数据中心如何运作

数据中心是集中计算机和网络设备的场所，旨在收集、存储、处理、分发或允许访问大量数据。自计算机问世以来，它们就以这样或那样的形式存在了。

在早期计算机如同房间般庞大的时代，一个数据中心可能只有一台超级计算机。随着设备变得更小、更便宜，以及数据处理需求开始增加——并且呈指数级增长——我们开始将多个服务器（与我们家用计算机对应的工业级设备）联网，以提高处理能力。我们将它们连接到通信网络，以便人们可以远程访问它们或其中的信息。大量的这些集群服务器和相关设备可以容纳在一个房间、一整栋建筑或一组建筑中。今天的数据中心很可能拥有数千台非常强大、非常小的服务器，全天候运行。

由于服务器高度集中，通常堆叠在成排的机架中，数据中心有时被称为服务器农场。它们提供重要服务，例如数据存储、备份和恢复、数据管理和网络。这些中心可以存储和提供网站、运行电子邮件和即时消息（IM）服务、提供云存储和应用程序、实现电子商务交易、支持在线游戏社区，以及做许多其他需要大规模处理零和一的任务。

几乎每个企业和政府实体都需要拥有自己的数据中心，或者需要访问其他人的数据中心。有些在内部构建和维护数据中心，有些在托管设施（也称为托管中心）租用服务器，有些则使用亚马逊、微软、索尼和谷歌等主机提供的公共云服务。

托管中心和其他大型数据中心在20世纪90年代末和21世纪初，即互联网使用普及后不久开始兴起。一些大型公司的数据中心遍布全球，以满足持续访问海量信息的需求。据报道，当今世界有超过300万个各种形状和大小的数据中心[来源：Glanz]。

尽管硬件不断变得更小、更快、更强大，但我们是一个日益数据饥渴的物种，对处理能力、存储空间和一般信息的需求正在增长，并不断威胁到超出公司提供服务的能力。

任何生成或使用数据的实体在某种程度上都需要数据中心，包括政府机构、教育机构、电信公司、金融机构、各种规模的零售商以及谷歌和Facebook等在线信息和社交网络服务提供商。缺乏快速可靠的数据访问可能意味着无法提供重要服务或导致客户满意度和收入损失。

国际数据公司（International Data Corporation）为EMC进行的一项研究估计，2011年产生了1.8万亿千兆字节（GB），约1.8泽字节（ZB）的数字信息[来源：Glanz、EMC、Phneah]。2012年的数据量约为2.8ZB，预计到2020年将增至40ZB[来源：Courtney、Digital Science Series、EMC]。

所有这些媒体都必须存储在某个地方。如今，越来越多的东西也正在迁移到云端，这意味着我们不再将它们运行或存储在我们自己的家用或工作计算机上，而是通过云提供商的主机服务器访问它们。许多公司也正在将其专业应用程序迁移到云服务，以削减运行自己的集中式计算网络和服务器的成本。

云并不意味着应用程序和数据不存储在计算硬件上。它只意味着由其他人维护远程位置的硬件和软件，客户和他们的用户可以通过互联网访问它们。而这些位置就是数据中心。

当我们想到数据中心时，许多人会想象巨大的仓库里堆满了成排的服务器，闪烁着灯光，嗡嗡作响，电线纵横交错。在某些情况下，我们的想象是正确的。但它们有各种形状、大小和配置。它们小到房间里的几台服务器，大到数十万平方英尺的独立结构，拥有数万台服务器和其他配套硬件。它们的大小和所包含的设备类型取决于它们所支持的实体或实体的需求。

数据中心有各种类型，包括像托管中心这样的私有云提供商、像亚马逊和谷歌这样的公共云提供商、公司的私有数据中心以及像NSA或各种科学研究机构的政府数据中心。

它们不像办公室那样每台计算机配备一人，而是由少数人监控大量的计算机和网络设备，以及电力、冷却和其他必要的建筑设施。有些数据中心非常大，员工需要骑踏板车或自行车在里面穿行。地板必须承受比普通办公楼更大的重量，因为设备可能很重。它们还需要高高的天花板，以容纳高大的机架、架空地板和吊顶布线等。

许多拥有大量在线业务的公司在全球各地都设有大型数据中心，包括谷歌、Facebook、微软、美国在线和亚马逊。据报道，微软每月增加2万台服务器[来源：Uddin]，而谷歌在其众多站点中的一个就拥有大约5万台服务器[来源：Levy]。

