基于云计算的下一代数据中心设计

项 力， 吴学智， 王 斌

0 引言

近年来，随着IT技术的发展，特别是计算机技术的发展以及互联网技术的兴起，极大地改变了人们的生活方式和工作模式。许多企业以及政府部门开始采用以数据中心为主要运营平台的信息服务模式[1]。然而，随着业务量的快速膨胀，数据中心变得空前的重要和复杂，这对数据中心的管理维护提出了更高的要求。

1 数据中心概述及现状

数据中心是现代信息系统的核心，它通过网络向企业或公众提供信息服务，包括一系列的复杂设施（计算机系统、冗余的数据通信连接、环境控制设备以及各种安全装置）。最早的数据中心出现在20世纪 60年代初，主要是存放大型主机的机房，到20世纪90年代中后期，数据中心进入快速发展期，服务器数量每年都以惊人的速度增加。进入新世纪，随着网上银行、网上证券、网上购物等新的网络业务不断普及，网络用户量不断增加，数据中心也进入到鼎盛发展时期。数据中心在逻辑上包括硬件和软件两部分。硬件是数据中心的基础设施，包括支撑系统和计算机设备；软件是数据中心中安装的程序以及提供的服务。

传统的数据中心通常采取一种奠基式向上支撑的“烟囱式”架构，如图1所示。这种架构使得数据中心的成本居高不下。而且，传统数据中心还存在以下缺陷：按峰值规模建设，资源平均利用率很低；缺乏弹性的系统设计，应对业务突发情况很差；建设周期长，无法快速提供与部署；业务需求的快速增长，设备更替快，不利于投资保护等。基于经济和效率的综合考虑，亟待需要建设新一代的数据中心，而云技术的出现使之成为可能。

图1 传统数据中心逻辑架构

2 云技术

2.1 云计算概述

云计算是近年来 IT行业中刚刚兴起的一门技术。对于云计算，目前业界还没有一个统一的定义，因此这里对云计算作如下综述：首先，云计算并不是一种算法或工具，而是一种资源的整合和提供服务的一种模式。其次，云计算是分布式计算、并行计算的进一步发展，更多体现为一种业务模式的创新。最后，云计算是将大量的计算机进行整合，构成一个统一的IT资源池，利用分布式计算技术、虚拟化技术与基础架构服务相结合，将计算、存储、软件应用服务以租用的方式提供给用户。

目前业界普遍认为，云计算既能按服务类型分类，也可以按照服务方式进行分类。以服务类型为指标，云计算可以分为 3类：基础设施云（Infrastructure Cloud）、平台云（Platform Cloud）、应用云（Application Cloud）；以云计算的提供者和使用者的从属关系也可以将云计算分为3类：公有云(Public Cloud)、私有云(Private Cloud)、混合云(Mixable Cloud)[2]。

云架构通过虚拟化、标准化和自动化的方式整合了云平台中的硬件和软件资源，典型的云架构分为 3个基本层次：基础设施层、平台层、应用层,如图2所示。

图2 典型云架构

而每一层都可为用户提供服务，从而出现了基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务[3]（SaaS）。

1）基础设施即服务（IaaS）：使用者不需要购买维护硬件设施以及相关的软件，可以直接在基础设施层上构建。

2）平台即服务（PaaS）：平台即服务给用户提供丰富的“中间件资源”，因此PaaS主要针对的用户是软件开发人员。

3）软件即服务（SaaS）：软件即服务提供已定制化的软件，用户可以根据自己的需要使用。

2.2 虚拟化

虚拟化技术是云技术中的一个关键技术，它是资源的逻辑表示，不受物理限制的约束。资源可以是各种硬件，如 CPU、内存、网络设备，也可以是各种软件环境，如操作系统，如图3所示。虚拟化的目的是通过虚拟机的方式对云平台中包括基础设施、硬件和软件等各IT资源进行简化并统一管理[4]。

图3 虚拟化

目前在云计算中普遍使用 3种虚拟化技术：VMware Infrastructure、Xen、KVM。VMware Infrastructure是一个虚拟数据中心操作系统，它可以把一些分散的硬件资源统一起来并创建共享平台。其优点有：①通过服务器整合降低IT成本；②减少计划内和计划外停机以改进业务连续性；③运行较少的服务器并且动态关闭不使用的服务器。

3 新一代数据中心的设计和特点

3.1 新一代数据中心的设计

众所周知，数据中心中最重要的无疑是服务器。服务器在业务运营中扮演着非常关键的作用。然而，它也是整个数据中心最大的耗能大户，因此需要对数据中心中的服务器进行整合。而虚拟化技术能够有效的对服务器进行整合优化。通过服务器虚拟化可以有效减少数据中心中物理服务器的数量，进而减少了采购成本和能源成本。

服务器虚拟化是将一台物理服务器虚拟成若干个虚拟服务器。简单的说，服务器虚拟化就是在一个物理服务器上运行多个虚拟服务器，这大大减少了服务器的数量。同时，它还为虚拟服务器提供支持其运行的硬件资源抽象，包括虚拟处理器、虚拟内存、虚拟I/O接口等，如图4所示。

