رایانش ابری سبز: بررسی مصرف انرژی در پردازش، ذخیره‌سازی و انتقال

چکیده

رایانش ابری مبتنی بر شبکه به عنوان جایگزینی برای رایانش متعارف اداری به سرعت در حال گسترش است. با گسترده‌تر شدن رایانش ابری مصرف انرژی شبکه و منابع رایانشی‌ای که از ابر پشتیبانی می‌کنند نیز زیاد می‌شود. این امر زمانی در حال رخ دادن است که به لزومِ مدیریت مصرف انرژی در کل بخش تکنولوژی ارتباطات و اطلاعات (ICT) توجهی روز افزون می‌شود. با این که اخیرا به انرژی مرکز داده‌ها توجه زیادی می‌شود ولیکن به مصرف انرژی انتقال و سوئیچینگِ شبکه‌ها که کلید اتصال کاربران به ابر هستند توجه کم‌تری می‌شود. در این تحقیق[1]، تجزیه و تحلیلی از مصرف انرژی در رایانش ابری ارائه می‌شود. این تجزیه و تحلیل هر دو ابر خصوصی و عمومی را مورد توجه قرار می‌دهد و دربرگیرنده‌ی مصرف انرژی در سوئیچینگ، ارسال و نیز پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها است. نشان داده می شود که مصرف انرژی در نقل و انتقال و سوئیچینگ شبکه می‌تواند درصد قابل توجهی از کل مصرف انرژی در رایانش ابری را به خود اختصاص دهد. رایانش ابری می‌تواند مخصوصا وقتی که وظایف رایانشی سبک و یا اندک باشند وسیله‌ای را جهت استفاده‌ی کارآمدتری از قدرت رایانشی فراهم کند. به هر حال، تحت بعضی شرایط رایانش ابری می‌تواند انرژی بیش‌تری را نسبت به رایانش متعارف مصرف کند که در آن‌ها هر کابری همه‌ی رایانش‌ها را بر روی رایانه‌ی شخصی خود(PC) انجام می دهد.

مقدمه

دسترسی روزافزون به اینترنت سرعت بالا و اتصالات IP، ارائه‌ی خدمات جدید مبتنی بر شبکه را مقدور می‌سازد. در حالی که سال‌ها است از خدمات پستی مبتنی بر اینترنت بهره‌برداری می‌شود ولیکن ارائه‌ی خدمات به تازگی توسعه یافته‌اند تا ذخیره‌سازی شبکه محور و رایانش شبکه محور را در بربگیرند. این خدمات جدید هم به شرکت و هم به کاربران نهایی انفرادی ارائه می‌شود. خدماتی از این دست به طور کلی خدمات «رایانش ابری» خوانده می‌شوند. مدل خدمات رایانش ابری شامل تهیه و تدارکِ مخازن بزرگی از منابع رایانشیِ با کارایی بالا (که توسط ارائه‌دهنده‌ی خدمات تامین می‌شوند) و نیز دستگاه‌های ذخیره‌سازی با ظرفیت بالا است که بین کاربران نهایی بر حسب نیاز تقسیم می‌شوند.

تعاریف بسیاری از رایانش ابری وجود دارد و در حیطه‌ی صنعت آی تی، بحث درباره‌ی خدمات ممکنی که در آینده ارائه خواهند شد همچنان ادامه دارد. رایانش ابری عبارتند از مدلی برای فراهم کردن دسترسی راحت و مبتنی بر تقاضای شبکه به مخزن مشترکی از منابع رایانشی قابل تنظیم است که می توان آن‌ها را با حداقل تلاش مدیریتی یا تعامل با ارائه‌ دهنده‌ی خدمات به سرعت تهیه و واگذار کرد.

