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闲谈云计算与云数据中心的架构与建设

云计算诞生于上世纪九十年代,历经了二十多年的发展,云计算已经从一种技术演变为一种服务,逐渐成为一种公用的资源服务,将云计算与数据中心相结合的云数据中心是对传统数据中心的迭代升级,推进其发展与应用对数据中心产业具有非常重要的影响。下面在茶余饭后的闲暇之余与业界的同行聊聊什么是云计算、云数据中心,云数据中心与传统的数据中心有那些区别和优势,如何建设和管好云数据中心。
  
  1 云计算起源
  
  从第一台UNIVAC-1诞生,正式标志着计算机进入商业应用时代。在历经了70年发展,计算机的设计者和使用者一直致力于计算机自身的处理速度和如何使计算机处理效率最大化。因此出现了两个发展方向:一是不断的提高芯片的速度和在一个计算机中集成更多的处理器(CPU);另一方面就是如何实现多机组合,更好的发挥计算机的最大的效率和冗余容错能力。
  
  应该说IBM是云计算的先驱者,早在上世纪60、70年代,IBM推出了OS/360的VM操作系统,支持“动态寻址”和“虚拟存储”,解决了时间共享问题。此后IBM一直致力于MVS与VM到z/OS,z/VM,z/LINUX的研发,虚拟化成为业界的榜样。
  
  上世纪90年代PC机的诞生,同时X86高端服务器应运而生,处理速度、标准化的架构和快速部署,成为计算机的主流,1998年VMware(威睿公司)成立并首次引入X86的虚拟技术,使多机的组合和并行处理成为可能,逐步取代了小型机。2006年,“云计算”这一术语正式出现在商业领域,Google的CEO在搜索引擎大会上提出云计算,Amazon推出其弹性计算云(EC2)服务。
  
  回顾云计算发展的历程,经历了集群化、虚拟化和云计算三个阶段:
  
  第一阶段集群化时期:是企业IT建设的初步启蒙阶段。在这一阶段中,企业将自己的IT硬件资源进行物理型集中,将分散的资源组合成了规模化的数据中心,为企业统一提供集中式的基础设施服务。
  
  第二阶段虚拟化时期:是企业IT建设的蓬勃发展时期。这一阶段数据中心IT设备飞速扩张,但是随着而来的就是系统建设成本高、开发建设时期长等问题。这一时期,最迫切需要解决的问题就是成本过高、IT运行灵活性较低、资源利用率低下,因此虚拟化技术在这一时期有效的应用。
  
  在虚拟化技术出现之前,软件只能被绑定在静态硬件环境中,而虚拟化则打断了这种软硬件之间的依赖性,因为虚拟化环境可以模拟对硬件的需求,从而使得企业数据中心服务器可以大幅度提升计算效能,缓解了IT设施的能耗与空间利用率的问题。
  
  第三阶段云计算时期:正是我们当今所处的云计算时代。
  
  虽然虚拟化在最大程度上提升了IT设备的利用率,减少设备的投入,节省了数据中心的空间,但还不能解决不断增加的业务对自由变化的需求。此时企业希望IT资源能够弹性扩展、按需服务,因此云计算诞生有效的解决企业的难题。在虚拟化的平台下开发了私有云、公有云和混合云,目前企业是以私有云为主。
  
  云计算成为IT领域最引人瞩目的热点之一,也是当前企业IT建设正在投入或者将要投入的重要领域之一。所以云计算的发展和企业IT建设也是相辅相成地进行着。
  
  2 什么是云数据中心以及与传统数据中心的区别
  
  (1)什么是云数据中心
  
  目前数据中心以云数据中心冠名已成为潮流,实际上以云数据中心冠名的数据中心有两类,一类是该数据中心提供云的服务,另一类只是以目前的潮流而命名。那么什么是云数据中心?
  
