日期：2022-07-28
不二师兄
本期开始我们来学习模块化数据中心架构的规格。我们将详细说明模块化的意义，并定义用于描述和说明与数据中心物理基础设施（包括空间、电源和制冷等）模块化相关的术语。本系列文章中将采用图解方式介绍模块化架构，并探讨标准化和工业化模块化的可行性。我们将阐述如何才能让数据中心模块化更有效、规范地使用，以及如何应用于不同场景的方法。
简介
模块化被笼统地定义为一种利用较小的子系统构建大型系统的技术，明确定义各子系统之间接口的规则。模块化还具有简单的组件安装或更换方法。理论上，“即插即用”的模块化组件只需进行简单调试就能投入运行。
知名咨询公司高德纳（Gartner）发布的多份报告显示一个趋势，就是“前两代数据中心设计已无法满足当前和未来需求。新数据中心不应该再是静态的结构，而是一个能够随着服务器和存储基础设施改变而不断发展的动态有机体”。有鉴于此，高德纳公司（Gartner）建议新数据中心应“采用灵活的、模块化、虚拟化设计原则”。
主要的数据中心设备供应商和整体解决方案供应商都有在宣传其模块化解决方案的优势。但目前对于“模块化”的定义仍很模糊，它可以应用于UPS这样的单一设备，也能应用于整栋数据中心建筑中。以集装箱式数据中心为例，数据中心本身就可看作是一个模块。
数据中心运营人员面临着大量含混不清的、用于定义模块化的术语，包括区域（pods）、集装箱（container）、集群（clusters）、分区（zones）、机柜行（rows）、机房（rooms）、坞（busses）等。
很明显，数据中心模块化不是指某种特定的理想化设计方案。而是指一种能够衍生出多种不同类型设计的方法。此外，虽然我们说某些数据中心要比其它数据中心“更具模块化”，但并没有阐明数据中心从哪里开始模块化。
选择了模块化方法后，还必须考虑将数据中心按模块化分割的程度，即颗粒度。数据中心的某个子系统是应该由三个模块还是三十个模块组成？模块化的实施会产生一定成本，因此最大限度地全盘模块化并非总是最有效的做法。权威调查咨询机构Tier 1Research最近的分析确信模块化为数据中心带来优势。但同时指出，只有当模块进行工业化和标准化生产，从而降低成本、加快供应链流程时，模块化对整个行业的影响才能最大化。
模块化能够解决的问题
模块化对所有数据中心运营商都具有吸引力，这是因为它能同时解决一系列的问题。几乎所有类型的数据中心，无论规模大小或可用性高低，都能够从模块化中获益。下表列出了一部分模块化设计能够成功解决的问题。
表1 如何通过实施模块化解决数据中心相关问题
值得注意的是，并非当前业内所有模块化概念都能有效提供表1列出的优势。本文所描述的模块化架构的定义和框架是用来解释上表中所描述的问题。
模块化架构的组成要素
为了描述和说明数据中心的模块化，很有必要了解模块化是如何应用的。本系列内容用来描述数据中心模块化架构的三要素为：
设备模块化：设备由模块化组件构成。
子系统模块化：一个功能模块，由多种设备或同样类型模块构成。
模块关联：所部署的各子系统模块之间的关系，同时确定如何实现冗余、容量和功率满足要求并实现可扩展功能。
虽然模块化数据中心的供应商和其他推动者对这三个组成要素都有提及，然而上面提到的第三个要素，即模块关联，是模块化架构开发最不成熟的一个方面，但却是最有潜力提供改善数据中心性能和提升业务的机会。下面分别详细介绍这三个组成要素。
设备模块化
区分数据中心模块化架构和数据中心模块化设备是十分重要的。数据中心内的设备模块化趋势由来已久，包括服务器、存储设备、网络设备和UPS系统。之后，机房空气处理单元和配电系统也开始模块化。设备模块化的优势众所周知，包括便于维护、可重复配置、供货迅速、便于容量扩展、缩短采购周期等。这些模块化设备的使用，是模块化数据中心架构的一个重要组成部分。但是，数据中心使用了模块化设备，并不意味着采用了本系列文章中定义的数据中心模块化的架构。设备模块化举例：如图1所示的模块化UPS和模块化PDU。
图1 设备模块化示例：模块化UPS和模块化PDU
子系统模块化
数据中心的功能模块（或称子系统），如UPS、机房空调和冷水机组等，可以为单个机组，也可以为多个设备（或模块）同时运行分担负荷。例如，通过以下任一设备组合，都能满足1MWUPS需求：
