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      關于數據中心最強科普 一個就給你完整了解!

      關于數據中心最強科普 一個就給你完整了解!

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      編輯: 溫瑜
      信息來源: ITPUB
      更新日期: 2022-05-06 18:34:27
      摘要

      數據中心,英文縮寫叫IDC,也就是InternetDataCenter(互聯網數據中心)。之所以不太直接稱之為“DC”,主要是為了避免和直流電(DirectCurrent)混淆。而且,現在的數

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      數據中心,簡稱IDC,是互聯網數據中心。

      之所以不直接稱為“DC”,主要是為了避免與直流電混淆。而且現在數據中心一般都是聯網的,以互聯網服務為主。所以,稱之為IDC更準確。從功能上看,數據中心是一個超大型的機房,有很多服務器,專門用于數據的集中管理(存儲、計算和交換)。

      據行業機構統計,2020年,全球數據中心處理的數據流量將高達15.3 zb(1ZB10億TB),占全球總流量的99.35%。也就是說,幾乎所有的互聯網數據都離不開數據中心,可見其重要性。

      按照通俗的說法,數據中心是像自來水廠、電廠一樣的重要基礎設施,是數字經濟的動力引擎,是國家和社會發展的支撐基礎。

      數據中心的發展階段

      讓我們來看看數據中心的歷史。20世紀60年代,人類還處于大型機時代。當時,為了存儲計算機系統、存儲系統和電力設備,人們建造了一個計算機房,它被稱為“服務器農場”(Server farm)。,的“服務器農場”,被視為數據中心的最早原型。20世紀90年代,隨著互聯網的誕生和蓬勃發展,許多公司開始實施信息化。他們建了自己的網站,還架設了大量的郵件、FTP、OA辦公自動化等服務器。有些公司把服務器放在內部機房。有的公司,因為服務器不多,但又不想放在辦公室(噪音大,容易停電,安全性低),就“托管”在運營商機房,租用運營商的場地、電源、網絡帶寬,讓對方管理維護。

      數據中心的早期階段(第一階段)

      于是,數據中心的概念開始逐漸形成。1996.一家名為Exodus(專門從事機房設施建設和帶寬服務)的美國公司首先提出了IDC這個名字。這是IDC數據中心發展的早期階段。1997年,蘋果推出了一款名為Virtual PC的虛擬機軟件。后來,VMWare還推出了現在著名的VMWare Workstation,標志著虛擬機時代的到來,為數據中心的演進奠定了基礎。隨著時間的推移,第一代數據中心的托管服務開始精細化,從完全的服務器托管到網站托管,出現了虛擬托管服務。也就是說,在某一臺服務器上,通過虛擬主機軟件,虛擬出N臺網站主機,租給N個客戶使用。除了網站,還有租賃數據存儲空間等多元化服務。這是IDC數據中心的第二階段。

      然后在21世紀初,亞馬遜、谷歌等公司提出云計算,從而將數據中心帶入第三階段(云計算階段),延續至今。云計算階段是第二階段的升級和演進。通過虛擬化技術和容器技術,完全實現了數據中心服務器計算資源的池化。所有的CPU、內存、硬盤等資源都由更強大的虛擬化軟件管理,然后分發給用戶。從物理硬件租賃到虛擬硬件租賃,甚至軟件平臺租賃和服務租賃。IaaS,PaaS,SaaS,就這樣出現在我們面前。

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      數據中心的組成結構

      接下來,我們再看看數據中心到底由哪些部分組成。前面小棗君說了,數據中心就是一個大機房。所以,從硬件種類上來說,數據中心和我們以前經??吹降钠髽I內部機房差不多,只不過規格、檔次和管理級別更high level一點。

      數據中心內部

      整體來看,數據中心的硬件分為兩類,分別是主設備和配套設備。

      主設備,是真正實現計算和通信功能的設備,也就是以服務器、存儲為代表的IT算力設備,以及以交換機、路由器、防火墻為代表的通信設備。

      配套設備,則是為了保證主設備正常運轉而存在的底層基礎支撐設備(也包括一些設施)。

      底層基礎支撐設備設施,又分為多種,主要是供配電系統和散熱制冷系統,另外還有消防系統、監控系統、樓宇管理系統等。

      • 主設備

      我們先看看主設備。數據中心最基礎的主設備,當然是服務器。服務器其實也就是個高性能計算機,大家應該都見過,里面和臺式機一樣,是CPU、內存、主板、硬盤、顯卡(GPU)、電源等。

