日期：2022-07-29
不二师兄
上期我们了解了数据中心模块化能够带来的优点，以及模块化架构的组成要素。本期我们来看模块化架构的定义特性，以及实施单一的还是多重的模块化架构等相关问题。
模块化架构的定义
一个高效的模块化数据中心架构具有以下特性：
定义一系列模块，作为部署数据中心的基础。
定义由相互关联的子系统组成的最具操作性的模块，尽量降低部署复杂度。
包含有定义好的规则、实施方法和组成设备，规定好按数据中心成长计划的模块化部署方式。
经过工程化设计的系统，能最大限度减少部署模块所需的规划、安装、配置和预先调试工作。
提前定义了容量、效率、密度、重量等所部署系统的特性，无需进一步分析。
在权衡简洁性、成本和适当规模之后，确定模块大小或称之为“颗粒度“。
能够出色支撑未来可用性（冗余性）和功率密度相关的升级或变更。
作为一个开放架构，能够支持跨厂商的基础设施产品和设备。
需要重点强调的是，以上提到的模块化数据中心架构不仅包含有设备清单，而且还需要提供大量的系统工程设计与测试项目。虽然可单独为某个数据中心开发和定义模块化架构，但如果行业可定义标准的模块化架构，则模块化架构会更实用、高效。如果数据中心采用已有标准的模块化架构，那么就能大幅节省工程、定义、规划和测试成本（含时间）。随着越来越多的数据中心使用标准架构，整个行业都将降低成本、提高质量。
尽管数据中心容量单元的概念听起来简单，实际上这些单元可部署于多个层次。
举极端的例子：
我们可考虑为每个IT设备部署一个独立数据中心容量单元，或微型独立数据中心；与之相反的极端情况是，完全预制40MWIT容量的数据中心大楼作为一个单元。在定义模块化架构时，仅讨论前面所述的模块化架构三要素，即设备、子系统和模块关联还是不够的；我们还必须强调该模块应用在哪个层次上。为了清晰地描述所讨论的数据中心模块单元，我们定义下列标准的分层结构：
根据这一数据中心定义，可以认为这五个层次中的任何一个都可以由具有一定的IT容量的单元模块配置而成。模块化架构的数据中心由若干可在IT设备、IT机柜、IT模块、IT机房乃至整个数据中心设施层面的模块组成，这些模块具有一定的IT容量（关联的模块化子系统）。可以说模块化应用的例子存在于任何数据中心的每个层面上。上述分层结构使用了传统数据中心的术语，但也可以有效描述非传统的设计方案。比如“设施”这一术语可以用来代表摆放有若干集装箱式数据中心模块开放场地，“机房”这一术语可以代表集装箱或若干互联的集装箱群。
很明显，存在无限多种方式定义模块化数据中心架构。世界上每个数据中心都可认为是某种模块化架构，且可能都是独一无二的但并非是最佳的。因为只有当数据中心的模块化架构实现标准化后，其大部分的重要优势才会显现出来。
基于对上述多种可能性的了解，分析造成数据中心运营人员需要不同模块化架构的问题所在，以及思考是否有可能通过少量标准化架构来满足大多数需求，既而可以定义一种描述模块化数据中心的标准方法，为如何更好地根据实际需求应用模块化提供基本指导准则。
实施单一的还是多重的模块化架构?
