数据中心的模型分析与研究

文｜中国工程建设标准化协会数据中心工作组 朱利伟

艾默生网络能源有限公司 曹 播

数据中心是信息系统的中枢和大脑，为信息系统提供数据的应用、交换与存储等核心功能。所以从表现形式上看，数据中心是信息革命的集大成者，涵盖建筑、结构、电气、制冷与空调、网络与布线、装饰装修、信息设备、软件与数据库、监控与管理等各个行业。

因为数据中心处于信息系统的核心地位，有着庞大而复杂的系统组成，所以研究数据中心的模型，是数据中心研究与建设、管理与维护的理论基础工作之一。

对数据中心的属性和各个子系统分析、归纳、总结后，我们可以将数据中心模型分为物理模型、可靠性模型、能效模型、生命周期模型、经济模型等。

本文希望共享出这些初步的研究成果，能够吸引更多的专家学者加入到数据中心的模型研究中来，为我国数据中心建设提供坚实的理论与模型基础。

1 数据中心物理模型

随着全球电信产业界的融合趋势，电话网、计算机网、有线电视网趋于融合，传统网络面临着负荷在不断增大，用户的业务需求也趋于多样化的趋势，如图1所示。

传统的通信网络中，人们的信息传递过程可简化为如图2所示。

图1 通信网络发展的里程碑，通信与信息网络融合

图2 传统通信网络信息传递过程

到了21世纪初，基于软交换技术的 NGN网 络 应 运 而 生。NGN（Next Generation Network）又称为下一代网络，是一种综合、开放的网络构架，可以在统一的分组网络上融合通信、信息、电子商务和交易等业务，满足多样化、个性化业务需求，在继承的基础上实现与各种业务网络（PSTN/ISDN、PLMN、IN、Internet）之间的互通，在全网内快速提供新的语音、数据、图像融合业务，如图3所示。

第一层为边缘层。又称为综合接入层。在上一代通信网络中，不同网络的接入方式是不同的。固定通信网（简称固网）有模块实现接入，移动通信网采用无线方式接入。而在NGN网络中，固话、手机、宽带、电视等终端设备，实现统一接入，所以又被称为综合接入层。

第二层为核心层。实现数据、信息的高速传输、互联互通。通常由城域传输网络、省域传输网、国家干线传输网络等构成。

第三层为软交换控制层。NGN的核心或本质不同在于采用软交换方式，大大简化了通信、信息的网络架构，并支持业务的无限拓展。

第四层为业务层。所谓业务（business），即服务和数据、信息应用等通称。业务层表现形式为各种形式的数据中心、信息中心、控制中心等。显然，在NGN网络中，业务层才是网络架构的大脑、中枢和价值中心。

图3 下一代网络（NGN）的网络模型

新的网络架构下，业务层就是数据中心，也决定了数据中心是NGN网络的大脑、中枢，如图4所示。

数据中心的内容涵盖从站点、基础架构、技术与系统架构、应用及数据、业务和IT流程、组织与运营、企业与信息化战略等全方位内容，如图5所示。

2 数据中心可靠性模型

数据中心是一个复杂的系统，大型数据中心的每一个子系统都有对应的可靠性/可用度模型。工程上选用相应标准如表1、表2所示。

3 数据中心能效模型

美国绿格组织（Green Grid）定义了广为使用的PUE指标，衡量数据中心的能效参数。

能量使用效率PUE：Power Usage Effectiveness；数据中心基础设施效率DCiE：Data Center Infrastructure Efficiency。

CLF代表在单位功率IT负载上消耗的制冷用电量，而PLF代表在单位功率 IT负载上供电系统的损耗，1.0代表IT负载和自己的比率。这样，就可通过一些子指标来定量表征数据中心能效模型。

图5 数据中心物理模型

表1 GB 50174-2008对数据中心可靠性/可用性要求

图6 PUE指标曲线

当前实践中，数据中心多采用风冷型机房空调制冷，在节能措施到位下，最低可达到1.65，通常为1.8～2.0（夏天工况）。

在我国北方建设数据中心，可采用水系统制冷方式（或制冷剂泵循环节能技术），可利用北方地区丰富的冷空气资源。设计与工程优良时，最低可达1.45～1.60（夏天工况），结合北方3到6个月冬天自然冷工况，全年平均PUE最低可达1.25～1.35左右如图6所示。国际PUE最佳实践（Best Practice）为1.30，最完美值1.2。