谷歌拥有十三个大型数据中心，包括位于乔治亚州道格拉斯县、北卡罗来纳州莱诺、南卡罗来纳州伯克利县、爱荷华州康瑟尔布拉夫斯、俄克拉荷马州梅耶斯县、俄勒冈州达勒斯、智利基利库拉、芬兰哈米纳、比利时圣吉斯兰、爱尔兰都柏林、香港、新加坡和台湾的地点；此外还有许多小型数据中心，有些甚至在托管站点内。这家科技巨头也倾向于在设计上进行实验。例如，大约在2005年，谷歌在其数据中心使用了装有服务器设备的集装箱，此后又转向了其他定制设计。

服务器配置、网络拓扑结构和配套设备会因数据中心的公司、目的、位置、增长率和初始设计理念而大相径庭。其布局可以极大地影响数据流的效率和中心内的环境条件。有些站点可能会按功能将服务器分组，例如将网络服务器、应用服务器和数据库服务器分开，有些则可能让每台服务器执行多项任务。目前没有严格的规定，也没有很多官方标准。

当然，一些组织正在努力制定指导方针。电信行业协会在2005年制定了一项名为TIA-942项目的数据中心等级分类标准，该标准根据冗余度和容错级别等指标确定了四类数据中心。其中包括：

[来源：DiMinico, Uddin]

理论上，属于Tier 1和Tier 2类别的站点偶尔需要停机维护，而Tier 3和Tier 4站点在维护和其他中断期间应该能够保持运行。级别越高，意味着可靠性越高（潜在停机时间越少），成本也越高。

该标准还阐明了布线、设施基础设施（如环境控制和电力）以及其他设计方面的建议。这些建议主要针对电信行业，但也可应用于其他数据中心。这是通过整体设计和功能来评估和比较数据中心的少数方法之一。

并非所有数据中心都遵循这些标准。当今的数据中心是一个新兴现象，目前大多数地区都没有针对它们的特定建筑规范。它们通常被归入其他通用类型。

它们的布局、设备和需求不断演变，但在许多数据中心中你会发现一些共同的元素。请继续阅读以了解更多信息。

数据中心的一个物理共性是互连的服务器集群。它们可能都非常相似，整齐地堆叠在高度、宽度和深度都相同的开放式机架或封闭式机柜中，或者可能存在各种类型、尺寸和年代的机器并存，例如小型扁平的现代服务器与笨重的老式Unix主机和巨型大型机（一种正在快速消失但尚未完全绝迹的类型）并存。

每台服务器都是一台高性能计算机，具有内存、存储空间、一个或多个处理器以及输入/输出能力，有点像个人电脑的升级版，但拥有更快、更强大的处理器和更多的内存，通常没有显示器、键盘或您在家中使用的其他外设。显示器可能存在于集中位置、附近或单独的控制室中，用于监控服务器组和相关设备。

一台或多台特定的服务器可能专用于单个任务，或运行大量不同的应用程序。托管数据中心中的一些服务器专用于特定客户。有些甚至是虚拟而非物理的（这是一种减少所需物理服务器数量的新趋势）。当您通过互联网请求某些内容时，很可能有多台服务器协同工作以向您交付内容。

数据中心绝对需要网络和通信设备，以维护与外部世界以及数据中心内部服务器和其他设备之间的高带宽网络。这包括路由器、交换机、服务器的网络接口控制器（NIC）以及可能数英里长的布线。布线有多种形式，包括双绞线（铜）、同轴电缆（也是铜）和光纤（玻璃或塑料）。电缆的类型及其各种子类型将影响信息流经数据中心的速度。

所有这些布线也必须有组织。它们要么通过悬挂在天花板上的托盘或连接到机架顶部进行架空布线，要么铺设在架空地板下方，有时是在地板下方的托盘上。使用颜色编码和细致的标签来识别各种线路。数据中心的架空地板通常有可 उठा起的面板或瓷砖，以便访问布线和其他设备。冷却单元和电力设备有时也安置在地板下方。

其他重要的数据中心设备包括存储设备（如硬盘驱动器、固态驱动器和机器人磁带驱动器）、不间断电源（UPS）、备用电池、备用发电机以及其他电力相关设备。

数据中心还拥有大量用于温度和空气质量控制的设备，尽管方法和设备类型因地点而异。它们可以包括风扇、空气处理器、过滤器、传感器、计算机房空调（CRAC）、冷却器、水管和水箱。有些站点还会设置塑料或金属屏障，或使用烟囱式服务器机柜等设备来控制热空气和冷空气的流动，以防止计算设备过热。

