关于“数据中心”的入门科普

数据中心 ，数据中心英文缩写叫IDC ，关于也就是门科Internet Data Center(互联网数据中心)。

之所以不太直接称之为“DC” ，数据中心主要是关于为了避免和交流电(Direct Current)混淆 。而且，门科现在的数据中心数据中心普遍都接入互联网 
，以互联网业务为主 ，关于所以，门科叫“IDC”也更准确。数据中心

从作用上来看
，关于数据中心就是门科一个超大号的机房 ，服务器租用里面有很多很多的数据中心服务器，专门对数据进行集中管理(存储 、关于计算 、门科交换) 。

根据业界机构统计，2020年全球经数据中心处理的数据流量高达15.3ZB(1ZB≈10亿TB) ，占全球总流量的99.35%。也就是说，几乎所有的互联网数据 ，都离不开数据中心的处理，亿华云由此可见其重要性 。

按现在比较流行的说法 
，数据中心是像水厂 、电厂一样的重要基础设施，是数字经济的动力引擎，也是国家和社会发展的支撑底座 。

数据中心的发展阶段

我们先来看看数据中心的发展历史 。源码下载

上世纪60年代的时候
，人类还处于大型机时代。那时，为了存放计算机系统 、存储系统和电力设备，人们修建了机房 ，并将其称为“服务器农场”(Server farm)。

这个“服务器农场”，被认为是数据中心的最早原型 。

到了90年代 ，随着互联网的诞生和蓬勃发展，很多公司开始推行信息化 。香港云服务器他们建设自己的网站 ，还搭建了大量的邮件、FTP、OA办公自动化等服务器 。

有些公司将服务器放在企业内部的机房。也有些公司，因为服务器不多，但又不愿意放在办公室(噪音大 、容易断电、安全性低)  ，于是，就“托管”在运营商机房，高防服务器租用运营商的场地 、电力、网络带宽
，让对方代为管理和维护。

数据中心的早期阶段(第一阶段)

于是，数据中心的概念开始逐渐形成。1996年 。一家名叫Exodus的美国公司(专门从事机房设施建设和带宽服务) ，最早提出了“IDC”这个叫法 。

这就是IDC数据中心发展的建站模板早期阶段。

1997年，苹果公司推出了一款名叫“Virtual PC(虚拟PC)”的虚拟机软件 。后来，VMWare也推出了现在大名鼎鼎的VMWare Workstation，标志着虚拟机时代的到来，为数据中心的演进打下了基础
。

随着时间推移 
，第一代数据中心的托管服务开始精细化
，从完整的服务器主机托管 ，延伸出了网站托管，出现了虚拟主机服务。

也就是说，在某一台服务器上，通过虚拟主机软件 ，虚拟出N个网站主机 ，出租给N个客户使用。

除了网站之外，还出现了数据存储空间租用等多样化的服务。这就是IDC数据中心的第二个阶段 。

数据中心的第二阶段

再往后，到了20世纪初，亚马逊、谷歌等公司提出了云计算 ，从而将数据中心带入了第三个阶段(云计算阶段)
 ，持续至今 。

云计算阶段 ，是第二阶段的升级演进 。它通过虚拟化技术、容器技术 ，彻底实现了数据中心服务器算力资源的池化。所有的CPU、内存、硬盘等资源
，都由更为强大的虚拟化软件管理 ，然后分配给用户使用
。

从物理硬件出租 ，进化为虚拟硬件出租，甚至软件平台出租
、服务出租。IaaS、PaaS、SaaS，就这样出现在我们面前 。

数据中心的第三阶段(云计算阶段)

数据中心的组成结构

接下来，我们再看看数据中心到底由哪些部分组成 。

前面小枣君说了，数据中心就是一个大机房。所以，从硬件种类上来说，数据中心和我们以前经常看到的企业内部机房差不多
，只不过规格、档次和管理级别更high level一点。

数据中心内部

整体来看 ，数据中心的硬件分为两类，分别是主设备和配套设备。

主设备 ，是真正实现计算和通信功能的设备，也就是以服务器 、存储为代表的IT算力设备 ，以及以交换机、路由器、防火墙为代表的通信设备。

配套设备，则是为了保证主设备正常运转而存在的底层基础支撑设备(也包括一些设施)。

底层基础支撑设备设施
，又分为多种，主要是供配电系统和散热制冷系统 ，另外还有消防系统、监控系统、楼宇管理系统等
。

主设备

我们先看看主设备
。

数据中心最基础的主设备
，当然是服务器。服务器其实也就是个高性能计算机，大家应该都见过 ，里面和台式机一样 ，是CPU、内存、主板 、硬盘
、显卡(GPU) 、电源等。

