中小型數據中心布線設計要點

文｜遼寧省儀器儀表有限責任公司 杜松明

中國建筑東北設計研究院有限公司 李朝棟

1 前言

企業數據中心是信息化應用的通信樞紐，是數據運算、交換、存儲的中心。它結合先進的網絡技術和存儲技術，承載網絡中80%以上的服務請求和數據存儲量，為客戶業務體系的健康運轉提供服務和運行平臺。對于不斷發展的數據中心來說，更強大的網絡連接是不變的需求。數據中心的根本要求是保障網絡基礎設施能夠提供可擴展帶寬、冗余業務備份、靈活性、安全性。為保障服務的可靠性，數據中心有必要使用高密度、方便靈活的高品質布線系統。數據中心的設計依據是：

（1）數據中心要把布線系統設計好，首先，要從用戶需求、服務器設備布局、網絡總體規劃、機房日常維護、數據擴充和升級等方面來考慮。 其次，要從數據中心布線系統在布局、通風散熱以及其布線系統的安全性、可靠性、帶寬性、拓展性、易管理性、先進性等方面考慮。如何合理控制預算，不至于導致過度規劃。

（2）數據中心布線要依據《數據中心的電信基礎設施標準》（TIA/EIA 942）、《數據中心布線系統的設計與施工技術白皮書》及《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）來設計。

2 數據中心整體規劃

2.1 企業信息網絡規劃

信息網絡規劃指在一定時期內，對信息網絡系統的整體需求計劃，包括為實現企業信息化目標所需確定的系統定位、系統規模、系統架構、系統配置。

其中，系統定位決定了數據中心的建設等級；系統規模決定了數據中心的建筑空間；系統架構決定了數據中心的信息路由；系統配置決定了數據中心的場地布局。可見，信息網絡規劃是數據中心建設的前提和依據。

2.2 現代數據中心機房設計標準

2.2.1 依據《電子信息系統機房設計規范》（GB 50174-2008）

A級：可靠性要求最高。容錯型。停運將造成重大經濟損失，涉及范圍廣，極可能演變成嚴重的社會公共事件/事故。

B級：可靠性要求較高。冗余型。影響局部范圍，可能造成較大損失。

C級：可靠性要求一般。基本型。影響范圍較小，“個體”可能造成巨額損失。

2.2.2 依據《數據中心的電信基礎設施標準》（TIA/EIA 942）

國際正常運行時間協會將數據中心分為四個等級。

4/3級：可靠性要求最高。全冗余/在線維護型。停運將造成重大經濟損失，涉及范圍廣，極可能演變成嚴重的社會公共事件/事故。可用率：99.995%/99.982%。

2級：可靠性要求較高。基礎型冗余。影響局部范圍，可能造成較大損失，可用率：99.741%。

1級：可靠性要求一般。基礎型非冗余。影響范圍較小，“個體”可能造成巨額損失，可用率：99.671%。

上面標準提到的信息系統機房也好、數據中心也罷，歸根到底，其傳輸、存儲、運算的都是電子信息。三個級別、四個等級雖無一一對應關系，但根據可靠性來劃分的原則是一致的。習慣上，事業單位的數據中心，被稱為信息中心，為了與由服務商或運營商興建，用于向社會機構提供租賃服務的公用數據中心相區別，可將企事業單位自用的數據中心，稱為企業數據中心。

2.3 場地與空間設計

企業數據中心按規模由小到大劃分為部門級、企業級、互聯網數據中心IDC以及主機托管數據中心等。

企業數據中心的場地與空間設計中，機房場地以“設備”為關注與滿足對象；而建筑空間以“人”為關注與滿足對象。因此，數據中心的場地與空間規劃應適合既定空間并符合規劃。在滿足數據中心工藝要求的前提下，合理地規劃設備與人共有的空間，在提供和滿足數據中心中系統設備安全、穩定、可靠運行的同時，也要為工作人員創造健康、便捷、舒適的工作環境。

目前受到推崇的設計理念與節能策略是：整體規劃確定場地的等級規模和系統構成，空間與平面布局確定場地的分隔和設備的布局。設備主機房采取密閉護圍、場地采取大空間少隔斷、獲得適宜的空間容積（架高、凈高、層高）、采取人機區域分離、采用“冷端”與“熱端”的氣流通道、平衡設備布置等。

