中小型数据中心布线设计要点

文｜辽宁省仪器仪表有限责任公司 杜松明

中国建筑东北设计研究院有限公司 李朝栋

1 前言

企业数据中心是信息化应用的通信枢纽，是数据运算、交换、存储的中心。它结合先进的网络技术和存储技术，承载网络中80%以上的服务请求和数据存储量，为客户业务体系的健康运转提供服务和运行平台。对于不断发展的数据中心来说，更强大的网络连接是不变的需求。数据中心的根本要求是保障网络基础设施能够提供可扩展带宽、冗余业务备份、灵活性、安全性。为保障服务的可靠性，数据中心有必要使用高密度、方便灵活的高品质布线系统。数据中心的设计依据是：

（1）数据中心要把布线系统设计好，首先，要从用户需求、服务器设备布局、网络总体规划、机房日常维护、数据扩充和升级等方面来考虑。 其次，要从数据中心布线系统在布局、通风散热以及其布线系统的安全性、可靠性、带宽性、拓展性、易管理性、先进性等方面考虑。如何合理控制预算，不至于导致过度规划。

（2）数据中心布线要依据《数据中心的电信基础设施标准》（TIA/EIA 942）、《数据中心布线系统的设计与施工技术白皮书》及《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）来设计。

2 数据中心整体规划

2.1 企业信息网络规划

信息网络规划指在一定时期内，对信息网络系统的整体需求计划，包括为实现企业信息化目标所需确定的系统定位、系统规模、系统架构、系统配置。

其中，系统定位决定了数据中心的建设等级；系统规模决定了数据中心的建筑空间；系统架构决定了数据中心的信息路由；系统配置决定了数据中心的场地布局。可见，信息网络规划是数据中心建设的前提和依据。

2.2 现代数据中心机房设计标准

2.2.1 依据《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）

A级：可靠性要求最高。容错型。停运将造成重大经济损失，涉及范围广，极可能演变成严重的社会公共事件/事故。

B级：可靠性要求较高。冗余型。影响局部范围，可能造成较大损失。

C级：可靠性要求一般。基本型。影响范围较小，“个体”可能造成巨额损失。

2.2.2 依据《数据中心的电信基础设施标准》（TIA/EIA 942）

国际正常运行时间协会将数据中心分为四个等级。

4/3级：可靠性要求最高。全冗余/在线维护型。停运将造成重大经济损失，涉及范围广，极可能演变成严重的社会公共事件/事故。可用率：99.995%/99.982%。

2级：可靠性要求较高。基础型冗余。影响局部范围，可能造成较大损失，可用率：99.741%。

1级：可靠性要求一般。基础型非冗余。影响范围较小，“个体”可能造成巨额损失，可用率：99.671%。

上面标准提到的信息系统机房也好、数据中心也罢，归根到底，其传输、存储、运算的都是电子信息。三个级别、四个等级虽无一一对应关系，但根据可靠性来划分的原则是一致的。习惯上，事业单位的数据中心，被称为信息中心，为了与由服务商或运营商兴建，用于向社会机构提供租赁服务的公用数据中心相区别，可将企事业单位自用的数据中心，称为企业数据中心。

2.3 场地与空间设计

企业数据中心按规模由小到大划分为部门级、企业级、互联网数据中心IDC以及主机托管数据中心等。

企业数据中心的场地与空间设计中，机房场地以“设备”为关注与满足对象；而建筑空间以“人”为关注与满足对象。因此，数据中心的场地与空间规划应适合既定空间并符合规划。在满足数据中心工艺要求的前提下，合理地规划设备与人共有的空间，在提供和满足数据中心中系统设备安全、稳定、可靠运行的同时，也要为工作人员创造健康、便捷、舒适的工作环境。

目前受到推崇的设计理念与节能策略是：整体规划确定场地的等级规模和系统构成，空间与平面布局确定场地的分隔和设备的布局。设备主机房采取密闭护围、场地采取大空间少隔断、获得适宜的空间容积（架高、净高、层高）、采取人机区域分离、采用“冷端”与“热端”的气流通道、平衡设备布置等。