图4 服务器虚拟化

处理器虚拟化。处理器虚拟化就是将物理 CPU抽象成虚拟 CPU，一个物理 CPU只可以运行一个虚拟CPU指令，每个虚拟机可以使用一个或多个CPU。经过CPU虚拟化后，虚拟CPU运行时能够相互隔离，互不影响。

内存虚拟化。内存虚拟化就是将物理内存进行统一的管理，封装成多个虚拟内存分别供虚拟机使用，每个虚拟机都拥有各自独立的内存空间。

I/O接口虚拟化。I/O接口虚拟化技术是将物理机的真实设备进行统一管理并封装成多个虚拟设备以供其他虚拟机使用。I/O接口虚拟化响应每个虚拟机的设备访问请求，可以屏蔽不同种类的服务器和存储设备之间的差异。

新一代数据中心是基于云平台构建，将虚拟化技术运用到数据中心中，形成了新一代云数据中心的设计方案，图5为设计的基于云计算的数据中心的逻辑架构图。云数据中心提供了IT资源的统一管理、减少了运维成本、提高了资源共享的利用率、降低了电力消耗、实现了快速响应。

图5 云数据中心分层设计架构

（1）资源层设计

资源层中有许多服务器，包括数据服务器、认证鉴权服务器、控制处理服务器，以及网关路由等网络设备。云计算技术将所有经过虚拟化抽象之后的服务器、网络和存储等资源构成一个资源池，能有效整合服务器资源，解决冗余IT资源的利用率问题。网络设备包括物理网管、路由器和防火墙，通过高速网络链路连接在一起，以保证虚拟机的可移动性。

（2）虚拟化层设计

这一层能够集成多种虚拟化技术和操作系统。通过虚拟化技术，应用程序也可以实时、不间断地在物理服务器之间迁移。

（3）控制层设计

控制层主要提供对虚拟化资源的管理能力以及负载均衡网络服务能力，使资源层的各种资源能够灵活、高效的为应用提供服务。控制层的功能主要包括资源调度、负载均衡以及各节点的态势呈现。

（4）业务层设计

业务层将云计算能力封装，向用户提供各种业务。包括以网络和计算为核心的IaaS，以对各种资源管理控制为核心的PaaS和以协同工作为核心的SaaS。

3.2 新一代数据中心的特点

随着业务量的不断增大，传统的数据中心已出现了高投入、高能耗、高风险、低效率的难题。尽管云数据中心的建设才刚刚起步，但是它的潜力十分巨大，前景也被业界一致看好。目前在建的云计算数据中心已经具备以下特点：①服务器的效率显著提高，数量明显减少；②根据业务自动调整资源分配的能力；③完善的灾后恢复能力；④统一管理，安全可靠性能大幅提升。

4 结语

云计算的发展势头强劲[5-7]，目前已有15%的企业已经开始采用虚拟化技术，25%的数据中心已经着手准备进行资源整合，20%的数据中心开始尝试采用自动化管理技术。下面总结了新一代数据中心和传统数据中心之间的性能对比，很明显的可以看到云数据中心在各方面都具有很大的优势：传统数据中心资源利用率低，不能共享服务资源；管理复杂，需要用不同的工具来实现不同的管理；耗电较高，即使负载下降，服务器依然处于电力高载状态；备份复杂，需要备份用户个人的数据。而新一代云数据中心资源利用率高，能够运用虚拟化手段，把服务器资源共享给不同项目；管理简单，所有管理集成到一个Web界面；耗电大幅降低，而且可将服务器整合，减少硬件，部分服务器可以关闭；备份简单，备份集成到管理功能里，通过Web界面就可完成。

随着虚拟化和云计算技术的快速发展，通过云平台搭建的下一代数据中心必将会被越来越多的采用。利用虚拟化技术解决了当前IT设备数量不断增加、维护成本不断提高的困境，建立了较为完善的高可靠性、高可用性、具有灾后快速恢复能力的管理机制，实现了对设备的统一管理。我们相信，在不久的将来，云计算平台将会成为未来数据中心的重要组成部分。

[1] 王鹏.云计算的关键技术与应用实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2009：5-8.

[2] 王庆波，金涬，何乐，等. 虚拟化与云计算[M]. 北京：电子工业出版社，2010：46-50.

[3] 李昭锐，吴学智，何如龙. 浅析云计算的军事应用[J].通信技术，2011,44(09)：121-122.

[4] 吴信才.数据中心集成开发平台[M].北京：电子工业出版社，2010：122-124.

[5] 侯建,帅仁俊,侯文.基于云计算的海量数据存储模型[J].通信技术，2011,44(05)：163-165.

[6] 张秋江,王澎.云计算的安全问题探讨[J]. 信息安全与通信保密，2011(05)：94-95.

[7] 王健伟.云计算环境下网络安全产品的融合发展之道[J]. 信息安全与通信保密，2011(07)：30-32.