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《通信技术导论(原书第5版)》——2.2 下一代数据中心:虚拟化和千兆比特速率

简介: 本节书摘来自华章出版社《通信技术导论(原书第5版)》一书中的第2章,第2.2节,作者:[美]安娜贝尔Z.多德(Annabel Z. Dodd)著 唐艳华 张选涛 译 赵志 审校,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

本节书摘来自华章出版社《通信技术导论(原书第5版)》一书中的第2章,第2.2节,作者:[美]安娜贝尔Z.多德(Annabel Z. Dodd)著 唐艳华 张选涛 译 赵志 审校,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.2 下一代数据中心:虚拟化和千兆比特速率

数据中心存放企业的数据和语音电话包括电子邮件和会计等应用程序。大多数的数据中心专门配备冷却、火灾报警、安全进入和备用电源。公营及私营机构、云设施和运营商网络均设有自己的数据中心。
下一代数据中心支持:
设备间千兆比特速率通信。
虚拟化减少了存储文件和运行应用程序的物理服务器的数量。
2.2.1 数据中心的私有云
企业和商业机构对于将数据中心的功能移至云端持谨慎态度。正如第1章详细介绍,安全性、可移植性和数据控制权的丢失是它们担心的主要原因。但是IT主管在首席执行官和首席财务官压力下,要求数据中心的运行能像云提供商一样高效和节省成本。例如当IT部门为工作人员、软件或设备申请资金时,高层管理人员可能会说使用云提供商会便宜很多。此外,经济衰退使企业小心每一笔支出。随着技术的改进,所有这些因素形成的推动力改善了现场数据中心的运营效率。
简化数据中心的操作通常称为私有云。提高企业效率的最佳途径之一是将以前放在许多远程办公室和部门的功能合并到中央数据中心。集中化和简化数据中心操作在很大程度上依赖于存储、服务器和交换机的虚拟化。数据网络速度的提升是创建私有云的另一个主要动力。
虚拟化使集中应用程序和存储更经济,而不是分别在各个部门、远程销售部和分支机构安装复杂的应用程序以及随之而来的维护需求。高速网络利用广域网和应用加速软件,确保从分支机构远程访问应用程序不会有较大的延迟。关于广域网加速和虚拟化的说明,请参阅第1章。
因此“私有云”是指私人公司以类似云服务提供商的方式向最终用户提供服务。除了降低成本,它们的目标是使应用程序像谷歌的Gmail一样容易使用,例如建立开放标准、尽可能地规范化应用程序、为用户培训和维护成本降至最低。此外,通过努力确保每个人都使用相同版本的软件包,所有的技术支持人员的工作都基于相同的软件,并且只学习最新的软件版本。基于网页的自动跟踪销售流程的应用程序Salesforce软件就是如此。Salesforce由Oracle公司所有。
随着标准化和简化,尽可能多的功能正在实现自动化。有些软件包通过自动回答问题来简化服务台功能。此外,支持应用程序数量的减少提高了效率,因为更少的应用程序意味着需要更少的员工。自助服务在数据中心自动化中是一个关键概念。当有人需要更多的计算能力或附加服务时,只要他提供部门的授权码,那么扣费软件就可以直接向这个部门收取费用。
私有云模式和统一实体的影响
人们希望将虚拟化技术和管理数据中心作为统一的实体,促使企业尝试从具备可以与计算、交换和存储系统进行互操作的设备和软件的提供商处寻求解决方案。为实现这一点,许多大型制造商与提供配套产品的其他厂商和采购公司之间结成联盟。
使用来自同一制造商或有合作协议制造商的设备,通常称为提供一个统一架构。这些服务提供了一种管理水平、诊断能力水平、应用水平、解决问题、通过统一的软件包轻松地实现在物理服务器之间移动虚拟机的方法。它也有希望排除一些用户投诉问题的诊断,因为技术人员不能确定问题的原因是否出现在网络、设备,还是软件。
