文/謝榮平 羅偉威

1 數(shù)據(jù)中心發(fā)展歷史

第一代數(shù)據(jù)中心是傳統(tǒng)的離散數(shù)據(jù)中心，采用以系統(tǒng)為中心的“煙囪式”結(jié)構(gòu)，物理資源和應(yīng)用強耦合、資源無共享，一個應(yīng)用系統(tǒng)對應(yīng)一套設(shè)備，服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲等所有資源與單個系統(tǒng)靜態(tài)捆綁在一起，形成“系統(tǒng)孤島”，系統(tǒng)部署與管理異常復(fù)雜。如圖1所示。

第二代數(shù)據(jù)中心是虛擬化數(shù)據(jù)中心，一個中心支持多個應(yīng)用系統(tǒng)，資源獨立管理。第二代數(shù)據(jù)中心通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)計算、存儲等資源的復(fù)用、共享，緩解了第一代數(shù)據(jù)中心資源獨占問題，但在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，不同硬件資源（計算/存儲/網(wǎng)絡(luò)）管理、維護(hù)分離，建設(shè)耗時長，維護(hù)技術(shù)高。如圖2所示。

第三代數(shù)據(jù)中心是云數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了單中心內(nèi)的資源統(tǒng)一管理與資源共享。第三代數(shù)據(jù)中心基于虛擬化技術(shù)，將計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施深度融合，簡化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)，但多中心間資源無法共享。如圖3所示。

2 數(shù)據(jù)中心發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心發(fā)展到了第四代，即分布式云數(shù)據(jù)中心。第三代云數(shù)據(jù)中心重點是解決單中心內(nèi)部的管理與資源共享問題，隨著用戶需求的發(fā)展，各類企業(yè)、政府存在著建立跨地域的分支機構(gòu)的需求，因此各區(qū)域、各區(qū)域的數(shù)據(jù)中心應(yīng)運而生，如何避免各數(shù)據(jù)中心之間各自為政成是第四代數(shù)據(jù)中心需要解決的問題。

第四代數(shù)據(jù)中心需能夠?qū)崿F(xiàn)多數(shù)據(jù)中心之間物理分散、邏輯統(tǒng)一，使各數(shù)據(jù)中心之間的資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，以達(dá)到整體效率的最優(yōu)化，能夠整合布于全球的數(shù)據(jù)中心，使其像一臺大型的服務(wù)器一樣對外提供服務(wù)。去地域化、自動化、數(shù)據(jù)中心可定義是第四代數(shù)據(jù)中心的主要特征。

在現(xiàn)階段，包括VMware、HP、華為等公司均推出了其分布式數(shù)據(jù)中心解決方案，包括基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的分布式建設(shè)、基于云計算技術(shù)的進(jìn)步實現(xiàn)中心間的計算/網(wǎng)絡(luò)/存儲資源的靈活應(yīng)用以及基于集中化管理技術(shù)的進(jìn)步實現(xiàn)了跨中心的業(yè)務(wù)備份、冗余和控制。各公司解決方案主要是基于前期產(chǎn)品的發(fā)展和補充，大部分是局限于基礎(chǔ)設(shè)施層，實現(xiàn)了第四代數(shù)據(jù)中心的區(qū)地域化和部分自動化能力，而在數(shù)據(jù)中心可定義能力上面仍有較大的發(fā)展空間。

圖1：第一代離散數(shù)據(jù)中心組成示意圖

圖2：第二代虛擬化數(shù)據(jù)中心組成示意圖

圖3：第三代云數(shù)據(jù)中心組成示意圖

在未來，作為第四代分布式數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，軟件定義的數(shù)據(jù)中心將成為業(yè)界發(fā)展的重點。軟件定義數(shù)據(jù)中心，在基礎(chǔ)設(shè)施層，應(yīng)對CPU、內(nèi)存、I/O 等硬件資源進(jìn)行解耦與重構(gòu)，讓數(shù)據(jù)中心計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全資源的全虛擬化、全自動化成為現(xiàn)實，并注重綠色節(jié)能；在平臺服務(wù)層，應(yīng)將傳統(tǒng)平臺軟件通用化、模塊化、積木化，增強平臺軟件“互聯(lián)、互通、互操作”、“平滑迭代”等能力，支撐應(yīng)用系統(tǒng)的按需快速構(gòu)建；在統(tǒng)一管理方面，應(yīng)通過軟件定義實現(xiàn)業(yè)務(wù)感知的按需資源組合與配置。

