数据中心知识

综合布线

数据中心是各类信息的中枢,通常它是信息系统的核心所在,因为它包括了该信息系统中的几乎全部的信息资产。它在信息系统中占有重要地位,因为它包括了该企业网中的几乎全部的信息资产和大多数的物理资产。一个企业网络的主要设备,如各种专用和通用服务器、大量的数据资源、主干路由器、主干交换机、防火墙、UPS等现代企业网络必不可少的设备和资产,都安置在此。同时,它也是数据中心管理维护人员长期工作的地方。

数据中心工程是一个集电工、电子、建筑装饰、暖通净化、计算机网络、弱电控制、消防等多学科、多领域的综合工程,并涉及网络工程,综合布线系统等专业技术的工程。机房对供配电方式、空气净化、安全防范措施以及防静电、防电磁辐射、抗干扰、防水、防雷、防火、防潮、防鼠诸多方面给予高度重视,以确保计算机系统长期正常运行工作。

数据中心有关知识重点讨论如下10点内容。

(1)数据中心(机房)等级

数据中心(机房)等级我国分为A、B、C三级,ANSI/TIA分为1、2、3、4级。

我国《电子信息系统机房设计规范XGB50174-2008),数据中心可根据使用性质、管理要求及由于场地设备故障导致电子信息系统运行中断在经济和社会上造成的损失或影响程度,分为A、B.C三级。

A级为容错型,在系统需要运行期间,其场地设备不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统运行中断。

B级为冗余型,在系统需要运行期间,其场地设备在冗余能力范围内,不应因设备故障而导致电子信息系统运行中断。

□ C级为基本型,在场地设备正常运行情况下,应保证电子信息系统运行不中断。

A级是最高级别,主要是涉及国计民生的机房。国家气象台、国家级信息中心、计算中心、重要的军事指挥部门、大中城市的机场、广播电台、电视台、应急指挥中心、银行总行、国家和区域电力调度中心等电子信息系统机房和重要的控制室等属A级机房。

科研院所、高等院校、三级医院、大中城市的气象台、信息中心、疾病预防与控制中心、电力调度中心、交通(铁路、公路、水运)指挥调度中心、国际会议中心、大型博物馆、档案馆、会展中心、国际体育比赛场馆、省部级以上政府办公楼、大型工矿企业等电子信息系统机房和重要的控制室等属B级机房。

      C级机房中的电子信息系统运行中断不会造成太大损失。各单位建设机房的标准可以根据自身需求,参考机房分级标准,确定本单位电子信息系统机房的技术要求。

ANSI/TIA数据中心(机房)分为4个等级,级别越高,提供的可用性和安全性就越高。

1级数据中心(机房)

□ 1级机房为基础型。机房是易受有计划的行为影响,它有计算机的电力配电和空调装置,不一定有架空地板、UPS或发电机。

 2级数据中心(机房)

□ 2级机房有冗余部件,对比1级机房有架空地板、UPS和发电机,不过它们的容量设计是“基本的加一”(N+1),从始端到末端只有一个配电回路,关键电力回路和场地基础设施等其他部分的维护能正常运行。

3级数据中心(机房)

□ 3级机房是不间断维护的,允许场地基础设施在任何情况下的任何有计划的操作,都不会中断计算机硬件运行。有计划的操作包括预防性和程序性的维护、修理和替换组件,增加或移除组件,测试组件或系统等。对使用水冷方式的大型场地,采用2套独立的水管。在维护或测试某一回路时,另一回路必须有足够的能力和配送来提供能力。

4级数据中心(机房)

□4级机房是容错的,场地基础设施的容量和能力能够允许任何操作而不导致关键设备破坏。容错功能性给场地基础设施提供在一个无计划的故障或事故的最坏情况下能够不影响重要负载的故障而维持工作的能力,这要求同时有工作的配送回路,特别是系统+系统的配置。在电力方面意味着2个独立的UPS系统,每个系统是N+1冗余。因为火灾和电力的安全、火警或人为的紧急断电仍然有失效的危险。4级要求所有电子计算机硬件有两路电源输入,遵照Uptimeinstritute容错性的电源规范。4级的场地基础设施和高可用度IT概念是相通的,就是使用CPU集群、RAIDDSAD,冗余通信回路达到高可靠性、可用性和可服务性。

(2)数据中心(机房)的布局要求

机房位置要有利于人员进出和设备搬运。机房应包括:主机区、第一类辅助房间、第二类辅助房间及第三类辅助房间等。

       □ 主机区,计算机主机、网络设备、操作控制台和主要外部设备(磁盘机、磁带机、通信控制器、监视器等)的安装场地.