  首先无论是上述两类云数据中心,建造时,在数据中心的选址、建造的等级、基础设施(场地、风水冷电)的配套是完全一样的,赋予云数据中心的实质是与运行在数据中心IT系统是否具有资源的虚拟化、构建云计算的架构和提供云服务的能力有关。
  
  云数据中心特征主要包括高度的虚拟化、自动化和绿色节能。利用网络虚拟化、存储虚拟化、服务器虚拟化、应用虚拟化等IT技术,构建一个标准化的、虚拟化的、智能化的平台。虚拟化是指数据中心服务器、网络、存储及应用全面实现虚拟化,用户可以根据自己的需求调整相关的资源,同时在虚拟化的架构下承载和提供公有云或私有云或混合云的服务;自动化是指数据中心的物理服务器、网络、业务流程、客户服务实现了自动化的管理;绿色节能是指云数据中心在设计、建造和运营都符合绿色节能的标准,其PUE值在1.4以下。
  
  (2)云数据中心与传统的数据中心的区别
  
  在设计理念方面,云计算数据中心(或者说新一代数据中心)更加强调与IT系统融合,在满足需求的前提下,实现整个数据中心的最高效率和最低成本;而传统数据中心通常片面强调机房的可靠、安全、高标准,但与IT系统相互割裂,成本高昂。
  
  ①云数据中心和传统数据中心在服务类型上的区别
  
  传统的数据中心大致可以分为托管型服务和用户自主服务两类模式,一类是提供数据中心的基础设施(机房和配套的基础设施),服务器由用户自己进行购买,期间对设备的监控和管理工作也由客户自行完成,数据中心主要提供场地、基础设施和电力供应等服务。另一种模式则是数据中心不仅提供基础设施服务,也向客户提供服务器、存储、IP接入,带宽接入,同时也提供服务器、存储和网络设备的租赁。但是现在走进云计算时代的IT产业,在数据中心托管方面不仅不再需要用户自己提供硬件设备了,而且还提供云架构的服务,用户无需担心任何硬件设备的性能限制问题,极大的提升了硬件设备的计算能力和IT可扩展性以及可操作性。
  
  ②云数据中心和传统数据中心在资源集约化速度和规模上的区别
  
  归根到底,云计算是通过资源集约化实现的动态资源调配。传统数据中心只是在硬件服务器的基础进行有限的整合,远不如云计算那样跨实体服务器,甚至跨数据中心的大规模有效整合。更重要的是,传统数据中心提供的资源难以承受短时间内的快速再分配。
  
  ③云计算和传统数据中心在平台运行效率上的区别
  
  更加灵活的资源应用方式、更高的技术提升,使云服务商拥有集合优势创新资源利用方式,促进整个平台运作效率提升。并且和传统数据中心服务不同,云计算使用户从硬件设备的管理和运维工作中解脱出来,专注内部业务的开发和创新,由云服务商负责云平台本身的稳定。这种责任分担模式使整个平台的运行效率获得提升。
  
  简单地说,云计算是在传统数据中心服务上的延伸和发展,云计算是将多台计算节点连接成一个大型的虚拟资源池来提高计算效率,使资源再分配的效率和规模不受限于单台实体服务器甚至单个数据中心。无论从交付/服务方式、资源分配规模、资源分配速度,还是整个平台的运行效率方面,相比传统数据中心服务,云计算均有着极大提升,这种提升将为各行业的企业和开发者创造更高价值。
  
  ④云数据中心和传统数据中心(IDC)收费模式的区别
  
  传统数据中心一般按照月或者年收费,计费的标准就是机柜数量、带宽流量、用电量这些数据,这些数据是粗放型的,统计不够精确,往往造成很多资源的浪费。而云数据中心就不同,甚至可以按照小时或者分钟收费,而客户使用的就是计算、带宽和存储资源,是按照使用量收费。云数据中心就可以做到按照这样的模式来收费,客户用了多少计算能力和带宽资源,就收多少费用,这个费用可以精确到分钟,为客户节省了开支。目前最典型案例有两种:一是超算中心,按照时间+占用的资源(运算能力+存储+网络)收费;二是金融数据中心(如银联、农信社等)按交易量收费。
  
  3 如何构建云数据中心
  
  如何构建云数据中心,主要包括以下三方面:
  
  (1)虚拟化
  
  云数据中心的关键是:服务器虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。
  
  服务器的虚拟化方面:包括了超算、大型机、小型机和以X86为代表的服务器的虚拟化。在超算方面目前是采用的LINUX操作系统,开发并实现数千个CPU的并发管理;在大型机方面以IBM为代表的MVS操作系统下的Parallel Sysplex+GDPS软件,实现了单机、多机和多地的虚拟化,并实现异地的双活;以UNIX(或IBM的AIX)操作系统为代表的小型机是根据机器自身特征开发了定制化的虚拟软件,如IBM的Powervm,HP的ivm;当前市场主流的X86服务器的虚拟化主要以VMware ESX/ESXi、微软的Hyper-V为主。
  
