数据中心发展研究

文/谢荣平 罗伟威

1 数据中心发展历史

第一代数据中心是传统的离散数据中心，采用以系统为中心的“烟囱式”结构，物理资源和应用强耦合、资源无共享，一个应用系统对应一套设备，服务器、网络和存储等所有资源与单个系统静态捆绑在一起，形成“系统孤岛”，系统部署与管理异常复杂。如图1所示。

第二代数据中心是虚拟化数据中心，一个中心支持多个应用系统，资源独立管理。第二代数据中心通过虚拟化技术实现计算、存储等资源的复用、共享，缓解了第一代数据中心资源独占问题，但在数据中心内部，不同硬件资源（计算/存储/网络）管理、维护分离，建设耗时长，维护技术高。如图2所示。

第三代数据中心是云数据中心，实现了单中心内的资源统一管理与资源共享。第三代数据中心基于虚拟化技术，将计算、网络、存储等基础设施深度融合，简化基础设施的建设和维护，但多中心间资源无法共享。如图3所示。

2 数据中心发展现状

当前，数据中心发展到了第四代，即分布式云数据中心。第三代云数据中心重点是解决单中心内部的管理与资源共享问题，随着用户需求的发展，各类企业、政府存在着建立跨地域的分支机构的需求，因此各区域、各区域的数据中心应运而生，如何避免各数据中心之间各自为政成是第四代数据中心需要解决的问题。

第四代数据中心需能够实现多数据中心之间物理分散、逻辑统一，使各数据中心之间的资源统一管理和调度，以达到整体效率的最优化，能够整合布于全球的数据中心，使其像一台大型的服务器一样对外提供服务。去地域化、自动化、数据中心可定义是第四代数据中心的主要特征。

在现阶段，包括VMware、HP、华为等公司均推出了其分布式数据中心解决方案，包括基于网络技术的进步实现数据中心的分布式建设、基于云计算技术的进步实现中心间的计算/网络/存储资源的灵活应用以及基于集中化管理技术的进步实现了跨中心的业务备份、冗余和控制。各公司解决方案主要是基于前期产品的发展和补充，大部分是局限于基础设施层，实现了第四代数据中心的区地域化和部分自动化能力，而在数据中心可定义能力上面仍有较大的发展空间。

图1：第一代离散数据中心组成示意图

图2：第二代虚拟化数据中心组成示意图

图3：第三代云数据中心组成示意图

在未来，作为第四代分布式数据中心的发展，软件定义的数据中心将成为业界发展的重点。软件定义数据中心，在基础设施层，应对CPU、内存、I/O 等硬件资源进行解耦与重构，让数据中心计算、存储、网络、安全资源的全虚拟化、全自动化成为现实，并注重绿色节能；在平台服务层，应将传统平台软件通用化、模块化、积木化，增强平台软件“互联、互通、互操作”、“平滑迭代”等能力，支撑应用系统的按需快速构建；在统一管理方面，应通过软件定义实现业务感知的按需资源组合与配置。

3 软件定义数据中心总体结构

软件定义数据中心以跨中心虚拟化为主要特征，基于更高性能的硬件设备，构建跨多个中心的动态基础架构，在智能化管理平台的调度下，为用户提供屏蔽数据中心区别的云端服务。其主要特征应包括：

3.1 跨中心的动态基础架构

打通空间壁垒，构建横跨多个中心的紧密耦合的软件、计算、存储、网络等独立虚拟资源池，结合共享软件平台，支持以“资源积木”的方式构建信息系统，实现更敏捷的资源调配、负载均衡等服务。

3.2 智能化管理平台

以数据中心操作系统技术为基础，引入人工智能、大数据分析等技术，构建更为自主数据中心管理平台，实现使用需求、管理策略、中心资源的智能匹配，支持自动化的编排部署、风险的自动发现与排除。