3 軟件定義數(shù)據(jù)中心總體結(jié)構(gòu)

軟件定義數(shù)據(jù)中心以跨中心虛擬化為主要特征，基于更高性能的硬件設(shè)備，構(gòu)建跨多個中心的動態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)，在智能化管理平臺的調(diào)度下，為用戶提供屏蔽數(shù)據(jù)中心區(qū)別的云端服務(wù)。其主要特征應(yīng)包括：

3.1 跨中心的動態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)

打通空間壁壘，構(gòu)建橫跨多個中心的緊密耦合的軟件、計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等獨立虛擬資源池，結(jié)合共享軟件平臺，支持以“資源積木”的方式構(gòu)建信息系統(tǒng)，實現(xiàn)更敏捷的資源調(diào)配、負(fù)載均衡等服務(wù)。

3.2 智能化管理平臺

以數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，引入人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，構(gòu)建更為自主數(shù)據(jù)中心管理平臺，實現(xiàn)使用需求、管理策略、中心資源的智能匹配，支持自動化的編排部署、風(fēng)險的自動發(fā)現(xiàn)與排除。

3.3 安全可靠

包括系統(tǒng)安全和安全防護(hù)兩個方面。系統(tǒng)安全層面，基于冗余先進(jìn)跨中心的動態(tài)基礎(chǔ)架構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)級的多活，確保數(shù)據(jù)絕不丟失、服務(wù)不間斷；安全防護(hù)層面，基于安全基礎(chǔ)設(shè)備，將安全與數(shù)據(jù)中心緊密融合，支持“嵌入式”安全部署，提供標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)化的安全產(chǎn)品，形成從物理設(shè)施至頂層應(yīng)用系統(tǒng)的全方位安全防護(hù)體系。

3.4 高性能

充分吸收最新的硬件技術(shù)進(jìn)步成果，基于資源松耦合的數(shù)據(jù)中心硬件平臺架構(gòu)，吸收利用并行計算、分布式存儲、硅光互連、量子通信等技術(shù)，打造支持靈活部署的高性能數(shù)據(jù)中心硬件資源。

3.5 綠色節(jié)能

將軟件平臺技術(shù)與綠色科技結(jié)合，通過精確制冷、低能耗設(shè)備、系統(tǒng)遷移、動態(tài)開關(guān)機等技術(shù)，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心整體PUE。

軟件定義數(shù)據(jù)中心整體架構(gòu)如圖4所示。

4 軟件定義數(shù)據(jù)中心組成

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）

構(gòu)建以軟件定義計算、軟件定義存儲、軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)設(shè)施為核心的IaaS 層，其核心特征在于計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及基礎(chǔ)軟件資源可以以軟件定義的“積木”方式構(gòu)建，在統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)與調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一管控下，支持跨中心、跨廣域網(wǎng)的資源調(diào)度。

4.1.1 軟件定義計算

基于新一代的計算虛擬化技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心計算能力顆?；⒊鼗?，打造“計算資源積木”，將多種資源（X86、ARM、GPU 等）以多種形式（虛擬機、容器等）對外提供服務(wù)，支持計算資源按需靈活編排，同時應(yīng)具備更強的系統(tǒng)容災(zāi)能力。

4.1.2 軟件定義存儲

基于存儲虛擬化技術(shù)，將物理存儲設(shè)備抽象為虛擬共享存儲資源池，剝離存儲控制面與存儲硬件面，提供從存儲設(shè)備至應(yīng)用系統(tǒng)的端到端的存儲服務(wù)，使存儲資源變得更靈活，支持各類存儲設(shè)備（集中式、分布式等）、多種形式（塊、文件、對象等），提供存儲編排能力，面向用戶開放定制化的存儲模式、存儲策略、備份策略等按需服務(wù)。