  存储虚拟化方面:在物理存储系统上增加虚拟层,从而将物理存储虚拟化为逻辑单元,通过存储虚拟化,云数据中心服务商可以将各种存储设备的资源整合到一个大的逻辑存储空间,然后对这个存储空间进行划分,以满足不同用户的需求。
  
  网络虚拟化方面:包括了网络设备、网络安全、网络架构的虚拟化。实现路由器、交换机、HBA、防火墙、IDC/IPS、负载均衡、行为审计等资源的整合,实现FC存储网络和IP网络的虚拟化。云数据中心可以在网络环境与多层应用环境中将非同组的用户实现逻辑隔离,不仅提高数据的安全性,又能降低网络架构和管理的复杂性。
  
  云数据中心在服务器、存储、网络的虚拟化以后,IT的利用率可以从传统数据中心架构的30%提高到60%左右。明显的变化就是减少了IT设备的投入,或者说同等规模(数量)的IT设备能够服务于更多用户。
  
  (2)资源池化
  
  资源池化是将云数据中心的服务器、存储、网络虚拟化后,组成特定的资源池,在这个资源池中解决了不同结构IT设备的规格和容量的差异化,对所组的资源进行逻辑分类、分组,最终将这些资源用标准化的逻辑形式提供给用户。云服务商可以按照硬件的特性,对不同服务等级的资源组进行划分,为不同用户提供按需的服务(如计算能力、存储容量和带宽),资源池化的另一个好处还可实现资源动态调整,最为现实的例子就是电商的双十一、金融的交易高峰时段、高铁的春节和黄金周售票不再有交易堵塞和中断的发生。
  
  (3)自动化
  
  自动化是指对运行在云数据中心内的IT资源都能够按照预定的程序形成处理的过程,能够让数据中心的计算能力、存储空间、网络带宽与链路形成标准化和动态化的统一管理,将各种资源进行整合和调度,实现最大化的服务。但是要对众多的设备和运行在云架构下的应用系统进行统一的管理和调度,靠人工是难以实现的,因此在云数据中心中实施自动化的管理尤为重要。
  
  目前提供云平台服务云数据中心利用基于SOA流程管理工具对数据中心中运行的业务系统中各个任务、IT资源的任务进行编排,通过可编程的工作流程从资源池中解析工作流程和执行逻辑,在IT编排工具的帮助下,系统工程师可以对现有的工作流程进行修改,配置不同的资源,实现预定的工作流程和可执行的任务,有效降低开发人力、物力和成本,达到自动化管理的目的。
  
  4 云数据中心的运维管理
  
  上面论述了云数据中心中IT资源+业务系统云化建设和自动化,实际上在云数据中心中还很大一块是保障IT正常运行的硬件环境的运行,对于一个大型的数据中心的设备中有成千上万台的IT硬件设备,还有众多的配电设备、暖通设备、安防系统、辅助设施等等。这些设施构成了云数据中心运维不可缺少的重要组成部分,因此这部分也是云数据中心运维管理的重点。
  
  云数据中心的云维护平台运用了基于ITIL(Information Technology Infranstructure-Librare,信息技术基础架构库)的管理框架,并建立符合PDCA循环的管理体系,从而实现对数据中心的运维管理进行持续改进。云数据中心采用动态的IT基础架构运维平台,不仅实现基础设施的运行状态的自动监控和运维的流程管理,还可以构建IT资产的数据库、容量(机柜、电力、制冷量、网络带宽等)管理,更有甚者,目前有些大型的数据中心还在云维护平台上开发和实现了成本的管理。
  
  通过构建数据中心基础设施管理云管理系统,使得云数据中心运营商可以充分体现动态的基础结构的架构,实现对基础设施运行全生命周期的管理。这方面即加快了自身信息化的进程,并且探索出一条资源效率高、节能环保、经济效益和人力资源综合治理的现代数据中心的运营之路。
  
  作者简介
  
  杨晓平,毕业于中国人民解放军国防科技大学计算机专业,高级工程师;原中国银行上海数据中心安全处处长/江苏银行资深技术经理。现担任江苏智慧云谷数据中心专家顾问。

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