□ 第一类辅助房间,直接为计算机硬件维修、软件研究服务的处所。其中包括:硬件维修室、软件分析修改室、仪器仪表室、备件库、随机资料室、未记录磁介质库、未记录纸介质库、硬件人员办公室、软件人员办公室、上机准备室和外来用户工作室等。

□ 第二类辅助房间,为保证机房达到各项工艺环境要求所必需的各公用专业技术用房。其中包括:变压器室、高低压配电室、不间断电源室、蓄电池室、发电机室、空调器室、灭火器材室和安全保卫控制室等。

□ 第三类辅助房间,用于生活、卫生等目的的辅助部分。包括:更衣室、休息室、盥洗室等。

(3)设备间内所有设备应有足够的安装空间,其中包括计算机主机、网络连接设备等。机架前后至少留有1.2m的空间,以方便设备的安装、调试及维护。

(4)数据中心机房工程组成

数据中心机房工程是一项复杂的系统工程。具体有:

1)机房装修工程。其中还包括机房地面工程、机房天花工程、机房隔断工程和机房门窗工程、保温。

2)机房动力供配电系统工程。其中还包括机动力供配电系统、UPS供配电系统、辅助供配电系统、照明系统、应急照明系统。

3)机房空调新风系统工程。其中还包括空调、新风系统、漏水检测。

4)消防系统工程。其中还包括气体灭火系统和火灾自动报警系统。

5)弱电工程:其中还包括机房综合布线系统、机房监控系统、门禁、各类动力电缆和配电电缆的敷设防雷和接地系统。

6)屏蔽系统工程。其中还包括机房屏蔽,能够防止各种电磁干扰对机房设备和信号的损伤,常见的屏蔽方法有:金属网状屏蔽和金属板式屏蔽。

(5)数据中心工程技术发展趋势

近年来,随着云计算技术的发展和网络应用的普及,数据中心由小规模、封闭式、单一功能,向大规模、开放式、多功能方向发展,具体表现在工程技术方面和机房管理方面。

1)工程技术方面

机房工程技术向安全、节能、高效、绿色、环保、高可用性、高灵活性等方面迈进。

□ 高可用性:提高平均无故障时间(MTBF),降低平均修复时间(MTTR),提高运维管理水平,把可用性提高到“5个9”的可用性水平,即年停机时间仅有5分钟,达到99.999%。

□ 高灵活性:要能够保证随需应变,扩展、升级容易,并且占地面积小。

2)数据中心管理方面

第三方托管、弹性的IT资源、服务器虚拟化、开放、易用、适用于各种规模企业业务需求;确保电子信息系统设备安全、稳定、可靠地运行。在机房管理方面,向多样化、开放性、大型化、智能化和强化管理的方向发展。

(6)数据中心布线的物理设计

数据中心布线的物理设计主要有以下四个因素:

1)每台服务器的多网络连接要求——有些要用铜缆,有些要用光纤;

2)网络交换机更高端口密度要求;

3)不同厂商和协议对存储拓扑的要求;

4)为满足更高速度需求而不断变化的网线标准,要事先确定在每个机柜里安装多少网线;以及服务器接入整合交换机的尺寸和价格。

(7)数据中心布线方法

       数据中心网络布线是支持业务需求的基石,是数据中心基础设施的环节之一,要关注数据中心网络布线。数据中心布线系统的铜缆最低类别规定为6类,光缆类别规定为万兆多模0M3、0M4或者单模。

从未来布线系统的发展趋势来看,它将和铜缆布线系统相辅相成,这基于以下几点考虑:

1)全部部署光纤系统,网络整体成本远高于铜缆;

2)光纤接口的有源设备能耗较高,建议光、铜结合;

3)铜缆布线系统速度上可以满足万兆需求;

4)支持高速率传输性能,满足当前和未来需求;

5)高密度、模块化、预连接;

6)智能化管理,可远程监控;

7)优化的线缆管理。

数据中心布线的两种方法:点对点布线和网络列头柜布线

1)点对点布线,是数据中心采用多年的布线方法。点对点意味着在地板下、空中(无论是否有线槽)或穿过服务器机柜,只要有需要,就牵拉网线。线缆通常是当场制作或直接使用已有链路。旧缆线通常不会移除或标记,导致数据中心人员维护追踪与寻找更加困难,服务器与跳线会使线缆分布混乱,点对点模式已无法很好服务于数据中心和基于云计算的数据中心。

2)网络列头柜布线,是近年来数据中心常用的布线方式,也称为区域汇聚或行尾汇聚架构的布线。网络列头柜布线有专门用于放置配线架与汇聚交换机的地方,通常是位于同一行的末尾机柜(也有放在中间的),便于连接整组服务器机柜。配线架安装在网络列头柜的插槽中。网络列头柜布线简化了添加硬件的难度,只需将服务器与所需连接的配线架连接,再将配线架连接至对应的汇聚层交换机即可。每个连接需要两条短跳线,这同样利于今后安装与维护。

(8)数据中心机房使用面积

机房使用面积由主机房、支持区和辅助房间等功能区组成。

1)主机房使用面积,等同于设备间使用面积的方法来确定。

2)支持区和辅助房间使用面积,宜等于或大于主机房面积的2倍。

3)用户工作室、硬件及软件人员办公室使用面积,可按每人3.5〜4m2计算。

(9)云计算的数据中心机房的要求

云计算是随着处理器技术、虚拟化技术、分布式存储技术、宽带互联网技术和自动化管理技术的发展而产生的,云计算应用是在网络上而不是在本机上运行,这种转变将数据中心放在网络的核心位置,而所有的应用需要的计算能力、存储、带宽、电力,都由数据中心提供。因此,云计算环境下的数据中心机房提出了如下要求:

1)面积非常大。云计算数据中心机房的面积非常大。

2)高密度。云计算是一种集中化的部署方式,要在有限空间内支持高负载、服务器等高密度。

3)灵活快速扩展。“云”的规模可以动态伸缩,满足应用和用户规模增长的需要。其数据中心必须具有良好的伸缩性,同时,为了节省投资,最好能边成长边投资。

4)降低运维成本。由于云计算是收费服务,必然存在市场与竞争,如要想在市场竞争中胜出,云计算服务必须具有良好的性价比。因此,好的云计算数据中心必须是低运维成本的数据中心。

5)自动化资源监控和测量。云计算数据中心应是24x7无人值守、可远程管理的,这种管理涉及整个数据中心的自动化运营,它不仅仅是监测与修复设备的硬件故障,而是要实现从机房风、水电环境、服务器和存储系统到应用的端到端的基础设施统一管理。

6)高可靠性。云计算要求其提供的云服务连续不中断,“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性,使用云计算比使用本地计算机更可靠。同样,在机房环境设施方面,也提出了对机房环境高可靠性的要求。

       云计算数据中心机房环境设计需要做一些相应的调整和考虑,要点如表41所示。

表41云计算数据中心机房环境设计考虑的要点

云计算数据中心机房环境设计考虑的要点

云计算数据中心机房环境设计考虑的要点

(10)数据中心网络扁平化

现在的数据中心网络基础架构正在快速地变化,支持虚拟化、云计算和聚合技术,以最少的过载实现灵活且有弹性的服务。数据中心网络结构的扁平化成了热门话题。

传统的数据中心网络架构分为接入层、汇聚层和核心层(三层架构),层次越多,所使用的设备就越多,延迟也会增加,当然,性能效率也会降低。在大规模采用服务器虚拟化技术的新一代数据中心里,数据流量将主要集中在本地服务器之间的通信,如能减少网络层级,不必再经过汇聚层交换机,势必会大大减少交换机之间的交互次数,并减少延迟。只要减少一层,对于应用性能的提升都将是巨大的。扁平化就是减少层次,从三层架构迁移到两层或更少层的扁平化架构。

如果决定采用扁平网络,就需要购买新的数据中心交换机。要想采用扁平网络,就得考虑全新的设备、新的数据中心交换机,网络必须从根本上进行变化。

数据中心网络的架构是两层、三层,还是更多层,一定要着重关注成本问题。不能仓促做出决定,要认真比较各种方案,设定合理的目标,网络要不要扁平化归结为对性价比的评估。总体来说,当前数据中心实际组网建设中,这两种方式谁都没占据到绝对优势,采用哪种结构完全看规划者的考量重点是在哪个方面。网络规划师也正密切关注着这种变化。

数据中心的成本计算方式:

□ 年平均成本=(成本1+成本2+设备端口总成本+……)/使用年限;

□ 成本1=服务器ABC+光纤卡+4通道+安装+设备+4交换机端口(switch port);

□ 成本2=维护+电能损耗+冷却+(升级成本x升级次数)+停机时间成本;

□ 设备端口总成本=(本机架成本+管理模块+冗余供电)/端口总数+每端口刀片成本;

□ 每端口服务器总成本=通道成本+成本1+(维护成本x服务年限)。

       如果不考虑整个环节、年平均成本,就决定让网络扁平化,那就有可能不是“仓促投资,就是投错了方向”。

        TomNolle说:“我们在考虑数据中心网络扁平化时,应根据具体项目来决定要不要这么做,但我们在做决定时往往脱离了实际情况。如果预计某个项目会引起性能问题,那么考虑让网络扁平化,以解决那些问题,这也许是个合理的决定。但如果就因为网络扁平化很时髦而贸然行事,这就好比买汽车是因为觉得拥有汽车让你更像个成功人士一样不靠谱。”

网络扁平化需要在新设备方面有大量投入。网络主管们必须能说清楚成本和效益方面的情况,表明网络扁平化会如何增加收入或降低成本。TomNolle补充说:“要是无法证明所能带来的效益,扁平网络项目就会被中止。”

JimMetzler说:“说到底,我不关心数据中心网络的架构是两层、三层还是多少层,而一定要着重关注成本问题。”RobinLayland说:“我们一定要记住当初为什么采用三层架构,那是因为使用两层架构,我们无法得到所需的密度,而且成本太高了,所以采用了三层。这是我们获得所需性能的成本最低的办法,倒不是说三层架构天生优良。”

RobinLayland说:“如果两层网络能够带来卓越性能,成本又比三层设计来得划算,那它就胜出,因为从理论上来说,两层架构的延迟更低,而且可靠性更高。”

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