作者
Stephanie Susnjara
Author
Ian Smalley
Senior Editorial Strategist
什么是数据中心？
数据中心是一个物理房间、一座建筑物或一处设施，其中容纳了用于构建、运行和交付应用程序和服务的 IT 基础设施。它还能够存储和管理与这些应用程序和服务相关的数据。
数据中心最初是私人拥有的、受到严格控制的本地部署设施，容纳传统的 IT 基础设施，仅供一家公司使用。最近，它们发展成为云服务提供商（CSP）拥有的远程设施或设施网络。这些 CSP 数据中心设有虚拟化 IT 基础架构，供多家公司和客户共享使用。
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数据中心的历史
数据中心的历史可以追溯到 20 世纪 40 年代。美国军方的电气数字积分器和计算机 (ENIAC) 于 1945 年在宾夕法尼亚大学建成，是需要专用空间来容纳其庞大机体的数据中心的早期示例。
多年来，计算机的外型变得越来越紧凑，需要的物理空间更少。20 世纪 90 年代，微型计算机出现，大大减少了 IT 运营所需的空间。这些开始占据旧式大型计算机房的微型计算机被称为“服务器”，而这些房间被称为“数据中心”。
21 世纪初，云计算的出现极大地颠覆了传统的数据中心格局。云服务允许组织通过互联网按需访问计算资源，按使用量计价，从而可以根据需要灵活地扩展或缩减。
2006 年，Google 在俄勒冈州达尔斯镇推出了第一个超大规模数据中心。这个超大规模设施目前占地 12 万平方米，雇用了大约 200 名数据中心运营人员。1
McKinsey & Company 的一项研究预计，到 2030 年，该行业将以每年 10% 的速度增长，全球建设新设施的支出将达到 490 亿美元。2
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数据中心的类型
数据中心设施有多种类型，一家公司可能会根据工作负载和业务需求使用多种类型的数据中心设施。
企业（本地）数据中心
此数据中心模型可在本地托管所有 IT 基础设施和数据。很多公司均会选择本地数据中心。它们对信息安全拥有更高的控制权，且可更轻松地遵守欧盟《通用数据保护条例 (GDPR)》或美国《健康保险流通和责任法案 (HIPAA)》等法规。该公司负责企业数据中心内的所有部署、监控与管理任务。
公有云数据中心和超大规模数据中心
云数据中心（也称为云计算数据中心）存储 IT 基础架构资源，供多个客户（从数十个客户到数百万客户）通过 Internet 连接共享使用。
许多最大的云数据中心（称为超大规模数据中心）由主要云服务供应商 (CSP) 运营，例如 Amazon Web Services (AWS)、Google Cloud Platform、IBM Cloud 和 Microsoft Azure。这些公司在世界每个地区都拥有主要的数据中心。例如，IBM 在全球不同地点运营 60 多个 IBM Cloud Data Centers。
超大规模数据中心比传统数据中心更大，占地面积可达数百万平方英尺。 它们通常包含至少 5000 台服务器和长达数英里的连接设备，有时面积可能达到 60000 平方英尺。
云服务供应商通常维护较小的边缘数据中心 (EDC)，这些中心更靠近云客户（以及云客户的客户）。边缘数据中心构成了边缘计算的基础，边缘计算是一种让应用程序更接近最终用户的分布式计算框架。边缘数据中心非常适合数据密集型的实时工作负载，例如大数据分析、人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和内容交付。它们有助于最大限度地降低延迟，从而提高整体应用程序性能和客户体验。
托管数据中心和主机托管设施
对于缺乏空间、人员或专业知识来管理内部 IT 基础设施的组织而言，托管数据中心和主机托管设施是一种选择。对于那些不愿意使用公共云数据中心的共享资源来托管其基础设施的人来说，这些是理想的选择。
在托管数据中心，客户公司从供应商处租用专用服务器、存储和网络硬件，供应商处理客户公司的 IT 行政、监控和管理。
在主机托管设施中，客户公司拥有所有基础设施，并租用专用空间将其托管在设施内。在传统的主机托管模式中，客户公司对硬件拥有唯一的访问权，并负有全部管理责任。这种模式对于隐私和安全来说是理想的选择，但通常不切实际，尤其是在停电或紧急情况下。如今，大多数主机托管供应商都为需要它们的客户提供管理和监控服务。
公司通常选择托管数据中心和主机托管设施来容纳中小型企业 (SMB) 的远程数据备份和灾难恢复 (DR) 技术。
现代数据中心架构
