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게임 서버 클러스터에서의 서버의 CPU 전력 소모 최소화를 위한 클라이언트-서버 배정 방법
A Method of Client-Server Assignment for Minimizing the CPU Power Consumption of Servers in a Game Server Cluster 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.17 no.4, 2017년, pp.137 - 148  

김상철 (한국외국어대학교 일반대학원 컴퓨터및전자시스템공학과) ,  이성해 (한국외국어대학교 일반대학원 컴퓨터및전자시스템공학과)

초록
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데이터 센터의 전력 소모가 크고, 그 중에 컴퓨터 서버의 전력 소모 비중이 높기 때문에, 최근 서버의 전력 절약을 위한 연구가 다양한 방향에서 진행되고 있다. 서버 컴퓨터의 구성 유닛들 중에서 특히 CPU는 주된 전력 소모 원인이다. 본 논문에서는 게임 서버 클러스터 환경에서 서버 CPU의 전력 소모를 최소화하기 위한 신규 클라이언트들을 서버에 배정하는 방법을 제안한다. 우리는 클라이언트-서버 배정 문제를 최적화 문제로 모델링하고, 시뮬레이티드 어닐링 기반 방법으로 그 해를 구한다. 우리의 방법의 특징들 중 하나는 CPU의 동작 주파수를 부하에 따라 적절히 선택하는 것으로서, 저 부하시에는 낮은 주파수를 선택해 전력 소모를 줄이게 된다. 우리의 조사에 따르면, 온라인 게임 서버의 전력 소모를 고려한 클라이언트-서버 배정에 관한 연구는 거의 없었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the power consumption of data centers is large and computer serves take a large portion of it, there have been much research on the power saving of servers in various ways recently. Among the units of severs CPU is one of major power consuming units. In this paper, a method of client-server as...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 게임 서버 클러스터 환경에서 서버 CPU의 전력 소모를 최소화하기 위한 클라이언트-서버 배정 방법을 제안했다. 우리는 먼저 클라이언트-서버 배정을 NLP 문제로 모델링하고, 그 해를 구하는 시뮬레이티드 어닐링 기반의 알고리즘을 제안했다.
  • 본 논문에서는 서버 클러스터 환경에서 운영되는 온라인 게임을 대상으로, 서버들의 CPU 전력 소모를 최소화하는 CSA 방법을 제안한다. 우리는 CSA 문제를 NLP(NonLinear Programming)으로 모델링하고, 그 해를 구하는 시뮬레이티드 어닐링(SA: Simulated Annealing) 기반의 방법을 제안한다.
  • 우리는 전력 소모가 두 가지 타입의 CPU를 정해, 이 중 한 CPU를 가진 서버들이 혼재된 서버클러스터를 대상으로 제안한 방법을 실험해 보았다. 실험 결과, CPU의 동작 속도를 기본 주파수인 최대 주파수로 고정시킨 경우와 비교해, 우리의 방법이 전력소모를 현저히 줄임을 보여 주었다.

가설 설정

  • 실험에서 서버의 수는 N=10으로 설정했는데, 그 중 5개 서버는 ‘AMD Opteron’ CPU를, 나머지 5개 서버는 ‘Intel Pentium M’ CPU를 갖는다고 가정했다. 같은 CPU를 갖는 서버들의 성능은 동일하다고 가정했다.
  • 실험에서 서버의 수는 N=10으로 설정했는데, 그 중 5개 서버는 ‘AMD Opteron’ CPU를, 나머지 5개 서버는 ‘Intel Pentium M’ CPU를 갖는다고 가정했다.
  • 우리는 서버들의 CPU가 여러 동작 주파수를 지원한다고 가정한다. 이런 CPU는 동작 주파수가 낮으면 소모 전력도 그 만큼 낮아지는 특성을 갖는다.
  • 하나는 전력 소모 최소화만을 목적으로 배정을 구하고, 다른 두 개는 앞에서 구한 배정에 대해 서버간 부하 균등이나 클라이언트-서버간 거리 균등을 다시 개선하게 된다. 우리는 서버들이 여러 동작 주파수를 지원하는 CPU를 사용한다고 가정한다.
  • 사용자 도착률은 단위 시간 동안에 발생하는 게임 플레이를 원하는 플레이어들의 평균 수를 나타내는데, 본 실험에서는 단위시간을 30초로 설정했다. 우리는 신규 사용자 수가 포아송 분포를 따른다고 가정했다. 편의상 클라이언트와 서버간의 거리는 1 ~ 10 사이 값을 갖고, 평균값이 5인 균일 분포(uniform distribution)를 갖는 것으로 가정했다.
  • 우리는 신규 사용자 수가 포아송 분포를 따른다고 가정했다. 편의상 클라이언트와 서버간의 거리는 1 ~ 10 사이 값을 갖고, 평균값이 5인 균일 분포(uniform distribution)를 갖는 것으로 가정했다. 우리의 실험에서는 서버의 CPU 타입별로 최대 부하를 달리 정했기에, 서버간 부하 편차 LD는 같은 CPU를 가진 서버간의 부하 편차를 먼저 구한 후, 이들의 평균으로 정의한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CSA 문제란 무엇인가? 그 후, 결성된 그룹들은 서버 클러스터내 한 서버에 자동으로 배정되어 게임을 진행하게 된다. 이와같이 신규 클라이언트들에 대해 적절한 서버를 찾아 배정하는 문제를 CSA(Client-Server Assignment) 문제라 부른다.
클라이언트를 서버에 자동으로 배정할 때의 대표적인 목표 지표로 어떤 것이 있는가? 대부분의 연구[1,2,3,4,11]에서는 클라이언트를 서버에 자동으로 배정하면서 특정 목표 지표를 최대화 또는 최소화하도록 노력한다. 대표적인 목표 지표로서, 클라이언트-서버간의 평균 지연 시간[3,4], 주어진 클라이언트 그룹을 배정할 서버의 수[11], 서버간 부하 균등[1,2] 등이 있다. 온라인 게임에서는 특히 서버간 부하 균등에 관한 연구가 많이 발표되었다.
CPU 활용도는 전력 소모와 어떤 관계를 갖는가? 이 연구에 따르면, 동접자 수에 따라 프로세서의 활용도(utilization)는 증가하는데, 그 형태가 컨벡스(convex:볼록) 함수형태를 띤다. [20]에 따르면, CPU 활용도와 전력 소모는 선형적으로 비례한다. 따라서 온라인 게임 서버의 CPU 소모 전력은 동접자 수의 컨벡스 함수 형태로 표현될 수 있을 것이다.
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참고문헌 (20)

