云計(jì)算原理-課件 第7章　數(shù)據(jù)中心

《云計(jì)算原理》數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)中心是一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)、管理和處理大量數(shù)據(jù)以及信息的設(shè)施，通常包含了計(jì)算機(jī)服務(wù)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及其他支持這些設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)中心硬件：包括高性能服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。軟件：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和虛擬化平臺(tái)，支持資源管理和數(shù)據(jù)處理。基礎(chǔ)設(shè)施：電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和安全監(jiān)控設(shè)施，確保數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)中心主要組成部分企業(yè)數(shù)據(jù)中心：為特定企業(yè)提供服務(wù)，通常在公司內(nèi)部。云數(shù)據(jù)中心：提供按需訪(fǎng)問(wèn)的云計(jì)算資源，支持多租戶(hù)環(huán)境。邊緣數(shù)據(jù)中心：靠近數(shù)據(jù)源的微型數(shù)據(jù)中心，減少延遲。超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心：由大科技公司運(yùn)營(yíng)，支持大規(guī)模的云計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)中心的類(lèi)型空間布局：采用熱通道和冷通道設(shè)計(jì)優(yōu)化機(jī)柜排列，提升散熱效率。冷卻系統(tǒng)：使用空調(diào)系統(tǒng)和液體冷卻技術(shù)，控制溫度和濕度。電力系統(tǒng)：設(shè)計(jì)冗余電源，使用不間斷電源和發(fā)電機(jī)確保持續(xù)供電。安全性：包括物理安全和網(wǎng)絡(luò)安全。數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與布局?jǐn)?shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)管理監(jiān)控與維護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，定期維護(hù)以確保設(shè)備正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)安全管理：定期備份數(shù)據(jù)，制定訪(fǎng)問(wèn)控制和應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃。能源管理：優(yōu)化能源效率，跟蹤能耗，識(shí)別節(jié)能機(jī)會(huì)。合規(guī)與審計(jì)：確保遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，定期進(jìn)行審計(jì)。水資源管理：冷卻系統(tǒng)需要大量水資源，采用循環(huán)水冷卻技術(shù)以減少水消耗和浪費(fèi)。綠色數(shù)據(jù)中心的興起：采用可再生能源來(lái)降低碳足跡，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。能源效率的提高：數(shù)據(jù)中心正致力于提升能源使用效率，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備配置和冷卻系統(tǒng)，降低整體能耗。可持續(xù)數(shù)據(jù)中心《云計(jì)算原理》王

鵬倉(cāng)儲(chǔ)級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的未來(lái)倉(cāng)儲(chǔ)級(jí)計(jì)算機(jī)（Warehouse-ScaleComputersm,WSC）是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的核心，處理和存儲(chǔ)大規(guī)模數(shù)據(jù)。WSC在提高計(jì)算效率和數(shù)據(jù)管理中扮演關(guān)鍵角色。是機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析的中心，推動(dòng)了計(jì)算架構(gòu)的發(fā)展。集群技術(shù)與WSC集群技術(shù)使得WSC能夠?qū)?fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，通過(guò)分組提高WSC的計(jì)算效率。監(jiān)督學(xué)習(xí)在WSC中用于訓(xùn)練模型，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)用于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式。WSC的物理特性WSC的物理規(guī)模巨大，需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)施來(lái)維持其運(yùn)行。冷卻系統(tǒng)和能源管理是WSC設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和效率。WSC的成本與基礎(chǔ)設(shè)施WSC的建設(shè)成本包括電力、冷卻和服務(wù)器，這些都是長(zhǎng)期投資。基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要考慮到WSC的擴(kuò)展性和維護(hù)成本。WSC的網(wǎng)絡(luò)需求WSC需要高速網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速傳輸和處理。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響WSC的性能和可靠性。WSC的服務(wù)提供WSC為云服務(wù)提供支持，存儲(chǔ)和處理來(lái)自全球用戶(hù)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心的服務(wù)能力決定了其能夠支持的用戶(hù)數(shù)量和服務(wù)質(zhì)量。WSC的硬件與軟件WSC的硬件和軟件需要高度同質(zhì)化，以便于管理和優(yōu)化。硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和軟件的自動(dòng)化管理是WSC高效運(yùn)行的關(guān)鍵。WSC的未來(lái)趨勢(shì)未來(lái)WSC將面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如量子計(jì)算和邊緣計(jì)算的崛起。WSC的發(fā)展將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心技術(shù)的進(jìn)步，影響未來(lái)的計(jì)算架構(gòu)?！对朴?jì)算原理》王

