能耗感知的绿色数据库研究综述
时间：2021-04-08 07:59:23 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘要：随着全球的低碳化趋势以及以数据为中心的计算趋势，研究节能的绿色数据库系统已成为政府、企业和学术界共同关注的问题。然而，已有的数据库系统与算法大都针对性能目标而设计，缺乏对能耗的感知与处理，包括能耗有效性以及能耗同比性等问题的考虑。围绕绿色数据库系统的发展需求，对绿色数据库技术中的关键问题进行了讨论，重点阐述了数据库系统能耗有效性，以及面向数据库节点集群的能耗同比性等问题。在此基础上，给出了能耗感知的绿色数据库技术的未来发展方向，为该方向的进一步深入研究提供新的参考。
关键词：能耗； 绿色数据库； 能耗有效性； 能耗同比性
中图分类号： TP392文献标志码：A英文标题
0引言
自哥本哈根大会之后，建设低碳社会已经成为全球共识。面向可持续发展的低成本、低能耗的新型计算系统、模型和应用的研究，或称为绿色计算，已成为未来信息技术领域面临的重大挑战[1-2]。在当前的以数据为中心的计算模式下，研究节能的绿色数据库系统不仅具有显著的应用价值和社会意义，同时对于推动数据库领域的发展也具有重要的科学意义。绿色数据库系统目前还没有统一的定义，其主要的目标是实现数据库系统的低能耗，同时兼顾性能。传统的数据库系统通常以高性能为目标进行设计，没有充分考虑数据存储与操作时的能耗有效性（Energy Efficiency），更没有考虑能耗的均衡性（Energy Proportionality）。所谓能耗有效性[3]，通常指使用更少的电能来提供相同的服务，例如缓冲区管理、查询执行等。能量均衡性，是指数据库系统的能耗应随着负载的变化而动态调整[4]。由于能耗在现有大型数据管理系统（通常是数据中心）中的费用比例逐年升高（目前大约占总能耗的16%左右）[5]，不仅给企业带来了沉重的经济负担，所带来的碳排放问题也会带来一系列的社会问题和国际影响。因此，研究能耗有效和能耗同比的绿色数据库系统，降低数据管理的能耗，已经成为政府、企业和学术界普遍关心的焦点问题之一。对于我国而言，发展具有自主知识产权的绿色数据库技术，推动我国新一代信息产业的跨越式发展，对于我国在21世纪确立国际战略优势地位也具有至关重要的意义。
绿色数据库技术以低能耗为主要的设计目标，同时兼顾性能。这与传统的以高性能为主要目标的数据库技术有很大的差别。自2008年以来，数据库系统的能耗问题已逐步引起国内外学术界和工业界的广泛重视。2008年，在全球资深数据库研究人员论坛（Senior Database Researcher Meeting）上（全球数据库资深研究人员每3～5年召开一次会议，研讨未来数据库领域的发展方向。自1988年以来，会议所发布的报告已成为数据库领域学术研究的指南针），来自全世界的数据库学者一致提出应当“设计低能耗但不牺牲伸缩性的节能型DBMS （designing poweraware DBMSs that limit energy costs without sacrificing scalability）”[6]。能耗问题也成为最近数据库领域著名会议和期刊的讨论热点，如SIGMOD 2010、ICDE 2010、PVLDB 2010、EDBT 2011等。在SIGMOD 2010上，HP Labs的研究人员系统分析了现有数据库服务器的能耗有效性[7]；在ICDE 2010上，美国南佛罗里达大学的研究人员分析了数据库系统中能耗和性能之间的协调问题[8]；在2010年的Proceedings of VLDB Endowments上，美国威斯康星大学的研究者分析了MapReduce集群上的能耗有效性问题[9]；在CIDR 2009上，来自Amazon的研究人员讨论了数据中心的能耗有效性[10]；在EDBT 2011上，加州伯克利大学劳伦斯国家实验室的研究人员对利用复制机制实现磁盘存储系统的能耗同比性进行了研究[11]。此外，由于闪存（Flash Memory）以及固态硬盘（Solid State Disks，SSD）具有耗电少、无机械延迟等特点，许多研究者提出在绿色数据库系统中应当考虑闪存的使用[7， 13]，并对闪存和磁盘的能耗进行了对比测试[12]。但是，如何在数据库系统存储体系中合理地安排闪存，仍是一个待解决的问题，例如如何建立闪存和磁盘混合存储系统才能实现高性能和低能耗的目标。在ICDE 2010上，研究者们还专门开设了一个Panel“Database architecture （R）evolution： New hardware vs. new software”来讨论如何在数据库体系结构中合理使用闪存等问题。总体而言，数据库系统的能耗有效性和能耗同比性问题已经成为国际上的研究热点和趋势，但已有工作集中在能耗有效性的测试分析上，尚未揭示数据库系统性能与能耗之间的影响规律，对数据库系统能耗有效性和能耗同比性的诸多关键问题（如混合存储管理、数据库节点集群中的存储分配等）还缺乏有效的解决方案。
能耗感知的绿色数据管理技术涉及到数据库系统架构以及存储架构的重新设计，同时需要解决其中出现的一些新问题，具有很大的挑战性。研究绿色数据库系统能耗有效性和均衡性问题，不仅可以为构建我国自主产权的绿色DBMS奠定基础，还可以为绿色数据中心的建设以及能耗有效的操作系统等系统软件设计提供有力的支持。
本文综述了能耗感知的绿色数据管理技术，分析了绿色计算及低能耗计算机系统的发展概况，给出了能耗有效的数据库系统研究现状，讨论了面向集群的能耗同比性技术及存在的问题，在此基础上对绿色数据库未来发展方向进行了展望。
1绿色计算与低能耗计算机系统
1.1绿色计算
绿色计算可以看作是建立计算机行业的环境友好型和可持续发展型的新型计算模式。Murugesan 等将绿色计算领域定义[16]为：旨在有效地设计、制造、使用和部署计算机、服务器和相关子系统（如：显示器、打印机、存储设备以及网络和通信系统）来使得它们最小程度上或根本上不去影响和破坏环境的一切研究和实践。
