邊緣數(shù)據(jù)中心安全可靠措施探討

孫麗玫， 孫立峰， 姜宇光

(中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080)

0 引言

隨著5G業(yè)務(wù)的發(fā)展，在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的邊緣計算平臺和邊緣數(shù)據(jù)中心成為必然趨勢。數(shù)據(jù)中心布局正逐步向云-邊分布式數(shù)據(jù)中心架構(gòu)發(fā)展，邊緣數(shù)據(jù)中心與中心云數(shù)據(jù)中心能力相輔相成，長短互補(bǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用、AI算法、管理的協(xié)同?？拷锘驍?shù)據(jù)源頭部署的邊緣數(shù)據(jù)中心將成為滿足5G新業(yè)務(wù)發(fā)展的能力底座。

按照業(yè)務(wù)場景、網(wǎng)絡(luò)時延需求，邊緣數(shù)據(jù)中心通常分布于地市核心層級、區(qū)縣層級、園區(qū)接入層級等層級布局，分布廣泛，機(jī)房形態(tài)多樣。邊緣數(shù)據(jù)中心層級布局見圖1。

圖1 邊緣數(shù)據(jù)中心布局示意圖

通常，區(qū)縣級以下層級部署的邊緣數(shù)據(jù)中心單點規(guī)模小，部署環(huán)境復(fù)雜，可能部署在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房樓、辦公樓宇、倉庫、工廠、園區(qū)、市政空地上，相關(guān)市政條件(如供電、供水等條件)不夠理想，較云數(shù)據(jù)中心，業(yè)務(wù)中斷風(fēng)險相對更大。而部分邊緣數(shù)據(jù)中心涉及實時性業(yè)務(wù)和大量用戶隱私數(shù)據(jù)，安全可靠性要求高。因此，提升邊緣數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施安全可靠性，是邊緣數(shù)據(jù)中心布局規(guī)劃、選址、技術(shù)方案選定必須考慮的首要問題。

本文將從機(jī)電系統(tǒng)方案規(guī)劃設(shè)計角度，對地市核心層級以下的邊緣數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的安防系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)接入等關(guān)鍵措施進(jìn)行探討分析。

1 安防系統(tǒng)

全面系統(tǒng)地設(shè)置邊緣數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的安全防范措施，是保障邊緣數(shù)據(jù)信息安全第一要素。

設(shè)置安防系統(tǒng)，一方面能有效阻止相關(guān)不安全行為或?qū)χ鸬秸饝刈饔?；另一方面，能在第一時間發(fā)出報警信息，通知相關(guān)責(zé)任人及時處理，并監(jiān)控事件發(fā)生全過程。

無人值守的邊緣數(shù)據(jù)中心分布較廣，部分室外數(shù)據(jù)中心環(huán)境惡劣，需要全方面的安防手段，利用綜合布線技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、多媒體應(yīng)用技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等形成完整的安全防范體系。典型的安防系統(tǒng)方案如表1所示。

邊緣數(shù)據(jù)中心安防系統(tǒng)設(shè)置 表1

同時，對于高危地區(qū)的邊緣數(shù)據(jù)中心，還可設(shè)置一些震懾作用的安防設(shè)備，如警笛、告警喇叭、告警燈、語音監(jiān)聽及遠(yuǎn)程對講功能等。

2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)是保障邊緣數(shù)據(jù)中心安全可靠、綠色經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵，因此供電系統(tǒng)配置需考慮安全性、簡潔性與經(jīng)濟(jì)性的問題。

2.1 供電系統(tǒng)的安全性

不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心,邊緣數(shù)據(jù)中心分布的范圍更加廣泛，周邊的電力資源也千差萬別。市電質(zhì)量不良及市電斷電直接影響邊緣數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行。

市電質(zhì)量不良通常包含供電中斷、波形畸變、頻率漂移、電壓偏差過大等情況。供電系統(tǒng)中合理配置不間斷電源系統(tǒng)便可基本解決市電質(zhì)量不良的問題。

市電斷電一般分為計劃停電和偶發(fā)的事故停電。對于計劃停電,可以提前做好應(yīng)對措施，保障邊緣數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行；而對于偶發(fā)的事故停電，供電系統(tǒng)需要設(shè)置合理的后備電源，保障事故停電期間邊緣數(shù)據(jù)中心安全的運(yùn)行。常見的后備電源有發(fā)電機(jī)組、蓄電池組及其他多種能源的輸入(如太陽能、風(fēng)能等)。

