數(shù)據(jù)中心的模型分析與研究

文｜中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)中心工作組 朱利偉

艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 曹 播

數(shù)據(jù)中心是信息系統(tǒng)的中樞和大腦，為信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的應(yīng)用、交換與存儲(chǔ)等核心功能。所以從表現(xiàn)形式上看，數(shù)據(jù)中心是信息革命的集大成者，涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、制冷與空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)與布線(xiàn)、裝飾裝修、信息設(shè)備、軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控與管理等各個(gè)行業(yè)。

因?yàn)閿?shù)據(jù)中心處于信息系統(tǒng)的核心地位，有著龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)組成，所以研究數(shù)據(jù)中心的模型，是數(shù)據(jù)中心研究與建設(shè)、管理與維護(hù)的理論基礎(chǔ)工作之一。

對(duì)數(shù)據(jù)中心的屬性和各個(gè)子系統(tǒng)分析、歸納、總結(jié)后，我們可以將數(shù)據(jù)中心模型分為物理模型、可靠性模型、能效模型、生命周期模型、經(jīng)濟(jì)模型等。

本文希望共享出這些初步的研究成果，能夠吸引更多的專(zhuān)家學(xué)者加入到數(shù)據(jù)中心的模型研究中來(lái)，為我國(guó)數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的理論與模型基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)中心物理模型

隨著全球電信產(chǎn)業(yè)界的融合趨勢(shì)，電話(huà)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、有線(xiàn)電視網(wǎng)趨于融合，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)面臨著負(fù)荷在不斷增大，用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求也趨于多樣化的趨勢(shì)，如圖1所示。

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，人們的信息傳遞過(guò)程可簡(jiǎn)化為如圖2所示。

圖1 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的里程碑，通信與信息網(wǎng)絡(luò)融合

圖2 傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)信息傳遞過(guò)程

到了21世紀(jì)初，基于軟交換技術(shù)的 NGN網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng) 運(yùn) 而 生。NGN（Next Generation Network）又稱(chēng)為下一代網(wǎng)絡(luò)，是一種綜合、開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，可以在統(tǒng)一的分組網(wǎng)絡(luò)上融合通信、信息、電子商務(wù)和交易等業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足多樣化、個(gè)性化業(yè)務(wù)需求，在繼承的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與各種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)（PSTN/ISDN、PLMN、IN、Internet）之間的互通，在全網(wǎng)內(nèi)快速提供新的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像融合業(yè)務(wù)，如圖3所示。

第一層為邊緣層。又稱(chēng)為綜合接入層。在上一代通信網(wǎng)絡(luò)中，不同網(wǎng)絡(luò)的接入方式是不同的。固定通信網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)固網(wǎng)）有模塊實(shí)現(xiàn)接入，移動(dòng)通信網(wǎng)采用無(wú)線(xiàn)方式接入。而在NGN網(wǎng)絡(luò)中，固話(huà)、手機(jī)、寬帶、電視等終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入，所以又被稱(chēng)為綜合接入層。

第二層為核心層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的高速傳輸、互聯(lián)互通。通常由城域傳輸網(wǎng)絡(luò)、省域傳輸網(wǎng)、國(guó)家干線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。

第三層為軟交換控制層。NGN的核心或本質(zhì)不同在于采用軟交換方式，大大簡(jiǎn)化了通信、信息的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并支持業(yè)務(wù)的無(wú)限拓展。

第四層為業(yè)務(wù)層。所謂業(yè)務(wù)（business），即服務(wù)和數(shù)據(jù)、信息應(yīng)用等通稱(chēng)。業(yè)務(wù)層表現(xiàn)形式為各種形式的數(shù)據(jù)中心、信息中心、控制中心等。顯然，在NGN網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)層才是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的大腦、中樞和價(jià)值中心。

圖3 下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）的網(wǎng)絡(luò)模型

新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，業(yè)務(wù)層就是數(shù)據(jù)中心，也決定了數(shù)據(jù)中心是NGN網(wǎng)絡(luò)的大腦、中樞，如圖4所示。

數(shù)據(jù)中心的內(nèi)容涵蓋從站點(diǎn)、基礎(chǔ)架構(gòu)、技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用及數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和IT流程、組織與運(yùn)營(yíng)、企業(yè)與信息化戰(zhàn)略等全方位內(nèi)容，如圖5所示。

2 數(shù)據(jù)中心可靠性模型

數(shù)據(jù)中心是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，大型數(shù)據(jù)中心的每一個(gè)子系統(tǒng)都有對(duì)應(yīng)的可靠性/可用度模型。工程上選用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2所示。