鵬數(shù)據(jù)中心的供電設(shè)施最佳供電設(shè)置缺點(diǎn)四級(jí)數(shù)據(jù)中心的最佳目標(biāo)是有兩個(gè)來(lái)自于不同設(shè)施或至少兩個(gè)主要變電站，這將提供兩個(gè)完全冗余的電源鏈。在經(jīng)濟(jì)成本上這種設(shè)計(jì)不可行。流行方法目前最受歡迎的選擇是備用公用電源供電系統(tǒng)，配備柴油發(fā)電機(jī)。在數(shù)據(jù)中心中，公用電源和發(fā)電機(jī)電源上安裝了一系列開(kāi)關(guān)，用于為所有設(shè)備提供一定程度的冗余保障。數(shù)據(jù)中心縮略視圖本圖展示了數(shù)據(jù)中心的電力分配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含了主電源、備用發(fā)電機(jī)和不間斷電源等關(guān)鍵部件，以確保數(shù)據(jù)中心的設(shè)備在各種情況下都能夠持續(xù)運(yùn)行。市電供電市電通過(guò)公用配電變電站提供，電壓范圍可以從2千伏到30千伏以上，配備可以降低電壓至480伏的變壓器。交流開(kāi)關(guān)設(shè)備變壓器將電力傳輸?shù)阶詣?dòng)切換開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)的作用是檢測(cè)當(dāng)由于電壓降低、停電或短期電力波動(dòng)等原因?qū)е聛?lái)自市電的電力不再充足時(shí)的情況。如果市電波動(dòng)，轉(zhuǎn)換器會(huì)中斷傳輸并向備用發(fā)電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。UPS有一個(gè)稱(chēng)為備用電源的不間斷電源（UPS）。UPS可以是電池或飛輪系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)都存儲(chǔ)指定量的能量，以在市電斷電和發(fā)電機(jī)啟動(dòng)之間提供電力。飛輪UPS通常能維持幾分鐘，而電池系統(tǒng)通常為15分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間。供電區(qū)別較久的數(shù)據(jù)中心通常采用208V供電新的數(shù)據(jù)中心采用400V電壓供電《云計(jì)算原理》王

鵬數(shù)據(jù)中心的制冷設(shè)施服務(wù)器在處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)消耗大量電力，這些能量轉(zhuǎn)化為熱量。制冷設(shè)施是防止電路板過(guò)熱、確保設(shè)備正常工作的關(guān)鍵。有效的制冷設(shè)施能夠降低能耗，提高整體能源使用效率。隨著數(shù)據(jù)處理需求增加，制冷設(shè)施要能夠滿(mǎn)足高密度計(jì)算環(huán)境的冷卻需求，才能額保障系統(tǒng)性能。制冷設(shè)施的重要性

空氣冷卻機(jī)架依靠空氣流動(dòng)來(lái)移除服務(wù)器產(chǎn)生的熱量。冷空氣從機(jī)架前面進(jìn)入，經(jīng)過(guò)服務(wù)器時(shí)吸收熱量，然后通過(guò)機(jī)架后面的排氣口排出熱空氣。機(jī)架設(shè)計(jì)有多個(gè)風(fēng)扇，配備空氣過(guò)濾器，減少灰塵和雜質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響。適用于低到中等熱負(fù)荷的環(huán)境。Air-CooledRacks液冷機(jī)架利用液體直接冷卻服務(wù)器。冷卻液通過(guò)管道系統(tǒng)流經(jīng)機(jī)架中的熱交換器或冷卻板，從而帶走熱量。液體具有較高的熱容量，相比空氣，液體能夠更有效地傳導(dǎo)和散熱，在高密度計(jì)算環(huán)境中表現(xiàn)尤為優(yōu)越。液冷機(jī)架能夠減少對(duì)大功率空調(diào)系統(tǒng)的依賴(lài)，降低整體能耗，提升數(shù)據(jù)中心的能源使用效率。Liquid-CooledRacks升高地板在地板與基礎(chǔ)之間創(chuàng)建了一個(gè)空氣通道，冷空氣可以從地板下方流入機(jī)架。通過(guò)合理利用地面空間，提高設(shè)備的密度和布置效率，使得數(shù)據(jù)中心的空間得到最大化利用。通過(guò)促進(jìn)冷空氣流動(dòng)，減少設(shè)備周?chē)臒岱e聚，從而降低過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，提升整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。RaisedFloors通過(guò)封閉機(jī)架前面的冷通道，確保冷空氣從空調(diào)系統(tǒng)直接流向服務(wù)器機(jī)架。冷空氣從冷通道的下方進(jìn)入，經(jīng)過(guò)機(jī)架的前面吸入服務(wù)器，帶走熱量，然后將熱空氣從機(jī)架后面排出。通過(guò)減少冷空氣和熱空氣的混合，增強(qiáng)了空氣流動(dòng)的有效性，減少空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，從而降低能源成本。ColdAisleContainment通過(guò)封閉機(jī)架后面的熱通道，將熱空氣集中引導(dǎo)至空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)器將熱空氣從機(jī)架后面排出，該熱空氣通過(guò)通道引導(dǎo)至專(zhuān)門(mén)的冷卻設(shè)備，防止熱空氣回流到冷通道。通過(guò)有效控制熱空氣流動(dòng)，增強(qiáng)冷卻設(shè)備的工作效率。HotAisleContainmentCRAC是專(zhuān)為數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)的空調(diào)設(shè)備，其主要功能是提供精確的溫度和濕度控制。通過(guò)風(fēng)扇將冷空氣送入機(jī)架前面，冷空氣經(jīng)過(guò)服務(wù)器時(shí)吸收熱量后，從機(jī)架后面排出CRAC單元能夠根據(jù)數(shù)據(jù)中心的需求精確調(diào)節(jié)溫度和濕度，采用高效的熱交換技術(shù)，快速移除設(shè)備產(chǎn)生的熱量。機(jī)房空調(diào)單元CRAC《云計(jì)算原理》王