2.4 数据中心的建筑空间

根据TIA/EIA 942 规定，数据中心的建筑空间包括（如图1所示）计算机房/主机房、数据中心内的通信室、维护人员办公室、接入室、机电设备机房、运营监管中心、存储及载入室。

图1 典型数据中心建筑空间示意图

3 数据中心布线系统设计

3.1 布线系统的作用及特点

布线系统的设计，首先要了解布线系统在数据中心中的作用。布线系统要为数据中心的关键IT设备提供可靠的连接，需要提供适应网络运营的传输带宽，需要支持网络7×24小时的不间断运行。同时，对安全性、可用性、灵活性和可维护性有着较高的要求。

数据中心布线系统的规划，还要了解数据中心布线系统工程的特点：机房内信息点密集、网络数据传输为主、铜缆光纤类型繁多、传输链路稳定可靠、变更设备连接频繁等。

3.2 布线系统的设计原则

数据中心布线原则：先规划后使用，设立区域划分概念，本机柜内完成跳线跳接，机柜到机柜通过综合布线连接，只有配接区域才可以跨机柜跳线。

数据中心布线设计方案有两种建议：一是两层结构，适用于中大型数据中心布线；二是单层结构，适用于中小型数据中心布线。

3.3 布线系统的线缆形式

数据中心布线系统的线缆有：水平线缆提供设备配线区、水平配线区、区域配线区的水平交叉连接。主干线缆提供总配线区、水平配线区、接入室、电信室之间的主干交叉连接。

推荐采用的布线传输介质：100ohm 4-Pair Cat.6A 双绞线（EA等级以上）；激光优化的50/125μm多模光纤OM3。

3.4 布线系统的拓扑结构

数据中心的三种布线系统的拓扑结构为：

（1）基本型拓扑结构：一个接入室可能有一个电信室、一个总配线区、几个水平配线区、几个设备配线区、可能设有的区域配线区、水平布线及主干布线。基本型拓扑结构较为完整，适合于大多数的企业数据中心。

（2）简化型拓扑结构：将接入室、电信室、总配线区、水平配线区“合并”为一个区域即计算机房的总配线区。

在这种拓扑结构中，只有总配线区、区域配线区、设备配线区以及水平布线。简化型拓扑结构较为简约、器件少，适合于小型的数据中心布线系统。

（3）分布型拓扑结构：适合于大型的数据中心。

3.5 布线结构形式

数据中心布线设计有两种结构形式：一是两层结构，适用于中大型数据中心布线；二是单层结构，适用于中小型数据中心布线。

采用列头柜结构，本列机柜所有铜缆/光缆都汇聚到列头柜的交换机中，再经过列头柜转换出来的多芯光缆汇聚到数据中心的核心交换机去。两层结构更加灵活和科学，不足的是交换设备数量较多，总体成本高。

采用集中配线区域结构，机柜所有铜缆/光缆都汇聚到集中配线区中，通过核心有源交换设备传输数据和连接外部电信光缆。交换设备数量较少，单点故障较少，总体成本较低；不足的是线缆使用较多。

3.6 布线路由

数据中心布线走向也有两种：一种采用上走线方式，即在顶上架设桥架铺设线缆，这种布线要求上面吊顶要维护方便，走线要美观，且要考虑精密空调通风管、强电布线等方面的因素；一种采用抗静电地板下走线方式，这种走线要求抗静电地板下要有30cm以上空间，且走线要考虑精密空调出风管、强电布线等方面的因素。具体采用哪种走线方式应根据数据中心环境要求而定。建议最好是长期固定不动的线缆，比如主干和水平线缆采用架空地板下方走线方式，而跳线采用在机架上方走线方式。

