详解数据中心基础设施的模块化建设-白红宇

详解数据中心基础设施的模块化建设

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发布时间：2019-06-15

本文共 6073 字，大约阅读时间需要 20 分钟。

数据中心基础设施的模块化建设是近年来非常热门的一个话题。尤其是随着云计算概念的出现，相关的讨论更是风起云涌，设备供应商、方案商、企业用户、灾备中心、外包商等方方面面都参与其中。笔者在此剖析数据中心基础设施模块化建设的根本推动力，以及模块化的不同形式，以期抛砖引玉，共同推动数据中心行业健康有序地发展。

数据中心基础设施的业务价值

数据中心基础设施的业务价值是如何体现的?取决于其所保护支撑的IT业务需求。随着数据中心整合、虚拟化，以及云计算趋势的不断深入，IT业务对与数据中心基础设施的需求愈发明显地体现在以下方面：连续运行的高可用性，快速响应需求变化的灵活性，以及在全生命周期内建设和运营的总成本(TCO)

由此可以看出，要整体提升数据中心基础设施的业务价值，我们可以从提高可用性和灵活性，以及降低总拥有成本三个方面入手。随着本文的展开，我们会发现，数据中心基础设施的标准化建设是同时实现这三个目标的不二选择。

标准化与独特性

我们的社会是独特性与标准化的统一体。很多事物因为其独一无二的特性而被人们牢记，如东三环两侧的国贸三期和央视新址、朗朗的钢琴曲、海底捞的火锅。这些事物因为独特而出色。然而在这些独特的事物中，都存在“基础设施”的元素：建筑材料、钢琴键、烹饪器具。基础设施的作用是为核心需求提供支持，应当是功能性的、可靠的，甚至是默默无闻的。实践证明，能够使基础设施有效、可靠、可预测的特征，是独特性的对立面——标准化。

因为有了标准化，我们日常事务的许多基础设施已成为了现代生活的一部分，事情变得更加便利、更可预测、更为经济、更易于理解以及更加安全。标准化遍及现代生活的每个角落，我们几乎注意不到它的存在。曾几何时，阎锡山的火车出不了山西，1904 年的巴尔的摩大火中将整个城市烧为平地——仅仅由于其他城市的救火设备无法与巴尔的摩的消防栓配套。而今，标准化是如此平常，我们甚至很少关注它，从驾驶汽车到更换电池，标准化无不隐藏在幕后：当我们购买灯泡时，知道它会与灯座完全匹配;当我们使用USB接口时，不会担心计算机不兼容。

在某种程度上，标准化在许多行业已上升到一个全新的高度，成为一种富有创造性并具突出战略意义的企业哲学。我们希望数据中心基础设施也同样如此，也能像许许多多成熟的基础设施一样，默默而可靠地发挥着自己的功能，甚至被人遗忘，但迄今为止这方面进展不甚理想。数据中心物理基础设施的建设从多方面而言仍停留在手工行业阶段：将来自不同供应商的、类型迥异的组件进行定制设计，在现场组合成一个独特的大型基础设施系统。现今全球数千个数据中心的基础设施呈现出令人惊讶的复杂性和不一致性。这种不一致性，导致数据中心需要独特的诊断和维护，这既昂贵耗时，又对其他数据中心缺乏借鉴意义。

如今，数据中心基础设施的建设虽然赚足了眼球，但在某种程度上也反映了数据中心行业离标准化的差距，这对我们数据中心行业从业人员既是机遇，也是鞭策。我们完全可以将标准化应用于数据中心物理基础设施的设计、部署和运营当中，从而使得数据中心也象许多成熟的基础设施一样，默默地、可靠地为社会做贡献。