某型号服务器正面视角

以前，服务器基本上都是Intel架构(更早的时候，还有PowerPC 、SPARC等)。如今
，随着国家政策变化，国产CPU崛起
，占据越来越多的份额 。这些国产CPU采用ARM架构 ，性价比更高，成本更低  。

服务器，一般都摆放在机架(也叫机柜)上。

服务器机架

一个常见标准机架，高度尺寸通常是42U。U是一种表示服务器外部尺寸的单位，是unit的缩略语 ，1U等于4.445cm 。机架宽度的话 ，有600mm或800mm。

机架的深度有很多种，包括600mm
、800mm
、900mm、1000mm
、1200mm等。通常来说，IT设备(服务器)机架的深度更深(1100mm或1200mm)，而通信设备的深度会浅一些(600mm) 。

IT设备和通信设备的机架深度对比

机架里面的IT设备 ，除了服务器之外，还有磁盘阵列这样的专业存储设备。

现在到处都讲大数据，我们人类产生的数据量每年都在激增，也就增加了对存储设备的数量和性能要求。

大家应该都知道
，现在主流的计算机存储硬盘分为HDD和SSD两种
。HDD就是我们传统的机械硬盘，而SSD是逐渐开始普及的固态硬盘。

SSD属于半导体存储器，存储速率快
 ，体积小，非常受欢迎。但是，它的价格昂贵。对于数据中心来说 ，出于性价比考虑，HDD仍然是主流选择。而SSD
，目前主要用于高端客户
、高性能需求业务。

除了IT算力设备之外 ，就是交换机、路由器、防火墙等数据通信设备了 。

说到交换机 ，就要提到一个名词——TOR，Top of Rack。

TOR交换机，是数据中心领域的常见名词。顾名思义 ，就是机架顶部交换机的意思
。这类交换机 ，是数据中心最底层的网络交换设备 ，负责连接本机架内部的服务器 
，以及与上层交换机相连  。

TOR交换机的位置

事实上，机架交换机并没有说一定要放在机架顶部。它既可以在机架顶部 
，也可以在机架的中部或底部。之所以通常放在顶部  ，只是因为这样最有利于内部布线 。

机架再往上，就是一排机架、N排机架 。将这些机架和服务器连接起来，就需要数据中心组网技术。

现在最流行的数据中心组网架构 ，就是叶脊网络(Spine-Leaf)
。我有文章(链接)专门介绍
，这里就不废话了。

叶脊网络架构

值得一提的是，现在数据中心为了高带宽传输数据 ，普遍使用光纤替代网线。所以，光纤 、光模块和光通信设备(OTN等)
，成为数据中心重要的组成部分 。

尤其是光模块
，高速率光模块(例如400G)价格很昂贵，占了数据中心很大一块成本，制约了发展。

光模块

现在还有一个比较流行的光通信名词，叫做DCI，也就是Data Center Inter-connect(数据中心互联)。现在流行分布式部署，数据中心之间的数据流量很大 ，对带宽要求很高。

所以 ，运营商和云服务商就搞DCI ，建设数据中心之间专门的光通信骨干网
，是很大一块市场。

我们国家搞的那个“东数西算” ，就涉及到数据中心的互联互通
，对DCI相关市场有不可忽视的刺激作用。

光通信骨干网设备

配套设备

接下来，我们看看数据中心的配套支撑设备和设施
。

先看供配电 。

供电是数据中心正常运作的基础。没有电 ，数据中心就是废铁
。

数据中心的配电设备，主要作用就是电能的通断 、控制和保护。最主要的配电设备
，就是配电柜
。

数据中心配电柜分为中压配电柜和低压配电柜。中压配电柜主要是10kV电压等级，向上接入市电，向下接低压配电柜 。低压配电柜主要是400V电压等级，对电能进行进一步的转换 、分配、控制、保护和监测。

数据中心供配电示意图(案例)

数据中心低压配电柜(图片来自网络)