理想状态下，一个完美模块化数据中心架构应该适用于所有应用环境。但是，数据中心运营人员的需求千差万别，催生了对不同架构的需求，这其中包括：
01
实际存在的数据中心规模差异
02
成长计划差异
03
可用性要求差异
04
用户偏好和场地限制差异
因此任何可能推荐的模块化数据中心架构都必须满足这些事实。在介绍具体的模块化架构前，将首先阐述上面四种需求对架构产生的影响。
数据中心规模对模块化架构的影响
数据中心容量以瓦特（Watt）为单位，它对数据中心模块化方式有重大影响。为便于理解，这里以分支机构的小机房、小型数据中心和大型数据中心为例，请参见表2。
表2 数据中心规模对模块化各层数量的影响
数据中心的运营人员对成长计划中部署IT设备的规模有着完全不同的想法，如表3所示。
表3 不同规模数据中心的典型IT部署
这表明，对于不同规模的数据中心来说，最有效的物理基础设施模块化方法是非常不同的。按IT机柜部署是适合小型机房的模块化部署方式，按IT区域部署可能才是小型数据中心最佳地模块化部署方式，按IT机房部署方式则最适用于大型数据中心。
设计理念：为支持不同规模的数据中心，至少有三种完全不同的模块化架构。这些架构是采用以机柜、区域或机房为基础模块的部署方式。
成长计划差异对模块化架构的影响
一些数据中心预先就确定了稳定的IT负载，负载在数据中心的整个生命周期内都保持不变。相反有一些数据中心可能制订了一个长期、缓慢的IT负载扩容计划，对于负载的最终规模相当不确定。
在负载稳定的数据中心，前期一次性建设基础设施是必须的，不会造成任何损失。这种情况下，模块化架构的可扩展优势无从体现。但模块化设计的其它优势仍很明显，极具吸引力，如工程量减少、因使用验证过的设计而获得的质量提升，以及交付周期缩短等。当IT负载固定且明确定义，模块化架构倾向于采用较大模块，并且各子系统宜采用集中式控制。
但是，如果数据中心的负载增长缓慢或者成长计划不确定，可扩展性的优势就在设计中占主要地位。这种情况下，前期一次性部署基础设施就有可能会遭受巨大的潜在损失：大笔投资购置的设备闲置或使用率低下，这些无法提供价值的资产却还需要维护开支，而且过度配置造成不必要的能源浪费，甚至数据中心设施有可能在生命周期中途被弃用而使高额投资付诸东流的现象。此时，数据中心基础设施的按需扩容能力，会对数据中心的TCO，乃至投资回报有极大影响。对于这些数据中心而言，尽量精简前期部署，最大程度地实现子系统模块化的数据中心架构是最好的选择。
设计理念：稳定、可预测负载的数据中心将受益于模块体量较大的集中式基础设施的模块化架构，通常在前期就一次性部署完毕。而未来负载不确定且具有长期扩容计划的数据中心，则适合采用基础设施分散、模块体量较小的模块化架构。它们的要求不同，从而采用的架构方法也不尽相同。
可用性要求对模块化架构的影响
许多数据中心设计都包括一定程度的冗余，以便实现容错或并行维护。冗余意味着子系统由多个组件组成，其中部分组件为冗余组件。因此，所有具备冗余的数据中心都必须有一定的模块化方法。在传统数据中心设计中，分析和预测整个数据中心生命周期内冗余系统的性能是非常复杂的。这也是传统数据中心普遍在前期完成全面构建的原因之一。
高效的模块化数据中心架构必须明确地说明，在确保数据中心所需冗余的同时如何部署IT容量模块。在数据中心扩展的同时，此冗余也须保持不变。在理想状态下，模块化数据中心架构应能为数据中心的不同部分提供不同水平的冗余性，以便最为经济高效地满足不同的IT需求。
数据中心实现冗余的方式多种多样。经常被提及的冗余级别有很多，如N+1、2N或双系统冗余，但这些说法并不完整，因为实现各冗余级别的方法也千差万别，以N+1 UPS系统为例，冗余可在UPS设备中实施，可通过并联UPS设备实施，通过分布式冗余或“环型”架构实现，也可通过采用静态转换开关的“热备份”设计实现。如此多种类的实施方法造就了不同的架构和不同的模块化途径。
