模块化专题 (一)模块化数据中心的意义及定义

知名咨询公司高德纳（Gartner）最近发布的多份报告显示一个趋势，就是 "前两代数据中心设计已无法满足当前和未来需求。新数据中心不应该再是静态的结构，而是一个能够随着服务器和存储基础设施改变而不断发展的动态有机体"。有鉴于此，高德纳公司（Gartner）建议新数据中心应"采用灵活的、模块化、虚拟化设计原则"。本文将对模块化数据中心的意义及定义进行深入的分析。

   一、现存模块化定义的问题 

主要的数据中心设备供应商和整体解决方案供应商都在宣传其模块化解决方案的优势。但目前对于"模块化"的定义仍很模糊，它可以应用于UPS这样的单一设备，也能应用于整栋数据中心建筑中。以集装箱式数据中心为例，数据中心本身就可看作是一个模块。

 数据中心运营人员面临着大量含混不清的，用于定义模块化的术语，包括模块（pods）、集装箱（container）、集群（clusters）、分区（zones）、机柜行（rows）、机房（rooms）、机柜排（busses）等。然而，数据中心模块化不是指某种特定的理想化设计方案，而是指一种方法，能够形成多种类型的设计方案。此外，虽然我们说某些数据中心要比其它数据中心"更具模块化"，但并没有明确的范围来界定数据中心的模块化。

选择了模块化方法后，还必须考虑将数据中心按模块化分割的程度，即颗粒度。数据中心的某个子系统是应该由三个模块还是三十个模块组成，模块化的实施会产生一定成本，因此最大限度地全盘模块化并不总是实现高效的最佳做法。权威调查咨询机构Tier 1 Research最近的分析报确信模块化为数据中心带来优势。但同时指出，只有当模块进行产品化和标准化生产，从而降低成本、加快供应链流程时，模块化对整个行业的影响才能最大化。

   二、模块化能够解决的问题

模块化对所有数据中心运营商都具有吸引力，这是因为它能同时解决一系列的问题。几乎所有类型的数据中心，无论规模大小或可用性高低，都能够从模块化中获益。模块化可以解决如下九大问题：

解决投资成本利用率低下的问题：模块化方法能实现基础设施按需部署，而不是在前期一次性部署。

解决设计和安装周期时间长的问题：模块化数据中心采用预先设计和生产的系统，缩短了设计和安装时间。

解决质量问题：采用预先设计和生产的设计，能够减少缺陷。

解决功率密度设计错误问题：采用模块化设计，可在部署时再进行功率密度决策，而不必提前数年就做出此类决策。

解决管理系统编程和配置复杂化问题：模块化设计反复使用标准化管理工具，运用更多开箱即用功能，减少每次项目都进行编程。

解决容错问题：模块化设计一般包括N+1冗余，支持容错和并行维护的能力。

解决标准要求问题：模块化设计可预先验证，遵从安全、能效、兼容性、安防等标准，无需逐个评估，避免出现不符合标准的意外情况。

解决运营人员培训问题：标准化的数据中心设计方案可以简化培训。

解决能效低下问题：造成数据中心能效低下的首要原因就是容量设计过大。可扩展模块化数据中心设计通过按需规划容量，避免了这个问题。此外，采用预设计和标准组件，其它许多导致低效的问题也得以解决。

   三、模块化架构的三个组成元素

为了描述和明确数据中心的模块化，很有必要了解模块化是如何应用的。在本文中，我们用三个模块化元素来描述数据中心架构：

设备模块化：设备由模块化组件构成。区分数据中心架构所采用的模块化和数据中心设备所采用的模块化是十分重要的。数据中心使用的所有设备采用模块化设计的趋势由来已久，包括服务器，存储设备，网络设备和UPS系统。最近，机房空调系统也开始采用模块化。这些设备采用模块化的优势众所周知，包括便于维护、可重复配置、部署迅速、便于容量扩展、采购周期短等。这些模块化设备的使用，是模块化数据中心架构的一个重要组成部分。但是，数据中心仅使用模块化设备，并不意味着采用了我们将在本文中定义的模块化架构。

子系统模块化：一个功能块，由多个同样的设备或模块构成。数据中心的功能块（子系统），如UPS、机房空调和冷水机组等，可作为一个整体单元部署，也可作为多个设备（模块）部署，这些设备同时运行并分担负载。子系统模块化普遍存在于大型数据中心是因为PDU和CRAC等子系统通常都是由多个设备单元组成的。容错性、并行维护和搬运是推动子系统模块化的三大要素。这些因素促使数据中心设计从庞大的单一子系统，向由多个模块构成的子系统转变，尤其适用于子系统在室内部署。

尽管对数据中心的许多设备类型来说子系统模块化很普遍，但这些子系统使用的很多设备并未实现理想的模块化"即插即用"式的安装。和设备模块化一样，子系统模块化通常是模块化数据中心设计的重要元素，但其本身并不意味着数据中心采用模块化架构。真正的模块化架构中，设计方案还必须定义不同子系统通过何种方式部署在一起。

