數據中心發展研究

文/謝榮平 羅偉威

1 數據中心發展歷史

第一代數據中心是傳統的離散數據中心，采用以系統為中心的“煙囪式”結構，物理資源和應用強耦合、資源無共享，一個應用系統對應一套設備，服務器、網絡和存儲等所有資源與單個系統靜態捆綁在一起，形成“系統孤島”，系統部署與管理異常復雜。如圖1所示。

第二代數據中心是虛擬化數據中心，一個中心支持多個應用系統，資源獨立管理。第二代數據中心通過虛擬化技術實現計算、存儲等資源的復用、共享，緩解了第一代數據中心資源獨占問題，但在數據中心內部，不同硬件資源（計算/存儲/網絡）管理、維護分離，建設耗時長，維護技術高。如圖2所示。

第三代數據中心是云數據中心，實現了單中心內的資源統一管理與資源共享。第三代數據中心基于虛擬化技術，將計算、網絡、存儲等基礎設施深度融合，簡化基礎設施的建設和維護，但多中心間資源無法共享。如圖3所示。

2 數據中心發展現狀

當前，數據中心發展到了第四代，即分布式云數據中心。第三代云數據中心重點是解決單中心內部的管理與資源共享問題，隨著用戶需求的發展，各類企業、政府存在著建立跨地域的分支機構的需求，因此各區域、各區域的數據中心應運而生，如何避免各數據中心之間各自為政成是第四代數據中心需要解決的問題。

第四代數據中心需能夠實現多數據中心之間物理分散、邏輯統一，使各數據中心之間的資源統一管理和調度，以達到整體效率的最優化，能夠整合布于全球的數據中心，使其像一臺大型的服務器一樣對外提供服務。去地域化、自動化、數據中心可定義是第四代數據中心的主要特征。

在現階段，包括VMware、HP、華為等公司均推出了其分布式數據中心解決方案，包括基于網絡技術的進步實現數據中心的分布式建設、基于云計算技術的進步實現中心間的計算/網絡/存儲資源的靈活應用以及基于集中化管理技術的進步實現了跨中心的業務備份、冗余和控制。各公司解決方案主要是基于前期產品的發展和補充，大部分是局限于基礎設施層，實現了第四代數據中心的區地域化和部分自動化能力，而在數據中心可定義能力上面仍有較大的發展空間。

圖1：第一代離散數據中心組成示意圖

圖2：第二代虛擬化數據中心組成示意圖

圖3：第三代云數據中心組成示意圖

在未來，作為第四代分布式數據中心的發展，軟件定義的數據中心將成為業界發展的重點。軟件定義數據中心，在基礎設施層，應對CPU、內存、I/O 等硬件資源進行解耦與重構，讓數據中心計算、存儲、網絡、安全資源的全虛擬化、全自動化成為現實，并注重綠色節能；在平臺服務層，應將傳統平臺軟件通用化、模塊化、積木化，增強平臺軟件“互聯、互通、互操作”、“平滑迭代”等能力，支撐應用系統的按需快速構建；在統一管理方面，應通過軟件定義實現業務感知的按需資源組合與配置。

3 軟件定義數據中心總體結構

軟件定義數據中心以跨中心虛擬化為主要特征，基于更高性能的硬件設備，構建跨多個中心的動態基礎架構，在智能化管理平臺的調度下，為用戶提供屏蔽數據中心區別的云端服務。其主要特征應包括：

3.1 跨中心的動態基礎架構

打通空間壁壘，構建橫跨多個中心的緊密耦合的軟件、計算、存儲、網絡等獨立虛擬資源池，結合共享軟件平臺，支持以“資源積木”的方式構建信息系統，實現更敏捷的資源調配、負載均衡等服務。

3.2 智能化管理平臺

以數據中心操作系統技術為基礎，引入人工智能、大數據分析等技術，構建更為自主數據中心管理平臺，實現使用需求、管理策略、中心資源的智能匹配，支持自動化的編排部署、風險的自動發現與排除。