2.4 數據中心的建筑空間

根據TIA/EIA 942 規定，數據中心的建筑空間包括（如圖1所示）計算機房/主機房、數據中心內的通信室、維護人員辦公室、接入室、機電設備機房、運營監管中心、存儲及載入室。

圖1 典型數據中心建筑空間示意圖

3 數據中心布線系統設計

3.1 布線系統的作用及特點

布線系統的設計，首先要了解布線系統在數據中心中的作用。布線系統要為數據中心的關鍵IT設備提供可靠的連接，需要提供適應網絡運營的傳輸帶寬，需要支持網絡7×24小時的不間斷運行。同時，對安全性、可用性、靈活性和可維護性有著較高的要求。

數據中心布線系統的規劃，還要了解數據中心布線系統工程的特點：機房內信息點密集、網絡數據傳輸為主、銅纜光纖類型繁多、傳輸鏈路穩定可靠、變更設備連接頻繁等。

3.2 布線系統的設計原則

數據中心布線原則：先規劃后使用，設立區域劃分概念，本機柜內完成跳線跳接，機柜到機柜通過綜合布線連接，只有配接區域才可以跨機柜跳線。

數據中心布線設計方案有兩種建議：一是兩層結構，適用于中大型數據中心布線；二是單層結構，適用于中小型數據中心布線。

3.3 布線系統的線纜形式

數據中心布線系統的線纜有：水平線纜提供設備配線區、水平配線區、區域配線區的水平交叉連接。主干線纜提供總配線區、水平配線區、接入室、電信室之間的主干交叉連接。

推薦采用的布線傳輸介質：100ohm 4-Pair Cat.6A 雙絞線（EA等級以上）；激光優化的50/125μm多模光纖OM3。

3.4 布線系統的拓撲結構

數據中心的三種布線系統的拓撲結構為：

（1）基本型拓撲結構：一個接入室可能有一個電信室、一個總配線區、幾個水平配線區、幾個設備配線區、可能設有的區域配線區、水平布線及主干布線。基本型拓撲結構較為完整，適合于大多數的企業數據中心。

（2）簡化型拓撲結構：將接入室、電信室、總配線區、水平配線區“合并”為一個區域即計算機房的總配線區。

在這種拓撲結構中，只有總配線區、區域配線區、設備配線區以及水平布線。簡化型拓撲結構較為簡約、器件少，適合于小型的數據中心布線系統。

（3）分布型拓撲結構：適合于大型的數據中心。

3.5 布線結構形式

數據中心布線設計有兩種結構形式：一是兩層結構，適用于中大型數據中心布線；二是單層結構，適用于中小型數據中心布線。

采用列頭柜結構，本列機柜所有銅纜/光纜都匯聚到列頭柜的交換機中，再經過列頭柜轉換出來的多芯光纜匯聚到數據中心的核心交換機去。兩層結構更加靈活和科學，不足的是交換設備數量較多，總體成本高。

采用集中配線區域結構，機柜所有銅纜/光纜都匯聚到集中配線區中，通過核心有源交換設備傳輸數據和連接外部電信光纜。交換設備數量較少，單點故障較少，總體成本較低；不足的是線纜使用較多。

3.6 布線路由

數據中心布線走向也有兩種：一種采用上走線方式，即在頂上架設橋架鋪設線纜，這種布線要求上面吊頂要維護方便，走線要美觀，且要考慮精密空調通風管、強電布線等方面的因素；一種采用抗靜電地板下走線方式，這種走線要求抗靜電地板下要有30cm以上空間，且走線要考慮精密空調出風管、強電布線等方面的因素。具體采用哪種走線方式應根據數據中心環境要求而定。建議最好是長期固定不動的線纜，比如主干和水平線纜采用架空地板下方走線方式，而跳線采用在機架上方走線方式。

