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中国电信广州研究院唐宏:新一代数据中心"乘云而变"

2013-11-14  来源:中国信息产业网  作者:中国电信股份有限公司广州研究院云计算研究所常务副所长 唐宏

数据中心是云计算生态系统中的重要一环,在云计算模式下,信息的存储、处理、传递等功能均由网络侧完成,实际上均是由数据中心承担了该部分工作。传统数据中心存在资源利用率低、自动化程度低、能耗过高等一系列问题,无法有效承载云计算业务。随着各类云计算业务的应用与推广,对数据中心提出了新的要求。云数据中心率先在Google、Facebook等互联网公司的自有业务中获得成功应用,并成为这些企业的核心竞争力之一,同时亚马逊、微软等业界巨头也正尝试(初期实践)利用云数据中心对公众提供包括IaaS、PaaS和SaaS在内的云计算服务,电信运营商也尝试通过对传统数据中心的云化升级解决传统数据中心的系列问题,使其能更好地承载云计算业务。

云数据中心是指以客户为中心、以服务为导向,基于高效、低能耗的IT与网络基础架构,利用云计算技术,自动化地按需提供各类云计算服务的新一代数据中心。云数据中心是传统数据中心的升级,是新一代数据中心的演进方向。云数据中心具有资源池化、高效智能、面向服务、按需供给、绿色低碳五大特点。通过虚拟化等技术,云数据中心内的IT资源和网络资源实现资源的池化,用户仅需对逻辑资源进行相关操作而无需关注底层实际物理设备。利用虚拟化、分布式技术,廉价的X86架构服务器在云数据中心获得了广泛应用,实现高效廉价的信息承载、存储与处理,同时管理系统的自动化及用户自服务功能的提供,使云数据中心更加“智能”。云数据中心的整体架构以服务为导向,通过松耦合的方式实现多服务的综合承载与提供,实现由提供资源向提供服务的转变。底层基础架构在资源池化的基础上根据实际需求实现资源的动态伸缩,并提供完备的、细颗粒的计费功能。另外,通过模块化的设计以及虚拟化等绿色节能技术,云数据中心的设备投入成本以及运营维护成本都获得降低,实现低PUE值的绿色低碳运营。云数据中心与传统数据中心相比,在网络、基础设施、服务提供和绿色节能等方面都存在较大改进。

整体上说,云数据中心的网络具备扁平化、融合化、智能化和高速化的特点。随着虚拟化技术和分布式计算技术在云数据中心的广泛应用,流量模型发生了改变,以虚拟机迁移、数据同步、数据备份、协同计算等为典型代表的应用,使得数据中心内及数据中心间除“南北向”流量以外,还出现了越来越多的“东西向”流量。为了应对流量模型的变化,云数据中心网络架构呈现扁平化的趋势,从传统的“接入-汇聚-核心”三层架构向“接入-汇聚”二层架构演进,减少了服务器间信息交互的延迟并增加了可靠性,使得数据转发更快捷。同时,为了满足虚拟机迁移等业务需求,在数据中心内需要构建超大型的二层互联网络,实现故障快速收敛,提高链路利用率,简化管理,减少设备配置量,并且能够根据实际情况实现端口的弹性扩容,以满足云数据中心业务需求。IETF的TRILL协议和IEEE的SPB(Short Path Bridging)协议正尝试解决网络的二层透明环境部署问题。在传统数据中心中同时存在异构业务网络(以太网)和存储网络(SAN),两者间相互独立,由此带来了成本、扩展性、管理等诸多问题。随着无损以太网和FCoE的出现,新一代基于万兆的无损以太网将融合数据中心的存储网络形成全业务的统一交换。数据中心原本异构的网络形态将合并到一套网络,实现了网络管理合并与简化,降低了成本。使网络融合成为云数据中心的一个重要特点。在服务器虚拟化技术中,利用虚拟交换机实现虚拟机与物理服务器及物理接入网络间的网络连接。虚拟交换机一般由虚拟机监控器(VMM)通过软件模拟实现。这种实现方式占用CPU 资源,导致虚拟机性能下降,同时还会带来虚拟机的流量监管、虚拟机的网络策略实施以及虚拟交换机管理可扩展性等问题。另一种实现方式是通过在物理网卡上增加特定的处理芯片,采用硬件方式实现虚拟交换机功能。这种方式减少了CPU 开销,但仍然不能有效解决虚拟机流量监管、网络策略实施及管理可扩展性问题。以IEEE 802.1Qbg 和802.1BR 标准为代表的解决方案受到业界的关注。这类方案的核心思想是把大量策略以及安全和管理方面的工作从VMM或者物理网卡转移到与物理服务器连接的物理以太交换机。在云数据中心,物理交换机与物理服务器之间的链路中将同时传输来自多个虚拟机的数据。另外,除了业务数据流量,链路中还增加了虚拟机运行时所需要的系统流量。实现物理交换机对虚拟机的动态感知,是云数据中心网络区别传统数据中心网络的另一大特点。高密度的虚拟机数量带来单位空间和单位网络接口剧增,驱动服务器I/O向10G发展并达到10G线速,接入层的高性能吞吐驱动云计算网络架构支持更高性能,云数据中心网络架构将推动基础网络进入超高速时代。

