数据中心：一个支点，撬动全世界

Posted 2021-01-15

站在偌大的数据中心前，我的思绪万千。随着IT科技的飞速发展，云计算、大数据、人工智能等技术不断深入到我们的工作和生活，数据中心的功能也在短短50多年的发展过程中经历了传统数据存储中心到云数据中心、分布式数据中心，成为企业IT系统中最重要的组成部分，发挥着巨大的作用。

数据中心是数据大集中而形成的集成IT应用环境，是各种业务的提供中心，也是数据处理、数据存储和数据交换的中心。对于云计算而言，数据中心要求基础设施具有良好的弹性、扩展性、自动化、数据迁移、多租户和对虚拟化的支持，应着重从高密度低成本服务器、海量存储设备和高性能计算设备等方面提高云计算数据中心的数据处理能力。那么，云计算环境下的数据中心基础设施各部分的架构应该是什么样的呢？又该如何科学化的系统建设呢？
首先，在电力和节能方面，基础设施需要充分适应云计算的业务发展客观规律，按照最优化效率建设绿色的数据中心。何为“绿色数据中心”？不仅建筑需要节能，数据中心也是如此，严重的电力不足，使得机房频频出现能耗危机，绿色数据中心突然间从“无人所知”升至“家喻户晓”。据调查数据显示，62%的企业认为，他们的数据中心面临着诸如散热、供电、成本等问题；23%的企业认为，其数据中心供电和散热能力不足，限制了IT基础设施扩展，或无法充分利用高密度计算设备；19%的被访企业认为，其数据中心的耗电量太大，费用超高，无法负担；还有17%的企业认为，机房温度过高，影响了计算设备的稳定运行，随之导致一系列问题的出现。因此，大多数企业的数据中心设施最严重的问题是：运算密度的提高导致用电密度的迅速加大，数据中心总体拥有成本随服务器的增加而成倍增加。过去的数据中心运算能力是目标，用电是“一般商品”，现在和未来的数据中心运算能力是“一般商品”，用电是焦点。因此我们需要绿色数据中心。绿色数据中心的含义就是要提高数据中心的能源效率，尽量减少数据中心的整体用电量；增大数据中心整体用电中用于IT系统比例；尽量减少用于非计算设备（电源转换、冷却等）的用电消耗。还有新出现的集装箱式数据中心，集供电、制冷、网络、安防、监控等系统于一身，为数据中心需求量身打造，具有极高的系统冗余度和完整度，其可靠性完全不亚于甚至高于整体数据中心需求，为数据中心机房快速投产和应用提供了一体化式解决方案。

其二在云计算网络系统架构上，应坚持区域化、层次化、模块化的设计理念，使网络层次更加清楚、功能更加明确。根据业务性质或网络设备的作用进行区域划分，可以从以下几方面进行规划。
　　1）按照数据的等保级别来划分。比如等保二级和等保三级应划分不同的网络安全域，使用不同的安全策略，来对传送的数据进行保护。
2）按照面向用户的不同，网络系统还可以划分为内部核心网、业务专网、安全接入域、公众服务网等区域。
　　3）按照网络层次结构中设备作用的不同，网络系统可以划分为核心层、汇聚层、接入层。
　　4）按照各业务的应用关联关系及业务的安全隔离需求综合考虑，网络系统在逻辑上可以划分为业务区、前置区、管理区、存储区、外联接入区、内网交互区等。
　　此外，如果有两地三中心的网络架构。在数据中心部署虚拟化云计算之后，还需要大二层来打通不同的数据中心。这就需要网络架构向扁平化方向发展，最终的目标是在任意两点之间尽量减少网络架构的数目，消除网络层级的复杂性和减少网络延迟。
　　
其三、云计算应用系统架构
　　
云计算平台为部署和运行应用系统提供所需的基础设施资源和相应的应用基础环境，所以应用系统的开发人员无需关心应用的底层硬件和应用的基础设施。并且可以根据应用需求的变化，云计算平台可以动态调整和扩展应用系统所需的资源。完整的应用平台包含如下系统功能架构。
　　 1）应用运行环境：
底层网络环境
WEB前端
中间件平台
　　 分布式运行环境
　　 多种类型的数据存储
　　 动态资源伸缩
　　 2）应用全生命周期支持
　　 提供JAVA开发、SDK、ios等流程化环境，加快应用的开发、测试和部署。
　　 公共服务：以API形式提供公共服务，如队列服务、存储服务和缓存服务等。
　　 监控、管理和计量：提供资源池、应用系统的管理和监控功能，精确计量应用使用所消耗的计算资源。
　　 3）集成、复合应用构建能力
　　 除了提供应用运行环境外，还需要提供连通性的服务、整合服务、消息服务和流程重组服务等，来实现用于构建SOA架构风格的复合应用。当然企业和服务提供商也在寻找更好的方法将应用程序部署在云环境中，微服务被认为是未来的方向。通过将应用和服务分解成更小的、松散耦合的组件，使它们可以更加容易升级和扩展，快速应对业务变化。
　　
　　 云计算核心是计算能力的集中和计算资源的规模性突破，云计算平台对外提供的计算类型决定了云计算中心的硬件基础架构。从云端客户需求看，云计算中心通常需要提供以下几种类型的计算能力，其服务器系统可采用三（多）层架构：一是高性能的、稳定可靠的业务级计算，主要处理紧耦合复杂的计算任务，这类计算不仅包括对外的数据库、商务智能数据挖掘等关键服务，也包括自身账户、计费等核心系统，通常由企业级大型服务器提供；二是面向众多普通应用的通用型计算，用于提供低成本计算解决方案，这种计算对硬件要求较低，一般采用高密度、低成本的X86集成服务器，以有效降低数据中心的运营成本和终端用户的使用成本；三是面向科学计算、大数据分析等业务，提供百万亿、千万亿次计算能力的高性能计算，其硬件基础是高性能集群。