当然，还需要软件来运行所有这些硬件，包括服务器上运行的各种操作系统和应用程序、允许工作分布到数百甚至更多机器上的集群框架软件（如谷歌的MapReduce或Hadoop）、控制网络的互联网套接字程序、系统监控应用程序以及VMware等虚拟化软件，以帮助减少物理服务器的数量。

数据中心致力于提供快速、不间断的服务。设备故障、通信或电力中断、网络拥塞以及其他阻碍人们访问其数据和应用程序的问题都必须立即处理。由于对即时访问的持续需求，数据中心需要24/7运行，这带来了一系列问题。

数据中心的网络需求与例如充满员工的办公楼的网络需求截然不同。数据中心网络是强大的引擎。谷歌的光纤网络传输数据速度比您的家庭互联网服务快20万倍。但话说回来，谷歌每天要处理超过30亿次搜索引擎请求，索引数百亿个网页，流媒体播放数百万个YouTube视频，并为数亿用户处理和存储电子邮件，这只是其众多服务中的一部分[来源：Levy]。

很少有公司能像谷歌那样拥有如此大的流量，但所有数据中心的使用量都可能越来越多。它们需要能够扩展其网络以增加带宽并保持可靠性。服务器也是如此，可以进行扩展以增加数据中心的容量。现有网络需要能够通过适当控制流量来处理拥塞。任何阻碍流量的事物都需要被根除。网络的运行速度只取决于其最慢的组件。与客户的服务水平协议（SLA）也必须得到满足，并且通常包括吞吐量和响应时间等内容。

可能存在多个故障点。服务器或网络设备可能出现故障，电缆可能损坏，或者来自外部的服务（如电源和通信）可能中断。需要建立系统来监控、响应并通知工作人员任何出现的问题。灾难恢复规划对于重大故障至关重要，但小问题也必须得到处理。

系统可以设置为在某个区域的服务器或网络设备发生故障时重新路由流量。通过在网络和服务器上均匀分配工作，也可以实现流量负载均衡，以防止拥塞和瓶颈。数据备份、系统冗余和充足的电池备份等措施也可以在发生中断时使情况变得更容易。谷歌将每块数据存储在两台或更多服务器上，并且真正重要的数据会备份到数字磁带。数据中心通常会从多个互联网服务提供商（ISP）获取服务，以增加负载分担和冗余。如果一家公司拥有多个数据中心，在发生彻底灾难时，流量甚至可以完全路由到另一个设施。

为了使系统平稳运行并与当前技术保持同步，设备和软件需要定期升级和更换。老旧系统也必须得到支持，直到它们被替换，希望这能在它们完全淘汰之前发生。数据中心需要一个基础设施，使更换旧设备和采用新技术尽可能容易。

数据中心通常处理大量敏感或专有信息，因此站点必须在物理和数字上都安全。它们可能设有大门、安全门、警报器和安保人员。有些公司甚至不愿透露其数据中心的位置，以及任何可能是商业秘密的设备和设计特征。当硬盘驱动器发生故障需要处置时，它们可能会被擦除并物理销毁，以防止数据落入不法分子之手。网络需要防火墙和其他安全方法来阻止电子入侵者/黑客。

数据中心还需要消防警报器、洒水器或其他灭火系统等应急设备，以保护人员和设备。服务器、风扇和其他设备会产生大量噪音，需要佩戴耳部保护装置，并产生大量热量，需要采取其他员工和设备安全措施。

数据中心必须严格控制环境，并消耗或产生大量电力来维持运行。这些都是昂贵的。

由于服务器和其他设备在极端温度下表现不佳，大多数数据中心都拥有庞大的冷却和气流系统，这些系统消耗大量电力，有时还消耗水。必须安装传感器来监测环境条件，以便进行调整。

问题不仅仅是温度。湿度等因素也必须得到控制。2011年，Facebook的一个数据中心内形成了一团真正的云（而非数字意义上的），导致部分服务器重启，电源因建筑物内下雨而短路。因此，他们修改了建筑管理系统，并使服务器更具耐候性。

服务器机架通常排列成行，形成通道，服务器要么全部面对面，要么全部背对背，以便更有效地控制气流和温度。面对面的通道是冷通道，热通道的空气则相应地被导流。

功耗是另一个主要问题。这些设施绝对需要持续获得充足的电力——有些甚至拥有自己的变电站。衡量数据中心能效的一个指标是电力使用效率（PUE）。它是总能耗除以纯粹用于计算目的的能耗的计算结果。雅虎、谷歌和Facebook的一些大型数据中心的PUE得分约为1.1或1.2，尽管行业内2.0更为常见。这意味着一半的能源用于计算，另一半用于其他任务或浪费[来源：Mone、Levy]。咨询公司麦肯锡（McKinsey & Company）发现，平均而言，数据中心实际仅将其6%到12%的电力用于计算工作，其余的则在等待下一波流量时空闲浪费，这很可能是由于担心延迟和停机而过度配置资源[来源：Glanz]。

