数据中心系统新概念及逻辑分析

发布时间:

2024-05-26

一、前言

进入二十一世纪,数据中心产业方兴未艾,也许是产业化进程过快,使人们还没来得及对数据中心系统做更深入细致地理论研究。甚至连一些相关概念还没有一个统一的定义,以至数据中心产业处于一个泥沙俱下的时代。

就“数据中心”这一概念来说,国内外很多组织及学者各执己辞,有人把数据中心定义为基础物理设施;也有人说数据中心是物理空间,还有人将其定义成信息系统。在我国现行的GB50174-2017《数据中心设计规范》中,将数据中心定义为:“为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所,可以是一栋或几栋建筑物,也可以是一栋建筑物的一部分,包括主机房、辅助区、支持区和行政管理区等”[1]。在美国TIA-942《数据中心电信基础设施标准》中对数据中心定义是:“主要功能是容纳一个计算机房和它的支持区域的建筑物或一个建筑物的部分 [2];而维基百科将其定义为:包括计算机系统和与之配套的其它设备及冗余数据通信连接、环境控制及各种安全装置的整套复杂设施;百度百科的定义是:用来在internet网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息特定的全球协作设备网络。

从以上表述可以看出,目前人们对数据中心的概念还没有一个统一的标准,而其中还有更多更复杂的逻辑关系也有待于进一步的析梳清理。正所谓名不正言不顺,言不顺则事不成。只有统一各相关系统概念,理清其中逻辑关系,才能在数据中心的规划建设中取精用弘,使数据中心产业在根深基稳的道路上持续发展。

二、数据中心相关概念

(一)相关定义

从“数据中心”的字面上看,“数据”是具有一定意义的物理符号的集合,“在计算机信息科学中,数据是能被计算机系统输入、处理的符号的总称”[3]。“数据系统是指由数据获取、数据存储、数据更新、数据流通和数据挖掘5部分组成的按照不同的层次分布式存储而成的系统”[4] 。“中心”指的是一个物理范围的居中位置或在一个逻辑关系中的权重,那么,数据的中心则表达的是在一个计算机数据处理系统中的拓扑节点的权重。结合数据中心的具体功能可以得出:数据中心就是广域电子信息汇集处理系统的拓扑核心。支撑这个核心持续运行的技术场地称为数据中心机房。

由于数据中心的重要性及复杂性,在建设数据中心机房时会慎重地考虑许多相关因素。这些因素的集合就构成了数据中心的环境系统。它由外向内可分为四个层级,分别是外围环境、建筑环境、机房环境及保供环境。外围环境就是数据中心对外界环境安全所要求的相关因素;建筑环境就是数据中心依托的建筑主体;机房环境则是数据中心所在建筑内的专属物理分区;保供环境则是保证数据业务系统持续运行的直接参与者。各层级环境系统均由若干具有特定功能的系统资源构成。其中任何一个功能系统、条件的缺失或不足,都将导致数据中心应用效能的短板效应。

数据中心运维是指为保证数据业务系统功能所持续的主观干预活动。按上述数据中心系统划分形式,也分为系统运维和环境运维两大类,系统运维属于对数据中心业务系统的维护,针对的是数据业务系统的软硬件设备,执行的是涉及数据应用、数据安全及数据管理方面的相关标准。环境运维也就是机房运维,其范围则是数据机房各级环境系统中的基础设施,执行的是数据机房基础设施的相关运维标准。因此,数据中心的运维是一个工作面上的两个不同层级,从数据安全方面考虑,这两个层级应是相互隔离的,所以,在设计数据机房方案及运维策略时对相关的分区及安防措施应有充分的考虑。

(二)数据中心系统划分

自数据机房诞生以来,数据机房内的各种应用系统有增无减,如今已包含了几个大类的数十个功能系统,并且随着数据中心产业发展的需要,还在不断增加新的应用系统,其系统结构参差交错、数量庞杂。站在不同的角度进行系统类别划分,其方法和结果也不尽相同。目前,行业内习惯采用的还是机房工程分类法,就是将各项应用系统按原专业属性进行规类划分,这是因为长期以来机房系统的方案规划多是在机房工程商为主导的情况下完成的,而机房工程商的规划方案又是采用各系统制造商的方案集成的。这种分类法在机房系统工程上应用是可行的,但要以此作为数据中心系统规划就不够严谨了,也不利于数据中心产业的发展。