　　 其四、云计算存储系统架构
　　
　　 云计算采用数据统一集中存储的模式，在云计算平台中，数据如何存储是一个非常重要的问题，在实际使用的过程中，需要将数据分配到多个节点的多个磁盘当中。而能够达到这一目的存储技术，当前主要有两种方式，一种是使用类似于Google File System的集群文件系统，另外一种是基于块设备的存储区域网络SAN系统。
　　 GFS是由 Google公司设计并实现的一种分布式文件系统，基于大量安装有Linux操作系统的普通PC构成的集群系统，整个集群系统由一台Master和若干台ChunkServer构成。在SAN连接方式上，可以有多种选择。一种选择是使用光纤网络，能够操作快速的光纤磁盘，适合于对性能与可靠性要求比较高的场所。
另外一种选择是使用以太网，采取iSCSI协议，能够运行在普通的局域网环境下，从而降低成本。采用SAN结构，大量的数据传输通过SAN网络进行，局域网只承担各服务器之间的通信任务，这种分工使得存储设备、服务器和局域网资源得到更有效的利用，使存储系统的速度更快，扩展性和可靠性更好。
当然从存储的角度来说，目前超融合基础架构更加引人关注。从硬件角度来说，将计算、网络和存储集中到相同的平台当中是一种理想的迁移方式。此外，将超融合基础架构存储控制器由硬件组件转变成为软件服务（可以由管理员进行控制，不需要长时间培训）也是一种合理并且受欢迎的做法。

云计算数据中心在设施交付效率上有较高要求，随着行业的快速发展，很快会以天、小时甚至以分钟为单位要求应用系统的交付，这与传统的以月或周为周期的交付有很大区别，定制、模块化、业务耦合性强的基础设施建设模式，将大幅提高业务投产效率，快速产生价值。总之，建立新一代云计算基础设施，应以云计算数据中心的高效率、低运行成本，灵活的业务适应性和服务可用性为目标，分阶段的建设与实施。当然随着社会的进步和技术的不断发展，云计算数据中心的架构也会不断调整和优化。

每一个阶段数据中心的发展都有不同的驱动因素，比如在2008-2013年时，是成本，2014年到2016年是互联互通，2017到2018年是云服务的落地和大数据的应用，那么2019到2020年，物联网、边缘计算和人工智能将成为数据中心市场发展的重要推动力。特别是随着5G的发展，用户对体验会提出更高的要求，这就推动了边缘数据中心的出现。还有就是模块化会深入数据中心全生命周期，整个模块化都会贯穿在生命周期里，会利用前期在制造工厂提前预置这种思想，到现场再进行直接拼插组装，这样能满足用户的上线快、能效高、运维方便、智能化的需求。今后智能化数据中心将成为必然选择，也是数据中心发展很重要的一个趋势。

深邃浩瀚的星空中，视野一望无际，唯有点点星光永恒闪烁。如果把数据中心比喻成一个支点，他将创造的奇迹令人遐想无限。