实现数据中心基础设施标准化的途径是模块化

那么我们如何实现数据中心基础设施的标准化呢?在一个IT需求多变的环境中实现标准化的关键在于模块化，即预先设计、标准的构造模块可根据用户需求进行快速灵活的配置。在数据中心基础设施建设中，标准化是以模块化为基础的。模块化即将完整的产品、系统、或流程分成具备类似大小或功能的模块，然后根据需要对这些模块进行组装，以产生原始产品、系统、或流程的各种变体组合。模块无需完全相同，以乐高(Lego)积木为例，这些模块在某些方面相同，某些方面却不同。例如，其颜色、大小和形状各不相同，但连接方式和尺寸均采用标准形式，以便可以将积木(模块)组装成一个集成系统。不同的模块化系统可以根据所需的功能划分目标，定义模块之间相同元素和不同的元素的等级和数量。再举几个例子：可以将不同数量的电池(模块)进行组合，从而获得不同功率的电源;在 IT设备中，将多个刀片式服务器和 RAID 阵列组合在一起获得不同数量的服务器或不同大小的存储容量，等等。

标准化给数据中心基础设施建设的方方面面都带来好处：占据物理空间的方式、功能，以及随时间的发展——从初始设计与安装到翻新配置的不同生命周期。对于包含多个数据中心的较大 IT运营而言，不仅在单个数据中心内部，还可以在多个数据中心之间实现标准化，从而进一步扩大标准化所带来的好处。如果不同数据中心尽可能多地采用同样的配置，例如，从相同的地板规划到相同的断路器标签，那么，可以充分挖掘标准化在设计、安装、运营、维护、避免出错，以及成本方面蕴藏的巨大潜力。所有这些好处虽然呈现出各种形式，并遍布于数据中心基础设施结构和流程中的许多地方，但几乎都可以有个强大的基础属性：模块化架构和提高的人类学习能力。

手电筒电池、刀片式服务器以及RAID阵列都是非常基础的模块化示例，构成整个系统的各个单元中很少或几乎没有变体。

对于集成了多种功能的复杂系统，如数据中心基础设施建设，则需要从项目工程设计和产品选择两个角度来考虑。

项目工程设计的模块化

从功能上，将数据中心基础设施划分成功能独立而又相互依托的区域或功能模块，包括电气支持区、暖通空调支持区、IT核心机房、综合布线系统、安防、监控以及其他。目的是将整个数据中心基础设施化整为零，成为功能相对独立的模块进行设计、施工、调试，及运营维护。同时，对于规模较大的模块还可以进一步划分为规模更小的模块，例如一个1MW IT设备的机房可以划分为五个200kW IT设备的独立模块。

选择模块化的产品

这需要制造商进行深入的工程设计，以使模块化在标准化程度与用户灵活性之间取得最佳平衡。模块化的产品广泛存在于从机柜到行，再到机房等不同规模的物理空间，以及从UPS到配电，到制冷等不同产品种类中。

模块化 UPS电源和电池。在电源、冗余模块和运行时间方面均实现了可扩展性，而且能够进行在线更换，从而在维修时不需要中止系统运行。

模块化布线方式。将房间布线细分为行级模块或机架级模块。既有为整行负载供电的的模块化列头柜，也有服务于单个机架的电源插板。

模块化机架级气流分配装置。将房间气流细分为各机架局部控制，以便对高温区域进行精确制冷。

高密度组件。将机架、配电系统和制冷系统集成为一个独立的封闭“房间”或区域(POD)，以隔离和冷却发热量密集的 IT设备。

采用标准化结构和连接方式的模块化组件使一切变得更容易、更迅速，且成本更低。

模块化系统是可扩展的。

模块化系统是可变更的。

模块化系统是可移动的。

模块化组件是可更换的。

模块化标准化对于人类学习提高和知识提高带来的好处是显而易见的，这里就不再赘述。

模块化如何提升数据中心基础设施的业务价值

前文已经介绍，要整体提高数据中心基础设施的业务价值，我们可以从提高可用性和灵活性，以及降低TCO三个方面入手。现在我们来看模块化是如何实现这三个任务的。

提高可用性。影响可用性的因素有：设备的可靠性、平均恢复时间(MTTR)，以及人为错误。

提升设备的可靠性：标准化的模块化组件可以量产，从而降低了生产缺陷。此外，采用标准化连接的模块化系统可以在工厂内进行配置预先测试，以发现缺陷，确保后续现场安装的顺利。标准化的模块化组件也使得内部冗余以及热插拔更换功能更易于实现。