3.7 布線介質

數據中心綜合布線優選支持萬兆系統的6A類雙絞線和OM3光纜，同時考慮服務于下一代網絡。外護套建議采用低煙阻燃或CMP型、防鼠咬系列；根據高帶寬和高安全性考慮，機房內的光纖系統可采用專為數據中心設計的預連接光纜系統，進行高效管理、快速變更及擴展。無論是能耗還是空間占用率和對散熱的影響，光纖都具有較明顯的優勢，綠色數據中心的布線應該更多地考慮采用光纖布線，因為光纖碳排指標更低。

3.8 數據中心投資控制

（1）數據中心投資費用較高，建設成本平均要15000元/m2，新規范中A級、B級、C級機房的投資差距是相當大的，一定要根據自己企業的性質、數據中心的重要性來定出數據中心建設的級別。

（2）成本是決定數據中心設計與建設的關鍵因素。任何企業都希望通過盡可能低的成本來支持長期的發展。雖然布線系統的成本約占數據中心總成本的5%，但它卻是使用壽命最長的基本要素。通常，布線系統需要具有長達10～15年的生命周期。而與之相對應的是，網絡設備通常3～5年就需要進行更換。由此，布線系統的設計必須可以支持2～3代有源設備的更新換代。

（3）傳統數據中心在設計的時候，常根據服務器提供的相關參數進行電力配備，但服務器提供的參數值通常是其最高負載情況下的電力消耗，再加上機房、空調、UPS冗余設計，大量機房在設計時就已經過度投資了。也許用戶沒有注意，這些機房的基礎設施一旦投資，即使IT設備的負載不大，它們也都必須全部處于運行狀態，有時候這些基礎設施的耗電量甚至會超過IT設備的耗電量。

（4）許多IT管理者有意無意地接受購買特定品牌，將獨立的硬件設備集成到一起組成數據中心的想法。雖然這種做法沒有錯，從服務器或者網絡設備標準化的角度來講這種做法可能奏效，但是最終結果應該是作為一個整體來評估的而不是獨立的個體。實際上，數據中心效率的高低和是否使用特定品牌、型號的設備是沒有太大關系的。應該從一個完整解決方案的角度來衡量數據中心，將整個設計都作為一個集成的整體來考慮。

4 數據中心布線系統設計案例

4.1 規劃設計步驟

（1）根據用戶需求和信息點規模確定關鍵設備（計算機設備、服務器設備、網絡設備、通信設備、存儲設備）的數量與連接方式。

（2）平面區域（接入室、總配線區、水平配線區、區域配線區、設備配線區）的規劃設計。

（3）確定布線拓撲結構（基本型拓撲結構、簡化型拓撲結構、分布型拓撲結構）確定線纜路由及走線方式（上走線/下走線）。

（4）確定技術等級與應用特性：布線傳輸介質、頻率帶寬、主干和水平線纜的技術等級，配套的配線架、模塊、跳線等傳輸特性，屏蔽與否，防火等級等要求。

（5）系統設計與施工圖設計：完整的布線系統技術設計；施工圖平面設計及配置清單。

4.2 項目概況

中國醫科大學附屬第一醫院門診綜合樓建筑面積為116000m2，裙樓10層，局部4層，地下2層，地上26層。共計1008張床位。幾乎每個樓層的功能都不相同。一層為門診大廳、住院管理大廳、醫學科、藥局、兒科；2層為放射科、體檢中心、快餐廳；3層為內科門診；4層為內科功能檢查、檢驗；5層外科門診；6層為婦產科門診；7層為眼科門診；8層為中醫、口腔門診；9層為皮膚科門診及數據中心；10層為檢驗科；11層為會議中心；12層是辦公區域；13～24層為標準內科病房；25、26層為VIP病房——構成了一個設施先進，環境優雅，功能齊的新型醫療中心。大樓內共設置6類信息點7600余個。此綜合樓功能復雜、應用內容繁多，有對信息安全及實時性要求高的門診系統，有對網絡傳輸帶寬要求高的PACS，還有視音頻同步傳輸的介入信息等。