从GB50174规范的发展过程可以看出,我国行业规范已从计算机机房的建设标准提升为数据中心基础设施的建设标准,2022年《中国数据中心发展蓝皮书》发布的研究报告显示,我国的数据中心产业又从原来的数据中心基础设施建设,发展至包括数据业务在内的一体化项目。所以,从数据中心的角度出发,以人类硅基大脑的占位理念,对数据中心系统进行新的系统划分是非常必要的。

图1是根据以上数据中心系统相关概念图形化的系统逻辑关系图,从数据中心角度上看,数据中心系统分为数据业务系统和环境系统两大类。数据业务系统(简称业务系统)是数据中心的数据业务的应用层,包括各类以计算机软硬件为基础的通讯、计算、存储等应用的电子信息系统,此类硬件设备可称为数据中心的系统设备,此类软件称之为数据中心的系统软件。环境系统则是保障数据中心正常运行的各级环境系统,属于数据中心基础设施的应用层。也就是行业内通常所说的数据中心基础设施的建设范围,与数据中心的业务系统无关,所有国内外相关的规范、标准也都是针对数据中心的四个环境系统所提出的基本要求。
 

以下就对数据中心各层环境系统的构成,及现阶段人们关心的常见问题做以探讨,期望能在未来的数据中心行业发展过程中得到应有的关注和改善。

三、数据中心环境系统

(一)数据中心外围环境

外围环境是数据中心的一级环境系统,是数据中心建设考虑的首要问题,包含了物理环境和战略环境两个层面的环境需求,无论从哪个层面讲都是决定数据中心未来意义的重要因素。

物理环境层面就是相关规范中所说的选址需要关注的事项,主要包括地质环境、大气环境、能源、交通、物流、防灾等方面的客观条件,在相关技术规范中根据项目级别的不同还定义了不同的参考数值。这些条件都是在客观上满足数据中心长期安全运营的前提。但未来的数据中心对于一个社会而言就象人的大脑,若遭到破坏将给社会带来毁灭性的灾难,正像我国在相关规范中对数据中心级别划分依据的原则所描述的那样。因此,若把相关规范中对数据机房的选址要求,上升至数据中心的外围环境系统,则数据中心建设还应在战略环境层面进行严谨的布局。

所谓战略环境的布局包括两个方面,一是出于国民经济发展的战略需要,从地域范围及能源配置等方面考虑所进行的战略布局;二是针对数据中心对主观破坏行为的战略防护。前者是国家层面的规划范围,后者则是建设单位应考虑的范畴。

数据中心环境的安全防护在数据中心各层级环境建设中都会有相应的安防技术措施,但只有在外围环境建设中的防护,才称之为战略防护。从战略防护的角度上讲,数据中心在外围环境中所能做到最基本的防护策略就是隐蔽,不被人知就不易遭受致命的外来攻击。尤其在当今黑科技迅猛发展的大环境下,对于数据中心这类重要功能机构,除了充分地做好安防措施,更要从战略角度对其做好防护策略。多年以前,某些国家就不惜重金将本国重要的数据中心,布置在山洞、地下、湖泊、海洋等鲜为人知的环境中,这除了对设备的降温、节能等因素的考虑,对于战略安全的保证可能远远大于满足其它需求的意义。

目前,在我国数据中心产业的发展过程中,对一个数据中心的宣传往往是贯穿数据中心的整个生命周期,甚至还经常看到在数据中心建筑外形安装华丽的项目名称标识。除了一些涉密项目,很多数据中心的相关信息都可能被轻易获取。对于一些设备厂家或集成商来说甚至是完全透明的。一个没有隐秘保证措施的数据中心,何以承担社会信息中枢的重任。所以,我们在未来的数据中心建设中,尤其是对国家级或大中型数据中心,必须加强其战略防护意识,争取做到外防明枪内防暗箭,才能满足社会对未来数据安全的依赖。