3.7 布线介质

数据中心综合布线优选支持万兆系统的6A类双绞线和OM3光缆，同时考虑服务于下一代网络。外护套建议采用低烟阻燃或CMP型、防鼠咬系列；根据高带宽和高安全性考虑，机房内的光纤系统可采用专为数据中心设计的预连接光缆系统，进行高效管理、快速变更及扩展。无论是能耗还是空间占用率和对散热的影响，光纤都具有较明显的优势，绿色数据中心的布线应该更多地考虑采用光纤布线，因为光纤碳排指标更低。

3.8 数据中心投资控制

（1）数据中心投资费用较高，建设成本平均要15000元/m2，新规范中A级、B级、C级机房的投资差距是相当大的，一定要根据自己企业的性质、数据中心的重要性来定出数据中心建设的级别。

（2）成本是决定数据中心设计与建设的关键因素。任何企业都希望通过尽可能低的成本来支持长期的发展。虽然布线系统的成本约占数据中心总成本的5%，但它却是使用寿命最长的基本要素。通常，布线系统需要具有长达10～15年的生命周期。而与之相对应的是，网络设备通常3～5年就需要进行更换。由此，布线系统的设计必须可以支持2～3代有源设备的更新换代。

（3）传统数据中心在设计的时候，常根据服务器提供的相关参数进行电力配备，但服务器提供的参数值通常是其最高负载情况下的电力消耗，再加上机房、空调、UPS冗余设计，大量机房在设计时就已经过度投资了。也许用户没有注意，这些机房的基础设施一旦投资，即使IT设备的负载不大，它们也都必须全部处于运行状态，有时候这些基础设施的耗电量甚至会超过IT设备的耗电量。

（4）许多IT管理者有意无意地接受购买特定品牌，将独立的硬件设备集成到一起组成数据中心的想法。虽然这种做法没有错，从服务器或者网络设备标准化的角度来讲这种做法可能奏效，但是最终结果应该是作为一个整体来评估的而不是独立的个体。实际上，数据中心效率的高低和是否使用特定品牌、型号的设备是没有太大关系的。应该从一个完整解决方案的角度来衡量数据中心，将整个设计都作为一个集成的整体来考虑。

4 数据中心布线系统设计案例

4.1 规划设计步骤

（1）根据用户需求和信息点规模确定关键设备（计算机设备、服务器设备、网络设备、通信设备、存储设备）的数量与连接方式。

（2）平面区域（接入室、总配线区、水平配线区、区域配线区、设备配线区）的规划设计。

（3）确定布线拓扑结构（基本型拓扑结构、简化型拓扑结构、分布型拓扑结构）确定线缆路由及走线方式（上走线/下走线）。

（4）确定技术等级与应用特性：布线传输介质、频率带宽、主干和水平线缆的技术等级，配套的配线架、模块、跳线等传输特性，屏蔽与否，防火等级等要求。

（5）系统设计与施工图设计：完整的布线系统技术设计；施工图平面设计及配置清单。

4.2 项目概况

中国医科大学附属第一医院门诊综合楼建筑面积为116000m2，裙楼10层，局部4层，地下2层，地上26层。共计1008张床位。几乎每个楼层的功能都不相同。一层为门诊大厅、住院管理大厅、医学科、药局、儿科；2层为放射科、体检中心、快餐厅；3层为内科门诊；4层为内科功能检查、检验；5层外科门诊；6层为妇产科门诊；7层为眼科门诊；8层为中医、口腔门诊；9层为皮肤科门诊及数据中心；10层为检验科；11层为会议中心；12层是办公区域；13～24层为标准内科病房；25、26层为VIP病房——构成了一个设施先进，环境优雅，功能齐的新型医疗中心。大楼内共设置6类信息点7600余个。此综合楼功能复杂、应用内容繁多，有对信息安全及实时性要求高的门诊系统，有对网络传输带宽要求高的PACS，还有视音频同步传输的介入信息等。

4.3 信息点布线方案

根据不同的建筑环境进行综合布线设计。对挂号收费及药房可根据窗口数量进行布点，同时要考虑LED屏和相关的导向系统；对医技部门要根据仪器设备及电脑摆放位置进行布点；对手术室、ICU、急救室等要利用吊臂环境，同时要考虑HIS、PACS以及手术转播的要求；对病区和特诊等区域，要考虑布线系统能支持今后无线数据传输的实施方案。