以下是一些示例。
思科系统公司、EMC公司和VMware公司(EMC拥有)已经创建了一个关于网络化、虚拟化和存储设备合作的联盟。
惠普(HP)收购了3Com来扩大交换机生产线。HP也收购了为中小企业提供虚拟化存储阵列服务的LeftHand公司。
Juniper公司与戴尔公司和IBM公司建立代工生产(OEM)合作伙伴关系。OEM协议是指允许厂商把自己的品牌名称贴在由其他制造商研发的设备上。
使用存储区域网络来备份计算机文件
企业用存储区域网络(SAN)来存档专用计算机上的文件和数据库的副本。这些文件和数据库通常存储在本地的企业另一个网站上或是第三方管理的网站上。因此文档在计算机故障或自然灾害事件中可以恢复。
往往,只有文件中的变化部分才会在夜间通过使用数据线的空闲带宽上传备份。随着局域网和广域网变得更强大,SAN开始使用磁盘镜像来实时备份文件。磁盘镜像是指同时向备用和主用服务器写入数据,即使发生故障时也可以保存和更新最近的更改。
数据中心的SAN
此外,SAN是数据中心每天操作的主要部分。用于存储的硬盘驱动器越来越小,但是功能越来越强,并且进行了高密度的配置。小型磁盘驱动器连接起来组成一个阵列,使它们以磁盘显现到网络上。这些阵列称为独立磁盘冗余阵列(RAID)。这样做的好处就是当一个驱动器濒临失败时,它的内容会自动转移到其他正常运行的驱动器阵列中。
硬盘驱动器尺寸的减小使企业机构可以在更小的空间内存储更多的数据。在数据中心,交换机将存储系统与计算系统(应用程序)连接。在大型企业中,由一个专业团队管理存储。
SAN与运行操作系统和应用程序的物理服务器进行通信。实施虚拟化减少了服务器的无序扩张(见1.10节)。在虚拟主机的物理服务器中,像SAN一样配置操作系统存储和运行应用程序,而不是数据库。
一款名为虚拟机管理程序的软件向服务器上运行的应用程序分配内存、磁盘空间、中央处理能力和网络连接。如果在数据中心只有一台物理服务器在虚拟机上运行应用程序,那么物理服务器本身也称为SAN。
与运行虚拟技术的物理服务器连接的交换机管理如下通信:
物理服务器上的应用程序和访问的用户。
数据中心的物理服务器。
虚拟机上的应用程序和用于管理和解决数据中心问题的应用程序。
交换机同时运行安全操作来保护应用程序免受未经授权用户的攻击。由于物理服务器和其他设备之间高频率的通信,所以需要比物理服务器更多的交换机。
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商用服务器的存储容量:一种降低成本的方法
替代单独的SAN方法是使用商用服务器的硬盘驱动器来存储数据库和其他文件。谷歌的云服务产品首创商用服务器存储。它使用先进的软件来跟踪和识别在服务器上存储的文件。该软件为每个文件配置唯一的标识符,并将其发送给应用程序以便访问。由于它的成本较低,其他的云服务提供商包括亚马逊也使用这种存储方法,而不是传统的SAN。
2.2.2 局域网通信协议
所有网络设备之间的通信需要遵循相同的协议,这些设备可能位于同一楼层之间、建筑之间,甚至是洲与洲之间。通过提供统一的通信方式,可以简化设备、应用程序和网络之间的连接过程。以太网和TCP/IP是这些协议中最常见的。在SAN中使用光纤通道。
用于网络接入的以太网开放式标准
以太网遵循802.3开放式标准协议,由非盈利性标准组织—电气和电子工程师学会(IEEE)批准。如个人电脑和打印机之类的设备通过该协议接入局域网,并可以从有线和无线局域网中检索数据包。在以太网中的每个设备都有一个地址,称为媒体访问控制(MAC)地址。交换机使用MAC地址将消息发送到局域网连接的设备。
