數據中心的模型分析與研究

文｜中國工程建設標準化協會數據中心工作組 朱利偉

艾默生網絡能源有限公司 曹 播

數據中心是信息系統的中樞和大腦，為信息系統提供數據的應用、交換與存儲等核心功能。所以從表現形式上看，數據中心是信息革命的集大成者，涵蓋建筑、結構、電氣、制冷與空調、網絡與布線、裝飾裝修、信息設備、軟件與數據庫、監控與管理等各個行業。

因為數據中心處于信息系統的核心地位，有著龐大而復雜的系統組成，所以研究數據中心的模型，是數據中心研究與建設、管理與維護的理論基礎工作之一。

對數據中心的屬性和各個子系統分析、歸納、總結后，我們可以將數據中心模型分為物理模型、可靠性模型、能效模型、生命周期模型、經濟模型等。

本文希望共享出這些初步的研究成果，能夠吸引更多的專家學者加入到數據中心的模型研究中來，為我國數據中心建設提供堅實的理論與模型基礎。

1 數據中心物理模型

隨著全球電信產業界的融合趨勢，電話網、計算機網、有線電視網趨于融合，傳統網絡面臨著負荷在不斷增大，用戶的業務需求也趨于多樣化的趨勢，如圖1所示。

傳統的通信網絡中，人們的信息傳遞過程可簡化為如圖2所示。

圖1 通信網絡發展的里程碑，通信與信息網絡融合

圖2 傳統通信網絡信息傳遞過程

到了21世紀初，基于軟交換技術的 NGN網 絡 應 運 而 生。NGN（Next Generation Network）又稱為下一代網絡，是一種綜合、開放的網絡構架，可以在統一的分組網絡上融合通信、信息、電子商務和交易等業務，滿足多樣化、個性化業務需求，在繼承的基礎上實現與各種業務網絡（PSTN/ISDN、PLMN、IN、Internet）之間的互通，在全網內快速提供新的語音、數據、圖像融合業務，如圖3所示。

第一層為邊緣層。又稱為綜合接入層。在上一代通信網絡中，不同網絡的接入方式是不同的。固定通信網（簡稱固網）有模塊實現接入，移動通信網采用無線方式接入。而在NGN網絡中，固話、手機、寬帶、電視等終端設備，實現統一接入，所以又被稱為綜合接入層。

第二層為核心層。實現數據、信息的高速傳輸、互聯互通。通常由城域傳輸網絡、省域傳輸網、國家干線傳輸網絡等構成。

第三層為軟交換控制層。NGN的核心或本質不同在于采用軟交換方式，大大簡化了通信、信息的網絡架構，并支持業務的無限拓展。

第四層為業務層。所謂業務（business），即服務和數據、信息應用等通稱。業務層表現形式為各種形式的數據中心、信息中心、控制中心等。顯然，在NGN網絡中，業務層才是網絡架構的大腦、中樞和價值中心。

圖3 下一代網絡（NGN）的網絡模型

新的網絡架構下，業務層就是數據中心，也決定了數據中心是NGN網絡的大腦、中樞，如圖4所示。

數據中心的內容涵蓋從站點、基礎架構、技術與系統架構、應用及數據、業務和IT流程、組織與運營、企業與信息化戰略等全方位內容，如圖5所示。

2 數據中心可靠性模型

數據中心是一個復雜的系統，大型數據中心的每一個子系統都有對應的可靠性/可用度模型。工程上選用相應標準如表1、表2所示。

3 數據中心能效模型

美國綠格組織（Green Grid）定義了廣為使用的PUE指標，衡量數據中心的能效參數。

能量使用效率PUE：Power Usage Effectiveness；數據中心基礎設施效率DCiE：Data Center Infrastructure Efficiency。

CLF代表在單位功率IT負載上消耗的制冷用電量，而PLF代表在單位功率 IT負載上供電系統的損耗，1.0代表IT負載和自己的比率。這樣，就可通過一些子指標來定量表征數據中心能效模型。

圖5 數據中心物理模型

表1 GB 50174-2008對數據中心可靠性/可用性要求

圖6 PUE指標曲線

當前實踐中，數據中心多采用風冷型機房空調制冷，在節能措施到位下，最低可達到1.65，通常為1.8～2.0（夏天工況）。

在我國北方建設數據中心，可采用水系統制冷方式（或制冷劑泵循環節能技術），可利用北方地區豐富的冷空氣資源。設計與工程優良時，最低可達1.45～1.60（夏天工況），結合北方3到6個月冬天自然冷工況，全年平均PUE最低可達1.25～1.35左右如圖6所示。國際PUE最佳實踐（Best Practice）為1.30，最完美值1.2。

