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模块化数据中心的工程化落地

[日期:2014-03-13] 来源:网界网  作者:刘海峰 [字体: ]

  模块化数据中心是目前数据中心行业的热门技术和话题,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数据中心解决方案的优势。实际情况是,“模块化”的定义仍很模糊,模块化架构在何时何处适用,以及如何确定模块化架构的规格等,都还没有明确的定义。虽然模块化的讨论很多,但真正能系统指导模块化在数据中心建设中实现工程化落地的还相对匮乏。

  很明显,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。模块化只有在同时达到标准化和可扩展性时才有意义。因为,一个独一无二、无法复制的模块,即便可扩展,但不标准,无法与其他模块连接,就无法实现降低成本、提高部署速度等好处。如果一个模块不具备可扩展性,比如说传统数据中心设计中,也采用些模块的方法,但无法扩展,因而也不可取。 所以我们在使用模块化这一工具时,必须注意要同时达成可扩展性和标准化两个目标,而不是为了模块化而模块化。

  什么是模块化架构

  那我们不禁要问,什么是模块化的架构?模块虽然是数据中心行业的术语或者热词,但依然存在很多混淆和误解。例如,很多时候模块化被认为就是集装箱,事实上,集装箱只是模块化的一种形态。

  要正确理解模块化,要从工程设计的专业角度来解读它。当我们考虑模块化时,我们更应当把它看做一种架构而不单单是数据中心。 在设计模块化数据中时,我们应该遵循以下几个步骤:

  · 定义数据中心部署所涉及的一系列模块

  · 这一系列模块必须包含构建数据中心所必须的子系统

  · 子系统组合在一起应能最大程度地降低部署的复杂性

  · 制定一系列的规则、工具、方法,以综合描述及规定如何根据数据中心发展规划进行模块地部署

  · 预先规定的模块组合体现出来的兼容性和工作性能是预先确认的

  如何比较不同的模块化架构

  一旦我们对模块化架构有了清晰的定义,接下来的问题就是,我们如何比较不同的模块化架构孰优孰劣。基于不同的业务需求,不同的人会选择有不同的模块化架构。以下这些要点是比较不同架构时需要考虑的:

  · 系统设计能最大程度地简化规划、安装、调试、以及编程等部署投放IT容量所需的工作流程

  · 模块规模,尺寸的额度取决于成本、简易程度、以及适度规划等因素的有效权衡及合理取舍

  · 更好的工作性能(占地面积小、PUE低、用水少、故障率低……)

  · 允许兼容其他有关可靠性、冗余、密度等的不同选项,以便于系统扩展

  · 足够开放能兼容多个供应商的不同模块

  数据中心模块化架构三要素

  数据中心是复杂的,可以由多种类型的子系统组成,图1显示了数据中心里常见的子系统。我们需要找到一种办法如何把这些子系统用一种模块化的架构有机地组合起来,而不是孤立地去设计每一个系统。

  要准确描述模块化架构的特性,应当将模块化架构分解为如表1所示的三个要素,不同模块化架构在这三个要素上都有所不同。

  模块化类型

  具体而言,模块化类型包括设备模块化和子系统模块化两类,如表2所示。

  设备本身由模块化部件组成,例如500kW SYPX UPS 由20个25kW电源模块组成 。数据中心的很多设备已经逐渐实现模块化,如服务器、存储、网络设备等都实现了模块化,不过,这并不代表数据中心就是模块化架构的。

  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。例如,要满足1MW UPS需求,可以使用1个1 MW UPS,也可使用4个250 kW UPS,或10个100 kW UPS,甚至1000个1 kW UPS。

  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。

  高容错性、易并行维护和易搬运是推动子系统模块化的三大要素。容错性,是指当某个模块发生故障时,子系统仍能运行且对负载无影响。并行维护,是指在不影响负载的情况下,对一个模块进行离线测试或维修。数据中心设施中移动设备得益于模块化,特别是当某个模块较小,能够通过客梯搬运、由卡车运输,并能顺利通过门廊。当设备需要在室内地板上移动时,易搬运特性更为重要。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。

  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。例如,在数据中心添加一个60kW 机房空调设备,仍需要开展大量的规划、设计、管道铺设、控制编程和试运行工作。这些产品的供应商将继续致力于改进产品,简化流程,以实现子系统“即插即用”式模块化架构的优势。

  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,但只是子系统模块化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。

  模块化层次体系

  随着数据中心建设的规模和涵盖内容不断扩大,其复杂性日益加剧,在定义模块化架构时,仅关注模块化、设备、子系统这三个方面是不够的,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,我们定义了如图2所示的标准层次结构,不同模块化子系统可以部署在不同层次 。

  模块化关联

  我们定义了模块化类型和模块化层次体系,那么不同的模块在系统在不同的层次是如何组成有机的整体的,就需要定义模块化关联。一般来说,关联有两种:

