云计算时代的数据中心建设与发展_余侃

云计算时代的数据中心建设与发展余侃(中国移动建德分公司，浙江建德 311600 )摘要：数据中心是云计算的实现平台，本文首先介绍了数据中心基本情况，结合云计算时代对数据中心建设的需求，对网络架构设计、虚拟化技术、网络融合技术、安全技术及绿色节能技术等关键技术进行了分析和展望，并对当前业界的发展状况进行了总结，有助于未来充分发挥数据中心在云计算时代的重要作用。

关键词：云计算；数据中心；网络结构；融合技术中图分类号：TP393.01 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2011）06-0100-03Abstract：Data center is the realization platform for Cloud computing. This paper introduces the basic situation of the data center, combined with requirements for data center in the era of cloud computing, key technologies are analyzed and outlooked, including network architecture, virtualization, network convergence technology, security technology and green energy technology and so on. The current states of development of the industry are also summarized. This paper helps the design of data centers in the future cloud computing era.Keywords: Cloud computing；data center；network architecture；convergence0 引言数据中心起源于20世纪60年代，发展至今，数据中心先后经历了计算中心、信息中心和服务中心的三个发展阶段。

维基百科给出的定义是“数据中心是一整套复杂的设施。

它不仅仅包括计算机、系统和其它与之配套的设备(例如通信和存储系统),还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。

”目前数据中心在各行业都发挥着至关重要的作用，承载着企业的关键业务，为用户提供及时可靠的视频、数据发掘、高性能计算等服务，如Google数据中心为全球网民提供搜索、视频等服务。

随着云计算的发展，IT资源的应用和共享方式发生了巨大的变化。

云计算是网格计算、并行计算、分布式计算、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物。

它是一种全新的计算方式和资源使用方式，普通用户可以十分方便的接入强大的IT资源并按需部署自己的服务，同时多种全新的业务模式能够得以实现，另外IT资源和服务能够从底层基础设施中抽象出来，这极大增强了资源的共享性和灵活性。

数据中心是云计算的实现平台，云计算时代的数据中心已经从原本的数据存储节点转变为面向服务和应用的IT核心节点。

随着各种数据密集型业务的出现，数据中心已经成为唯一能够支持大规模云计算应用的服务平台（例如Microsoft Azure、Amazon EC2、Google search、Facebook等）。

IBM于2011年3月斥资3800万美元在新加坡建立一座全新的亚太云计算数据中心。

该数据中心主要用于为客户提供IBM的架构即服务（IaaS），支持环境开发与测试活动。

亚马逊宣布于2011年3月在亚洲日本建立新一代云计算数据中心。

同时，为了给云计算提供“无限可能”的资源池，数据中心必须包含更多存储资源、计算资源以及通信带宽。

目前数据中心将包含数万台服务器，例如：目前Google的数据中心服务器数目超过了45000台，微软计划构建的数据中心可容纳的服务器数目高达300000台。

以下将从几方面对数据中心在云计算时代面临的问题、关键技术以及业界的发展动态逐一分析。

1 云计算时代数据中心面临的问题网络架构问题：传统数据中心网络采用三层结构，所需网络设备多，平均时延长。

另一方面，随着存储网络和数据网络的融合，存储流量对时延要求更为严格，三层结构带来的高时延问题需要通过扁平化网络结构来解决；融合性问题：数据网络与存储网络的分离现状阻碍数据中心的发展，如何实现网络的有效融合，对于数据中心发展至关重要；云计算下业务高带宽需求：数据中心将处理视频、数据发掘、高性能计算等高带宽业务，突发流量现象较多，因而要求网络必须保证数据能够高速率传输；虚拟化问题：为了解决当前数据中心设备利用率低的问题，需要采用各种虚拟化技术，从而提高设备利用率；高可用性：随着数据中心规模的扩大，如何保证在链路、设备或是网络故障及人为操作失误时能够实现服务不中断成为日益关注的一个问题；网络扩展或升级时，网络能够正常运行，对网络性能影响不大；安全性问题：数据中心的业务具有高开放性、多业务并存以及不确定的访问来源等特点，因此数据中心往往面临着较多的安全威胁。

当前云计算没有成熟的安全防护技术，如何提高数据中心安全性是一个迫切要解决的问题；低能耗问题：构建及运营数据中心所需的能耗过大，尽快形成绿色节能、高效运行的数据中心势在必行。

因此，构建新一代数据中心刻不容缓，新一代数据中心应能够很好地解决上述问题，为用户提供高带宽、低时延、高效率、安全可靠的服务，保证企业单位及服务提供商构建数据中心的成本低、设备利用率高、数据中心可用性高，实现高效管理。

根据上述需求，基于云计算的新一代数据中心应运而生，将云计算与数据中心有效结合，实现优势互补，充分为现代企业应用服务。

2 新一代数据中心关键技术数据中心在现代生产及生活中持续发挥越来越重要的作用，当前数据中心能够满足云计算提出的新的应用需求，提高服务能力，保证服务的高可靠性、高效率，降低企业单位构建和运营数据中心的成本，实现绿色节能的目标。

