基于云計算的下一代數據中心設計

項 力， 吳學智， 王 斌

0 引言

近年來，隨著IT技術的發展，特別是計算機技術的發展以及互聯網技術的興起，極大地改變了人們的生活方式和工作模式。許多企業以及政府部門開始采用以數據中心為主要運營平臺的信息服務模式[1]。然而，隨著業務量的快速膨脹，數據中心變得空前的重要和復雜，這對數據中心的管理維護提出了更高的要求。

1 數據中心概述及現狀

數據中心是現代信息系統的核心，它通過網絡向企業或公眾提供信息服務，包括一系列的復雜設施（計算機系統、冗余的數據通信連接、環境控制設備以及各種安全裝置）。最早的數據中心出現在20世紀 60年代初，主要是存放大型主機的機房，到20世紀90年代中后期，數據中心進入快速發展期，服務器數量每年都以驚人的速度增加。進入新世紀，隨著網上銀行、網上證券、網上購物等新的網絡業務不斷普及，網絡用戶量不斷增加，數據中心也進入到鼎盛發展時期。數據中心在邏輯上包括硬件和軟件兩部分。硬件是數據中心的基礎設施，包括支撐系統和計算機設備；軟件是數據中心中安裝的程序以及提供的服務。

傳統的數據中心通常采取一種奠基式向上支撐的“煙囪式”架構，如圖1所示。這種架構使得數據中心的成本居高不下。而且，傳統數據中心還存在以下缺陷：按峰值規模建設，資源平均利用率很低；缺乏彈性的系統設計，應對業務突發情況很差；建設周期長，無法快速提供與部署；業務需求的快速增長，設備更替快，不利于投資保護等。基于經濟和效率的綜合考慮，亟待需要建設新一代的數據中心，而云技術的出現使之成為可能。

圖1 傳統數據中心邏輯架構

2 云技術

2.1 云計算概述

云計算是近年來 IT行業中剛剛興起的一門技術。對于云計算，目前業界還沒有一個統一的定義，因此這里對云計算作如下綜述：首先，云計算并不是一種算法或工具，而是一種資源的整合和提供服務的一種模式。其次，云計算是分布式計算、并行計算的進一步發展，更多體現為一種業務模式的創新。最后，云計算是將大量的計算機進行整合，構成一個統一的IT資源池，利用分布式計算技術、虛擬化技術與基礎架構服務相結合，將計算、存儲、軟件應用服務以租用的方式提供給用戶。

目前業界普遍認為，云計算既能按服務類型分類，也可以按照服務方式進行分類。以服務類型為指標，云計算可以分為 3類：基礎設施云（Infrastructure Cloud）、平臺云（Platform Cloud）、應用云（Application Cloud）；以云計算的提供者和使用者的從屬關系也可以將云計算分為3類：公有云(Public Cloud)、私有云(Private Cloud)、混合云(Mixable Cloud)[2]。

云架構通過虛擬化、標準化和自動化的方式整合了云平臺中的硬件和軟件資源，典型的云架構分為 3個基本層次：基礎設施層、平臺層、應用層,如圖2所示。

圖2 典型云架構

而每一層都可為用戶提供服務，從而出現了基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務[3]（SaaS）。

1）基礎設施即服務（IaaS）：使用者不需要購買維護硬件設施以及相關的軟件，可以直接在基礎設施層上構建。

2）平臺即服務（PaaS）：平臺即服務給用戶提供豐富的“中間件資源”，因此PaaS主要針對的用戶是軟件開發人員。

3）軟件即服務（SaaS）：軟件即服務提供已定制化的軟件，用戶可以根據自己的需要使用。

2.2 虛擬化

虛擬化技術是云技術中的一個關鍵技術，它是資源的邏輯表示，不受物理限制的約束。資源可以是各種硬件，如 CPU、內存、網絡設備，也可以是各種軟件環境，如操作系統，如圖3所示。虛擬化的目的是通過虛擬機的方式對云平臺中包括基礎設施、硬件和軟件等各IT資源進行簡化并統一管理[4]。

圖3 虛擬化

目前在云計算中普遍使用 3種虛擬化技術：VMware Infrastructure、Xen、KVM。VMware Infrastructure是一個虛擬數據中心操作系統，它可以把一些分散的硬件資源統一起來并創建共享平臺。其優點有：①通過服務器整合降低IT成本；②減少計劃內和計劃外停機以改進業務連續性；③運行較少的服務器并且動態關閉不使用的服務器。

3 新一代數據中心的設計和特點

3.1 新一代數據中心的設計

眾所周知，數據中心中最重要的無疑是服務器。服務器在業務運營中扮演著非常關鍵的作用。然而，它也是整個數據中心最大的耗能大戶，因此需要對數據中心中的服務器進行整合。而虛擬化技術能夠有效的對服務器進行整合優化。通過服務器虛擬化可以有效減少數據中心中物理服務器的數量，進而減少了采購成本和能源成本。

服務器虛擬化是將一臺物理服務器虛擬成若干個虛擬服務器。簡單的說，服務器虛擬化就是在一個物理服務器上運行多個虛擬服務器，這大大減少了服務器的數量。同時，它還為虛擬服務器提供支持其運行的硬件資源抽象，包括虛擬處理器、虛擬內存、虛擬I/O接口等，如圖4所示。