以太网是第一个被广泛采用的局域网接入方案。因为它基于一个开放的标准,所以被制造商广泛采用。在20世纪80年代,公司内部的各部门开始使用同轴电缆将他们的计算机连接在一起组成以太网,以便可以实现如会计、财务跟踪以及打印机等资源共享。继1990年通过局域网新的UTP电缆标准后,出现了重量更轻、成本更低的非屏蔽双绞线对(UTP)电缆。更轻、更灵活的UTP布线极大地简化了局域网内的安装和移动计算机。
以太网是异步协议。异步协议并不为每组数据包指定开始和结束时间。所有连接到网络的设备在数据准备完成以后就进行发送。
以太网的简单性使它可以直接将设备连接到网络上。所有这一切只需要具有连接以太网线的电缆接口(端口)和将设备连接到配线间交换机的上网软件的电脑。由于网络流量的不确定性,以太网网络容量通常按运行时的流量不能超过最大流量的一半配置。
使用TCP/IP作为连接协议
以太网是数据包访问局域网(LAN)以及从本地网络检索数据包的一种方法,而TCP/IP用于将局域网(LAN)连接起来,并且在网络之间及互联网上路由数据包。为了共享电子邮件和文件,人们需要将多个局域网连接起来发送邮件和共享文件,那么来自不同制造商生产的局域网之间的兼容性就成了问题。为克服不兼容问题和管理局域网上的信息流,TCP/IP协议就成为一个受欢迎的选择。
路由器是用来为单个局域网之间和局域网到互联网之间传送数据包。路由器根据数据包的IP地址来进行转发。IP地址被分配给各个网络和服务器。
2.2.3 网络存储区域的光纤通道
光纤通道是由美国国家标准学会(ANSI)批准的一组开放协议,专为如SAN等数据密集型网络产生的繁重流量而设计。它是点对点协议,即数据直接从一个点(计算机)传送到另一个点(也许是磁盘存储器)。由于其具有大量传高速传输数据的能力,所以在通常情况下光纤通道被用于大多数的SAN中。
与物理服务器相连的交换机使用与SAN通信的光纤通道专用的以太网端口。因此那些需要访问数据的服务器就可以和存储企业数据库的磁盘互相通信了。
2.2.4 服务器和存储虚拟化
应收账款的应用是访问数据库应用的一个示例。这些应用可能需要从中央数据库来检索供应商的地址信息。但是驻留着数据库的SAN可能采用光纤信道,这就需要网关在以太网交换机和SAN之间进行转换。
下面示例演示了在虚拟机、SAN网络和终端电脑上的应用程序间的通信链。
1)一个企业员工从电脑上发出请求,通过局域网观看培训视频。
2)该请求被发送到一台物理服务器上虚拟机中的视频应用程序。
3)应用程序为在数据中心SAN数据库中的视频发出了应答。
4)与相应服务器相连的交换机将请求转发给光纤通道对应端口的SAN磁盘上。
5)一旦接收到该视频,交换机就将视频通过以太网端口发送到请求它的计算机中,并将员工的电脑和视频应用连接起来。
在上述情况下,数据中心支持两种接口:交换机和服务器上的以太网接口和光纤通道接口,以及每个接口对应的电路板卡和电缆。图2-1中进行了说明。
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安装在物理服务器上的虚拟交换机
虚拟交换机可以作为软件而不是独立的硬件安装在物理服务器上。这将虚拟机上运行的应用程序与数据中心的其余部分更紧密地连接起来。使用虚拟交换机,管理软件可以将物理服务器上每个应用程序作为独立的实体。因此它使问题解决的方式更加简单。服务器还配备了与其他以太网连接设备通信的以太网接口,以及与SAN的光纤通道接口(端口)通信的端口。
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2.2.5 以太网光纤通道
以太网光纤通道(FCoE)协议是一个由ANSI于2009年批准的开放标准。它可以让SAN光纤通道无需协议转换就与10Gbit/s以太网网络之间进行通信。其目标是简化数据中心的结构和通信。在FCoE中,以太网协议技术逐渐增强,从而避免发生拥塞时数据包的丢失。FCoE目前支持10Gbit/s的速度,并计划在未来支持更高的速度。FCoE的接口称为聚合网络适配器(CNA),如图2-2所示。