3.3 安全可靠

包括系統安全和安全防護兩個方面。系統安全層面，基于冗余先進跨中心的動態基礎架構，實現應用系統級的多活，確保數據絕不丟失、服務不間斷；安全防護層面，基于安全基礎設備，將安全與數據中心緊密融合，支持“嵌入式”安全部署，提供標準化、服務化的安全產品，形成從物理設施至頂層應用系統的全方位安全防護體系。

3.4 高性能

充分吸收最新的硬件技術進步成果，基于資源松耦合的數據中心硬件平臺架構，吸收利用并行計算、分布式存儲、硅光互連、量子通信等技術，打造支持靈活部署的高性能數據中心硬件資源。

3.5 綠色節能

將軟件平臺技術與綠色科技結合，通過精確制冷、低能耗設備、系統遷移、動態開關機等技術，進一步降低數據中心整體PUE。

軟件定義數據中心整體架構如圖4所示。

4 軟件定義數據中心組成

4.1 基礎設施層（IaaS）

構建以軟件定義計算、軟件定義存儲、軟件定義網絡以及基礎設施為核心的IaaS 層，其核心特征在于計算、存儲、網絡以及基礎軟件資源可以以軟件定義的“積木”方式構建，在統一基礎設施服務與調度系統的統一管控下，支持跨中心、跨廣域網的資源調度。

4.1.1 軟件定義計算

基于新一代的計算虛擬化技術，將數據中心計算能力顆粒化、池化，打造“計算資源積木”，將多種資源（X86、ARM、GPU 等）以多種形式（虛擬機、容器等）對外提供服務，支持計算資源按需靈活編排，同時應具備更強的系統容災能力。

4.1.2 軟件定義存儲

基于存儲虛擬化技術，將物理存儲設備抽象為虛擬共享存儲資源池，剝離存儲控制面與存儲硬件面，提供從存儲設備至應用系統的端到端的存儲服務，使存儲資源變得更靈活，支持各類存儲設備（集中式、分布式等）、多種形式（塊、文件、對象等），提供存儲編排能力，面向用戶開放定制化的存儲模式、存儲策略、備份策略等按需服務。

4.1.3 軟件定義網絡

基于SDN 技術，將數據中心內部、多數據中心間以及主干網絡統一整合，支持廣范圍細粒度網絡統一調度。軟件定義網絡將控制面與轉發面分離，實現網絡虛擬化，支持用戶自定義網絡拓撲、邏輯網路間數據強隔離；將交換與數據處理結合，支持網絡功能（防火墻等）的動態插入；基于業務和應用驅動的網絡優化管理，增強對軟件定義計算（計算虛擬化網絡特性）、軟件定義存儲（存儲融合網絡）的支撐能力；具備網絡編排能力，提供端到端的QoS 保障。建成高性能（40GE、100GE）、高安全（抗竊聽、邏輯鏈路強隔離）、高可靠（冗余、分布式網絡）的數據中心基礎網系。

4.1.4 基礎設施

IT 基礎設施方面，以服務器、存儲、網絡等硬件設備為代表，在軟件定義技術的推動下，IT 基礎設施將以開放、通用、標準、低值、靈活為特征，由IaaS 軟件（軟件定義網絡、軟件定義存儲、軟件定義計算）實現資源整合、調度與自動化協同，IT 基礎設施僅扮演執行的角色，因此基于通用熱插拔組件（計算、存儲、網絡等）按照模塊化組合的IT 設施將成為主流，實現更高的性能、密度、集成度和能效比。在機房基礎設施方面，為適應新一代數據中心的發展要求，機房基礎設施除了在防火、防水、防潮、防震、電力、配線、溫濕度、防雷、防靜電、防塵等方面達到國家相關標準要求外，還需要在節能、安全、管理便捷性等方面進一步拓展，在保證安全性的基礎之上，降低中心能耗，構建綠色數據中心，數據中心直流供電系統、節能型智能模塊機柜、電子綜合布線、智能動力環境監控將成為新一代機房基礎設施技術的重點發展方面。

4.2 平臺服務層（PaaS）

平臺服務層將以數據、運行、運維、安全等方面為主要突破口，將傳統平臺軟件通用化、模塊化、積木化，增強平臺服務層橫向以及與應用系統的縱向的“互聯、互通、互操作”能力，支持“軟件資源積木”的形式提供平臺服務，實現平臺軟件的動態編排，滿足上層應用系統使用需求。