为了减少数据中心的电力和其他资源需求，正在进行许多工作。服务器机房过去常保持在华氏60度（摄氏15.6度）左右，但在更节能的数据中心中，趋势是将其保持在华氏80度（摄氏26.7度）左右，至少在冷通道是如此，尽管并非所有人都采用了这种做法[来源：Mone、Levy]。服务器在这种温度下显然运行良好，并且需要较少的冷却相关电力。

使用开放式空气冷却的趋势日益增长，即从外部吸取空气而不是运行大量耗电的空调机组和冷却器。另一个趋势是将数据中心设在易于获取可循环用于冷却的水源附近，例如谷歌在芬兰的数据中心就使用海水。还有一种做法是将数据中心设在寒冷气候地区。

实际计算设备的变化也有帮助。数据中心中的许多组件都会漏电，这意味着它们使用的一些电力从未用于实际处理——它被浪费了。用更新、更节能的型号替换旧服务器显然有帮助。但设备也可以重新设计，以减少功耗。大多数数据中心使用传统的现成服务器和其他设备，但谷歌和Facebook都使用定制服务器。谷歌的设计旨在省去不必要的组件，如显卡，并最大限度地减少电源和稳压器处的功率损耗。包含制造商标志的面板被省略，以允许更好的气流进出组件，并且该公司还制造自己的一些网络设备。

此外，处理器和风扇也可以在不需要时减速。更高效的服务器也倾向于散发更少的热量，进一步减少冷却所需的功耗。最初为移动设备制造但重新设计用于服务器的低功耗ARM服务器也正在进入数据中心。

应用程序的使用量会根据各种软件和Web应用程序在不同时间进行的操作而波动，这些应用程序都有不同的资源需求。应用程序资源管理对于提高效率和降低消耗至关重要。软件可以定制编写，以与系统架构更高效地协同工作。服务器虚拟化还可以通过减少运行服务器的数量来降低功耗。

这些问题不仅是创建和运营数据中心的公司的问题，也是周边社区乃至整个地球的问题。

据估计，2006年美国的数据中心消耗了610亿千瓦时的电力，耗资约45亿美元[来源：Uddin]，2010年则消耗了760亿千瓦时[来源：Glanz]。据报道，它们占全球电力消耗的1%到2%[来源：Levy、Masanet]。据一些说法，某些数据中心由于24/7全负荷运行，浪费了其消耗电力的高达90%以上[来源：Glanz]。这种大规模消耗必然会对环境造成损害。

一家研究公司发现，信息和通信技术产业约占全球二氧化碳排放量的2%[来源：Uddin]。而且一些数据中心的发电机排放的空气污染物废气常常未能达到清洁空气法规的要求。

由于没有专门负责追踪数据中心的政府机构，因此难以强制改变这个行业。但许多大型参与者，包括谷歌、Facebook、微软、苹果、雅虎和eBay，正在其数据中心资源消耗方面取得巨大进展，包括创建节能设计、明智地利用当地资源、努力实现碳中和，以及在某些情况下使用天然气、太阳能或水力发电等更环保的能源发电。

在效率、环保性、成本效益和部署便捷性方面，不断有创新出现。如今，随着谷歌对其数据中心设计的新发现的开放性，以及像Facebook的Open Compute（通过该项目他们与公众分享硬件设计）这样的项目，数据中心巨头们正在披露他们的一些创新，以便小型数据中心（以及我们其他人）也能从中受益。

很难估计我们在线存在的全部影响，因为我们的计算机以及将信息传输到数据中心并从中获取信息的其他网络都必须纳入考量。但是，如果不关注最大、最明显的罪魁祸首——数据中心的能源效率和可持续性，那么云可能会继续产生大量的污染物和温室气体。

尽管存在任何缺陷，数据中心不会消失。我们对信息和媒体内容持续即时访问的渴望，对大量数据共享的需求，将事物从我们自己的机器转移到云端以便从多个设备访问的需求，以及电子邮件、照片和其他数字数据永久存储的需求，都将使它们继续存在。它们很可能为更加互联的未来铺平道路。