4.3 信息點布線方案

根據不同的建筑環境進行綜合布線設計。對掛號收費及藥房可根據窗口數量進行布點，同時要考慮LED屏和相關的導向系統；對醫技部門要根據儀器設備及電腦擺放位置進行布點；對手術室、ICU、急救室等要利用吊臂環境，同時要考慮HIS、PACS以及手術轉播的要求；對病區和特診等區域，要考慮布線系統能支持今后無線數據傳輸的實施方案。

4.4 數據中心整體規劃

系統定位決定了數據中心的建設等級。本項目中，醫院有關信息系統（二網一庫）綜合信息數據庫，有內網與外網作邏輯隔離的要求，對各網絡和數據庫都有信息安全的等級要求，同時，根據醫院信息的不可中斷性，數據中心的建設等級設定在B級。

系統規模決定了數據中心的建筑空間。經與院方溝通，數據中心的建筑面積被框定在170m2的一個區域內，基本滿足現在及將來一段時間內，信息網絡系統對場地空間的需求。

系統架構決定了數據中心的信息路由。數據中心需要接入外網和專網租用的電信運營商線路和專有線路，同時，要接入大樓內各樓層接入層交換機的主干數據線路和其他樓群匯聚層交換機的主干數據線路。

系統配置決定了數據中心的場地布局及布線拓撲結構。二網一庫所配置的通信設備、網絡設備、計算機設備、服務器設備、存儲設備，在主機房內將形成主配線區、網絡交換區、服務器區、存儲器區以及相關的基礎設施配套區域等。

確定數據中心采用簡化型拓撲結構，布線采用單層結構，路由配合精密空調下送風，采用在機柜頂上網格式橋架走線方式。

確定技術等級與應用特性。本項目中，數據中心的布線系統采用萬兆傳輸等級，布線傳輸介質為光纜、銅纜，并配置相應等級的布線配套器件。為適應高密度大批量的光纖安裝，光纜采用專為數據中心設計的預連接光纜系統。

4.5 綜合布線系統架構

從醫院建筑群的實際情況出發，系統采用三級架構，即：

第1級信息中心機房——核心層：負責整個醫院的信息網絡維護運行。

第2級各樓的信息分中心——匯聚層：負責各樓信息的匯聚交換。

第3級各電信間——接入層：將各樓層的信息終端接入網絡系統。

本醫院的核心層交換設備位于本樓9F主機房內。核心層與匯聚層交換設備之間采用全冗余網狀的拓撲結構。數據中心布線采用光纖系統，室外主干光纜采用單模光纜，室內主干光纜采用多模光纜，規劃數據傳輸速率達到1Gbps。匯聚層以下的網絡以星型結構向各個樓層區域拓展。

4.6 網絡架構

在核心層采用Cisco的高性能的主干路由設備Cisco GSR12012和高性能交換機Catalyst6509，GSR12012與 Catalyst6509之間采用萬兆冗余光纖聯接。匯聚層采用Cisco的三層交換機Catalyst3650G-L3，與核心層千兆/萬兆冗余光纖聯接；服務器接入層采用Cisco的3層交換機Cisco3750。核心交換機和匯聚交換機雙備份，核心層和匯聚層均有路由功能，實施負載均衡和冗余備份，VLAN盡量終結在本地，以縮小故障區域，整個網絡萬兆、千兆和百兆相結合。

UPS系 統， 設 置APC公 司2臺（SILCON-40kVA）系列UPS主機，單臺功率為40kVA，一用一備運行。

主要網絡設備采用雙電源、雙引擎配置，徹底消除單點故障，保證網絡可用性高達99.9%。

4.7 設備布局

主機房中的設備布局以網孔機柜、服務器、存儲器為主。

主機房中，設置兩列800×800（42U）網絡配線機柜，每列7只，D列機柜背對C列機柜背布置，形成“冷端”與“熱端”的氣流通道。機柜用于安置光纜與銅纜配線架、光纜與銅纜主干線纜、路由器、核心交換機、KVM交換機等，成為中心機房中的總配線區。

服務器機房中，設置600×1100服務器及800×800（42U）存儲器設備機柜，每列分別為5、6只。B列機柜背對A列機柜背布置，用于安置光纜與銅纜配線架、光纜與銅纜水平線纜、服務器、存儲器、交換機、KVM轉接器等設備，成為中心機房中的設備配線區。