE 种类 |
Enhanced Halt State(C1E) | Enabled | C1E开关设置，开启本功能后，操作系统可自动调节C状态，操作系统会在处理器处于空闲状态时切换处理器至最低性能状态，开启C1E 可以更加节能; |
OS ACPI Cx | ACPI C2 | 选择报告C3/C6状态到操作系统的ACPI，ACPI C2（默认）：选择报告到操作系统的 ACPI C2 ; |
Monitor/Mwait | Enabled | Monitor/Mwait指令开关。启用后，可以监视CPU状态，从而优化CPU的指令运行。开启该功能会使某些操作系统具备自主调节节能状态(如C态)的能力，所以您若需要关闭节能功能请关闭此参数。但是，部分OS的某些功能可能对此功能有依赖，因此需要酌情抉择。 |
Package C State | Auto | Package C状态限制：Auto：自动 |
2、虚拟机规格要求及处理
在创建虚拟机规格时，在虚拟机规格描述文件flavor中新增如下几个特性:
（1）休眠类型(idle_policy），使处理器可以入不同休眠态。
（2）频率调节(cpufreq-policy），虚拟机可进行频率调整。
虚拟层根据上述两个特性，设定虚拟机的休眠和和工作频率，以达到节能降耗目标。
二、测试方案
本次试验使用实训基地云资源池环境，版本为T+符合节能降耗的版本要求。
1、对比修改主机BIOS和操作系统（支持C态和P态控制）与未修改主机BIOS和操作系统的主机的功耗（即对比了空闲核休眠与非休眠的功耗）
2、对于支持核休眠和降频的主机，对虚拟机做如下几项对比测试：
（1）虚拟机不采用降频与休眠的功耗
（2）虚拟机采用降频的功耗
（3）虚拟机采用休眠的功耗（深度休眠）
（4）虚拟机采用降频和休眠的功耗。（深度休眠）
这个试验，分别测试vCPU被占了用25%、50%、75%、100%的服务器的功耗。对于有升降频的虚拟机，在虚拟机里做一个压力测试，尽量将CPU频率从1GHZ～3、做一个涵盖测试，测试不同频率节能效果。同时测试不同休眠场景下功耗，对比节能效果。
测试虚拟机使用典型的4核规格来测试。考虑到4核虚机功率变化量比较小，调整成8核虚机，并线性增长到占满所有业务核（56核）。
三、测试数据
1、服务器物理核共64个，业务核56个（CPU：Intel Xeon Gold 5218N ）
2、单位：W
3、测试三组数据得出的平均功耗数据：
图1
图3
四、测试结论：
测试数据以5分钟为粒度，采集120分钟，取数据平均值。
1、根据以上数据来看，随着主机上虚机增加，服务器功耗呈线性增长；
2、打开节能降耗，随着cpu加压从0-100%，纵向数据功耗呈线性增长，会随着cpu使用变化功耗而产生变化；降频、深度休眠、降频+深度休眠，横向数据指标变化不大，各功能降耗功率基本保持一致。
3、关闭节能降耗，单台服务器功耗相差40W左右，从此说明节能降耗效果明显。
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