圖4 服務器虛擬化

處理器虛擬化。處理器虛擬化就是將物理 CPU抽象成虛擬 CPU，一個物理 CPU只可以運行一個虛擬CPU指令，每個虛擬機可以使用一個或多個CPU。經過CPU虛擬化后，虛擬CPU運行時能夠相互隔離，互不影響。

內存虛擬化。內存虛擬化就是將物理內存進行統一的管理，封裝成多個虛擬內存分別供虛擬機使用，每個虛擬機都擁有各自獨立的內存空間。

I/O接口虛擬化。I/O接口虛擬化技術是將物理機的真實設備進行統一管理并封裝成多個虛擬設備以供其他虛擬機使用。I/O接口虛擬化響應每個虛擬機的設備訪問請求，可以屏蔽不同種類的服務器和存儲設備之間的差異。

新一代數據中心是基于云平臺構建，將虛擬化技術運用到數據中心中，形成了新一代云數據中心的設計方案，圖5為設計的基于云計算的數據中心的邏輯架構圖。云數據中心提供了IT資源的統一管理、減少了運維成本、提高了資源共享的利用率、降低了電力消耗、實現了快速響應。

圖5 云數據中心分層設計架構

（1）資源層設計

資源層中有許多服務器，包括數據服務器、認證鑒權服務器、控制處理服務器，以及網關路由等網絡設備。云計算技術將所有經過虛擬化抽象之后的服務器、網絡和存儲等資源構成一個資源池，能有效整合服務器資源，解決冗余IT資源的利用率問題。網絡設備包括物理網管、路由器和防火墻，通過高速網絡鏈路連接在一起，以保證虛擬機的可移動性。

（2）虛擬化層設計

這一層能夠集成多種虛擬化技術和操作系統。通過虛擬化技術，應用程序也可以實時、不間斷地在物理服務器之間遷移。

（3）控制層設計

控制層主要提供對虛擬化資源的管理能力以及負載均衡網絡服務能力，使資源層的各種資源能夠靈活、高效的為應用提供服務。控制層的功能主要包括資源調度、負載均衡以及各節點的態勢呈現。

（4）業務層設計

業務層將云計算能力封裝，向用戶提供各種業務。包括以網絡和計算為核心的IaaS，以對各種資源管理控制為核心的PaaS和以協同工作為核心的SaaS。

3.2 新一代數據中心的特點

隨著業務量的不斷增大，傳統的數據中心已出現了高投入、高能耗、高風險、低效率的難題。盡管云數據中心的建設才剛剛起步，但是它的潛力十分巨大，前景也被業界一致看好。目前在建的云計算數據中心已經具備以下特點：①服務器的效率顯著提高，數量明顯減少；②根據業務自動調整資源分配的能力；③完善的災后恢復能力；④統一管理，安全可靠性能大幅提升。

4 結語

云計算的發展勢頭強勁[5-7]，目前已有15%的企業已經開始采用虛擬化技術，25%的數據中心已經著手準備進行資源整合，20%的數據中心開始嘗試采用自動化管理技術。下面總結了新一代數據中心和傳統數據中心之間的性能對比，很明顯的可以看到云數據中心在各方面都具有很大的優勢：傳統數據中心資源利用率低，不能共享服務資源；管理復雜，需要用不同的工具來實現不同的管理；耗電較高，即使負載下降，服務器依然處于電力高載狀態；備份復雜，需要備份用戶個人的數據。而新一代云數據中心資源利用率高，能夠運用虛擬化手段，把服務器資源共享給不同項目；管理簡單，所有管理集成到一個Web界面；耗電大幅降低，而且可將服務器整合，減少硬件，部分服務器可以關閉；備份簡單，備份集成到管理功能里，通過Web界面就可完成。

隨著虛擬化和云計算技術的快速發展，通過云平臺搭建的下一代數據中心必將會被越來越多的采用。利用虛擬化技術解決了當前IT設備數量不斷增加、維護成本不斷提高的困境，建立了較為完善的高可靠性、高可用性、具有災后快速恢復能力的管理機制，實現了對設備的統一管理。我們相信，在不久的將來，云計算平臺將會成為未來數據中心的重要組成部分。

[1] 王鵬.云計算的關鍵技術與應用實例[M]. 北京：人民郵電出版社，2009：5-8.

[2] 王慶波，金涬，何樂，等. 虛擬化與云計算[M]. 北京：電子工業出版社，2010：46-50.

[3] 李昭銳，吳學智，何如龍. 淺析云計算的軍事應用[J].通信技術，2011,44(09)：121-122.

[4] 吳信才.數據中心集成開發平臺[M].北京：電子工業出版社，2010：122-124.

[5] 侯建,帥仁俊,侯文.基于云計算的海量數據存儲模型[J].通信技術，2011,44(05)：163-165.

[6] 張秋江,王澎.云計算的安全問題探討[J]. 信息安全與通信保密，2011(05)：94-95.

[7] 王健偉.云計算環境下網絡安全產品的融合發展之道[J]. 信息安全與通信保密，2011(07)：30-32.