  1. C. Eduardo B. Bezerra, et. al, "Adaptive Load-balancing for MMOG Servers Using KD-trees", ACM Computers in Entertainment, Vol. 10, No. 3, Article 5, 2012, pp. 1-16. 

  2. R. W.H. Lau, "Hybrid Load Balancing for Online Games", Proc. of ACM International Conference on Multimedia, 2010, pp.1231-1234. 

  3. Y. Chen, et al, "Server Selection with Delay Constraints for Online Games." Proceedings of GLOBECOM Workshops, 2010, pp.882-887. 

  4. M. Kohana, et. al, "Dynamic ReAssignment Rules on Multi-Server Web-based MORPG System", International Journal of Grid and Utility Computing, vol. 3, no. 2/3, pp. 136-144, 2012 

  5. Sunghae Lee, Sangchul Kim, "A Method for Assigning Clients to Servers for the Minimization of Client-Server Distance Deviation", Journal of Korea Game Society, 16(3), 2016, pp.97-108. 

  6. A. Dhesikan, "Data Center Energy Efficiency: Power vs. Performance", https://www.scribd.com/document/228651809/303 

  7. Yan Gu, Samarjit C., "Control Theory-based DVS for Interactive 3D Games", Proc. of 45th DAC, 2008. pp.740-745 

  8. X. Chen, et. al, "How is energy consumed in smartphone display applications?" Proceedings of Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, HotMobile '13. 2013, pp.3:1-3:6. 

  9. https://en.wikipedia.org/wiki/Simulated_annealing 

  10. A. Abdelkhalek, et. a;, "Behavior and Performance of Interactive Multi-player Game Servers", IEEE International Symposium on Performance Analysis of Systems and Software. 2001.pp.137-146 

  11. K. Lee, B. Ko, S. Calo. "Adaptive Server Selection for Large Scale Interactive Online Games." Computer Networks, Vol. 49, Issue 1, 2005, pp.84-102. 

  12. M. Weiser, B. Welch, A. Demers, and S. Shenker. "Scheduling for reduced CPU energy. Proc. of OSDI, 1994, Article No. 2 

  13. Alger, D.. "Grow a greener data center", Indianapolis, IN: Cisco Press, 2010 

  14. Dimitris Hatzopoulos, et al., "Dynamic virtual machine allocation in cloud server facility systems with renewable energy sources", Proc. of IEEE ICC, 2013, pp.4217 - 4221 

  15. George Terzopoulos; Helen Karatza, "Power-aware load balancing in heterogeneous clusters", 2013 Proc. of SPECTS, 2013, pp.148 - 154 

  16. Yuan Yao, et al., "Data Centers Power Reduction: A two Time Scale Approach for Delay Tolerant Workloads", Proc. of IEEE INFOCOM, 2012, pp.1431-1439. 

  17. Bhojan Anand, et el., "Game action based power management for multiplayer online game", Proc. of MobiHeld, 2009, pp55-60 

  18. K. Kumar, et al., "A Survey of Compuation Offloading for Mobile Systems", Mobile Netw Appl, 18, 2013, pp.129-140 

  19. Lam Ngok, "A simple bound on the game server computing power", https://www.cse.ust.hk/-lamngok/pdf/Internet_gaming.pdf 

  20. Lauri Minas and Brad Ellison, "The Problem of Power Consumption in Serves", http://www.drdobbs.com/the-problem-of-power-consumption-in-serv/215800830, 2009. 

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