• 1个1MWUPS
• 4个250kWUPS
• 10个100kWUPS
• 1000个1kWUPS
每台UPS设备可以具备“设备模块化”，也可不具备。但UPS子系统模块化与否，是看它是否由多个UPS设备构成。子系统模块化普遍存在于大型数据中心是因为PDU和CRAC等子系统通常都是由多台设备组成的。
容错性、并行维护和可搬运性是推动子系统模块化的三大要素。
01
容错性是指当某个模块发生故障时，子系统仍能运行且不引起负载中断。
02
并行维护是指在不中断负载运行情况下，对其中一个模块进行离线测试或维护。
03
数据中心设施设备中可搬运性突显了模块化的意义，特别是当某个模块小到能够很容易通过客梯搬运、由卡车运输，并能顺利通过门廊、在室内地板上移动时，就更是如此。
这些因素促使数据中心设计从庞大的单一子系统，向由多个模块构成的子系统转变，尤其是当系统在室内部署时。
尽管对数据中心的许多设备类型来说子系统模块化很普遍，但这些子系统使用的很多设备并未实现理想的模块化“即插即用”式的安装。例如，在数据中心添加一个60kW机房空气处理单元，仍需要开展大量的规划、设计、管道铺设、控制编程和试运行工作。为实现子系统“即插即用”，设备供应商仍继续致力于改进产品和简化使用流程。
和设备模块化一样，子系统模块化通常是模块化数据中心设计的重要组成部分，但其本身并不意味着数据中心采用了模块化架构。真正的模块化架构设计必须确定不同子系统间通过何种方式部署在一起。
模块关联
当部署一个IT单元，需要综合考虑物理空间、供电、制冷、网络、消防和照明。因此，数据中心跨子系统的模块关联，是模块化数据中心架构的一个重要概念。
原则上，一整套平衡的、集成了各子系统的模块化数据中心应按具有标准容量单元的方式部署。很明显，这才是模块化数据中心架构。所有相互关联的数据中心子系统都将连接到一个模块，构成微型数据中心。这些已经完成的独立的微型数据中心能够随时在现场部署。这可以称得上是最“纯粹”的模块化数据中心架构。但由于以下原因，这听着很简单的理念，目前还无法付诸实施：
•将每个数据中心模块作为一个独立数据中心管理，还不太现实
•某些子系统在大规模部署时比模块化部署要来得更为经济高效
•在多个模块上部署冗余比在单个模块中部署冗余成本更低、更高效
•单个数据中心模块都拥有独立的电源和制冷容量，会因搁浅容量造成浪费
•模块越小灵活性越高，但发电机和冷水机组等许多设备型号越小，效率就越低
尽管将所有子系统集成为完整独立的数据中心模块是不太现实的作法，但模块化数据中心架构必然存在某种方式对各子系统分组，以便能够合理地、一致性地完成数据中心的部署。模块关联是数据中心架构的一个属性，定义了各子系统之间是如何相互关联的。
举例说明模块关联
先考虑设备机柜和机柜配电条以按最简单的1:1比例部署。其次部署配电柜和机柜，该例中可以定义1个配电柜支持20个机柜。继而继续定义其它关系，如1个发电机支持500个机柜，1个机房空气处理单元支持40个机柜，以及1个数据采集系统支持200个机柜等等。我们将这些部署规则称为各子系统间的模块关联。这些关联可以是简单的部署规则，也可是预先设计和预先生产的滑轨式、集装箱型或“成套”部署。
在传统数据中心确定其总容量的整体设计中，如冷水机组总容量、平面布局、机房空调容量等，各子系统间的关联关系非常含糊。往往不考虑任何模块化架构，一开始就制订完整的设计方案，数据中心通常会按照最大设计参数建设。在数据中心的早期运行阶段，为延缓投资，常常会忽略某些设备。例如，为5个柴油发电机组设计、采用N+1配置的系统，可能部署了适用于5个柴油发电机组的开关柜、基础配套设施和支撑结构，但在开始时仅安装3个柴油发电机组。该例中数据中心发电机组子系统采用了模块化，获得了部分模块化优势，但因为各子系统间不具备任何正式关联，因此并非是模块化数据中心架构。
基于以上定义的设备模块化、子系统模块化和模块关联这三个组成要素，接下来我们就能够定义模块化数据中心架构以及现实中如何实施。
未完待续
不二师兄
本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。下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，下期见啦！