(二)数据中心建筑环境

机房建筑环境是数据中心的二级环境,是数据中心的基础框架平台,主要构成数据中心的建筑结构、能源供给、管线路由、物流通道、及对外围环境干扰的各项防护系统等等。其结构的合理性在很大程度上影响着数据中心在全生命周期内的使用效率。目前,除专业数据机房外,大部分数据机房都是在一般建筑基础上进行的改造,而专业数据机房建筑因受传统建筑结构的影响,也只是在机房专属分区的面积、空间高度、建筑荷载等方面按照系统方案进行的特殊订制。这只是缩减了三级环境建设中的改造范围,而并没有真正实现与所需机房环境功能的完全融合,以至在机房环境建设中,仍然需要采用大量建筑辅助材料以弥补建筑环境系统的不足。

首先,这些辅助材料的介入,使机房环境内的熵值陡然增大,将机房环境的外显结构复杂化,污染了数据中心的系统运维环境。而这些辅助材料的生命周期又短于机房建筑环境的生命周期,使得数据中心在运行过程中不得不冒着巨大的风险去更新这些辅助材料。另外,这些辅助材料自重较大,也占用了机房建筑的活荷载,无形中降低了机房建筑的荷载效率LBUE(load-bearing usage effectiveness)。有时为了提高机房环境的物理指标,还不得不提高建筑环境的整体指标,这不仅增大了建设及运维成本,也使得整个建筑环境内产生大量无效空间,降低了数据机房的空间效率S U E(Space usage effectiveness)。

因此,未来数据中心若要实现真正意义上的低碳环保,还需在数据机房建筑环境层面上进行更为精细的规划设计,打破传统建筑结构的理念,真正做到“因用而生”、“宁缺毋滥”,使其从结构上实现数据机房建筑的专业化。

(三)数据中心机房环境

数据机房是数据中心在机房建筑内的专属物理分区,是数据中心的三级环境系统,主要包括机房各专属分区内对电磁泄漏、电磁干扰、静电、温度、灰尘、火灾、水患、炫光、虫鼠及盗窃等一系列防护性能。也可以说是数据中心的壳体系统,就像人类的头盖骨,为大脑提供一个既合理又安全的腔体,将大脑妥善管理起来。反观现在的数据机房,就没有那么讲究了。从当今人类社会对数据信息的依赖程度可以看出,未来的数据中心必将成为整个人类社会的神经中枢。只有把数据机房当做人类的脑壳来规划建设,最大限度地把机房内的低能无用的材料清理出去,降低数据机房内的熵值,才能为未来的数据业务系统提供更加安全的运行环境。

现代数据机房系统是一个跨专业、跨学科、跨领域的系统集成,但这不应该仅仅是将各功能系统模块简单地拼装在一起,而是应将各原系统模块分解后提取其必要的功能,摒弃原有系统模块故有的弊端,对原有各系统模块的结构合并优化,按照新的系统功能目标,对原有的系统进行有机的功能融合,使其再生为一个功能更强、效率更高、生命周期更长的数据中心机房专用系统。也就是说如果数据中心机房有十个功能组成,所呈现出来的系统应该是一个“10”,而不是十个“1”在一起的排列。

就数据中心机房环境而言,在机房物理区域形成以后,其环境所需要的各种系统功能,都是以设备和材料的形式装配到机房中后才得以实现,而这些设备和材料在实现其功能的同时,也给数据机房带来了很多负面效应。

如机房中常用的防静电活动地板,其主要功能就是耗散静电,另外,其架空的安装工艺可以被利用作为一个相对的冷气通道,用以调整机房温湿度。但在使用过程中令人不如意的地方就多了,首先,材料自重大(100kg/M2),无形之中占用了建筑楼板的活荷载;另外材料负载量小(集中载荷300~900kg),经常需要另外加装承重钢架才能满足系统设备要求;其安装方式还会占用机房的有效高度空间;材料使用寿命短(10~20年),若更换地板则又会给数据业务造成高风险;复杂的安装结构使地板下辅助系统安装受限;地板整体的平整度、牢固度及洁净度不易持久;地板下空间内的辅助系统运维工作强度大;产生了地板下的运维盲区及卫生死角;材料自身防火性能受限,增加了机房消防系统的复杂程度;同时还增加了建设成本等等。