大多数现代数据中心（包括内部部署数据中心）都是从传统 IT 架构发展而来的。他们现在不再在专用硬件上运行每个应用程序或工作负载，而是使用云架构，其中 CPU、存储和网络等物理资源都实现了虚拟化。虚拟化使这些资源能够从其物理限制中抽象出来，并汇集到可以根据多个应用程序和工作负载的需要量进行分配的容量中。
虚拟化还能实现软件定义的基础设施 (SDI) - 这种基础设施可以通过编程方式调配、配置、运行、维护和“停机”，无需人工干预。
这种虚拟化催生了新的数据中心架构，例如软件定义的数据中心 (SDDC)，这是一种服务器管理概念，可虚拟化网络、存储和计算等基础架构元素，并将其作为服务交付。使用此功能，各组织无需进行物理更改即可为每个应用程序和工作负载优化基础设施，这有助于提高性能和控制成本。“即服务”数据中心模式有望变得更加普遍，IDC 预测，到 2026 年，65％ 的技术购买者将优先考虑这些模式。3
现代数据中心的优势
云架构和 SDI 的结合为数据中心及其用户提供了许多优势，例如：
最佳利用计算、存储和网络资源。快速部署应用程序和服务可扩展性多种服务和数据中心解决方案云原生开发
最佳利用计算、存储和网络资源。
虚拟化使公司或云能够优化其资源，并以最少的硬件数量和最少的未使用或空闲容量为大多数用户提供服务。
快速部署应用程序和服务
SDI 自动化使配置新基础设施就像通过自助服务门户提交请求一样简单。
可扩展性
与传统 IT 基础架构相比，虚拟化 IT 基础架构更容易扩展。即使是使用本地数据中心的公司，也可以在需要时通过将工作负载突发到云来按需增加容量。
多种服务和数据中心解决方案
公司和云可以为用户提供多种使用和交付 IT 的方式，所有这些都基于同一基础设施。根据工作负载需求进行选择，包括基础设施即服务 (IaaS)、平台即服务 (PaaS)、软件即服务 (SaaS) 等。CSP 提供这些服务，以便在私有本地数据中心使用，或作为私有云、公有云、混合云或多云环境中的云解决方案。
其他数据解决方案则包括模块化数据中心—专门设计用作数据中心的预制设施，同时还预先铺设了管道并配有必要的冷却设备。
云原生开发
容器化和无服务器计算，以及强大的开源生态系统，可以支持并加速开发运维周期和应用程序现代化，并实现了“一次开发，随处部署”的应用程序。
数据中心基础设施组件
服务器
服务器是功能强大的计算机，可向终端用户设备提供应用程序、服务和数据。数据中心服务器有多种形式：
机架式服务器是一种宽大的平板式独立服务器，其大小相当于一个小号披萨盒。此类服务器可在一个机架上相互堆叠，以节省空间（相较于塔式或台式服务器）。每台机架式服务器均有自己的电源、冷却风扇、网络交换机和端口，以及通用处理器、内存和存储空间。刀片服务器旨在节省更多空间。每个刀片都包含处理器、网络控制器、内存，有时还包含存储。它们可安装在容纳多个刀片的机箱中，机箱中包括所有刀片的电源、网络管理和其他资源。大型机是具有多个处理器的高性能计算机，可以完成整个机架式或刀片式服务器的工作。作为第一批可虚拟化的计算机，大型机可以实时处理数十亿次计算和事务。
服务器外形规格的选择取决于许多因素，包括数据中心的可用空间、服务器上运行的工作负载、可用功率和成本。
存储系统
大多数服务器都包含一些本地存储功能，称为直连存储 (DAS)，以使最常用的数据（热数据）保持在 CPU 附近。
另外两种数据中心存储配置则为网络直连存储 (NAS) 和存储区域网络 (SAN)。
NAS 通过标准以太网连接为多个服务器提供数据存储和数据访问。NAS 设备通常是具有各种存储介质（如硬盘驱动器 (HDD) 或固态驱动器 (SSD)）的专用服务器
与 NAS 一样，SAN 支持共享存储，但对数据使用单独的网络，并由多个存储服务器、应用程序服务器和存储管理软件组成，结构更为复杂。
单个数据中心可以使用所有三种存储配置（DAS、NAS 和 SAN）以及文件存储、块存储和对象存储类型。
联网
数据中心网络拓扑指数据中心网络设备的物理布局和互连，包括基础设施、服务器和组件之间的连接以及数据流。
数据中心网络由各种网络设备（如交换机、路由器和光纤）组成，负责在服务器之间传输网络流量（称为东/西流量）以及在服务器与客户端之间传输网络流量（称为北/南流量）。
如上所述，数据中心通常具有虚拟化网络服务。此种能力使其可以在网络的物理基础设施的基础上创建软件定义的叠加网络，以适应特定的安全控制或服务水平协议 (SLA)。
数据中心需要高带宽连接，以允许服务器和存储系统之间以及入站和出站网络流量之间进行通信。对于超大规模数据中心来说，带宽要求可能从每秒数千兆位 (Gbps) 到每秒数兆兆位 (Tbps) 不等。
电源和电缆管理