معماری‌های رایانش ابری می توانند خصوصی و یا عمومی باشند. ابر خصوصی در درون موسسه وپشت دیوار آتش آن موسسه میزبانی می‌شود و تنها برای استفاده توسط همان موسسه منظور می گردد. مزایای دیگری نیز از نگهداری متمرکز بسته‌های نرم افزاری، پشتیبان‌گیری داده ها و متوازن کردن حجم خواسته‌های کاربر در تمام سرورهای متعدد و یا سایت‌های متعدد مراکز داده‌ها حاصل می شوند. در مقابل، ابر عمومی بر روی اینترنت میزبانی می‌شود و جهت استفاده توسط هر کاربری که به اینترنت اتصال دارد طراحی می‌گردد تا طیف مشابهی از توانایی‌ها و خدمات را ارائه دهد. تعدادی از سازمان‌ها در حال میزبانی کردن و یا ارائه‌ی خدمات رایانش ابری هستند. مثال‌ها عبارتند از اسناد گوگل، خدمات ذخیره‌سازی ساده و ابررایانشی انعطاف‌پذیر آمازون، بسترهای نرم‌افزای ویندوز لاجوردی مایکروسافت ، خدمات تجاری هوشمند آی بی ام ، سیلزفور دات کام و وبکس. اما در حالی که مزایای مالی رایانش ابری به صورتی گسترده مورد بحث قرار گرفته، به تغییر مصرف انرژی در مدل رایانش ابری توجه چندانی نشده‌است. رایانش ابری بواسطه‌ی استفاده از سرورهای بزرگ و واحدهای ذخیره سازی مشترک می‌توانند در عرضه‌ی خدمات ذخیره سازی و محاسباتی در مصرف انرژی صرفه جویی کنند مخصوصا اگر کاربر نهایی به سمت استفاده از کامپیوتر و یا ترمینالی با ظرفیت پایین‌تر و مصرف انرژی کم‌تر برود. در همان زمان، رایانش ابری منجر به افزایش ترافیک شبکه و مصرف انرژی مربوطه‌ی شبکه می گردد در این تحقیق، توزانی بین مصرف انرژی سرور، مصرف انرژی شبکه و مصرف انرژی کاربرنهایی کاوش شده است.

بررسی ادبیات موضوع

موضوع مصرف انرژی در تجهیزات تکنولوژی اطلاعات در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و شناخت رو به رشدی از نیاز به مدیریت مصرف انرژی در کل بخش تکنولوژی ارتباطات و اطلاعات (ICT) وجود دارد. تخمین زده می‌شود که مراکز داده‌ها تقریبا 2/1 درصد از کل مصرف انرژی الکتریکی ایالات متحده‌ی آمریکا را در سال 2005 به خود اختصاص دادند. انتقال و سوئیچینگ شبکه‌ها در اینترنت 4/0 درصد دیگر از کل مصرف انرژی الکتریکی را در کشورهایی که پهنای باند در اختیار دارند تشکیل می دهد. علاوه بر نیاز آشکار به کاهش تاثیر گلخانه‌ای بخش آی سی تی این نیاز به کاهش مصرف انرژی نیز توسط چالش‌های مهندسی و هزینه‌ی مدیریت مصرف برق مراکز بزرگ داده و خنک سازی مرتبط با آن هدایت می‌شود. در برابر این امر، رایانش ابری با اندازه‌ و ظرفیت رو به رشد مراکز داده و شبکه درگیر است اما اگر به خوبی مدیریت شود ابر رایانشی می‌تواند به صورتی بالقوه منجر به صرفه‌جویی کلی در مصرف انرژی شود. مدیریت مصرف نیرو در مراکز داده منجر به بهبودهای قابل توجهی در بهره‌وری انرژی شده است. زیر ساخت رایانش ابری که در مراکز داده میزبانی می‌شوند بطور قابل ملاحظه‌ای از این پیشرفت‌ها بهره برده اند. تکنیک‌هایی نظیر به عنوان مثال، برنامه ریزی خواب و مجازی‌سازی منابع محاسباتی در مراکز داده‌های رایانش ابری بهره‌وری انرژیِ رایانش ابری را بهبود می‌بخشد. در حالی که درک چگونگی حداقل‌سازی مصرف انرژی در مراکز داده‌های که خدمات رایانشی را میزبانی می کنند مهم است، توجه به انرژی مورد نیاز برای انتقال داده‌ها از و به کاربر و انرژی مصرف شده توسط رابط نهایی کاربر نیز مهم است. مطالعات قبلی در مورد مصرف انرژی در رایانش ابری تنها بر روی انرژی مصرف شده در مراکز داده‌ها تمرکز کرده‌اند. به هر حال، جهت بدست آوردن تصویری واضح از کل مصرف انرژیِ خدمات رایانش ابری و نقش بالقوه‌ی رایانش ابری در صرفه‌جویی انرژی، تجزیه و تحلیلی جامع‌تر مورد نیاز است. در این تحقیق نمایی کلی از مصرف انرژی در رایانش ابری ارائه شده است[1] و آن را با مصرف انرژی در رایانش متعارف مقایسه می‌کند. برای این مقایسه، مصرف انرژی رایانش متعارف عبارتند از انرژی مصرف شده هنگامی که وظیفه‌ای یکسان در کامپیوتر شخصیِ استانداردِ مصرف‌کننده‌ای(PC)انجام می‌شود که به اینترنت متصل است اما از رایانش ابری استفاده نمی‌کند. هر دو رایانش ابری خصوصی و عمومی را مورد توجه قرار می دهیم و مصرف انرژی در سوئیچینگ و ارسال و نیز پردازش و ذخیره‌ی داده‌ها را لحاظ می‌کنیم. مخصوصا مدلی از شبکه‌ی سوئیچینگ و ارسال را که مبتنی بر شبکه است ، مدلی از تجهیرات رایانشی کاربر و مدلی از طرزکار ذخیره‌سازی و پردازش در مراکز داده ارائه می شود. انواعی از حالات خدمات رایانش ابری بر حسب بهره‌وری انرژی مورد بررسی قرار می گیرد. تعدادی از نمونه‌های عملی را که در آن‌ها کاربرها/ مشتری‌ها نیازهای محاسباتی و ذخیره‌سازی خود را به ابرهای عمومی و یا خصوصی می‌فرستند مورد بررسی قرار می گیرد. سه نوع خدمات رایانش ابری در نظر گرفته می‌شوند که عبارتند از ذخیره سازی به عنوان خدمات، پردازش به عنوان خدمات و نرم‌افزار به عنوان خدمات. همانطور که از نامش بر می‌آید ذخیره سازی به عنوان خدمات به کاربران اجازه می‌دهد تا داده‌ها را در ابر ذخیره کنند. پردازش به عنوان خدمات به کاربران این امکان را می دهد تا وظایف منتخبی را که از لحاظ محاسباتی سنگین هستند به ابر بفرستند. نرم افزار به عنوان خدمات دو نوع سرویس را با هم ترکیب می‌کند و به کابران اجازه می‌دهد تا همه‌ی محاسباتشان را به ابر بفرستند و در خانه تنها از ترمینالی با پردازش بسیار پایین استفاده کنند. نشان داده می شود که مصرف انرژی در نقل و انتقال و سوئیچینگ می تواند درصد قابل توجهی از کل مصرف انرژی در رایانش ابری باشد. رایانش ابری می تواند وسیله‌ای را برای استفاده‌ی کاراتر از نیروی محاسباتی فراهم کند بویژه وقتی که وظایف محاسباتی غالب کاربران از سنگینی کمی برخوردار باشد و یا به ندرت رخ دهد. به هر حال، نشان داده می شود که تحت برخی شرایط رایانش ابری می‌تواند نسبت به رایانش متعارف که بر روی کامپیوتر‌های شخصی محلی انجام می‌شوند انرژی بیش‌تری مصرف کنند. درنتیجه رایانش ابری می‌تواند بواسطه‌ی تکنیک هایی نظیر مجازی‌سازی و یکپارچه سازی سرورها و سیستم‌های خنک کننده‌ی پیشرفته صرفه جویی قابل توجهی در انرژی ارائه دهد. به هر حال رایانش ابری همیشه سبزترین تکنولوژی رایانشی نیست.