4.1.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

基于SDN 技術(shù)，將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、多數(shù)據(jù)中心間以及主干網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一整合，支持廣范圍細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度。軟件定義網(wǎng)絡(luò)將控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，支持用戶自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、邏輯網(wǎng)路間數(shù)據(jù)強隔離；將交換與數(shù)據(jù)處理結(jié)合，支持網(wǎng)絡(luò)功能（防火墻等）的動態(tài)插入；基于業(yè)務(wù)和應(yīng)用驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理，增強對軟件定義計算（計算虛擬化網(wǎng)絡(luò)特性）、軟件定義存儲（存儲融合網(wǎng)絡(luò)）的支撐能力；具備網(wǎng)絡(luò)編排能力，提供端到端的QoS 保障。建成高性能（40GE、100GE）、高安全（抗竊聽、邏輯鏈路強隔離）、高可靠（冗余、分布式網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)網(wǎng)系。

4.1.4 基礎(chǔ)設(shè)施

IT 基礎(chǔ)設(shè)施方面，以服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備為代表，在軟件定義技術(shù)的推動下，IT 基礎(chǔ)設(shè)施將以開放、通用、標(biāo)準(zhǔn)、低值、靈活為特征，由IaaS 軟件（軟件定義網(wǎng)絡(luò)、軟件定義存儲、軟件定義計算）實現(xiàn)資源整合、調(diào)度與自動化協(xié)同，IT 基礎(chǔ)設(shè)施僅扮演執(zhí)行的角色，因此基于通用熱插拔組件（計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等）按照模塊化組合的IT 設(shè)施將成為主流，實現(xiàn)更高的性能、密度、集成度和能效比。在機房基礎(chǔ)設(shè)施方面，為適應(yīng)新一代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展要求，機房基礎(chǔ)設(shè)施除了在防火、防水、防潮、防震、電力、配線、溫濕度、防雷、防靜電、防塵等方面達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求外，還需要在節(jié)能、安全、管理便捷性等方面進(jìn)一步拓展，在保證安全性的基礎(chǔ)之上，降低中心能耗，構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)、節(jié)能型智能模塊機柜、電子綜合布線、智能動力環(huán)境監(jiān)控將成為新一代機房基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的重點發(fā)展方面。

4.2 平臺服務(wù)層（PaaS）

平臺服務(wù)層將以數(shù)據(jù)、運行、運維、安全等方面為主要突破口，將傳統(tǒng)平臺軟件通用化、模塊化、積木化，增強平臺服務(wù)層橫向以及與應(yīng)用系統(tǒng)的縱向的“互聯(lián)、互通、互操作”能力，支持“軟件資源積木”的形式提供平臺服務(wù)，實現(xiàn)平臺軟件的動態(tài)編排，滿足上層應(yīng)用系統(tǒng)使用需求。

4.2.1 數(shù)據(jù)即服務(wù)

基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，提供豐富數(shù)據(jù)按需存儲、數(shù)據(jù)分析挖掘等服務(wù)。主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)、人工智能服務(wù)等方面。數(shù)據(jù)庫服務(wù)將數(shù)據(jù)庫資源池化，以云數(shù)據(jù)庫的形式，通過網(wǎng)絡(luò)將服務(wù)交付給客戶，不同用戶只需提交數(shù)據(jù)庫需求申請，即可以快速獲得所需的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)庫資源的敏捷交付能力。數(shù)據(jù)服務(wù)屏蔽底層存儲方式、數(shù)據(jù)庫類型區(qū)別，支持對數(shù)據(jù)的按需清洗、轉(zhuǎn)換、聚合，將數(shù)據(jù)資源池化，按權(quán)限提供給不同的系統(tǒng)和用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)管控的標(biāo)準(zhǔn)化，提供更加簡單易用的按需數(shù)據(jù)服務(wù)。大數(shù)據(jù)分析服務(wù)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基本，對底層大數(shù)據(jù)集群、業(yè)務(wù)等復(fù)雜操作進(jìn)行封裝，融入算法、模型等要素，提供給用戶簡單易用的通用接口，實現(xiàn)彈性的數(shù)據(jù)處理。人工智能服務(wù)提供機器學(xué)習(xí)模型的池化管理，實現(xiàn)基于“云”架構(gòu)的機器學(xué)習(xí)服務(wù)。通過將模型庫資源池化，為租戶提供各種機器學(xué)習(xí)服務(wù)，并支持用戶將自己訓(xùn)練的模型加入池化的模型庫資源中，為自身和其他用戶提供機器學(xué)習(xí)服務(wù)。

