论文摘要
当前数据中心已经成为用电量增长最快的行业,庞大的数据中心数量和规模已经让电力工业不堪重负,尤其在当前节能减排、减少二氧化碳排放的全球协议倡导下,数据中心的节能与降耗已经迫在眉睫,我们需要建设绿色数据中心。然而作为数据中心耗电主体的服务器,其实际应用性能远远低于峰值性能,CPU大部分时间处于空转状态,能效十分低下。目前,由于带宽与处理器的运算能力不匹配导致处理器在大部分时间等待数据而处于“饥饿”状态,使得性能大打折扣,某些应用任务的计算效率甚至低于5%。Web服务是数据中心目前应用最广泛的服务,目前采用通用服务器作为Web服务器存在如下问题：1)通过通用服务器的简单堆叠虽然可以提高Web服务的能力,却因CPU利用率很低造成通用服务器简单堆叠能效低下；2)Web服务的负载在时间上存在很大的分布不均衡性,服务器的静态配置与应用需求动态变化之间存在很大矛盾；3)缺乏有效的功耗控制策略,使得能耗并没有随着业务负荷的降低而同比例的降低；4)通过虚拟化来提高Web服务器效能的方法治标不治本,因为虚拟化本身就会带来效率的损失,车建华在博士论文《虚拟计算系统性能与可用性评测方法研究》的研究中,从应用的角度对虚拟机性能进行了测试,虚拟化使得Web服务器的性能损失了20%开销。针对上述问题,本文针对Web服务提出了一种新型的高效能微服务器架构,通过采用微服务器CPU作为处理核心(它通过对传统CPU的主频、微结构、工艺进行改进和创新,更加适用于需要更低功耗、更高密度、更高的IO操作、更高效率的工作负载),省去了中间虚拟层,让应用负载和硬件资源的匹配度更高。同时,在一个机箱内集成计算资源(多个微服务器模块)、存储资源和网络资源,通过共享电源、风扇、网络等资源,从而使该服务器在密度、功耗、成本等方面具有明显优势。本文的主要工作包括以下几点：1)阐述了高效能微服务器研究的背景、内容和意义,介绍了国外在高效能微服务器创新方面的成果,提出本文所要研究的内容；2)分析微服务器典型应用Web服务的特点,以及采用传统通用服务器效能低下的原因；3)基于应用对硬件的需求分析,提出高效能微服务器的设计目标,并重点介绍了高效能微服务器整体架构和微服务器功能模块的设计与实现；4)介绍微服务器模块的功能和稳定性测试以及整机系统Web服务应用测试方法和测试结果；5)通过对比并分析高效能微服务器与通用服务器的测试结果,总结下一步改进的方向；高效能微服务器主要适合于轻量计算、高IO操作、高并发、高通量、横向扩展的应用场景,除了特别适用于Web服务以外,对于CDN服务、缓存服务、网络内容处理、IDC物理机租赁、分布式计算等应用场景也有明显优势,通过对微服务器模块功能和稳定性的测试表明,高效能微服务器功能稳定可靠；通过对Web服务的对比测试报告表明,高效能微服务器的效能远高于传统通用服务器,达到了绿色节能的效果。