بدنه تحقیق

لزوم مدیریت مصرف انرژی

با گسترده‌تر شدن رایانش ابری مصرف انرژی شبکه و منابع رایانشی‌ای که از ابر پشتیبانی می‌کنند نیز زیاد می‌شود. مرکز داده چون در حال گسترش بوده وهزینه های عملیاتی زیادی را دربردارد و همچون رد پای کربن در محیط زیست می باشد ، لذا اخیراً مصرف انرژی آن مورد توجه قرارگرفته است. در صورتیکه قسمتهای سوئیچینگ و انتقال شبکه که قسمتهای کلیدی در ارتباطات کاربران به ابر می باشد کمترتوجه شده است. در صورتیکه مصرف انرژی در نقل و انتقال و سوئیچینگ شبکه می‌تواند درصد قابل توجهی از کل مصرف انرژی در رایانش ابری را به خود اختصاص دهد.

مدل های خدمات ابری(نرم افزار به عنوان خدمات)

با قابلیت دسترس‌پذیری همه جایی اینترنت پهن باند، توسعه دهندگان نرم افزار به صورتی فزاینده به سمت ارائه کردن نرم افزار به صورت خدمات پیش‌می‌روند. نرم‌افزار در ابر میزبانی می‌شود و همه‌ی رایانش در ابر انجام می گیرد. رایانه‌ی شخصی مشتری تنها برای انتقال فرمان‌ها و دریافت نتایج بکار می‌رود(شبیه به مدل تین کلاینت است). بطور معمول، کاربرها در استفاده از هر کامپیوتری که متصل به اینترنت باشد آزاد هستند. در هر زمانی تنها به تعداد معینی از نمونه های نرم افزار اجازه داده می‌شود تا برای کاربر راه اندازی شوند. یک مثال از نرم‌افزار به عنوان خدمات اسناد گوگل است