3 數(shù)據(jù)中心能效模型

美國(guó)綠格組織（Green Grid）定義了廣為使用的PUE指標(biāo)，衡量數(shù)據(jù)中心的能效參數(shù)。

能量使用效率PUE：Power Usage Effectiveness；數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施效率DCiE：Data Center Infrastructure Efficiency。

CLF代表在單位功率IT負(fù)載上消耗的制冷用電量，而PLF代表在單位功率 IT負(fù)載上供電系統(tǒng)的損耗，1.0代表IT負(fù)載和自己的比率。這樣，就可通過(guò)一些子指標(biāo)來(lái)定量表征數(shù)據(jù)中心能效模型。

圖5 數(shù)據(jù)中心物理模型

表1 GB 50174-2008對(duì)數(shù)據(jù)中心可靠性/可用性要求

圖6 PUE指標(biāo)曲線(xiàn)

當(dāng)前實(shí)踐中，數(shù)據(jù)中心多采用風(fēng)冷型機(jī)房空調(diào)制冷，在節(jié)能措施到位下，最低可達(dá)到1.65，通常為1.8～2.0（夏天工況）。

在我國(guó)北方建設(shè)數(shù)據(jù)中心，可采用水系統(tǒng)制冷方式（或制冷劑泵循環(huán)節(jié)能技術(shù)），可利用北方地區(qū)豐富的冷空氣資源。設(shè)計(jì)與工程優(yōu)良時(shí)，最低可達(dá)1.45～1.60（夏天工況），結(jié)合北方3到6個(gè)月冬天自然冷工況，全年平均PUE最低可達(dá)1.25～1.35左右如圖6所示。國(guó)際PUE最佳實(shí)踐（Best Practice）為1.30，最完美值1.2。

4 數(shù)據(jù)中心生命周期模型

數(shù)據(jù)中心生命周期從5～15年不等，包括需求評(píng)估、規(guī)劃、建設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)施、管理運(yùn)營(yíng)、

優(yōu)化擴(kuò)容等階段，如圖7所示。

表2 TIA 942-2005對(duì)數(shù)據(jù)中心可靠性/可用性要求

5 數(shù)據(jù)中心經(jīng)濟(jì)模型

經(jīng)濟(jì)模型是衡量數(shù)據(jù)中心成本或收入成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的模型，分為T(mén)CO模型與ROI模型。

（1）成本項(xiàng)目范圍

◆ 投資成本（Capital Expense，簡(jiǎn)稱(chēng)CAPEX）

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本是一筆十分可觀(guān)的支出。這包括設(shè)備的成本以及與設(shè)計(jì)和部署設(shè)備相關(guān)的成本。投資成本將以資產(chǎn)折舊與攤銷(xiāo)費(fèi)用計(jì)入項(xiàng)目。

折舊與攤銷(xiāo)費(fèi)用：是把資產(chǎn)支出在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)期各年度中進(jìn)行分?jǐn)?，以核算?dāng)年應(yīng)付的所得稅和可以分配的利潤(rùn)。

折舊費(fèi)估算：年折舊額=（固定資產(chǎn)原值一預(yù)計(jì)凈殘值)/折舊年限。

攤銷(xiāo)費(fèi)估算：攤銷(xiāo)費(fèi)是指無(wú)形資產(chǎn)和遞延資產(chǎn)等一次性投入費(fèi)用的分?jǐn)?，其性質(zhì)與固定資產(chǎn)折舊相同。年攤銷(xiāo)費(fèi)=待攤費(fèi)用/有效使用期限。

◆ 運(yùn)營(yíng)成本（Operation Expense，簡(jiǎn)稱(chēng)OPEX）

運(yùn)營(yíng)成本是與維護(hù)業(yè)務(wù)相關(guān)的所有成本。數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)成本，包括能源成本、運(yùn)營(yíng)人員工資福利、培訓(xùn)支出以及維護(hù)和維修成本等。

能源成本：數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器交換機(jī)、機(jī)房空調(diào)等設(shè)備是非常耗能的設(shè)備，其用電負(fù)荷密度遠(yuǎn)高于普通辦公樓與廠(chǎng)房，所以能源成本是數(shù)據(jù)中心成本的主要組成部分之一。

人力成本：數(shù)據(jù)中心工作人員包括信息技術(shù)人員、技術(shù)管理人員等。人員的多少視工程的規(guī)模、信息系統(tǒng)的大小和工作的性質(zhì)而定，成本開(kāi)銷(xiāo)包括工資、獎(jiǎng)金、福利和各種保險(xiǎn)等。