数据中心需要在各个层面始终保持在线。大多数服务器都配备双电源。电池供电的不间断电源 (UPS) 可防止电力激增和短暂停电。如果发生更严重的停电，大功率发电机可以发挥作用。
电缆管理是一个重要的数据中心设计问题，因为各种电缆连接着数千台服务器。如果电缆彼此靠得太近，它们可能会导致串扰，进而对数据传输速率和信号传输产生负面影响。此外，太多电缆挤在一起，也可能会产生过多的热量。数据中心的建设和扩建必须考虑建筑规范和行业标准，以确保电缆布置高效且安全。
冗余和灾难恢复
数据中心宕机对数据中心供应商及其客户来说代价高昂。数据中心运营商和架构师不遗余力地提高系统的弹性。这些措施包括独立磁盘冗余阵列 (RAID)，以防止在存储介质发生故障时数据丢失或损坏。其他措施包括备用数据中心冷却基础设施，即使主冷却系统发生故障，也能保持服务器在最佳温度下运行。
许多大型数据中心供应商的数据中心位于地理位置不同的区域。如果一个区域发生自然灾害或政治动荡，运营可以故障转移到另一个区域，以实现不间断的服务。
Uptime Institute 使用四层系统来评估数据中心的冗余度和弹性。4
第 1 级： 提供基本的冗余容量组件，例如不间断电源（UPS）和全天候 24 小时制冷，以支持办公室或其他场所的 IT 运营。第 2 级：增加额外的冗余电源和冷却子系统，例如发电机和储能设备，以提高应对中断的安全性。
第 3 级：增加冗余组件，作为与其他数据中心的关键区别。第 3 级设施在设备需要维护或更换时无需停机。
第 IV 级：通过实施多个独立、物理隔离的冗余容量组件来增加容错能力，这样当一台设备发生故障时，IT 运营不会受到影响。
环境控制
数据中心的设计和装备可控制可能损坏或毁坏硬件并导致昂贵或灾难性停机的相互关联的环境因素。
温度：大多数数据中心采用空气冷却和液体冷却相结合的方式，以保持服务器和其他硬件在适当的温度范围内运行。空气冷却是指空调，具体来说，就是机房空调 (CRAC)。CRAC 的目标是整个机房或特定的服务器行或服务器机架。液体冷却技术将液体直接泵送到处理器中，或者有时将服务器浸入冷却剂中。数据中心供应商越来越多地转向液体冷却，以提高能源效率和可持续性，因为它比空气冷却需要更少的电力和水。湿度：湿度高会导致设备生锈；湿度低则会增加静电浪涌的风险。湿度控制设备包括 CRAC 系统、适当的通风和湿度传感器。静电：低至 25 伏的静电放电可能会损坏设备或损坏数据。数据中心设施包含监控静电和安全释放静电的设备。火灾：出于显而易见的原因，数据中心必须配备定期检测的防火设备。
数据中心安全
数据中心包含敏感信息和关键业务应用程序，因此需要制定跨物理数据中心和多云环境的全面安全策略。
数据中心安全措施包括硬件和存储设备的物理安全，以及管理和访问控制。它还涵盖软件应用程序以及组织策略和程序的安全性。例如，超大规模数据中心需要专门的防火墙和其他协议来增强网络安全性。
数据中心管理
数据中心管理包括组织保持其私有数据中心正常运行、安全和合规所需的任务和工具。负责执行这些任务的人称为数据中心经理。
数据中心经理负责一般维护（例如软件和硬件升级）、一般清洁或决定服务器的物理布置。他们还针对损害数据中心的任何威胁或事件采取主动或被动措施。
企业中的数据中心经理可以使用数据中心基础架构管理 (DCIM) 解决方案来简化整体管理并实现 IT 性能优化。这些软件解决方案为数据中心经理提供了一个集中式平台，以实时监视、测量、管理和控制所有数据中心元素。这包括从本地 IT 组件到供暖、制冷和照明等设施的所有内容。
可持续性和绿色数据中心
商业可持续发展是环境、社会和治理 (ESG) 实践的重要组成部分。Gartner 指出，87% 的企业领导者计划在未来几年加大对可持续发展的投资。5为此，减少数据中心对环境的影响与全球应对气候变化的更广泛业务目标是一致的。
如今，AI 驱动的工作负载激增正在推动数据中心的增长。Goldman Sachs Research 估计，到 2030 年，数据中心的电力需求将增长 160%。5
由于存在降低耗电量的需求，从而促使企业组织努力实现可再生能源解决方案，以为其超大规模数据中心供电。此现象引发了绿色数据中心或可持续数据中心的增长，而这些设施可容纳 IT 基础设施并使用节能技术来优化能源使用并最大限度地减少对环境造成的影响。
通过在数据中心采用虚拟化、节能硬件和可再生能源等技术，组织可以优化能源使用、减少浪费并节省资金。认证在认可和促进数据中心内的可持续发展实践方面发挥着举足轻重的作用。著名的认证和协会包括 Leadership in Energy and Environmental Design (LEED)、Energy Star 和 Green Grid。