3.3 安全可靠

包括系统安全和安全防护两个方面。系统安全层面，基于冗余先进跨中心的动态基础架构，实现应用系统级的多活，确保数据绝不丢失、服务不间断；安全防护层面，基于安全基础设备，将安全与数据中心紧密融合，支持“嵌入式”安全部署，提供标准化、服务化的安全产品，形成从物理设施至顶层应用系统的全方位安全防护体系。

3.4 高性能

充分吸收最新的硬件技术进步成果，基于资源松耦合的数据中心硬件平台架构，吸收利用并行计算、分布式存储、硅光互连、量子通信等技术，打造支持灵活部署的高性能数据中心硬件资源。

3.5 绿色节能

将软件平台技术与绿色科技结合，通过精确制冷、低能耗设备、系统迁移、动态开关机等技术，进一步降低数据中心整体PUE。

软件定义数据中心整体架构如图4所示。

4 软件定义数据中心组成

4.1 基础设施层（IaaS）

构建以软件定义计算、软件定义存储、软件定义网络以及基础设施为核心的IaaS 层，其核心特征在于计算、存储、网络以及基础软件资源可以以软件定义的“积木”方式构建，在统一基础设施服务与调度系统的统一管控下，支持跨中心、跨广域网的资源调度。

4.1.1 软件定义计算

基于新一代的计算虚拟化技术，将数据中心计算能力颗粒化、池化，打造“计算资源积木”，将多种资源（X86、ARM、GPU 等）以多种形式（虚拟机、容器等）对外提供服务，支持计算资源按需灵活编排，同时应具备更强的系统容灾能力。

4.1.2 软件定义存储

基于存储虚拟化技术，将物理存储设备抽象为虚拟共享存储资源池，剥离存储控制面与存储硬件面，提供从存储设备至应用系统的端到端的存储服务，使存储资源变得更灵活，支持各类存储设备（集中式、分布式等）、多种形式（块、文件、对象等），提供存储编排能力，面向用户开放定制化的存储模式、存储策略、备份策略等按需服务。

4.1.3 软件定义网络

基于SDN 技术，将数据中心内部、多数据中心间以及主干网络统一整合，支持广范围细粒度网络统一调度。软件定义网络将控制面与转发面分离，实现网络虚拟化，支持用户自定义网络拓扑、逻辑网路间数据强隔离；将交换与数据处理结合，支持网络功能（防火墙等）的动态插入；基于业务和应用驱动的网络优化管理，增强对软件定义计算（计算虚拟化网络特性）、软件定义存储（存储融合网络）的支撑能力；具备网络编排能力，提供端到端的QoS 保障。建成高性能（40GE、100GE）、高安全（抗窃听、逻辑链路强隔离）、高可靠（冗余、分布式网络）的数据中心基础网系。

4.1.4 基础设施

IT 基础设施方面，以服务器、存储、网络等硬件设备为代表，在软件定义技术的推动下，IT 基础设施将以开放、通用、标准、低值、灵活为特征，由IaaS 软件（软件定义网络、软件定义存储、软件定义计算）实现资源整合、调度与自动化协同，IT 基础设施仅扮演执行的角色，因此基于通用热插拔组件（计算、存储、网络等）按照模块化组合的IT 设施将成为主流，实现更高的性能、密度、集成度和能效比。在机房基础设施方面，为适应新一代数据中心的发展要求，机房基础设施除了在防火、防水、防潮、防震、电力、配线、温湿度、防雷、防静电、防尘等方面达到国家相关标准要求外，还需要在节能、安全、管理便捷性等方面进一步拓展，在保证安全性的基础之上，降低中心能耗，构建绿色数据中心，数据中心直流供电系统、节能型智能模块机柜、电子综合布线、智能动力环境监控将成为新一代机房基础设施技术的重点发展方面。

4.2 平台服务层（PaaS）

平台服务层将以数据、运行、运维、安全等方面为主要突破口，将传统平台软件通用化、模块化、积木化，增强平台服务层横向以及与应用系统的纵向的“互联、互通、互操作”能力，支持“软件资源积木”的形式提供平台服务，实现平台软件的动态编排，满足上层应用系统使用需求。