4 数据中心生命周期模型

数据中心生命周期从5～15年不等，包括需求评估、规划、建设、设计实施、管理运营、

优化扩容等阶段，如图7所示。

表2 TIA 942-2005对数据中心可靠性/可用性要求

5 数据中心经济模型

经济模型是衡量数据中心成本或收入成本等经济指标的模型，分为TCO模型与ROI模型。

（1）成本项目范围

◆ 投资成本（Capital Expense，简称CAPEX）

数据中心基础设施的投资成本是一笔十分可观的支出。这包括设备的成本以及与设计和部署设备相关的成本。投资成本将以资产折旧与摊销费用计入项目。

折旧与摊销费用：是把资产支出在生产经营期各年度中进行分摊，以核算当年应付的所得税和可以分配的利润。

折旧费估算：年折旧额=（固定资产原值一预计净残值)/折旧年限。

摊销费估算：摊销费是指无形资产和递延资产等一次性投入费用的分摊，其性质与固定资产折旧相同。年摊销费=待摊费用/有效使用期限。

◆ 运营成本（Operation Expense，简称OPEX）

运营成本是与维护业务相关的所有成本。数据中心基础设施的运营成本，包括能源成本、运营人员工资福利、培训支出以及维护和维修成本等。

能源成本：数据中心的服务器交换机、机房空调等设备是非常耗能的设备，其用电负荷密度远高于普通办公楼与厂房，所以能源成本是数据中心成本的主要组成部分之一。

人力成本：数据中心工作人员包括信息技术人员、技术管理人员等。人员的多少视工程的规模、信息系统的大小和工作的性质而定，成本开销包括工资、奖金、福利和各种保险等。

培训费：培训包括技术人员的专业培训和使用人员的操作培训，这两方面都需要经费。

设备维护与更新成本：维护成本包括计算机耗材、机器维修、配件更换以及购买小型工具/软件的费用。

财务费用：财务费用是指筹集资金等财务活动中所发生的费用，包括项目实施运用期间发生的利息净支出、银行手续费以及为筹集资金发生的其他费用。

图7 数据中心的生命周期模型

其他费用：主要指管理费用，管理费用是数据中心管理部门为管理和组织数据中心设施与运行发生的各项费用，包括管理部门人员工资及福利费、折旧费、修理费、办公费、差旅费等。

（2）收益项目

数据中心运行有两类方式，一类为商业型数据中心，一类为自用型数据中心。

◆ 商业型数据中心

根据市场定价向用户提供服务，并获取收益。如用于服务器托管、主机租用等用途的数据中心；外包类的生产型数据中心、灾备数据中心等。

托管类数据中心在中国电信、中国联通等企业大量存在，也是我国数据中心的主力军之一。

通常托管类数据中心按照机柜数量、机柜服务器台数、网络带宽等收费，每个机柜每个月的租用费用从数千元到数万元不等。

◆ 自用型数据中心

数据中心是“信息革命”的集大成者，大大提升了企业运营与管理、社会沟通交流的效率。所以越来越多的企业、政府机构、社会团体建设数据中心，而这些数据中心仅仅为自用，不对外提供业务，称为自用型数据中心。

最典型的自用型数据中心是银行信息中心、企业ERP与信息中心、政府（如税务海关等）信息中心等。

自用型数据中心带来的效率提升、管理规范等指标为非经济型指标，无法用简单的经济模型进行定量分析，只能定性分析，简述如下：

效率提升：信息革命及其数据中心带来了全人类社会沟通交流、生产生活等效率的巨大提升。以人们日常生活中接触最多的银行系统来说，信息革命之前都采用手工记账，为每个账户提供书面的资金记录，显然这样的方式，效率低下，成本高昂，处理能力低。而在信息革命之后，所有的资金记录均在网络上，通过数据中心进行交换与处理，转账汇款将在数秒钟内完成，并且为银行资金往来记录、处理提供了安全高效平台。

管理规范化：通过数据中心承载，将先进的管理理念融合在信息系统设计之中。把最先进的管理理念贯彻到整个企业，摆脱手工作业的随意性和不规范性，提升企业设计、生产、销售、服务等过程中自动化、智能化能力，真正实现企业的现代化管理。

（3）经济分析方法

自用型数据中心没有收入项目，只能采用TCO方法分析经济性。商业型数据中心有收益，可采用各类ROI（Return of Investment）方法分析经济性。