IT硬件能耗测试方法应用研究

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IT 硬件能耗测试方法应用研究
Research of IT hardware energy consumption testing approach
(中国电信股份有限公司广东研究院)
黄植勤邱红飞李先绪
HUANG Zhi-qin QIU Hong-fei LI Xian-xu
摘要:IT 硬件是企业应用系统中的重要基础设施,为了衡量IT 硬件在不同类型负载下能效的表现,对企业中的IT 硬件包括PC 服务器、Unix 服务器及磁盘阵列的能耗测试技术进行了研究,重点分析了这些IT 硬件的能耗特点,提出了Unix 服务器在数据库事务型负载、磁盘阵列在随机访问负载下的能耗测评估模型,并详细讨论了评估这些硬件能耗的测试解决方案。

关键词:磁盘整列;服务器;能耗;基准中图分类号:TP274文献标识码:A
Abstract:IT hardwares are the important basic facilities in enterprise application system.To measure the energy performance of IT hardware under different types of worloads,research the energy consumptiontesting technology for enterprise IT hardwares including PC server,UNIX server and disk array,especially analysis the features of energy consumption of these IT hardwares,suggests the energy consumption assessment model for UNIX server under database transaction workload and disk array under random access work -load,and discuss the testing solution for assessing the energy consumption of these hardwares in details.Key words:Disk array;Server;Energy performance;Benchmark
文章编号:1008-0570(2012)10-0101-03
1引言
随着电信运营商的业务日益发展,IT 支撑系统建设的任务也越来越迫切。

由此IT 硬件基础设施也在不断壮大,IT 硬件基础设施包括服务器、网络设备和存储单元。

在追求这些设备追求这些硬件的性能同时,服务器的能效比越来越受到各类用户的高度关注。

在企业数据中心里,IT 基础设施的供电和冷却的电力成本越来越重要,选择高效硬件除了环境收益外,可以直接减低企业用电成本。

根据目前掌握的信息,SPEC 发布的SPECpower_ssj2008的升级版,是全球服务器制造商中具有影响力的能耗标准,这一标准填补了服务器基准测试中有关能效比测试的空白,成为全球首个用于评测服务器系统中与运行性能有关的能耗测试标准。

SPECpower_ssj2008是利用标准Java 的JDK 计算服务器系统的性能,并根据多个不同工作负载段的能耗综合计算服务器的工作负载/能耗比的测试标准。

尽管SPECpower_ssj2008可以很好的衡量服务器在Java 商业模型中的能效表现,但针对Unix 服务器的数据库事务型、磁盘整列随机访问等类型的工作负载,目前SPECPower2008还是无法衡量其能效表现。

本文旨在研究IT 硬件能耗测试方法,包括Unix 服务器的数据库事务型、磁盘整列的能耗测量方法,这些类型的负载不能目前不能通过SPECPower2008很好的解决,如SPECPower2008目前没有unix 服务器操作系统的软件版本。

也期待新版本的SPECPower 测试标准能够尽快推出,从而真正建立一套完整的IT 硬件能效测试标准,能够衡量不同类型负载下的硬件的能效。

2SPECpower2008测试方法介绍
SPEC 是the Standard Performance Evaluation Corporation 的
缩写。

SPEC 是一个包含计算机硬件厂商、软件公司、大学、研
究机构、系统集成商、出版发行及咨询机构的非赢利性组织。

SPEC 的目标是创建、维护并引导一个计算机系统及业界公认
的系统指标。

SPECpower2008是由SPEC 开发的一种性能/功耗比基准
测试,用于评估运行基于Java 的应用程序的服务器的功耗情况。

SPECpower_ssj2008利用标准Java 的JDK 计算整体服务器性能,并根据其11个不同工作负载区域段的功耗得出服务器的工作负载/能耗比的测试方式,它应用specjbb 作为工作负载,先实时满负荷的运行3次,求得平均值得到系统的最高性能值,然后系统以此为参照,按100%,90%,80%......10%,0%(idle)运行工作负载,其系统的利用率也依次下降,性能运行结果会以ssj_ops 方式记录。

同时连接系统电源的功率仪(Yokogawa WT210)会实时记录系统的功率状况(Average Active Power (W)),最后系统会把性能和功率做一个累加并相除得到性能功耗比(∑ssj_ops /∑power =Performance to Power Ratio)[2]。

因此SPECpower_ssj2008成为了一个较为客观的服务器的能耗标准,表1是一款某公司的一款PC 服务器测试数据。

表1SPEC power ssj2008能耗测量结果示例表
黄植勤:学士
101--
技术创新
《微计算机信息》2012年第28卷第10期
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《现场总线技术应用200例》
测控自动化3IT 硬件能效评估模型
SPECpower_ssj2008的能效计算方法是系统会把性能和功
率做一个累加并相除得到性能功耗比(Performance to Power Ra －tio),简称PPR 。