模块关联：所部署的各子系统模块之间的关系，确定冗余，容量和功率以何种方式实现和扩展。当部署一个IT单元，需要综合考虑物理空间、电源、制冷、网络、消防和照明。因此，数据中心跨子系统的模块关联，是模块化数据中心架构的一个重要概念。原则上，一整套平衡、集成的子系统能作为一个标准的模块化数据中心而部署。很明显，这就构成了模块化数据中心架构。所有相互关联的数据中心子系统都将集成到一个模块。能够在现场部署完整的微型数据中心，并随时添加。这可以称得上是最 "纯粹" 的模块化数据中心架构。但这仅仅还是一个理念，由于以下原因目前还无法付诸实施：

1. 将每个数据中心模块作为一个独立数据中心管理，还不太现实

2. 某些子系统在大规模部署时比模块化部署要来得更为经济高效

3. 在多个模块上部署冗余比在单个模块中部署冗余成本更低、更高效

4. 单个数据中心模块都采用隔离的电源和制冷容量，会因搁浅容量造成浪费

5. 模块越小灵活性越高，但发电机和冷水机组等许多设备型号越小，效率就越低

尽管将所有子系统集成为完整独立的数据中心模块是不太现实的作法，但模块化数据中心架构必然存在某种方式将子系统进行分组，以便能够合理和一致地部署子系统。模块关联是数据中心架构的一个属性，定义了各子系统之间是如何相互关联的。

   四、模块化架构的定义

一个高效的模块化数据中心架构应具有以下特性：

定义一系列模块，作为部署数据中心的基础。

定义模块由相互关联的子系统组成，以便尽量降低部署复杂度。

由规则、工具和设备组成，定义模块未来按数据中心成长计划的部署方式。

系统经过工程设计，最大限度地减少了部署模块所需的规划、安装、配置和编程工作。

提前定义了容量、效率、密度、重量等所部署系统的特性，无需进一步分析。

在权衡简洁性、成本和合理规模之后，确定模块大小。

能够出色支持在未来升级或变更可用性（冗余性）和功率密度等属性。

作为一个开放架构，能够支持跨厂商的基础设施产品和设备。

需要重点强调的是，以上提到的模块化数据中心架构不仅是一个部件清单，而是需要大量的系统规划与测试工作。虽然可为特定数据中心开发和定义模块化架构，但如果行业范围内定义标准的架构，则会更实用、更高效。如果数据中心采用已有标准架构，那么就能大幅节省设计、定义、规划和测试成本（及时间）。随着越来越多的数据中心使用标准架构，整个行业都将降低成本、提高质量。

尽管数据中心容量单元的概念听起来简单，但这些单元实际上可部署于多个层次。举个极端的例子，我们可考虑为每个IT设备部署一个独立数据中心容量单元，或微型独立数据中心。与之相反的极端情况是，完全预制40 MW IT容量的数据中心大楼作为一个单元。在定义模块化架构时，仅以模块化、设备、子系统这三个方面，并将它们按前面所述相连，还是不够的；我们还必须说明将它们应用在架构的哪个层次。为了清晰地说明数据中心单元，我们定义了以下标准层次结构：

根据这一数据中心定义，可以认为IT容量单元可以部署在这五个层次中的任何一个。采用模块化架构的数据中心能在IT设备、IT机柜、IT模块、IT机房乃至整个数据中心设施层面，部署模块化数据中心容量单元（关联的模块化子系统）。模块化应用的例子存在于任何一个真实数据中心的各层面之中。

上述层次结构使用了传统数据中心的术语，但也可以有效描述非传统的设计方案。比如"设施"这一术语可以用来代表摆放集装箱式数据中心模块开放场地，"机房"这一术语可以代表集装箱或互联的集装箱组等。

很明显，存在无限多种方式定义模块化数据中心架构。事实上，世界上每个数据中心都采用模块化架构，且互不相同，这点是可以实现的，但这肯定无法达到最佳效果，因为只有当大量数据中心的模块化架构实现标准化后，其大多数重要优势才会发挥出来。

基于对上述多种可能性的了解，再通过思考来分析造成数据中心运营人员需要不同模块化架构的问题所在，以及是否有可能通过少量标准化架构来满足大多数需求。然后，可以定义一种描述模块化数据中心的标准方法。同时，为如何更好地应用模块化提供一些基本指导准则。

   五、结论

模块化架构的优势正在得到广泛认可。本文只是简要总结了这些优势。 向模块化数据中心的变革势在必行，这是因为模块化能够在大幅提高性能的同时降低总体拥有成本。模块化在很多行业已经非常普及，如汽车制造行业和IT设备行业等。对于数据中心来说，唯一的问题是这场变革将采取什么形式，以多快的速度进行。

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