云计算促使IT和CT的界限日趋模糊,业界出现了以Vblock为代表的整合计算、存储、网络和管理功能的一体化基础设施垂直解决方案,这类解决方案在行业客户中获得了一定应用,被认为是基础设施的发展趋势之一。同时,整合通风、制冷等配套设备的集装箱式和模块化数据中心解决方案也逐渐走进人们的视线。该方案以其模块化、便捷化的特点吸引了业界的关注。从整体上说,对于这类垂直一体化的解决方案,一方面简化了底层基础设施的配置与管理难度,降低了运行维护环境与要求,但另一方面,这类垂直解决方案在兼容性与扩展性上存在一定限制,标准化程度较低,容易出现提供商“锁定”的情况。

传统IDC业务以带宽、机架等基础资源出租为主,在云数据中心模式下,将实现从资源出租向服务提供的转变。用户不再关注某类具体资源或硬件的情况,而是通过统一的门户,在服务目录中选择相应的服务,在一定SLA的保障下,使用逻辑资源及各类应用。云主机与云存储将代替机架与带宽出租等资源性业务成为云数据中心的基础服务(业务),基于该类服务还可提供包括网络加速优化、数据库中间件、解决方案等一系列的增值服务(业务)。以亚马逊的AWS为例,EC2和EBS、S3分别是其虚拟主机与云存储服务,基于该服务,衍生出CloudFront(网络加速)、Elastic Load Balancing(动态负载均衡)、SimpleDB(简单数据库)、Relational Database Service(关系数据库)、Simple Email Service(简单邮件服务)等增值服务。云数据中心将提供更细颗粒度的计费单元。以虚拟主机服务(业务)为例,用户既可以选择传统的包月或包年模式,也可以根据实际的使用时间(精确到小时级)付费。

云数据中心相对于传统IDC而言更加绿色节能,具体体现在芯片、物理设备、虚拟设备、机柜、数据中心等多个层级。在芯片级,随着低功耗的CPU、内存、硬盘、SSD(固态硬盘)等低功耗节能组件的使用,将有效降低设备的能耗。在物理设备级,高转换效率电源模块的使用提高了电源转换效率,同时优化的散热风道也使得设备散热效率提高。在虚拟设备级,虚拟化技术的应用实现了资源共享,提高了单台设备利用率。由于虚拟机具备动态迁移的功能,故可通过关闭利用率较低的设备并将应用集中到部分物理服务器上从而进一步降低能耗。在机柜级,通过提高机柜计算、存储密度,以及对IT设备用电功耗进行精细化管理,利用数据分析,实现机柜级功耗的峰值控制,在性能和功耗之间取得平衡点,并可通过高压直流供电提高电源转换效率并降低能耗。在数据中心级,通过对设备用电及环境温湿度数据进行分析诊断,调整机房布局,动态优化送风、除湿和制冷,降低能耗,使用新兴配电和冷却技术,降低数据中心的PUE值,在合适应用场景还可以利用模块化数据中心、集装箱数据中心,通过水冷、冷媒等散热方式降低机房的PUE值。

传统IDC向云数据中心演进是一个渐变的过程,而不是一场一蹴而就的变革。云数据中心业务必将对传统IDC业务产生较大冲击,对于传统IDC服务提供商而言,如何平衡两者间的关系,实现IDC业务的平滑升级,是必须面对的一道难题。目前云数据中心解决方案一般是利用功能相对单一的平台满足一定规模的用户需求,兼容性和标准化程度较低。另外,云数据中心业务模式被市场广泛接受,商业模式趋于成熟也需要一个过程。现阶段,建议传统IDC服务提供商通过试点的方式逐步探索云IDC业务的商业模式与市场接受度,积累运营、维护、建设经验,培育客户群,同时在内部建立相适配的管理体制与流程,提高运营能力,扬长避短,有效聚焦客户需求场景,利用“云计算”主流成熟技术,分阶段实现传统IDC业务向云数据中心业务的升级,降低技术和时间风险。在设计云数据中心业务时,应充分考虑网络因素。基于业务、资源、能力需求,自动快速适配云数据中心离不开网络的支持,网络覆盖、带宽供给能力和自动调配水平制约着云数据中心业务的执行。国外领先的IDC运营商纷纷将云计算与网络能力深度整合。软件定义网络(SDN)的出现,为云数据中心实现IT资源与网络资源的融合提供了一个新的思路。

云计算正重新定义网络与IT 边界,产业链价值正在向内容、应用提供商聚集,更多IT 厂商涉足运营,云数据中心逐渐成为各方争夺的焦点之一,市场前景被广泛看好。产业链各方应携手共同促进商业模式的成熟,市场接受程度以及标准化和兼容性的提高,使云数据中心早日规模应用,加快社会信息化进程。

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