國家圖書館數據中心建設與管理研究

趙立輝

（國家圖書館信息技術部,北京 100000）

近十年來國家高度重視文化發展,國家圖書館也迎來了快速發展的十年,隨著《中華人民共和國公共圖書館法》的頒布,圖書館事業迎來了新紀元。在國圖110年華誕之際,習主席給國圖老專家回信,對國圖寄予很高的期望,提出了更高的要求,為十四五期間國家圖書館發展指明了方向。十年來,國家圖書館堅持正確的政治方向,緊跟科學技術發展,把握好廣大人民群眾最迫切、最普遍、最全面的需求,結合自身歷史定位和發展規律,大力開展數字圖書館建設,依托辦公自動化、數圖推廣工程、專網、移動端服務、直播發布、工程融合、大數據、智慧圖書館等項目,為讀者提供更全面、更精準、更便捷、形式更多樣的全媒體服務。

與此同時,國家圖書館數據中心無論是從面積規模、設備數量、配套設施、先進技術運用、管理制度等軟硬件建設上都呈現出了爆發式增長和跨越式發展的態勢。2009年國家圖書館總館北區數據中心建成投入使用,2013古籍館災備數據中心建成投入使用,2014年總館南區數據中心改造升級完成,2019年總館南區專用數據中心改造升級完成。目前國家圖書館擁有總館南區、總館北區、古籍館災備三處數據中心,總面積為2350m2,各種設備逾千臺,為國家圖書館乃至全國圖書館界眾多網站、平臺、系統、存儲、鏈路、安全、網絡相關設備提供了國家A類數據中心環境,多年來積攢了豐富的數據中心建設與管理經驗。

1 數據中心建設概述

1.1 數據中心定義

數據中心是一種依托特定設備、特定環境的數據集合,為這些數據能夠實現存儲、傳輸、分析、計算的設備集合,以及為所需電子信息設備提供運行環境的場所,可以是一幢建筑物或建筑物的一部分。

國家圖書館擁有海量資源,將這些資源數字化,進而實現實時發布和長期保存是國家圖書館重要職責之一。國家圖書館很早就開展數據中心建設,目前按照“兩地四中心”的標準穩步推進。

1.2 建設數據中心的意義

數據中心的存在對于一個單位、企業或者組織來說重要意義不言而喻,既是大勢所趨又是現實需要。以圖書館界為例,目前人們獲取知識、信息的渠道已經早就不局限于紙質書籍這一單一來源,信息技術不斷發展深刻地影響了人們的生活習慣。各種APP、短視頻、訂閱號、廣告以更加直接、更加精準、更加容易接受的方式充斥在我們周圍。在這樣的背景下,圖書館也必須跟緊時代步伐,以更加開放的姿態擁抱新技術、新業態、新需求,大力發展數字圖書館,依托大數據、智慧圖書館等先進技術滿足人們多樣化的文化和精神需求。建設和利用好更先進、安全、穩定的數據中心,對圖書館未來發展起著基礎性的支撐作用。

近年來,國家圖書館數據中心與全國各地省市圖書館建立專網、虛擬網鏈接,最大限度地實現了資源的標準統一和共建共享。

1.3 數據中心分類

數據中心分類可以參照不同的標準,《數據中心設計規范》GB50174-2017中按照使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟或社會上造成的損失與影響程度將數據中心分為：A、B、C三類,其中A類要求最高。

國家圖書館數據中心在設計和建設中都是按照國家A類標準實施,采用雙路市電接入并配備UPS不間斷供電系統,蓄電池滿額供電兩小時。風冷、水冷兩種方式制冷,并有備機循環啟動。聯通、電信、專線網絡接入,24小時環境監控等都具有一定的冗余容錯能力,按照分類規則屬于中小型國家A類數據中心。

1.4 數據中心區域劃分

數據中心的組成應根據系統運行特點及設備具體要求確定,一般由主機房、輔助區、支持區、行政管理區等功能區組成。

主機房的使用面積應根據電子信息設備的數量、外形尺寸和布置方式確定,并應預留今后業務發展需要的使用面積。輔助區和支持區面積之和一般為主機房面積的1.5～2.5倍。

1.5 數據中心環境要求

《數據中心設計規范》GB50174-2017中對數據中心內不同區域的環境有明確的規定。

（1）溫濕度（見表1）

表1 溫濕度標準

（2）塵埃。主機房的空氣粒子濃度,每立方米空氣中粒徑大于或等于0.5μm的懸浮粒子數應少于1760萬粒。

（3）噪聲。數據中心內,在長期固定工作位置測量的噪聲值應小于60dB（A）。

（4）靜電。主機房內絕緣體的靜電電位應≤1kV。

（5）接地電阻。接地電阻﹤1Ω,零地電位差﹤2V。

2 國家圖書館總館南區數據中心建設方案

該數據中心面積為620m2,層高約3.7m,位于總館南區一層。1987年按照機房標準設計建設,1998年9月進行改造,使用至今。

平面圖如圖1所示。

圖1 原總館南區數據中心布局圖

由于建成時間過長,主要有以下不足：（1）網線都是5類線,對于目前的交換機端口已經不適合。（2）機房內的電源配電已經落后和老化。（3）部分采用互動式小功率UPS電源性能已落后。（4）由于過去的服務器都是臺式機,采用的機柜都是非標準機柜,不適合安裝新的機架式服務器,但又占了較大面積,使機房目前已處于飽和狀態。（5）缺少溫濕度和電力等環境監控。（6）地板下走線的方式嚴重浪費制冷量。（7）地板、墻面、照明等基礎設施需要重新裝修。