4 數據中心生命周期模型

數據中心生命周期從5～15年不等，包括需求評估、規劃、建設、設計實施、管理運營、

優化擴容等階段，如圖7所示。

表2 TIA 942-2005對數據中心可靠性/可用性要求

5 數據中心經濟模型

經濟模型是衡量數據中心成本或收入成本等經濟指標的模型，分為TCO模型與ROI模型。

（1）成本項目范圍

◆ 投資成本（Capital Expense，簡稱CAPEX）

數據中心基礎設施的投資成本是一筆十分可觀的支出。這包括設備的成本以及與設計和部署設備相關的成本。投資成本將以資產折舊與攤銷費用計入項目。

折舊與攤銷費用：是把資產支出在生產經營期各年度中進行分攤，以核算當年應付的所得稅和可以分配的利潤。

折舊費估算：年折舊額=（固定資產原值一預計凈殘值)/折舊年限。

攤銷費估算：攤銷費是指無形資產和遞延資產等一次性投入費用的分攤，其性質與固定資產折舊相同。年攤銷費=待攤費用/有效使用期限。

◆ 運營成本（Operation Expense，簡稱OPEX）

運營成本是與維護業務相關的所有成本。數據中心基礎設施的運營成本，包括能源成本、運營人員工資福利、培訓支出以及維護和維修成本等。

能源成本：數據中心的服務器交換機、機房空調等設備是非常耗能的設備，其用電負荷密度遠高于普通辦公樓與廠房，所以能源成本是數據中心成本的主要組成部分之一。

人力成本：數據中心工作人員包括信息技術人員、技術管理人員等。人員的多少視工程的規模、信息系統的大小和工作的性質而定，成本開銷包括工資、獎金、福利和各種保險等。

培訓費：培訓包括技術人員的專業培訓和使用人員的操作培訓，這兩方面都需要經費。

設備維護與更新成本：維護成本包括計算機耗材、機器維修、配件更換以及購買小型工具/軟件的費用。

財務費用：財務費用是指籌集資金等財務活動中所發生的費用，包括項目實施運用期間發生的利息凈支出、銀行手續費以及為籌集資金發生的其他費用。

圖7 數據中心的生命周期模型

其他費用：主要指管理費用，管理費用是數據中心管理部門為管理和組織數據中心設施與運行發生的各項費用，包括管理部門人員工資及福利費、折舊費、修理費、辦公費、差旅費等。

（2）收益項目

數據中心運行有兩類方式，一類為商業型數據中心，一類為自用型數據中心。

◆ 商業型數據中心

根據市場定價向用戶提供服務，并獲取收益。如用于服務器托管、主機租用等用途的數據中心；外包類的生產型數據中心、災備數據中心等。

托管類數據中心在中國電信、中國聯通等企業大量存在，也是我國數據中心的主力軍之一。

通常托管類數據中心按照機柜數量、機柜服務器臺數、網絡帶寬等收費，每個機柜每個月的租用費用從數千元到數萬元不等。

◆ 自用型數據中心

數據中心是“信息革命”的集大成者，大大提升了企業運營與管理、社會溝通交流的效率。所以越來越多的企業、政府機構、社會團體建設數據中心，而這些數據中心僅僅為自用，不對外提供業務，稱為自用型數據中心。

最典型的自用型數據中心是銀行信息中心、企業ERP與信息中心、政府（如稅務海關等）信息中心等。

自用型數據中心帶來的效率提升、管理規范等指標為非經濟型指標，無法用簡單的經濟模型進行定量分析，只能定性分析，簡述如下：

效率提升：信息革命及其數據中心帶來了全人類社會溝通交流、生產生活等效率的巨大提升。以人們日常生活中接觸最多的銀行系統來說，信息革命之前都采用手工記賬，為每個賬戶提供書面的資金記錄，顯然這樣的方式，效率低下，成本高昂，處理能力低。而在信息革命之后，所有的資金記錄均在網絡上，通過數據中心進行交換與處理，轉賬匯款將在數秒鐘內完成，并且為銀行資金往來記錄、處理提供了安全高效平臺。

管理規范化：通過數據中心承載，將先進的管理理念融合在信息系統設計之中。把最先進的管理理念貫徹到整個企業，擺脫手工作業的隨意性和不規范性，提升企業設計、生產、銷售、服務等過程中自動化、智能化能力，真正實現企業的現代化管理。

（3）經濟分析方法

自用型數據中心沒有收入項目，只能采用TCO方法分析經濟性。商業型數據中心有收益，可采用各類ROI（Return of Investment）方法分析經濟性。