再例如彩钢墙板,其功能就是对墙面的装饰作用,因材料采用了金属制品,还要对其增加等电位连接;另外,墙板的安装还占用机房建筑活荷载和机房场地的可用面积;其复杂的安装工艺不仅产生了很多卫生死角,也增加了机房维护的复杂度;材料的防火性能受限;同时也增加了机房的建设成本等等。

若仔细深入探究,在机房环境中这种类似的系统材料和设备还有很多。由此看出这些功能材料的应用,其负面效应远远多于所需的功能。这些负面效应在数据机房的运维中都将增大其运行风险和维护成本,最终可能还会缩短数据中心的生命周期。因此,若能在这一层环境系统中,对每一个辅助功能系统的方案进行优化,使其既能实现所需要的功能,又能缩减这些材料设备的介入,则能避免众多的负面效应,使数据机房环境系统变得更加纯粹。

(四)数据中心保供环境

数据中心的保供环境是直接参与数据业务运行的各辅助系统集合,是保证数据业务持续运行的必要条件,也称之为数据中心的辅助系统。它主要包括数据业务设备运行所依托的机柜机架、动力配送、网络布线、空气调节及运维监管等系统。保供环境系统与其它三层环境系统不同,对以上三个机房环境系统而言,主要是要求其能够长期保持在一个相对稳定的环境状态,而对保供环境系统的要求则是,根据数据中心系统设备的运行需求变化,随时做出灵活调整的能力,其调整的越及时,调整范围越广,数据机房的能效就会越高。

把这一级环境定义成保供环境有两层含义,第一是指保供环境中的各辅助系统功能,对数据业务系统的需求必须保障不间断供给;这种保障不仅是在时间维度上的持续,更是对供需关系上的质量、大小、多少、高低等多维度上的保全。第二也是指对这些辅助系统设备运维的保障所提出的要求。避免出现因某个制造商的原因,给数据中心的运维带来风险。长期以来,这些辅助系统设备被视为衡量一个数据机房系统性能优劣的关键指标。这些设备的选型也成为数据中心建设的重要环节。各设备制造商在此环节中并驱争先,其产品的类型、结构、性能也各有千秋,都想以差异化来实现其更高的商业价值。

然而,需要注意的是,这种差异化在设备选型时所具有的优势,有时会给数据中心的运维带来局限性。本世纪初,数据机房系统的集成是较为松散的,各设备制造商只专注各自的产品领域。在一个机房项目中,一个厂家的产品也只是在某个系统中应用。而当今在“一体化机房”概念的驱使下,设备制造商打着“方案提供商”的理念,将多个保供系统的设备集成在一起捆绑销售,这就给数据中心带来了一个“联姻效应”,也就是一旦选择了制造商,那么在数据机房整个生命周期内,都将面临着“剪不断理还乱”的关系。因此,保供环境系统设备的选型,应从安全可靠和兼容性出发,尽可能避免这些差异化产品先入为主,从而削弱了保供系统的意义。

四、总结

通过以上对数据中心各系统关系的逻辑分析,可以看出数据中心是一个以数据业务为核心,由保供系统为支持,以机房场地为空间,以建筑环境为基础,以外围环境为保证的人类智能中枢。

作为新质生产力的核心代表,人类也更急切地需要一款容量更大、体积更小、能耗更低、运行更稳定、管理更智能的数据中心构建人类未来的智慧空间。所以,反思过去,重新审视数据中心各类系统应用方案的优劣,调整数据中心的发展思路已成为我们当下刻不容缓的任务。

 

 

参考文献:

[1] GB 50174-2017《数据中心设计规范》2018-01-01中华人民共和国住房和城乡建设部。

[2] TIA-942-B-2017 标准《数据中心电信基础设施标准》美国国家标准学会(ANSI)美国电信产业协会(TIA) TIA技术工程委员会(TR42)。

[3]百度百科 “科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核 

[4]百度百科 “科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核 

数据中心;数据机房;环境系统;外围环境;建筑环境;机房环境;保供环境;系统运维;环境运维;功能融合;外显结构

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