以下对影响数据中心部署和运营的关键技术逐一分析，主要包括：网络架构设计、虚拟化技术、网络融合技术、安全技术及绿色节能技术等。

2011 年第 6 期（总第 116 期）信息通信INFORMATION & COMMUNICATIONS2011（Sum. No 116）1002.1 网络架构设计传统树形结构是基于二叉树构建的，采用垂直扩展方式，通过添加更高的层数及更高性能的交换机设备实现扩展。

但该拓扑难以克服传统树形结构的固有缺陷：流量在核心根节点处汇集，出现热点，核心节点容易成为网络性能的瓶颈；网络存在严重过载问题，高层采用高性能、高容量的交换机只能在一定程度上缓解过载，不能从根本上解决过载和热点问题；网络的扩展能力很受限，通过采购高端口密度高性能设备，导致设备开销巨大，不利于构建大规模的数据中心。

因此，基于未来数据中心对拓扑的高带宽、低时延、高可靠性及运营开销低、管理方便等要求，涌现出不少新的拓扑结构，如Fat-Tree、VL2、BCube、DCell等。

Fat-Tree通过在核心交换机处添加“粗”链路，解决热点问题，但扩展能力局限于核心交换机的端口数目；VL2在解决热点问题及扩展能力上具有很好的性能，但仍具有布线复杂的缺点；DCell结构具有很好的扩展性能，能够保证数据中心随着业务拓展及应用动态发展的需求，但是流量分布不均匀，同时扩展粒度多大；BCube结构是基于数据中心集装箱思想而设计的网络拓扑结构，适应于目前主流的“Data Center in a Box”的构建思想，网络性能良好，在也存在扩展粒度过大的问题。

随着数据中心研究的不断深入，业务的不断扩展，现有拓扑在提供高带宽、低时延的网络性能及部署虚拟机方面已经显示出一定的不足，难以保证未来数据中心的发展对于网络设计高带宽、低时延、高可靠性、高灵活性、低能耗的要求。

2.2 网络融合技术当前传统数据中心发展模式已经严重阻碍数据中心的发展，以太网、存储网络及高性能计算网络融合是数据中心网络发展趋势，通过融合可以实现降低成本，降低管理复杂度，提高安全性等优势。

现阶段支持三网融合的关键技术主要有FCoE（光纤以太网通道技术）、DCB（数据中心桥接技术）及TRILL（多链接透明互联）等。

FCoE(Fiber Channel Over Ethernet)以太网光纤通道，通过在以太网上传输FC的数据，从而实现I/O接口整合，减少数据中心的复杂性。

DCB(Data Center Bridging，数据中心桥接)是数据中心内部“三网融合”的关键技术，也被称为 CEE(Convergence Enhanced Ethernet，融合增强型以太网)。

其核心是将以太网发展成为拥有阻塞管理和流量控制功能的低延迟的和不丢弃数据包的传输技术，从而拥有以太网的低成本、可扩展和FC的可靠性。

DCB主要包括以下标准：PFC（Priority Flow Control）优先级流控标准（IEEE802.1Qbb），CN（Congestion Notification）阻塞通知标准（IEEE802.1Qau），ETS（Enhanced Transmision Selection）增强型传输选择标准（IEEE802.1Qaz），SPB最短路径桥标准（IEEE802.1aq）等。

TRILL(多链接透明互联)由IETF 推进，属于2层标准，其核心是为克服生成树协议(STP)在规模上和拓扑重聚方面存在的不足。

TRILL是一个基于最短路径架构路由的多跳标准以太网络协议，主要作用是整合了网桥和路由器的优点，将链路状态路由技术应用在二层，提高对单播和多播在多路径方面(Multi-Pathing)的支持，并降低延迟。

2.3 节能技术当前数据中心运行能耗及制冷能耗开销甚大，给企业增加过大的负担，也不利于资源节约及环境保护，因此新一代的数据中心的一项要求是降低能耗。

在建设数据中心的地点选择上各大公司多数考虑环境温度较低的地点，从而利用到当地适宜的气候用新鲜空气进行冷却。

供电方面，对新一代数据中心的供电可以采用风能、太阳能等清洁可再生能源，减少碳排放，应对全球气候变暖问题。

例如，谷歌在北达科他州的数据中心使用NextEra Energy Resources的风力发电提供能源。

思科推出了EnergyWise技术能够帮助企业获得和判断设备能耗和运行状况，通过可控性网络管理降低处于静态或动态的装置能耗，从而降低网络管理的复杂性；华三通S12500通过智能化的EMS引擎系统，支持对电源的智能管理功能，降低系统能耗2.4 虚拟化技术虚拟化技术是将硬件资源抽象化，经整合之后再分配，以达到资源设备的便捷、高效的使用。