      某型號服務器正面視角

      以前,服務器基本上都是Intel架構(更早的時候,還有PowerPC、SPARC等)。如今,隨著國家政策變化,國產CPU崛起,占據越來越多的份額。這些國產CPU采用ARM架構,性價比更高,成本更低。

      華為芯片Hi1620(數據中心用ARM架構處理器)

      服務器,一般都擺放在機架(也叫機柜)上。

      服務器機架

      一個常見標準機架,高度尺寸通常是42U。U是一種表示服務器外部尺寸的單位,是unit的縮略語,1U等于4.445cm。機架寬度的話,有600mm或800mm。

      機架的深度有很多種,包括600mm、800mm、900mm、1000mm、1200mm等。通常來說,IT設備(服務器)機架的深度更深(1100mm或1200mm),而通信設備的深度會淺一些(600mm)。

      IT設備和通信設備的機架深度對比

      機架里面的IT設備,除了服務器之外,還有磁盤陣列這樣的專業存儲設備?,F在到處都講大數據,我們人類產生的數據量每年都在激增,也就增加了對存儲設備的數量和性能要求。大家應該都知道,現在主流的計算機存儲硬盤分為HDD和SSD兩種。HDD就是我們傳統的機械硬盤,而SSD是逐漸開始普及的固態硬盤。SSD屬于半導體存儲器,存儲速率快,體積小,非常受歡迎。但是,它的價格昂貴。對于數據中心來說,出于性價比考慮,HDD仍然是主流選擇。而SSD,目前主要用于高端客戶、高性能需求業務。除了IT算力設備之外,就是交換機、路由器、防火墻等數據通信設備了。說到交換機,就要提到一個名詞——TOR,Top of Rack。TOR交換機,是數據中心領域的常見名詞。顧名思義,就是機架頂部交換機的意思。這類交換機,是數據中心最底層的網絡交換設備,負責連接本機架內部的服務器,以及與上層交換機相連。

      TOR交換機的位置

      事實上,機架交換機并沒有說一定要放在機架頂部。它既可以在機架頂部,也可以在機架的中部或底部。之所以通常放在頂部,只是因為這樣最有利于內部布線。

      機架再往上,就是一排機架、N排機架。將這些機架和服務器連接起來,就需要數據中心組網技術。

      現在最流行的數據中心組網架構,就是葉脊網絡(Spine-Leaf)。我有文章(鏈接)專門介紹,這里就不廢話了。

      葉脊網絡架構

      值得一提的是,現在數據中心為了高帶寬傳輸數據,普遍使用光纖替代網線。所以,光纖、光模塊和光通信設備(OTN等),成為數據中心重要的組成部分。尤其是光模塊,高速率光模塊(例如400G)價格很昂貴,占了數據中心很大一塊成本,制約了發展。

      光模塊

      現在還有一個比較流行的光通信名詞,叫做DCI,也就是Data Center Inter-connect(數據中心互聯)?,F在流行分布式部署,數據中心之間的數據流量很大,對帶寬要求很高。所以,運營商和云服務商就搞DCI,建設數據中心之間專門的光通信骨干網,是很大一塊市場。我們國家搞的那個“東數西算”,就涉及到數據中心的互聯互通,對DCI相關市場有不可忽視的刺激作用。

      光通信骨干網設備

      • 配套設備

      接下來,我們看看數據中心的配套支撐設備和設施。先看供配電。供電是數據中心正常運作的基礎。沒有電,數據中心就是廢鐵。數據中心的配電設備,主要作用就是電能的通斷、控制和保護。最主要的配電設備,就是配電柜。數據中心配電柜分為中壓配電柜和低壓配電柜。中壓配電柜主要是10kV電壓等級,向上接入市電,向下接低壓配電柜。低壓配電柜主要是400V電壓等級,對電能進行進一步的轉換、分配、控制、保護和監測。

      數據中心供配電示意圖(案例)

      數據中心低壓配電柜(圖片來自網絡)

