Design and evaluation of an Energy-Aware scheduling plugin for Kubernetes clusters
Loading...
Files
Date
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Setif 1 Unuversity Ferhat Abbas . Faculty of Sciences
Abstract
The rapid proliferation of cloud-native orchestration via Kubernetes has led to significant escalations in data center energy consumption and carbon footprints. While traditional scheduling frameworks prioritize resource utilization, they often neglect the environmental impact of workload distribution. This dissertation proposes CARMEN, a novel energy-aware scheduling plugin for Kubernetes (K3s) that integrates carbon-aware computing principles into the orchestration layer. CARMEN implements a simple, deterministic ARM-priority rule that systematically places pods on ARM nodes (8W) over x86 nodes (35W), using real-time metrics from the Kubernetes Metrics Server.
The CARMEN framework consists of five components: an external scheduler for ARM-first placement, a proactive rescheduler that migrates pods when energy gain exceeds 15%, a failure descheduler that automatically detects node failures and recovers affected pods within 5 seconds, a real-time Streamlit dashboard, and the Kubernetes Metrics Server.
Evaluated through 30 consecutive tests on a simulated 3-node heterogeneous cluster (one ARM worker, one x86 worker, one x86 master), CARMEN achieves a mean energy gain of 38.86% compared to random placement, reducing power consumption from 35.96W to 22.00W, with gains ranging from 32.93% to 49.54% and perfect reproducibility (zero variance). Carbon emissions are reduced by the same percentage using the IPCC global average factor of 475 gCO2/kWh.
Our findings demonstrate that CARMEN effectively balances operational performance with ecological sustainability, providing a scalable framework for green cloud-native computing
Description
أدى التوسع السريع في استخدام أنظمة التنسيق السحابية، ولا سيما نظام كوبرنيتس، إلى ارتفاع ملحوظ في استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون بمراكز البيانات. ورغم أن آليات الجدولة التقليدية تركّز على تحسين استغلال الموارد، فإنها غالباً ما تهمل البعد البيئي المرتبط بتوزيع أحمال العمل. يقدّم هذا البحث نظام CARMEN، وهو مكمّل برمجي مبتكر لجدولة المهام داخل Kubernetes (نسخة K3s)، يدمج مبادئ الحوسبة المراعية للكربون في طبقة التنسيق. يعتمد CARMEN على قاعدة بسيطة وحتمية تمنح الأولوية المطلقة للعقد المزودة بمعمارية ARM (قدرتها 8 واط) على حساب العقد ذات المعمارية x86 (قدرتها 35 واط)، مستعيناً بمقاييس فورية يجمعها خادم المقاييس الخاص بكوبرنيتس.
تتألف بنية CARMEN من خمسة مكونات أساسية: جدول خارجي يطبّق أولوية ARM في وضع المهام، وجدول استباقي يعيد ترتيب المهام كل 30 ثانية ولا ينقلها إلا إذا تجاوز الربح الطاقي نسبة 15٪، وجدول لمعالجة الأعطال يكتشف تلقائياً تعطل العقد ويعيد استعادة المهام المتضررة في أقل من 5 ثوانٍ، بالإضافة إلى لوحة تحكم تفاعلية (Streamlit) تعرض المقاييس بشكل لحظي، وخادم المقاييس نفسه.
خضع الحل للتقييم عبر 30 اختباراً متتالياً على مجموعة محاكاة غير متجانسة مؤلفة من 3 عقد (عامل ARM، وعامل x86، وعقدة رئيسية x86). يحقق CARMEN ربحاً طاقياً وسطياً مقداره نسبة.86 38 بالمئة مقارنة بالتوزيع العشوائي، إذ ينخفض متوسط الاستهلاك الكهربائي من 35.96 واط إلى .0022 واط، وتتراوح نسب الربح بين 32.93 بالمئة و49.54 بالمئة، مع إمكانية تكرار كاملة للنتائج (تباين معدوم). كما تنخفض انبعاثات الكربون بالنسبة نفسها، بالاعتماد على عامل الكثافة الكربونية الوسطي العالمي الذي أوصت به الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) والقدره 475 غرام CO₂/كيلوواط/ساعي.
تؤكد نتائجنا أن CARMEN يوفق بين الأداء التشغيلي والاستدامة البيئية، مقدماً إطاراً خفيف الوزن، قابلًا للتكرار، وقابلاً للتوسع، يُساهم في بناء حوسبة سحابية أكثر خضرة