鵬數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與演變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心的重要性提供高帶寬和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，支持大量數(shù)據(jù)的快速流動(dòng)。確保各類(lèi)設(shè)備（如服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）之間的可靠連接。實(shí)現(xiàn)流量負(fù)載均衡和動(dòng)態(tài)資源分配，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心性能。支持虛擬化技術(shù)，使多種應(yīng)用和服務(wù)在同一基礎(chǔ)設(shè)施上高效運(yùn)行。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概述三層架構(gòu)接入層：連接終端設(shè)備（如服務(wù)器和工作站），負(fù)責(zé)設(shè)備的接入和初步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。匯聚層：匯總來(lái)自接入層的數(shù)據(jù)流，執(zhí)行策略和負(fù)載均衡，優(yōu)化數(shù)據(jù)流向核心層。核心層：提供高速、低延遲的骨干連接，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送至外部網(wǎng)絡(luò)或不同的數(shù)據(jù)中心。傳統(tǒng)多層架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：清晰的層次結(jié)構(gòu)良好的可擴(kuò)展性高性能缺點(diǎn)：性能瓶頸復(fù)雜的配置高成本單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求動(dòng)態(tài)資源調(diào)配高可用性海量數(shù)據(jù)處理能力低延遲特性靈活擴(kuò)展性?xún)?nèi)置安全機(jī)制

Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Clos網(wǎng)絡(luò)是一種分層交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由CharlesClos提出。高性能連接：Clos網(wǎng)絡(luò)適用于大規(guī)模連接，提供高帶寬和低延遲的通信。模塊化結(jié)構(gòu)：通過(guò)接入階段、中間階段和出口階段的分層設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。無(wú)阻塞特性：在高流量條件下保持高效性能，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖枞?。Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的三個(gè)階段接入階段(IngressStage)：每個(gè)接入層交換機(jī)連接到所有中間層交換機(jī)，確保數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。中間階段(MiddleStage)：由多個(gè)中間層交換機(jī)構(gòu)成，提供高帶寬和低延遲的連接，為接入層和出口層之間的數(shù)據(jù)傳輸提供支持。出口階段(EgressStage)：。出口層交換機(jī)同樣連接到所有中間層交換機(jī)，確保高效的數(shù)據(jù)輸出，支持負(fù)載均衡和冗余。電子與光學(xué)技術(shù)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義：利用電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)利用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更低的延遲。高帶寬：光學(xué)傳輸可以支持更高的數(shù)據(jù)速率低延遲：光纖傳輸相比傳統(tǒng)電纜具有更低的信號(hào)延遲能效：相較于電信號(hào)，光學(xué)技術(shù)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)能耗更低。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的未來(lái)趨勢(shì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)：SDN允許動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源，以適應(yīng)變化的流量需求。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)：將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（如路由、負(fù)載均衡等）從專(zhuān)用硬件中解耦，部署為虛擬化的服務(wù)，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性。光學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用：未來(lái)網(wǎng)絡(luò)將更多地采用光纖技術(shù)，以提供更高帶寬和更低延遲的連接。《云計(jì)算原理》王

鵬數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器服務(wù)器類(lèi)型通用服務(wù)器：用于運(yùn)行各種應(yīng)用程序和服務(wù)。存儲(chǔ)服務(wù)器：專(zhuān)門(mén)用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的服務(wù)器。高性能計(jì)算服務(wù)器：用于處理大規(guī)模計(jì)算任務(wù)和科學(xué)計(jì)算。GPU服務(wù)器：配備GPU的服務(wù)器，用于深度學(xué)習(xí)、人工智能等需要大量并行計(jì)算的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：用于網(wǎng)絡(luò)流量管理、負(fù)載均衡等網(wǎng)絡(luò)相關(guān)任務(wù)的服務(wù)器。聯(lián)想數(shù)據(jù)中心服務(wù)器ThinkSystem系列：主打服務(wù)器系列，包括塔式服務(wù)器、機(jī)架式服務(wù)器和刀片服務(wù)器。ThinkAgile系列：結(jié)合了計(jì)算、存儲(chǔ)和虛擬化功能，提供簡(jiǎn)化的IT基礎(chǔ)設(shè)施管理和部署。ThinkServer系列：適用于中小型企業(yè)和辦公環(huán)境的服務(wù)