      除了配電柜之后,為了保證緊急情況下的正常供電,數據中心還會配備大量的UPS(不間斷電源)甚至柴油發電機組?!癠PS+市電”是傳統的供電方案?,F在,更流行的是“HVDC+市電”的方案。HVDC是High Voltage Direct Current,高壓直流輸電。它和UPS之間的區別涉及到較為復雜的強電知識,后續有機會再專門介紹??傊?,“HVDC+市電”的可靠性和安全性更高,供電效率強于“UPS+市電”,是不間斷電源的主流發展趨勢。我們簡單說說-48V220V。有過ICT行業實際從業經驗的同學們都知道,服務器這樣的IT設備通常是使用220V交流電,而核心網、無線等通信設備則更多使用的是-48V直流電。市電供電,一般都是交流。數據中心,一般既會提供-48V直流,也會提供220V交流(通過AC-DC轉換和DC-AC逆變轉換)。事實上,直流現在正成為更多數據中心的選擇(例如谷歌),因為直流的損耗更小,對電能的利用率更高,符合現在數據中心高算力下的高能耗發展趨勢。再來看看散熱制冷。制冷系統是數據中心除了主設備之外的第二大耗能主體。關于數據中心的耗電數據,我在“東數西算”那篇文章中有詳細介紹,這里就不多說了。目前,數據中心制冷主要包括兩種方式,一種是風冷,另一種是液冷。風冷一般采用風冷空調系統。和我們家用空調一樣,數據中心風冷空調也分為室內機和室外機。相對來說,技術成熟,結構簡單,容易維護。液冷,是采用液體作為冷媒,進行降溫散熱。液體的導熱能力是空氣的25倍,相同體積下,液體帶走的熱量是空氣的近3000倍。從噪音角度來看,同等散熱水平下,液冷的噪音比風冷降低20-35分貝。從能耗的角度來看,液冷比風冷節約電量30%-50%。目前,液冷技術被行業普遍看好,但仍處于探索階段。從總體來看,液冷的市場前景非常廣闊,據稱市場規模超過千億。

      中興展示的服務器浸沒式液冷技術

      關于制冷和散熱,值得一提的是,機柜池級、排級和機柜級等近端制冷方式,正在崛起,成為新建數據中心的主流選擇。傳統的制冷都是房間級,對整個機房進行空調制冷,這種方式制冷路徑太長,效率太低,無法滿足高功耗設備的散熱需求,能耗也很大。機柜池級、排級和機柜級,是以一個機柜池、一排機柜或者單個機柜為中心,進行散熱設計。

      機柜排級散熱,以一排機柜為對象,進行風道設計

      這種方式,氣流路徑明顯縮短,散熱效率很高。除了配電和散熱制冷之外,數據中心還有一些和管理運維有關的設備設施,例如動環監控系統、樓宇自動控制系統、消防系統等。動環監控,就是動力和環境監控,實時監測和管理數據中心運行狀態的。這些年,在傳統動環監控系統的基礎上,開始演進出了DCIM。DCIM全名叫做Data Center Infrastructure Management,是知名咨詢公司Garter提出來的。它的管理范圍更為全面,采用工具監控、管理和控制數據中心的所有IT主設備以及配套基礎設施。

      數據中心的消防系統比較有意思。因為機房里都是電子設備,所以發生火災的話,肯定不能直接噴水、泡沫或粉塵。那怎么辦呢?氣體滅火。出現火災后,火災和煙霧傳感器的警鈴響起,然后,機房區域可以釋放氬氣、氮氣這樣的惰性氣體,剝奪火焰中的氧氣,實現滅火(大約幾十秒就能搞定)。

      氣體滅火(圖片來自網絡)

      • 模塊化數據中心

      數據中心是一個龐大的系統,建設過程非常復雜繁瑣,工期也很長。這些年,為了更快速、更靈活地部署數據中心,廠商推出了模塊化數據中心的概念。說白了,就是將數據中心的結構系統、供配電系統、暖通系統、消防系統、照明系統、綜合布線等進行集成,變成一個一個的“積木”。然后,將“積木”運送到現場后,進行簡單吊裝、搭建,就可以完成建設和部署。采用這種方式,大型數據中心的建設周期從18-24個月壓縮成了6個月左右,經濟效益明顯。

      模塊化數據中心(模型)

      結語

      好了,以上就是關于數據中心的介紹。正如我前文所說,數據中心是數字時代重要的信息化基礎實施,是算力的重要載體,直接決定了國家的數字競爭力。在“東數西算”戰略的帶動下,國內數據中心將迎來又一波發展熱潮。根據數據統計,2022年我國數據中心業務市場規模將達到3200.5億元,年均復合增長率高達27.0%。2025年,國內數據中心IT投資規模有望達到7070.9億元。除了數量激增之外,數據中心正在向綠色化、智能化的方向發展,積極引入AI人工智能,提升能效,降低運營復雜度。未來,數據中心是否會出現新的形態變化,讓我們拭目以待吧!
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