培訓(xùn)費(fèi)：培訓(xùn)包括技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)和使用人員的操作培訓(xùn)，這兩方面都需要經(jīng)費(fèi)。

設(shè)備維護(hù)與更新成本：維護(hù)成本包括計(jì)算機(jī)耗材、機(jī)器維修、配件更換以及購(gòu)買(mǎi)小型工具/軟件的費(fèi)用。

財(cái)務(wù)費(fèi)用：財(cái)務(wù)費(fèi)用是指籌集資金等財(cái)務(wù)活動(dòng)中所發(fā)生的費(fèi)用，包括項(xiàng)目實(shí)施運(yùn)用期間發(fā)生的利息凈支出、銀行手續(xù)費(fèi)以及為籌集資金發(fā)生的其他費(fèi)用。

圖7 數(shù)據(jù)中心的生命周期模型

其他費(fèi)用：主要指管理費(fèi)用，管理費(fèi)用是數(shù)據(jù)中心管理部門(mén)為管理和組織數(shù)據(jù)中心設(shè)施與運(yùn)行發(fā)生的各項(xiàng)費(fèi)用，包括管理部門(mén)人員工資及福利費(fèi)、折舊費(fèi)、修理費(fèi)、辦公費(fèi)、差旅費(fèi)等。

（2）收益項(xiàng)目

數(shù)據(jù)中心運(yùn)行有兩類(lèi)方式，一類(lèi)為商業(yè)型數(shù)據(jù)中心，一類(lèi)為自用型數(shù)據(jù)中心。

◆ 商業(yè)型數(shù)據(jù)中心

根據(jù)市場(chǎng)定價(jià)向用戶(hù)提供服務(wù)，并獲取收益。如用于服務(wù)器托管、主機(jī)租用等用途的數(shù)據(jù)中心；外包類(lèi)的生產(chǎn)型數(shù)據(jù)中心、災(zāi)備數(shù)據(jù)中心等。

托管類(lèi)數(shù)據(jù)中心在中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通等企業(yè)大量存在，也是我國(guó)數(shù)據(jù)中心的主力軍之一。

通常托管類(lèi)數(shù)據(jù)中心按照機(jī)柜數(shù)量、機(jī)柜服務(wù)器臺(tái)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬等收費(fèi)，每個(gè)機(jī)柜每個(gè)月的租用費(fèi)用從數(shù)千元到數(shù)萬(wàn)元不等。

◆ 自用型數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是“信息革命”的集大成者，大大提升了企業(yè)運(yùn)營(yíng)與管理、社會(huì)溝通交流的效率。所以越來(lái)越多的企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)、社會(huì)團(tuán)體建設(shè)數(shù)據(jù)中心，而這些數(shù)據(jù)中心僅僅為自用，不對(duì)外提供業(yè)務(wù)，稱(chēng)為自用型數(shù)據(jù)中心。

最典型的自用型數(shù)據(jù)中心是銀行信息中心、企業(yè)ERP與信息中心、政府（如稅務(wù)海關(guān)等）信息中心等。

自用型數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的效率提升、管理規(guī)范等指標(biāo)為非經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)，無(wú)法用簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)模型進(jìn)行定量分析，只能定性分析，簡(jiǎn)述如下：

效率提升：信息革命及其數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了全人類(lèi)社會(huì)溝通交流、生產(chǎn)生活等效率的巨大提升。以人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的銀行系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信息革命之前都采用手工記賬，為每個(gè)賬戶(hù)提供書(shū)面的資金記錄，顯然這樣的方式，效率低下，成本高昂，處理能力低。而在信息革命之后，所有的資金記錄均在網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交換與處理，轉(zhuǎn)賬匯款將在數(shù)秒鐘內(nèi)完成，并且為銀行資金往來(lái)記錄、處理提供了安全高效平臺(tái)。

管理規(guī)范化：通過(guò)數(shù)據(jù)中心承載，將先進(jìn)的管理理念融合在信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。把最先進(jìn)的管理理念貫徹到整個(gè)企業(yè)，擺脫手工作業(yè)的隨意性和不規(guī)范性，提升企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、服務(wù)等過(guò)程中自動(dòng)化、智能化能力，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)的現(xiàn)代化管理。

（3）經(jīng)濟(jì)分析方法

自用型數(shù)據(jù)中心沒(méi)有收入項(xiàng)目，只能采用TCO方法分析經(jīng)濟(jì)性。商業(yè)型數(shù)據(jù)中心有收益，可采用各類(lèi)ROI（Return of Investment）方法分析經(jīng)濟(jì)性。