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FCoE将光纤通道帧封装到以太网帧中。在以太网帧中封装的光纤通道帧的开头和结尾增加了以太网比特位。在光纤通道帧头增加了以太网的帧头,而帧尾增加了以太网的结束标志和差错检验位。
实施FCoE目标是用更少类型的端口搭建更简单的网络以提高端口的利用率。我们相信这将迈出降低企业内部网络复杂性的一步。因为同样的网络接口(端口)还可用于以太网和SAN之间的通信,所以如果再将虚拟交换机和物理服务器结合,那么它将减少空间、功耗和制冷量需求。
2.2.6 FCoE的成本和操作问题
在FCoE实施的初期阶段,尽管它有优势—尤其是对于大型企业—但同样存在规模和成本问题。与常见的产品推出初期一样,其价格也高。另外,旧的交换机与该协议存在不兼容问题,因此实施该协议可能需要新的硬件。
此外,对工作人员来说,这是一个学习过程。在大型数据中心有独立的团队专门处理存储问题,而另外的团队专门处理网络问题。然而当实施FCoE时,网络和存储团队的功能重叠,从而需要团体一起协作实施和管理FCoE服务。
2.2.7 网络操作系统
局域网网络操作系统(NOS)软件安装在局域网中被称为文件服务器的专门计算机上。NOS—也简称作操作系统(OS)—定义了计算机中软件如何调用局域网硬件,以及如何与局域网进行互操作的方式。局域网操作系统客户端软件安装在每一个可以连接到局域网的设备中。目前使用的大多数操作系统采用客户端—服务器模式。
客户端(个人电脑)请求接入如打印机、电子邮件和服务器上的销售程序等服务。NOS包括Windows Server 2003、Windows Server 2008、Sun Solaris 10和Linux等。安装在PC机上的客户端软件包括Windows XP、Windows7和Windows 8等。
2.2.8 虚拟化硬件故障的影响
由于在每个物理服务器上运行多个应用程序,因此虚拟化增加了每个服务器的风险。如果一个服务器故障,那么将中断多个应用程序和业务进程。此外,服务器和存储虚拟化使人们将更多的应用集中处理,其中包括合作、视频、音频会议和在数据中心而不在远程部门的应付账款和应收账款软件等。因此对于有多个地点的企业,故障将会影响多个站和部门。
对于企业关键的计算,一个重要考虑的因素是冗余。双机热备是一个选项以备不时之需。双机热备是指无需人为干预,一台设备自动接管一个故障单元功能的能力。实现这一目标的方法之一是将服务器连接到多个交换机上,如果一个交换机崩溃,那么服务器会自动切换到备用交换机上。另一种选择是使用拷贝软件,将虚拟服务器上所有的文件备份到一个热备份的服务器上,如果主站崩溃,那么热备份服务器可以处理所有的计算,如图2-3所示。关键的应用也在备用物理服务器上运行,倘若出现故障,冗余的服务器会自动接管服务。
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正常持续的运行不仅取决于外部网络也包括内部服务器和交换机。如果切断到互联网的一条电缆,那么远程或托管网站的服务将会失效。因为这个原因,企业可能从多个运营商租用互联网接入通道,并将每个运营商的接入连到大楼的不同位置以防止因同一个管道电缆被切断而造成全部网络接入的中断。另外,企业还可以租赁无线宽带连接以防止电缆故障而造成的服务中断。(更多信息,请查看第7章。)
2.2.9 数据中心的环境控制
虚拟化已经减少了数据中心所需物理服务器的数量。但是,每个物理服务器由于使用功能更强大的四核处理器比单核或双核处理器产生更多的热量,从而需要更多的制冷量。因此冷却系统的电力成本急剧上涨。