高效的模块化架构根据冗余目标，来优化模块的大小。例如在N+1架构中，较小的模块能够缩小“+1”冗余模块，降低成本、提高效率，但模块规模小意味着部署的模块数量较多，有可能增加复杂性。
设计理念：数据中心模块化架构受冗余要求的影响很大，既要成本低廉，又要支持高度可靠的数据中心应用，光依赖单一模块化架构是不切实际的。
可用性架构的另一关键要素是，通过使子系统中的设备相互隔离，来进行故障分区。模块化数据中心架构能够将包括譬如冷水机组等大量设备汇总到单一总线，或不采用并联方式独立分配到不同模块或机房。并联的优势在于允许将另一额外设备添加到总线，实现N+1冗余，因为此冗余设备可为总线上任一出现故障的设备作备份。
总线并联有一个关键问题，即总线必须针对每种可行配置单独设计和分析。采用并联冷水机组的冷水机组管线系统必须针对冷水机组的所有组合，对管线进行分析，而且在前期就必须根据最大配置来确定容量。当UPS并联连接到大型配电总线，布线和开关柜方面也面临类似问题。将设备并联到大型总线的作法所带来的严重不利影响，会抵消掉很多模块化的优势。而如果采取按IT区域或机房配备主要设备的作法，则可解决上述复杂问题。
当子系统中的设备相互独立，没有公共总线时，整个总线基础设施可提前定义，帮助实现预生产。在部署新数据中心容量单元时，不会干扰现有供电和制冷总线，但是每个独立设备必须需要提供冗余。设备层的冗余会造成大量成本支出，高昂的成本是这种方法一直未能在高可用性数据中心使用的原因。为解决此问题，支持设备模块化的新型设备已经面世，这些设备一般内置N+1冗余，而成本仅相当于甚或低于传统的并联总线方法。图2所示内置N+1模块化的设备，它们非常适用于大规模模块化部署。
图2 通过内部 N+1 模块化冗余，实现容错的关键子系统示例
设计理念：模块化架构中不同的供电和制冷总线并联方法，是区分不同设计方案的要素之一。总线间相互独立（并联程度最低）的系统，可扩展性最高、最为灵活且最易于维护，无需停机就能升级。但是采用这种方式，如需经济高效地支持冗余性，则通常要求UPS和冷水机组等设备具备冗余（设备采用内置N+1架构）。
用户偏好和场地限制对模块化架构的影响
理想情况下，应先选择一个标准数据中心架构，然后再建造数据中心大楼来部署架构中的模块。虽然这是最优做法，但多数不具可行性。大多数的数据中心项目中，数据中心使用已建成的楼宇设施。因此会面临来自各方面的限制，包括IT设施物理空间、现有中央空调或通风系统、现有市电接入、IT机房净高或是部分数据中心已有电源和制冷设备等。为适用于此类环境，模块化架构必须能够通过一定的途径来克服这些限制。
此外，数据中心运营人员的偏好也会对设计产生影响。例如各种需求包括：数据中心需要供访客频繁进出、隔离某些IT设备组，或是某些布线方式可能会影响气流组织或配电。随着时间积累，很多与数据中心设计相关的大量的标准清单可能会被使用，并规定为设计的输入信息。一般来说，标准架构是无法满足这些类型的偏好。
模块化数据中心架构应该在架构范围内具备一定的灵活性可以满足常见的偏好和限制。一些可定制化架构改造措施有可能会削弱或抵消标准模块化架构的部分优势。
设计理念：试图强行让某种架构先入为主，不若评估某些特定的偏好和场地限制，取得所需要的更好、更适合的架构。对于数据中心而言，最常见的限制就是已存在的机房尺寸和形状，而一个可落地的模块化数据中心架构可以想办法配合机房尺寸和形状。
综合考虑以上因素，可以清楚地得出借助多样化的标准化数据中心架构，能够满足大多数数据中心应用的需要，这些标准化数据中心架构的不同之处，主要在于模块大小的增量和冗余特性。采用数十个或数百个不同架构是不必要的。这意味着在不远的将来，会在行业范围内实现标准化数据中心架构。
不二师兄
通过这两期，我们已经了解了模块化能够解决的问题、模块化架构的组成要素、模块化架构的定义，以及是实施单一的还是多重的模块化架构等内容！下期我们来看模块化架构归档方法！下期见啦~