基于以上原因決定在原基礎上進行全面升級改造,通過改造使其達到國家A級數據中心的規范要求。

2.1 建設基本原則

此次數據中心改造原則主要體現在以下幾點：（1）整體性原則。數據中心所有系統的設計要根據業務發展需要與設備使用進行整體規劃,統籌考慮,保證整體可用性。（2）可靠性原則。數據中心建成后必須具有高可靠性,保證提供連續不間斷的7×24小時服務,各系統都具有足夠的備份能力。具有完整的安全策略和切實可靠的安全手段保障數據中心運行系統基礎環境的安全。（3）節能、環保原則。數據中心設計及建設要采用切實有效的措施和技術,充分體現節能、環保、減排的要求,建設綠色的數據中心。（4）靈活性及可擴展性原則。各系統應具有可持續發展的能力,應考慮部分設備需分期實施,確保日后可以方便增容。對隱蔽性工程要有足夠的前瞻性,為了保證較長時間內的系統擴容、變更、升級等可能性而預留相應預埋管線和接口。（5）可管理性原則。各系統應具有較強的集中式管理加分布式實施的可管理性邏輯,并且為分布式實施調整提供清晰的管理邏輯。

2.2 建設選址

此次改造升級是在原機房的基礎上進行,但是在實施之前對該區域也進行了評估,滿足作為數據中心的需求：（1）國家圖書館總館南區東南角一層,層高3.7m,滿足承重和層高要求。（2）區域相對獨立,遠離閱覽室、停車場、辦公室、水管道等不會噪音干擾,安全性較高。（3）是聯通、電信、專線網絡的接入點,便于路由規劃。（4）兩側各有一個出口,便于大型設備進出。（5）與地鐵線路的距離大于100m,滿足防震需要。（6）兩路市電接入,滿足供電需求。（7）經濟方面考慮原機房基礎上改造可最大程度節約成本。

2.3 功能區劃分

根據實際情況國家圖書館總館南區數據中心設置有中心機房、專用機房、UPS配電室、空調機房、空調室外機區、電池室、消防鋼瓶間、監控值班室、會議室、拆卸區、儲藏室、參觀走廊等區域,如圖2所示：

圖2 總館南區數據中心機房平面布局圖

2.4 基礎裝修

數據中心基礎裝修要滿足防火、防水、防塵、防靜電、抗干擾、保溫和隔熱、消聲和減振、防鼠蟲害等要求。

（1）地面。項目工程地板采用承重不小于500kg/m2的抗靜電活動地板,尺寸為600mm×600mm,厚度不小于35mm,鋪設高度不小于400mm,地板顏色與墻面裝飾效果相協調,材質為高壓鑄鋁合金,防火性能A級,并留有10套抗靜電活動地板作為備件。（2）吊頂。主機房區域采用600mm×600mm,0.6mm以上鋁合金微孔板吊頂,有較好的吸音及回風效果。吊頂具有一定的承載能力,能夠承受住全部安裝設備的重量,天棚頂面須做防潮、防塵預處理,確保天花板基礎部分不起塵。（3）墻面。主機房立面采用輕鋼龍骨彩鋼石膏復合板裝飾,并填充50mm厚巖棉,保溫、隔熱、隔音,防火性能A級,顏色乳白色。（4）門窗。對外的門采用防火玻璃密閉門及甲級鋼質防火門,使數據中心外面的空氣不能輕易進入,不同功能區域使用不銹鋼玻璃隔斷墻分隔。（5）擋水壩及防水。在空調設備的四周設置高度為100mm高的擋水壩,并對擋水壩內的地面及擋水壩做防水處理。

2.5 設備布局及綜合布線

國家圖書館南區數據中心的中心機房使用面積200m2多,目前共布置38臺標準機柜,采用上走線下送風,冷熱通道設計,利于工作,節約能耗。按照機柜與機柜之間間隔1.5m,采用面對面、背對背方式放置,兩側均有通道。（見圖3、圖4）

圖3 機柜下送風

圖4 機柜上走線

從網絡區匯聚機柜到中心機房每臺布線列頭柜布置1根24芯室內單模光纖、1根24芯室內多模光纖。從中心機房布線列頭柜到各服務器機柜分別布置24根六類非屏蔽雙絞線。監控室每個工位布置4個六類非屏蔽信息點,共計48個。

3 國家圖書館總館南區數據中心各子系統介紹

為了給數據中心一個穩定可靠、安全舒適、綠色環保、設備可控,并具有良好展示能力的環境,需要同時建設相應的各個子系統。主要包括UPS不間斷供電系統,恒溫恒濕空調系統,照明、防雷接地系統,動環監控系統,行為監控與門禁系統,新風、排風系統,大屏顯示系統等。