设计冷却、动力和不间断电源(UPS)系统之间的功率分配是非常复杂的,企业经常雇用顾问来设计符合成本效益的环境控制。数据中心里人的数量将进一步影响冷却的需求。此外,位于底部机架上与位于顶部机架上的设备有不同的冷却要求。灯光的类型和数量也会影响冷却需求。IBM、EMC和惠普等公司提供旨在为数据中心设计符合成本效益的能源和动力系统的咨询服务。
设计数据中心的一个关键因素是确定哪些设备或元件发生单点故障,可能使整个数据中心停止服务。电力切断和中断、火灾以及飓风等自然灾害都有可能停止计算机运行。人为的错误也可能导致故障。
因此除了节约能源成本,有关键业务的数据中心的企业和运营商必须决定将钱花在那些冗余和防止灾难性故障的保护上。由于一个UPS故障能够拖垮一个数据中心,所以许多企业也在考虑UPS冗余。这意味着将两个UPS设备连接到同一路供电线路上或者为两路供电线路每路单独配备一套UPS设备的更昂贵费用。如果切断一路电力电缆,那么数据中心将切换到另一路上。
采取措施确保足够的、低成本的电力
为努力节省电费支出,一些大型企业向美国联邦能源监管委员会(FERC)提出申请并得到许可,从而成为电力批发商。这样他们可以以批发价购买批量的电力供应。除了可以降低电力购买成本,还可以确保有足够的电力供应满足他们自己的能源需求。已由FERC批准的此类公司有谷歌、西夫韦有限公司、金佰利克拉克公司、美铝和沃尔玛。这些公司都声明不会在零售上倒卖电力。
虽然不期望小企业也会按照该方式运作自己的电力系统,但是可以看出大型、多站点公司以低价确保充足的电力供应所做出的努力。为了进一步确保稳定的电力供应,公司还从多个发电公司购买不同功率的电能。此外,当地电力的价格、电力是否充足也是影响数据中心建立的重要因素。
2.2.10 采用模块化结构的数据中心
尽管数据中心的重要性已经增加,但是某些数据中心已经缩小了物理规模。存储设备中的硬件驱动虚拟化和小型化、云的使用以及托管服务已导致数据中心内部对未来空间需求的不确定性。因为中小型企业已经将应用程序移到云中托管服务中,所以对于这些企业的数据中心来说,物理服务器的机架上有一半空置是很正常的现象。
不仅空间需求不确定,功率需求也是如此。因此对那些具有发展潜力的数据中心配备仅仅满足两到三年需求,这样不仅能节约当前的资本,也可以灵活地增加所需的空间和功率。模块化建造的数据中心有但只能满足两到三年的扩展空间。如果在此期间许多应用程序已经外包给云,或者是企业衰退,那么企业将不会为其数据中心购买不需要的服务和设备。
2.2.11 通过桌面虚拟化管理用户的计算机
对于IT员工来说,安装和管理新电脑、故障诊断和软件升级占据了相当多的时间。此外,确保桌面和笔记本电脑不被网络病毒感染是一个复杂和耗时的任务。安装未知的程序或无意中打开包含病毒的电子邮件附件的终端用户会不知不觉地把计算机网络带到危险境地。
所有这些因素加上桌面虚拟技术的改善,正引起大型企业对于桌面虚拟化的兴趣。桌面虚拟化是指用户办公桌上只有一个屏幕、键盘和一个小接头盒,而不是一个完整的计算机。该接头盒绑定到一个运行桌面虚拟化软件的中央服务器上。用户的桌面在中央服务器托管。当用户打开屏幕,他就能看到桌面上配有图标的图像。因为在终端用户设备上只有微乎其微的信息,所以称之为瘦客户机技术。用户设备称为客户端。Citrix System有限公司、微软和 VMware等企业提供桌面虚拟化软件。
过去当测试桌面虚拟化时大多数企业无法忍受在访问中心文件和应用程序时带来的延迟。但近些年的改进已消除了这些延迟。然而中央服务器、软件和终端用户设备的启动成本仍不可忽略。特别是当笔记本或桌面电脑是全新的或未完全折旧时,问题更加突出。另一个抑制实现的因素是如果远程用户想对中心文件工作,但他身边没有一个可用的宽带连接,那么一切都无从谈起。

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