2.1.1 采用固定發(fā)電機(jī)組作為后備電源

采用固定發(fā)電機(jī)組作為備用電源時，在燃料充足的情況下，可以應(yīng)對長時間的市電斷電，有效保障邊緣數(shù)據(jù)中心安全可靠運(yùn)行；還可以降低蓄電池的后備保障時間(市電與發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)應(yīng)滿足自動化切換，蓄電池后備保障時間不宜低于15min)。

邊緣數(shù)據(jù)中心設(shè)置在區(qū)縣層級、園區(qū)接入層時，多為二類或三類市電引入，發(fā)生停電的概率較高，在場地條件允許時，宜設(shè)置固定的發(fā)電機(jī)組，此種場景的供電系統(tǒng)可以參照B級或更低級數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.1.2 采用蓄電池組作為后備電源

無法配置固定發(fā)電機(jī)組時，邊緣數(shù)據(jù)中心需合理配置蓄電池組作為后備電源，同時還應(yīng)配置移動發(fā)電機(jī)組作為補(bǔ)充，以應(yīng)對長時間的市電斷電。蓄電池后備時間需提前分析以往市電斷電數(shù)據(jù)，同時考慮運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場的時間。如某地以往市電斷電時長多為2～3h，此時可以考慮按3～4h保障配置蓄電池組；如運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場的時間較長，可適當(dāng)增加蓄電池的保障時間。

2.1.3 采用其他能源輸入作為后備電源

針對不同的節(jié)點，可以考慮多種能源輸入的形式。對于日照充足的地區(qū)，可以考慮采用太陽能發(fā)電作為部分后備電源；對于風(fēng)力資源較充分的地方，可以考慮采用風(fēng)力發(fā)電作為部分后備電源。

2.2 供電系統(tǒng)的簡潔性

邊緣數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)應(yīng)簡潔、便于維護(hù)，雖然各種設(shè)備的供電要求各有不同，但可以考慮供電系統(tǒng)的融合設(shè)計，即在同一站址部署時采用單一制式原則取代多制式共存的方式，如統(tǒng)一采用UPS系統(tǒng)，針對少量的-48V設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，如多能源輸入(圖2)型式，簡單且維護(hù)方便。

圖2 邊緣數(shù)據(jù)中心多能源輸入示意圖

2.3 供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)合理也是邊緣數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)不能忽視的問題。隨著鋰電池的技術(shù)逐步成熟，鋰電池的價格也有大幅下降，綜合對比鐵鋰電池與鉛酸電池，采用能量密度大、循環(huán)壽命長的鋰電池可以節(jié)約建設(shè)成本，應(yīng)對頻繁停電的問題。鉛酸電池與鐵鋰電池的性能對比詳見表2。

鉛酸電池與鐵鋰電池性能對比表 表2

綜上所述，邊緣數(shù)據(jù)中心分布廣泛，業(yè)務(wù)種類繁多，其供電系統(tǒng)需綜合考慮各種因素建設(shè)，保障邊緣數(shù)據(jù)中心可靠、穩(wěn)定、綠色運(yùn)行。

3 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是保障邊緣數(shù)據(jù)中心全年機(jī)房環(huán)境溫度正常的重要系統(tǒng)。因場地條件等限制因素較多，邊緣數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的安全可靠性面臨的問題各不相同。

3.1 空調(diào)設(shè)備冗余備份不足問題

空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備的冗余可為數(shù)據(jù)中心可靠性提供更多保障，減少運(yùn)維工作量。因此，鑒于維護(hù)人員較難快速到達(dá)機(jī)房現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)的情況，邊緣數(shù)據(jù)中心空調(diào)設(shè)備需要冗余備份設(shè)置，至少按照N+1配置，空調(diào)數(shù)量較多時也可以采用N+X(X>1)。

3.2 停電問題

部分邊緣數(shù)據(jù)中心安裝了重要業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，要求基礎(chǔ)設(shè)施可用性高。為避免市電停電后機(jī)房出現(xiàn)宕機(jī)現(xiàn)象，此類邊緣數(shù)據(jù)中心應(yīng)考慮空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)制冷措施。

(1)措施一

配置固定油機(jī)。油機(jī)負(fù)荷在滿足ICT設(shè)備需求時，還應(yīng)考慮空調(diào)系統(tǒng)供電負(fù)荷。

(2)措施二

對于未設(shè)置固定油機(jī)的機(jī)房，可考慮為空調(diào)系統(tǒng)配置后備電池保障連續(xù)供電，且空調(diào)蓄電池后備時間若與ICT設(shè)備蓄電池保障時間相同，可大幅增加蓄電池的布置空間和成本。例如某邊緣數(shù)據(jù)中心ICT負(fù)荷50kW，ICT設(shè)備蓄電池保障時間3h，需要6組48V 600AH鐵鋰電池，占地面積4.86m2；如同時考慮空調(diào)系統(tǒng)蓄電池保障3h，還需要新增電池組3組48V 800AH鐵鋰電池，新增電池面積2.43m2。