PPR=∑ssj_ops /∑power
服务器在一天中的各个时段中,繁忙程度呈曲线变化,也就是负荷有高峰和低谷。

8点到10点繁忙时段,0点到6点午夜时段可能在空载状况下运行。

因此,本模型在计算方法增加了权重值,权重值可以通过监控服务器的运行状态估算出来。

在公式中采用相应权重下性能和功率做一个累加并相除得到性能功耗比的方式来评价服务器的能效水平。

计算公式拟采用以下方法:
PPR=ΣBiCi/ΣPiCi
(PPR=(B1C1+B2C2+…+BnCn)/(P1C1+P2C2+…+PnCn))
Bi:综合性能值,数据库事务吞吐性能、或磁盘IO 性能的综合
Ci:产品在某一负载下的参考权重,C1~Cn 之和等于1;
Pi:产品在某一负载下的功耗;
4Unix 服务器能耗测量解决方案
Unix 服务器能耗测试方法的介绍,采用LoadRunner 软件模拟大量用户访问被测服务器来增加被测服务器的工作负载,LoadRunner 是一种预测系统行为和性能的工业标准级负载测试工具,可以通过模拟上千万用户实施并发负载及实时性能监测的方式来确认和查找问题。

分别记录被测服务器在空载、25%负载、50%负载、75%负载、以及基本满载的情况下服务器的能耗数据,同时记录下1小时内服务器的耗电量用以判断服务器在能耗方面的表现。

这种测试情况的选择SPECpow －er_ssj2008具有异曲同工的味道。

测试脚本使用的是电信业务支撑系统软件中的业务办理和业务统计为测试案例的测试包。

测试的数据库为oracle 10G ,测试架构是B/S 结构,因此测试拓扑也为三层,其实际部署为在客户机上安装Loadrunner 虚拟用户操作,中间件安装Weblogic 6.1,服务器端安装微软oracle 10G 数据库。

表2Unix 服务器能耗测量结果示例表
能耗测试过程
1)开启服务器能耗监控仪表和数据采集功能;
2)以性能基准测试过程所使用的并发用户数,稳定运行10分钟;
3)以25%业务吞吐量数为阶梯,减少并发用户数使得业务吞吐量为步骤2所得吞吐量的75%、50%、25%,为达到预定业务吞吐量,可以对并发用户数进行微调,每个阶梯稳定运行10分钟;
4)所有并发用户退出,但被测服务器所有服务(包括数据库服务)仍然正常运行,持续10分钟;
5)能耗基准结果分别从上述五个采样点中,取每个采样点最稳定的5分钟区间,将该区间内的能耗采样值和每分钟完成交易量的值取平均。

5磁盘阵列能耗测试解决方案
磁盘阵列测试方法,采用IOMeter 软件模拟大量用户访问被测服务器来增加被测磁盘整列的工作负载,IOmeter 是用于度量和描述一个单独系统或几个系统的IO 性能的工具,主要用于测试磁盘或网络控制器的性能,以及传输带宽及反应能力等。

由于IOPS 基本和磁盘数量成正比,分别记录被测磁盘整列在16块、32块、48块、64块、80块磁盘负载情况下的能耗数据,同时记录下1小时内磁盘整列的耗电量用以判断服务器在能耗方面的表现。

另外,在磁盘整列能耗测试过程中,能耗和磁盘的类型,容量,数量有直接的关系,在测试过程中,必须保证这些的一致性。

能耗测试过程
1)开启服务器能耗监控仪表和数据采集功能;
2)测试16块盘下的吞吐量数,以性能基准测试过程所需要使用的IOMeter 压力机数量及worker 数情况下,稳定运行10分钟;
3)以16块盘的吞吐量数为阶梯,增加磁盘数使得业务吞吐量同步增加,为达到预定业务吞吐量,可以对压力机数进行调整,每个阶梯稳定运行10分钟;
4)能耗基准结果分别从上述五个采样点中,取每个采样点最稳定的5分钟区间,将该区间内的能耗采样值和每分钟完成IOPS 的值取平均。

表3磁盘阵列耗测量结果示例表
6总结
目前SPECpower_ssj2008测试标准的局限性,尽管
SPECpower_ssj2008可以很好的衡量服务器在Java 商业模型中的能效表现,但针对数据库的事务类型、磁盘阵列等类型的工作负载,目前SPECPower2008还是无法衡量其能效表现。

本文针对这些问题,设计了测试方案和评估算法,该设计与企业应用系统相结合并得到了应用,具有很高的可靠性和效率。

本文希望建立一套完整的服务器能效测试标准,能够衡量不同类型负载下的IT 硬件的能效。

本文作者创新点:通过采用LoadRunner 软件模拟大量用户访问被测服务器来增加被测服务器的工作负载,解决数据库类型负载的服务器能耗测试问题;采用IOMeter 软件产生整个综合的I/O 负载,解决磁盘阵列的能耗测试问题。

作者对本文版权全权负责,无抄袭。

参考文献
[1]杨硕;史仪凯;服务器关键能耗部件实时功率测量系统的设计与实现[J];计算机应用;2010年10期
(下转第203页)
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技术创新
嵌入式与SOC
《PLC 技术应用200例》
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的输入,则存在一定的误差(即为电压/电流的转换器的比例失真和零点漂移误差),所以不能将D/A 采集卡的输出直接作为磁强计的输入。