4.2.2 運行即服務(wù)

運行即服務(wù)是平臺服務(wù)的核心，以SOA、微服務(wù)為基礎(chǔ)，面向業(yè)務(wù)系統(tǒng)，提取公共服務(wù)需求點，發(fā)展服務(wù)框架、并行計算服務(wù)、服務(wù)治理、負(fù)載均衡等能力，注重“互聯(lián)、互通、互操作”能力，支撐數(shù)據(jù)中心上層系統(tǒng)的快速構(gòu)建運行，助力基于云架構(gòu)的“超級計算機”的構(gòu)建。

4.2.3 運維即服務(wù)

運維即服務(wù)將運維服務(wù)化，以運維框架、自動部署、應(yīng)用狀態(tài)采集、運行分析等為代表。運維框架為應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)提供統(tǒng)一的運維框架，支撐應(yīng)用系統(tǒng)快速集成運維功能，便于統(tǒng)一監(jiān)控、管理與部署；自動部署實現(xiàn)相關(guān)軟件的編排與部署；應(yīng)用狀態(tài)采集提供探針式的應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控工具，支持應(yīng)用系統(tǒng)自定義狀態(tài)數(shù)據(jù)；運行分析為應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)運行分析方法，支持應(yīng)用系統(tǒng)自定義分析策略。

4.2.4 安全即服務(wù)

安全即服務(wù)依托于安全基礎(chǔ)設(shè)施，將安全服務(wù)化，支持安全服務(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)“嵌入式”結(jié)合，包括身份認(rèn)證服務(wù)、權(quán)限管理服務(wù)、數(shù)據(jù)加密服務(wù)、安全傳輸服務(wù)等，有效提升數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的安全性。

4.2.5 專用服務(wù)

專用服務(wù)以即時通信、視頻服務(wù)、GIS 服務(wù)、人機交互服務(wù)為代表，滿足不同應(yīng)用場景需求。

4.3 應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)層（SaaS）

圖4：新一代軟件定義數(shù)據(jù)中心組成結(jié)構(gòu)圖

面向用戶需求，基于統(tǒng)一的IaaS、PaaS平臺，以“資源積木”的方式，打造靈活、精干的應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的快速建設(shè)與靈活調(diào)整。應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)層面需結(jié)合應(yīng)用需求，其功能可千變?nèi)f化，但均基于共性的基礎(chǔ)底層支撐搭建，在實現(xiàn)高靈活性的同時，能夠降低建設(shè)成本。

4.4 數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)是軟件定義數(shù)據(jù)中心的核心，在多數(shù)據(jù)中心之間，以全扁平式、點到點全互聯(lián)、統(tǒng)一資源管理的分布式云數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，將多個不同地域、不同階段、不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心所有資源通過邏輯集中、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一呈現(xiàn)、統(tǒng)一運營；在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，依托機房動力環(huán)境監(jiān)控、統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)與調(diào)度、統(tǒng)一平臺服務(wù)與調(diào)度，縱向管控IaaS、PaaS、SaaS 層，對物理資源、軟件資源、運行策略統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)全方面的細(xì)粒度管控與自動化智能維護(hù)。

5 總結(jié)

數(shù)據(jù)中心不僅是服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備，以及若干基礎(chǔ)軟件的堆砌，而是引用為牽引的體系性工程。經(jīng)過多輪迭代發(fā)展，在具體功能層面，數(shù)據(jù)中心的能力得到了很大的進(jìn)步，但是在數(shù)據(jù)中心體系層面，各大公司受制于市場及成本，更多的是注重于單一層面，對整體發(fā)展重視程度不夠。新一代軟件定義數(shù)據(jù)中心功能復(fù)雜，實現(xiàn)難度大，僅靠若干家公司是無法實現(xiàn)的，未來寄希望于開源聯(lián)盟的力量實現(xiàn)。本文就新一代軟件定義數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討，對未來數(shù)據(jù)中心各個層面的進(jìn)行了簡單描述，希望能提供些許借鑒意義。