(3)措施三

設(shè)置應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào)停機(jī)后通過引入室外低溫空氣進(jìn)行室內(nèi)降溫，除了夏季高溫天氣外，全年大部分時間可以解決連續(xù)供冷問題。此外還可以采用小型相變儲能機(jī)架模塊，作為斷電供冷措施。

綜上，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)能力等多維度確定市電停電后邊緣數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)制冷措施。

3.3 氣流組織混亂問題

邊緣數(shù)據(jù)中心因同時布置ICT設(shè)備、CT設(shè)備(氣流組織一般為左右風(fēng)道)、IT設(shè)備(一般為前后風(fēng)道氣流組織形式)，因此機(jī)房內(nèi)會存在氣流組織混亂現(xiàn)象，易出現(xiàn)局部機(jī)架高溫宕機(jī)的安全隱患。

解決此問題可以采用一定的氣流阻隔技術(shù)，具體措施有傳統(tǒng)的冷熱通道封閉、地板送風(fēng)、列間空調(diào)、背板空調(diào)、精確送風(fēng)等。另外，還可以采用風(fēng)管+末端風(fēng)機(jī)智能化配風(fēng)群控系統(tǒng)，在機(jī)柜不同位置設(shè)置溫度傳感器，系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)，控制風(fēng)機(jī)出風(fēng)風(fēng)量，根據(jù)不同機(jī)柜冷量需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，有效避免出現(xiàn)局部熱點。

列間送風(fēng)冷熱通道封閉示意圖詳見圖3。

圖3 列間送風(fēng)冷熱通道封閉示意圖

3.4 停水問題

目前，蒸發(fā)冷卻的空調(diào)形式正逐步應(yīng)用在IT設(shè)備負(fù)荷200～300kW的室外邊緣數(shù)據(jù)中心，蒸發(fā)冷卻的空調(diào)形式需要可靠的供水。為了解決停水的制冷問題，可以根據(jù)當(dāng)?shù)貞?yīng)急補(bǔ)水保障時間情況，設(shè)置一定容量的蓄水池或水箱。另外，大部分蒸發(fā)冷卻空調(diào)會配置一定比例壓縮機(jī)機(jī)械補(bǔ)冷設(shè)備，實際使用中此部分設(shè)備可以按照100%冷量需求配置，停水時可以完全壓縮機(jī)供冷。

3.5 空調(diào)室外機(jī)夏季熱島問題

空調(diào)室外機(jī)的散熱問題容易被忽視。當(dāng)遇到夏季室外高溫時，空調(diào)散熱不暢，輕則空調(diào)制冷量下降，重則空調(diào)高溫故障停機(jī)，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)中心安全性。

這個問題往往由于室外機(jī)散熱空間狹小導(dǎo)致，因此室外機(jī)可以增加一些導(dǎo)風(fēng)裝置，熱量排散到空曠大氣中，避免室外機(jī)互相短路，如采用集中冷凝器布置到開敞的環(huán)境中。另外，還可利用水霧蒸發(fā)吸熱特性，加裝霧化噴淋裝置，降低局部室外風(fēng)溫，進(jìn)而降低壓縮制冷冷凝壓力，避免高溫報警，如圖4所示。

圖4 空調(diào)室外機(jī)霧化噴淋示意圖

4 可靠網(wǎng)絡(luò)接入

可靠的通信網(wǎng)絡(luò)接入，是邊緣數(shù)據(jù)中心與外界信息通信的重要保障，否則邊緣數(shù)據(jù)中心將成為“信息孤島”。為確保通信網(wǎng)絡(luò)接入的安全、通暢、便捷，應(yīng)合理規(guī)劃和布局?jǐn)?shù)據(jù)中心通信路由。

邊緣數(shù)據(jù)中心可以通過接入可靠的無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)接口，保障邊緣數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接能力。具體的接入方案有“無線網(wǎng)絡(luò)+有線網(wǎng)絡(luò)”“有線網(wǎng)絡(luò)多接口”等。

對于有線網(wǎng)絡(luò)接入，室外通信管道應(yīng)就近與市政通信管道相連接，有條件時可以考慮由兩個方向引入，室外平行敷設(shè)的通信管道需有一定間距。

邊緣數(shù)據(jù)中心通信接入示意圖詳見圖5。

圖5 邊緣數(shù)據(jù)中心通信接入示意圖

5 結(jié)束語