为了准确测量平行环的输入电流,可以利用一精密采样电阻来采样,通过测量采样电阻上的电压来反映平行环的输入电流。

3磁强计测试仪结果分析
在消磁系统中,需要对各种参数进行检测和控制,而要达到比较优良的消磁性能,则必须要求磁强计能够感测被测磁场的变化并且不失真地将其转换为相应的电压,这种要求主要取决于磁强计的基本特性。

为了准确判别磁强计的性能,对磁强计的测试主要包括常数误差分析、静态误差分析、动态误差分析三种。

常数误差分析测试磁强计的直流特性,即输入为一固定值时,磁强计输出与理论值之间的差额能否满足系统的要求。

其测试结果如图2所示:
图2磁强计常数误差分析结果
图2的对比曲线栏中红色为给定值,白色的为磁强计的输出值,两者的误差在误差曲线中显示,从误差显示的曲线中,我们可以看到最大误差为0.28%(<0.5%),满足系统的要求。

静态误差分析测试磁强计的静态特性,包括磁强计的线性度和灵敏度等。

输入信号为一阶梯信号,每一步进维持3s 的时间,共21个步进,在每个步进的最后1s 对磁强计的输出进行采样,看结果能否满足系统精度的要求。

其测试结果如图3所示:
图3磁强计静态误差分析结果
图3的对比曲线栏中红色为给定值,白色的为磁强计的输出值,两者的误差在误差曲线中显示,从误差显示的曲线中,我们可以看到最大误差为0.311%(<0.5%),满足系统的要求。

动态误差分析测试磁强计的动态特性,包括频域频率特性性能指标。

输入信号为一正弦信号,维持3个周期,在输入信号的第三个周期对磁强计的输出进行采样,看结果能否满足系统精度的要求。

其测试结果如图4所示:
图4磁强计动态误差分析结果
图4的对比曲线栏中红色为给定值,白色的为磁强计的输出值,两者的误差在误差曲线中显示,从误差显示的曲线中,我们可以看到最大误差为0.28%(<0.5%),满足系统的要求。

4结束
本文设计的磁强计误差测试系统对磁强计测试仪的精度误差进行分析,通过对该误差进行补偿,并充分发挥了台式仪器
测试精度高的优势,结合计算机强大的数据处理能力,从而提高磁强计误差测试仪的精度以满足设计要求。

通过实验结果可以发现测试系统的测试精度在左右,这个指标与现存磁强计测试仪的测试精度相比,精度标准有了很大的提升。

更有操作界面的简洁方便,使得本系统能够很好得满足工业使用的要求。

创新点:通过对磁强计测试仪误差的分析,在很大程度上提高了磁强计测试仪的精度,如果对A/D 采样的数据进行数字滤波,精度有望更高。

本磁强计误差测试仪的设计思路对以后消磁系统中的消磁电源及消磁绕组的测试仪的设计具有一定的借鉴作用。

本文无抄袭,作者全权负责版权事宜。

参考文献
[1]周建军,林春生,张坚.基于蚁群算法对三轴磁强计非正交度的修正[J].舰船科学技术.2011.2,33(2):108-111
[2]朱昀,董大群.三轴磁强计转向差的自适应校正[J].仪器仪表学报,1999,20(4):392-396.
[3]张乔斌欧阳群崔明洋.基于ADS1256的舰船电场测量系统研究[J].微计算机信息,2010,7-2:49-50.
作者简介:郑春强(1983—),男,汉族,桂林电子科技大学硕士研究生,研究方向舰船维护保障。

Biography:ZHENG Chun-qiang(1983-),male,the Han national -ity,master,the current study interest:ship equipment maninte -nance.
(541004桂林桂林电子科技大学信息与通信学院)郑春强
通讯地址:(541004桂林电子科技大学研究生院09级3班09H3信箱)郑春强
(收稿日期:2011.10.28)(修稿日期:2012.01.28)
(上接第102页)
[2]陈永强;关于服务器能耗测试标准的一些看法[J];日用电器;2009年10期
[3]李先绪;PC 服务器能效测量研究与应用实践[J];电信科学;2011-11-16
[4]张稳浩;苏晓龙;基于RTOS 的CPU 能耗控制技术研究[J];微计算机信息;2008年05期
作者简介:黄植勤(1974-)男,大学本科,现就职于中国电信股份有限公司广东研究院,主要研究方向为计算机通信技术。

Email:huangzq@
Biography:HUANG Zhi -qin,male,Borned in 1974,Bachelor.He works at Guangdong Research Institute,China Telecom Co.,Ltd,focusing on hardware and software performance evaluation of IT equipments.
(510630中国电信股份有限公司广东研究院)黄植勤邱红飞
李先绪
(Guangdong Research Institute,China Telecom Co.,Ltd,Guangzhou,China,510630)HUANG Zhi-qin QIU Hong-fei LI Xian-xu
通讯地址:(510630广东省广州市中山大道西109号中国电信广东研究院IT 运营支撑部)黄植勤
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