4.2.1 数据即服务

基于统一的数据服务，提供丰富数据按需存储、数据分析挖掘等服务。主要包括数据库服务、数据服务、大数据分析服务、人工智能服务等方面。数据库服务将数据库资源池化，以云数据库的形式，通过网络将服务交付给客户，不同用户只需提交数据库需求申请，即可以快速获得所需的数据库系统，提高数据库资源的敏捷交付能力。数据服务屏蔽底层存储方式、数据库类型区别，支持对数据的按需清洗、转换、聚合，将数据资源池化，按权限提供给不同的系统和用户，实现数据治理和数据管控的标准化，提供更加简单易用的按需数据服务。大数据分析服务以大数据技术为基本，对底层大数据集群、业务等复杂操作进行封装，融入算法、模型等要素，提供给用户简单易用的通用接口，实现弹性的数据处理。人工智能服务提供机器学习模型的池化管理，实现基于“云”架构的机器学习服务。通过将模型库资源池化，为租户提供各种机器学习服务，并支持用户将自己训练的模型加入池化的模型库资源中，为自身和其他用户提供机器学习服务。

4.2.2 运行即服务

运行即服务是平台服务的核心，以SOA、微服务为基础，面向业务系统，提取公共服务需求点，发展服务框架、并行计算服务、服务治理、负载均衡等能力，注重“互联、互通、互操作”能力，支撑数据中心上层系统的快速构建运行，助力基于云架构的“超级计算机”的构建。

4.2.3 运维即服务

运维即服务将运维服务化，以运维框架、自动部署、应用状态采集、运行分析等为代表。运维框架为应用系统的研发提供统一的运维框架，支撑应用系统快速集成运维功能，便于统一监控、管理与部署；自动部署实现相关软件的编排与部署；应用状态采集提供探针式的应用系统监控工具，支持应用系统自定义状态数据；运行分析为应用系统提供基础运行分析方法，支持应用系统自定义分析策略。

4.2.4 安全即服务

安全即服务依托于安全基础设施，将安全服务化，支持安全服务与应用系统“嵌入式”结合，包括身份认证服务、权限管理服务、数据加密服务、安全传输服务等，有效提升数据中心系统的安全性。

4.2.5 专用服务

专用服务以即时通信、视频服务、GIS 服务、人机交互服务为代表，满足不同应用场景需求。

4.3 应用系统服务层（SaaS）

图4：新一代软件定义数据中心组成结构图

面向用户需求，基于统一的IaaS、PaaS平台，以“资源积木”的方式，打造灵活、精干的应用系统，实现应用系统的快速建设与灵活调整。应用系统服务层面需结合应用需求，其功能可千变万化，但均基于共性的基础底层支撑搭建，在实现高灵活性的同时，能够降低建设成本。

4.4 数据中心操作系统

数据中心操作系统是软件定义数据中心的核心，在多数据中心之间，以全扁平式、点到点全互联、统一资源管理的分布式云数据中心架构，将多个不同地域、不同阶段、不同规模的数据中心所有资源通过逻辑集中、统一管理、统一呈现、统一运营；在数据中心内部，依托机房动力环境监控、统一基础设施服务与调度、统一平台服务与调度，纵向管控IaaS、PaaS、SaaS 层，对物理资源、软件资源、运行策略统一管理、统一调度，实现全方面的细粒度管控与自动化智能维护。

5 总结

数据中心不仅是服务器、网络等硬件设备，以及若干基础软件的堆砌，而是引用为牵引的体系性工程。经过多轮迭代发展，在具体功能层面，数据中心的能力得到了很大的进步，但是在数据中心体系层面，各大公司受制于市场及成本，更多的是注重于单一层面，对整体发展重视程度不够。新一代软件定义数据中心功能复杂，实现难度大，仅靠若干家公司是无法实现的，未来寄希望于开源联盟的力量实现。本文就新一代软件定义数据中心体系结构进行了探讨，对未来数据中心各个层面的进行了简单描述，希望能提供些许借鉴意义。