4.2.1 數據即服務

基于統一的數據服務，提供豐富數據按需存儲、數據分析挖掘等服務。主要包括數據庫服務、數據服務、大數據分析服務、人工智能服務等方面。數據庫服務將數據庫資源池化，以云數據庫的形式，通過網絡將服務交付給客戶，不同用戶只需提交數據庫需求申請，即可以快速獲得所需的數據庫系統，提高數據庫資源的敏捷交付能力。數據服務屏蔽底層存儲方式、數據庫類型區別，支持對數據的按需清洗、轉換、聚合，將數據資源池化，按權限提供給不同的系統和用戶，實現數據治理和數據管控的標準化，提供更加簡單易用的按需數據服務。大數據分析服務以大數據技術為基本，對底層大數據集群、業務等復雜操作進行封裝，融入算法、模型等要素，提供給用戶簡單易用的通用接口，實現彈性的數據處理。人工智能服務提供機器學習模型的池化管理，實現基于“云”架構的機器學習服務。通過將模型庫資源池化，為租戶提供各種機器學習服務，并支持用戶將自己訓練的模型加入池化的模型庫資源中，為自身和其他用戶提供機器學習服務。

4.2.2 運行即服務

運行即服務是平臺服務的核心，以SOA、微服務為基礎，面向業務系統，提取公共服務需求點，發展服務框架、并行計算服務、服務治理、負載均衡等能力，注重“互聯、互通、互操作”能力，支撐數據中心上層系統的快速構建運行，助力基于云架構的“超級計算機”的構建。

4.2.3 運維即服務

運維即服務將運維服務化，以運維框架、自動部署、應用狀態采集、運行分析等為代表。運維框架為應用系統的研發提供統一的運維框架，支撐應用系統快速集成運維功能，便于統一監控、管理與部署；自動部署實現相關軟件的編排與部署；應用狀態采集提供探針式的應用系統監控工具，支持應用系統自定義狀態數據；運行分析為應用系統提供基礎運行分析方法，支持應用系統自定義分析策略。

4.2.4 安全即服務

安全即服務依托于安全基礎設施，將安全服務化，支持安全服務與應用系統“嵌入式”結合，包括身份認證服務、權限管理服務、數據加密服務、安全傳輸服務等，有效提升數據中心系統的安全性。

4.2.5 專用服務

專用服務以即時通信、視頻服務、GIS 服務、人機交互服務為代表，滿足不同應用場景需求。

4.3 應用系統服務層（SaaS）

圖4：新一代軟件定義數據中心組成結構圖

面向用戶需求，基于統一的IaaS、PaaS平臺，以“資源積木”的方式，打造靈活、精干的應用系統，實現應用系統的快速建設與靈活調整。應用系統服務層面需結合應用需求，其功能可千變萬化，但均基于共性的基礎底層支撐搭建，在實現高靈活性的同時，能夠降低建設成本。

4.4 數據中心操作系統

數據中心操作系統是軟件定義數據中心的核心，在多數據中心之間，以全扁平式、點到點全互聯、統一資源管理的分布式云數據中心架構，將多個不同地域、不同階段、不同規模的數據中心所有資源通過邏輯集中、統一管理、統一呈現、統一運營；在數據中心內部，依托機房動力環境監控、統一基礎設施服務與調度、統一平臺服務與調度，縱向管控IaaS、PaaS、SaaS 層，對物理資源、軟件資源、運行策略統一管理、統一調度，實現全方面的細粒度管控與自動化智能維護。

5 總結

數據中心不僅是服務器、網絡等硬件設備，以及若干基礎軟件的堆砌，而是引用為牽引的體系性工程。經過多輪迭代發展，在具體功能層面，數據中心的能力得到了很大的進步，但是在數據中心體系層面，各大公司受制于市場及成本，更多的是注重于單一層面，對整體發展重視程度不夠。新一代軟件定義數據中心功能復雜，實現難度大，僅靠若干家公司是無法實現的，未來寄希望于開源聯盟的力量實現。本文就新一代軟件定義數據中心體系結構進行了探討，對未來數據中心各個層面的進行了簡單描述，希望能提供些許借鑒意義。