降低平均恢复时间 (MTTR)：标准化模块易于更换维护，不存在因等待修理而耽搁系统恢复的情况，同时加快了问题的诊断速度，并提高了用户自己进行诊断与更正的可能性。

减少人为错误：统计显示，超过50%以上的数据中心事故是人为造成，所以，减少人为错误是提高可用性最有效的手段。随着设备与程序的标准化模块化，功能更加透明，日常操作更加简单并更容易学习，一切事物都按照预计的方式运行——所有这些，都降低了发生从输入错命令到拔错插头的任何故障的可能性。

增加灵活性。灵活性指的是迅速、有效地响应商机、需求或变化的能力，包括部署速度、可扩展能力，以及可重新配置的能力。

加快部署速度：模块化组件加快了规划与设计速度，由于用户还可以仅选用满足当前 IT 需求所需的设备数量与类型，因而只部署比典型的传统系统设备数量更少的小型基础设施，这样进一步缩短了各个部署阶段所需的时间。由于模块化结构所固有的设计灵活性，加上标准化批量生产的设备可以实现现货供应，提高交货速度，现场配置与连接的速度也更快了。再加上因为连接方式都采用标准化形式并进行了简化，还因为由于只使用必需的构造模块，设备的数量减少了。此外，由于标准化模块可以采用与现场一模一样的方式在工厂进行连接并预先测试，系统的调试速度也提高了。

可扩展的能力：采用模块化构造模块结构，功能可以逐块获得，因而可使从配线柜到大型数据中心的任何大小的 IT 空间的配置达到最佳状态。更为重要的一点是，在初始阶段，可以按照当时的 IT需求来设计基础设施。此后，随着 IT 需求的增长，可以添加更多的模块，而无需重新对整个系统进行工程设计，也无需关闭关键设备。这种“系统规模优化”策略显著降低了数据中心在使用寿命期间的成本。

可重新配置的能力： IT 设备的更新周期通常为两年，因此，设备的重新配置、升级或移动能力在数据中心基础设施灵活性中占据着重要的地位。模块化组件可以拔下、重新排列并重新连接。除了因商业需要而进行的重新配置之外， IT 设备的功率密度随着其物理尺寸的不断缩小(例如刀片式服务器)而不断增长，因此，也需要定期重新配置机架、供电系统和制冷系统。此外，可热插拔的模块化组件为重新配置不同级别的冗余、不同电压或不同插头类型提供了可能性。模块化结构不仅简化了设备之间断开连接、移动并重新连接这一物理过程，制造商对设备模块化的仔细设计也将系统重新设计的需要降至最低，并最大限度地提高了将现有设备重复用在新配置中的能力。

降低TCO：数据中心基础设施生命周期的TCO包括投资成本、非能源运营成本和能源成本。

降低投资成本：标准化的模块化结构从以下两个方面降低了投资成本：(1) 采用模块化结构后，基础设施的大小紧密配合当前的IT需求而规划，而不是根据最大的计划需求来构建初始容量，您只需购买您所需要的;(2) 其简单明了的结构简化了从规划到安装的整个部署过程中的每个步骤。这种简化不仅缩短了每个阶段所需的时间，而且往往减少了寻求外部帮助的需要。

非能源运营成本：设计变得简单、易于学习，意味着培训的效率可以更高，运营维护程序也可以更高效并减少出错的几率。标准化设备与程序意味着更多的维护工作可以由IT人员来完成，而无需供应商提供维护。标准化的模块化组件可以更换送至工厂维修，这比在现场维修更为可靠，成本也更低。