除了配电柜之后，为了保证紧急情况下的正常供电 ，数据中心还会配备大量的UPS(不间断电源)甚至柴油发电机组。

“UPS+市电”是传统的供电方案 。现在，更流行的是“HVDC+市电”的方案
。

HVDC是High Voltage Direct Current，高压直流输电。它和UPS之间的区别涉及到较为复杂的强电知识 ，后续有机会再专门介绍。

总之，“HVDC+市电”的可靠性和安全性更高 ，供电效率强于“UPS+市电” ，是不间断电源的主流发展趋势 。

我们简单说说-48V和220V 。

有过ICT行业实际从业经验的同学们都知道 ，服务器这样的IT设备通常是使用220V交流电 ，而核心网
、无线等通信设备则更多使用的是-48V直流电 。

市电供电，一般都是交流。数据中心，一般既会提供-48V直流 
，也会提供220V交流(通过AC-DC转换和DC-AC逆变转换)。

事实上 ，直流现在正成为更多数据中心的选择(例如谷歌)
，因为直流的损耗更小 
，对电能的利用率更高 ，符合现在数据中心高算力下的高能耗发展趋势。

再来看看散热制冷 。

制冷系统是数据中心除了主设备之外的第二大耗能主体
。关于数据中心的耗电数据 ，我在“东数西算”那篇文章中有详细介绍，这里就不多说了。

目前
，数据中心制冷主要包括两种方式
，一种是风冷，另一种是液冷 。

风冷一般采用风冷空调系统。和我们家用空调一样，数据中心风冷空调也分为室内机和室外机。相对来说，技术成熟，结构简单 ，容易维护
。

液冷
，是采用液体作为冷媒 ，进行降温散热 。

液体的导热能力是空气的25倍，相同体积下，液体带走的热量是空气的近3000倍。从噪音角度来看 ，同等散热水平下，液冷的噪音比风冷降低20-35分贝。从能耗的角度来看
，液冷比风冷节约电量30%-50% 。

目前 ，液冷技术被行业普遍看好，但仍处于探索阶段。从总体来看，液冷的市场前景非常广阔，据称市场规模超过千亿。

关于制冷和散热，值得一提的是，机柜池级、排级和机柜级等近端制冷方式，正在崛起 ，成为新建数据中心的主流选择 。

传统的制冷都是房间级，对整个机房进行空调制冷 ，这种方式制冷路径太长，效率太低 ，无法满足高功耗设备的散热需求，能耗也很大。

机柜池级、排级和机柜级，是以一个机柜池、一排机柜或者单个机柜为中心 ，进行散热设计  。

机柜排级散热，以一排机柜为对象，进行风道设计。

这种方式，气流路径明显缩短，散热效率很高。

除了配电和散热制冷之外 ，数据中心还有一些和管理运维有关的设备设施 ，例如动环监控系统、楼宇自动控制系统、消防系统等  。

动环监控，就是动力和环境监控，实时监测和管理数据中心运行状态的。

这些年 ，在传统动环监控系统的基础上，开始演进出了DCIM  。

DCIM全名叫做Data Center Infrastructure Management，是知名咨询公司Garter提出来的 。它的管理范围更为全面 ，采用工具监控
、管理和控制数据中心的所有IT主设备以及配套基础设施。

数据中心的消防系统比较有意思 。因为机房里都是电子设备，所以发生火灾的话 ，肯定不能直接喷水
、泡沫或粉尘 。

那怎么办呢?气体灭火。

出现火灾后，火灾和烟雾传感器的警铃响起 ，然后，机房区域可以释放氩气 、氮气这样的惰性气体，剥夺火焰中的氧气
，实现灭火(大约几十秒就能搞定)。

气体灭火(图片来自网络)

模块化数据中心

数据中心是一个庞大的系统，建设过程非常复杂繁琐，工期也很长 。这些年 ，为了更快速、更灵活地部署数据中心
，厂商推出了模块化数据中心的概念。

说白了  ，就是将数据中心的结构系统 、供配电系统、暖通系统
、消防系统 、照明系统 、综合布线等进行集成 ，变成一个一个的“积木”。然后 ，将“积木”运送到现场后，进行简单吊装 、搭建
，就可以完成建设和部署 。

采用这种方式，大型数据中心的建设周期从18-24个月压缩成了6个月左右，经济效益明显 。

模块化数据中心(模型)

结语

好了  ，以上就是关于数据中心的介绍。

正如我前文所说，数据中心是数字时代重要的信息化基础实施 ，是算力的重要载体 ，直接决定了国家的数字竞争力。

在“东数西算”战略的带动下，国内数据中心将迎来又一波发展热潮。根据数据统计 ，2022年我国数据中心业务市场规模将达到3200.5亿元，年均复合增长率高达27.0%
。2025年，国内数据中心IT投资规模有望达到7070.9亿元 。

除了数量激增之外 
，数据中心正在向绿色化、智能化的方向发展
，积极引入AI人工智能，提升能效 ，降低运营复杂度。

未来，数据中心是否会出现新的形态变化，让我们拭目以待吧!

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