  一是成套打包关联,即不同子系统的设备成套安装在一起,必须作为一个整体部署。例如,一个 IT Pod 模块(或集装箱)包含固定数量的机柜、空气处理单元、列头柜、以及环境监控设备,作为一个整体。

  另一种是基于规则的关联,即明确所允许的模块组合方式,例如每三个UPS 模块需配置一套发电机模块。

  理论上说,数据中心由多个相同的微型数据中心构成的架构是一种最纯粹的模块化架构,每个微型数据中心包括所需的一切要素,但这种理论上的最优在现实世界里不可行,关联通常会很复杂。

  在进行模块化关联时通常要注意遵循以下几点经验:

  · 每个模块都按照微型数据中心的容量做不现实。

  · 有些子系统在大容量上实施更加经济。

  · 在一组模块的基础上实现冗余比每个模块实现冗余要更经济。

  · 每个单独微型数据中心里的容量容易被浪费。

  · 模块的选择应尽可能小以达到灵活性,但有些设备在小容量规模下运行效率极其低下,如发电机。

  尽管让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,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,以便能够合理一致地部署子系统。先以设备机柜和机柜配电条的部署为例,两种设备可以按1:1比例部署。再以配电柜和机柜的部署为例,可以定义一条规则,即1个配电柜 支持20个机柜,继而继续定义集成关系,1个发电机支持500个机柜,1个机房空调单元支持40个机柜,以及1个数据采集系统支持200个机柜等。我们将这些部署规则称为各子系统间的模块关联。这些关联可以是简单的部署规则,也可由预先规划和生产的台架、集装箱或安装“工具包”实施。

  在传统数据中心设计中,关联关系模糊地包含在用以确定数据中心总容量,如冷水机组总容量、占地面积(建筑面积)、机房空调容量等整体设计中。现实中,我们往往一开始就制订完整的设计方案,数据中心通常不采用任何模块化架构,而是会按照最大设计参数建设。同时,在数据中心的早期运行阶段,为延迟投资,常常会忽略某些设备。例如,为5个柴油发电机组设计、采用 N+1配置的系统,可能部署了适用于5个柴油发电机组的开关设备、基础设施和台架,但在开始时仅安装3个柴油发电机组。可以说此数据中心发电机组子系统采用了模块化,获得了部分模块化优势,但因为各子系统间不具备任何正式关联,所以并非模块化数据中心架构。

  如何有效描述和沟通模块化架构

  以上介绍了模块化数据中心架构包含的基础内容,下一步要做的是在实际的工程项目中如何描述一个模块化架构, 例如,由什么元素构成,在扩展方式上有什么不同,是如何实现冗余的,如何来进行类型的分析,讨论和比较不同的架构,等等诸如此类的问题。

  一图胜千言,图3是一个数据中心模块化架构规划图,涉及到我们前边谈到的所有特性。我们可看到各种类型的模块,包括设备、子系统和模块关联,它们分别部署在IT模块、机房和设施层次。通过该图,能够了解大量架构信息。

  在图的左侧,列出了构成数据中心的各子系统。灰色条块代表设备。如果图中所有设备块都存在,则数据中心达到了最大配置。模块化机构和传统方式的区别在于,设备块在图中是按从左到右的部署顺序逐步扩展数据中心,以满足不断提高的IT负载要求。左侧列出的所有子系统的容量都需要与给定的IT容量(kW)相匹配。子系统的灰色模块必须以符合数据中心扩容需求的方式添加。图3中还提供了不同子系统模块间的关联。如图所示,CRAC(精密空调)模块连接到区域部署,每三个CRAC设备就有一个备份的机房空调构成N+1冗余,每十二个CRAH(水冷型空调)模块就部署一个加湿器,且每个机房都与一个加湿器相关联。

  图3中所示的架构中的左上方代表一个IT模块(Pod),假设机柜密度为6KW,则这个IT模块以60kW的单位。在这一IT模块架构中包括机柜、机架式PDU、配电列头柜、UPS、机房空调以及热通道气流遏制系统。

  在IT模块为单位部署基础上,有些设备需要在机房层面部署,如图3所示架构中,加湿器、制冷分配单元、冷水泵和照明进行关联和匹配,同时支持三个IT模块的部署。在此架构中,这些子系统和三个IT模块的方式构成了机房层面的部署。机房的边界可以是实体墙壁,也可以是一个大型机房中的某个分区,用虚拟边界隔离。

  在机房基础之上,还有一些需要在整个设施级别优化部署的子系统,作为更加集中基础设施。如图所示的架构中,这些子系统包括冷水机组、自然冷却热交换器、冷却塔、发电机和开关设备。其中部分子系统,如发电机等,不是模块化的,而另一些子系统,如冷水机组,是模块化的。

  这种方法还展示了在模块化架构中是如何实现冗余的。部署模块的目的可以是为了实现扩容,也可以是为了实现冗余,在对架构的说明中必须明确指出其目的。如图4中所示子系统为一组从左到右堆叠,以增加容量的模块。在表示用以增加容量的模块堆叠下方,还可显示一个模块,该模块是冗余模块。





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