能源成本：数据中心在使用寿命期间的电力成本是TCO中最大的一项。按照现有的IT需求规划基础设施，并根据IT需求的增长添加新的组件，这种方式使用户只需为所需的设备提供配电和制冷，因此而节约的电力成本非常可观。模块化UPS 设计使得UPS 的容量与负载需求更为匹配，从而提高了UPS 的工作效率并减少了实现冗余所需的UPS 模块的容量。模块化制冷设计，如基于机架的空气分配单元，使气流更准确，从而提高了制冷效率，进而减少了制冷设备所消耗的能源。

应用分析

下面我们具体介绍模块化数据中心建设的两种具体应用模式。

微模块(室内模块)

微模块：对IT基础设施和建筑进行解耦，以分布式标准化单元进行快速部署，满足业务快速变换的需求。将互联网的IT设备，包括网络、服务器、存储等，进行分类，配置对应的供电系统、制冷系统、管理系统、机架系统等，分别封装到不同的微模块中，实现了数据中心IT基础设施的模块化封装、模块化部署与应用。微模块内各子单元的标准化，可以根据微模块的类型灵活组合，按需配置，并结合自身的管控系统实现模块化运营。

这种模式为室内型模块化，最大特点是以机柜等为单元，现场组装，较适合于市区机房或者多层建筑，无法进行仓储式大开间的工厂化吊装部署，只能通过电梯运输条件下，现场拼装。通过工厂预制标准化组件，通过电梯运送，可在室内现场快速拼装，并做灵活配置以满足不同体积、不同类型的业务需求。

由于集装箱式数据中心对建筑的承重、层高有很高的要求，现有的场地往往很难满足集装箱对场地和运输的要求，因此这种更小体积重量，方便拆装运输的室内模块化解决方案更为实用。采取室内微模块可以做到优化供电结构、空调气流组织、提升管理水平和运营体验，边成长边投资，颗粒度小且灵活。

简化数据中心基础环境建设，可以是退役厂房，也可以是大体量的仓储式建筑，简单装修，建设好基础的电气接入系统和水系统及管路。基础环境建好后，数据中心内部则由N个集合了机柜、空调及末端配电系统的相对独立的微模块组成，这些微模块可以像服务器一样，按需下单，灵活堆叠。微模块的组件达到标准化、工业化要求，大部分可在工厂预制，从下单开始到现场组装完成，整个周期在3个月以内完成。边成长边投资，减少前期投资成本。

集装箱(室外模块)

我们通常说的集装箱实际上是室外型模块化最普遍的一种，以集装箱或预制建筑为基本单元，直接部署。可以有柴发、供电、制冷、IT，或者一体化等各种类型的集装箱。对于郊区和低层仓储式大开间的工厂化建筑，可以用集装箱运输车和吊车快速交付，可以一体化交付。满足野外、应急的临时性需求，或迁移性较强的业务类型，或土地审批周期冗长的情况。如果安装在建筑顶部，则对建筑的楼板承重、楼间高度要求较高，并且需要拆墙以满足集装箱的吊装。

特点及与传统IDC对比

多采用高密度设计，计算容量5倍于同面积传统机房

快可按需、分步、快速部署，及时应对动态业务需求

省一是指省能耗，集装箱的PUE值可降至1.5，能耗节约可达30%，二是指省空间，节省75%空间，降低TCO。三是省精力，集装箱即插即用的功能模块组成，让IDC从工程变为即用产品;

使用集装箱数据中心必须具备以下基础条件：安装场地、电力供应、空调供水、网络。

由于集装箱数据中心的特性，决定了其适用对象是设备较统一，自用为主的企业。从目前只有谷歌和微软大规模使用，其他大多是尝试性应用也得到了证明。

除了大家熟知的集装箱，室外模块还有一种预制建筑的形式。多根据特殊需求定制，体积较集装箱稍大，对运输有特殊要求，现场快速安装，一般不频繁搬迁集装箱