4.4 数据中心整体规划

系统定位决定了数据中心的建设等级。本项目中，医院有关信息系统（二网一库）综合信息数据库，有内网与外网作逻辑隔离的要求，对各网络和数据库都有信息安全的等级要求，同时，根据医院信息的不可中断性，数据中心的建设等级设定在B级。

系统规模决定了数据中心的建筑空间。经与院方沟通，数据中心的建筑面积被框定在170m2的一个区域内，基本满足现在及将来一段时间内，信息网络系统对场地空间的需求。

系统架构决定了数据中心的信息路由。数据中心需要接入外网和专网租用的电信运营商线路和专有线路，同时，要接入大楼内各楼层接入层交换机的主干数据线路和其他楼群汇聚层交换机的主干数据线路。

系统配置决定了数据中心的场地布局及布线拓扑结构。二网一库所配置的通信设备、网络设备、计算机设备、服务器设备、存储设备，在主机房内将形成主配线区、网络交换区、服务器区、存储器区以及相关的基础设施配套区域等。

确定数据中心采用简化型拓扑结构，布线采用单层结构，路由配合精密空调下送风，采用在机柜顶上网格式桥架走线方式。

确定技术等级与应用特性。本项目中，数据中心的布线系统采用万兆传输等级，布线传输介质为光缆、铜缆，并配置相应等级的布线配套器件。为适应高密度大批量的光纤安装，光缆采用专为数据中心设计的预连接光缆系统。

4.5 综合布线系统架构

从医院建筑群的实际情况出发，系统采用三级架构，即：

第1级信息中心机房——核心层：负责整个医院的信息网络维护运行。

第2级各楼的信息分中心——汇聚层：负责各楼信息的汇聚交换。

第3级各电信间——接入层：将各楼层的信息终端接入网络系统。

本医院的核心层交换设备位于本楼9F主机房内。核心层与汇聚层交换设备之间采用全冗余网状的拓扑结构。数据中心布线采用光纤系统，室外主干光缆采用单模光缆，室内主干光缆采用多模光缆，规划数据传输速率达到1Gbps。汇聚层以下的网络以星型结构向各个楼层区域拓展。

4.6 网络架构

在核心层采用Cisco的高性能的主干路由设备Cisco GSR12012和高性能交换机Catalyst6509，GSR12012与 Catalyst6509之间采用万兆冗余光纤联接。汇聚层采用Cisco的三层交换机Catalyst3650G-L3，与核心层千兆/万兆冗余光纤联接；服务器接入层采用Cisco的3层交换机Cisco3750。核心交换机和汇聚交换机双备份，核心层和汇聚层均有路由功能，实施负载均衡和冗余备份，VLAN尽量终结在本地，以缩小故障区域，整个网络万兆、千兆和百兆相结合。

UPS系 统， 设 置APC公 司2台（SILCON-40kVA）系列UPS主机，单台功率为40kVA，一用一备运行。

主要网络设备采用双电源、双引擎配置，彻底消除单点故障，保证网络可用性高达99.9%。

4.7 设备布局

主机房中的设备布局以网孔机柜、服务器、存储器为主。

主机房中，设置两列800×800（42U）网络配线机柜，每列7只，D列机柜背对C列机柜背布置，形成“冷端”与“热端”的气流通道。机柜用于安置光缆与铜缆配线架、光缆与铜缆主干线缆、路由器、核心交换机、KVM交换机等，成为中心机房中的总配线区。

服务器机房中，设置600×1100服务器及800×800（42U）存储器设备机柜，每列分别为5、6只。B列机柜背对A列机柜背布置，用于安置光缆与铜缆配线架、光缆与铜缆水平线缆、服务器、存储器、交换机、KVM转接器等设备，成为中心机房中的设备配线区。