3.1 UPS不間斷供電系統

供電系統是數據中心最基礎最主要的系統之一,數據中心各種IT設備需要一個穩定的不間斷的電力供應。國家圖書館南區數據中心提供雙路市電接入UPS配電系統。不間斷的供電范圍是：主機房、專用機房一、專用機房二、空調設備及應急照明,其中為IT設備供電和為空調的供電來自不同UPS。UPS系統架構采用2N雙母線冗余方式,并配置提供設備滿載運行兩小時的2V蓄電池組,當UPS故障或檢修時自動切換旁路供電模式,市電出現問題時自動電池供電。

3.2 恒溫恒濕空調系統

國家圖書館南區數據中心采用的是風冷式制冷方式,共分為兩個專用空調分區。主機房、UPS配電室采用機房專用空調,輔助機房區域的監控室采用一套分體空調系統。

根據機房空調冷負荷量,合理地配置機房空調,對機房空調的氣流組織、風道等進行設計,保證空調能較好地發揮作用。對機房空調的給排水系統進行設計,保證該系統供、排流暢,不易出現漏水現象。

3.3 照明、防雷接地系統

數據中心區域照明包括正常照明及疏散指示照明,光源采用高效節能熒光燈或LED照明系統。正常照明標準照度為500lx,照明均勻度不小于0.7。疏散指示照明照度為5lx,除雙電源配電外,每個燈具內還設蓄電池,應急時間不小于30分鐘。數據中心采用三級防雷,配置在不同級別的配電柜端。

3.4 動環監控系統

動環監控系統主要實現對機房溫濕度、配電、UPS、空調、漏水、安防等狀態實時監測、控制并通過3D模型的形式直觀展現出來,同時主要指標可設置預警閾值,一旦異常,立即通過多種形式報警,各項參數記錄可查。

3.5 行為監控、門禁子系統

數據中心行為監控系統包括視頻監控系統和入侵報警系統。視頻監控系統采用基于TCP/IP網絡的數據架構模式,前端攝像機采用720P高清攝像機,對機房出入口和機房內設備通道進行全天候無死角監控。

門禁系統對象為數據中心的防火防盜門及玻璃門。該系統由系統管理軟件、門禁控制器、讀卡器、出門按鈕、電控鎖及運行硬件組成。

3.6 新風、排風系統

新風系統新風量根據數據中心設計規范要求選擇,主機房必須維持一定的正壓,UPS室內由于放置了電池,需要有連續運行的排風系統。

3.7 大屏顯示系統

大屏顯示系統,可根據數據中心具體情況靈活控制。國家圖書館南區數據中心大屏在監控室北墻方向,由4個46英寸的液晶屏2×2排列,無縫拼接構成。其中每個單屏的分辨率不低于1280×1024。可實現多路信號的單屏或多屏顯示。

4 國家圖書館數據中心管理

數據中心管理是數據中心建設完成后在使用過程中如何科學、規范、高效、穩定發揮數據中心價值,延長使用周期,避免各種故障、事故的重要手段,貫穿整個數據中心生命始終。需要專業的人員、先進的技術和完善的制度作為保障。

GB/T51314-2018《數據中心基礎設施運行維護標準》中將數據中心管理定義為運行和維護。主要包括日常巡檢、起停控制、參數設置、狀態監控、優化調節,以及為達到提高可靠性、排除隱患、延長壽命期所進行的預防性維護、預測性維護、維修等工作。

4.1 嚴格制度流程、注重日常管理

數據中心管理相當一部分工作是反復性、經常性的,我們在日常工作中總結了一些管理制度,比如《值班登記表》《日常巡檢情況登記表》《人員進出登記表》《工作申請單》《設備進出申請單》《應急流程圖》《應急預案》等。對每一名進出的人員,每一臺進出的設備都嚴格做好審查、備案,確保有據可查。雖然大部分故障都是在日常巡檢中發現的,但仍然有一部分問題是難以提前發現的,有賴于動環監控系統及時告警,只有對數據中心非常熟悉,工作經驗非常豐富才能夠準確判斷故障癥結所在,迅速做出處理。

4.2 防患于未然,注重規律性問題

管理工作也是有規律可循的,重要時間節點、重要區域、重要零部件需要相應的給予重點關注。比如高溫和嚴寒時的空調壓縮機,柳絮和落葉時節的室外機、濾網,強降雨時節的幾個易漏水點,停電檢修前的UPS和電池,春節、“兩會”重要時期期間的安防等。容易出故障的零部件如空調的皮帶,UPS的電容、控制板,門禁的控制器、大屏、KVM等。抓住了這些規律,有的放矢提前著手就可以有效減少故障幾率。

5 結束語

隨著新基建浪潮的到來,大數據、人工智能、區塊鏈、5G、物聯網等新技術不斷發展,數據中心作為其他各項內容的數字化底座,未來的戰略性基礎資源,將成為新一代信息技術發展的數據中樞和算力載體。未來數據中心必定是向著云數據中心與邊緣數據中心深度融合,智能化、標準化、模塊化、綠色節能程度更高的方向發展。