31 | 规划部署数据中心要考虑哪些重要因素？

你好，我是庄振运。

上一讲我们讲了服务器的设计和部署，今天我们就来聊聊一个轻松的话题，一起来看看数据中心的秘密。

你们公司肯定有很多服务器。根据公司和服务的规模，可能有几十台甚至几万台服务器，大些的公司甚至会达到几百万台服务器。那么这么多的服务器都放在哪里呢？它们的家，就是数据中心。

你平时可能和服务器打交道比较多，离“数据中心”就比较遥远。但是我可以肯定地说，数据中心的知识，与我们每个IT从业人员（尤其是对于运维和性能工程的人员）是非常相关的。

数据中心长什么样？

要讲数据中心，你可能会问数据中心到底长得什么样子？

其实许多科幻片里都会有类似数据中心的场景出现。一个数据中心往往有好几个大楼，每个大楼建筑物内部，都有着很好的空调和通风设施。大楼内一般分成几个数据大厅（Data Hall），每个大厅都有一排排的机架，中间留出足够的通道，方便数据中心的技术人员进行维护。

这是机架的背面。你可以看到，机架的布线必须非常整齐，太乱的话，日常中是很难进行维护的。

数据中心的规划和部署

对一个有全球用户的大互联网公司而言，它的容量通常也需要部署在全球范围内。运行公司各种服务的服务器，就放置在全球的数据中心里面。数据中心的建造成本很高，周期也较长，也有足够的复杂度，所以中小公司，往往会租赁别人的数据中心的空间，来放置自己的服务器，甚至是直接租赁服务器。

但对于大公司，比如Google、Facebook、Amazon、Microsoft、阿里巴巴、腾讯等，它们规模很大，大到不能靠租赁来运营。而且因为规模大，自己建造数据中心，从经济上看更加划算。比如亚马逊，就自己建造了很多数据中心。这些数据中心分布在全球各地，如下图所示。

之所以要在全球范围内建造数据中心，主要是为了性能，而不是为了节省成本。因为一个服务如果有全球的用户，这些用户就都需要和公司提供的服务快速交互，比如上传照片，播放视频等等。对于在全球范围内运行服务的公司而言，“数据中心离用户距离近”就是唯一的选择。

那么公司需要建多少数据中心呢？这个数量问题是容易解决的，就是根据公司的规模和实际的需求，并且适当的做一些预测和远景规划，而这就是我们下一讲会专门讨论的容量规划和预测。

数据中心要建在哪里呢？表面上看，这个问题也容易回答。前面说过，全球建造数据中心的初衷，就是让它们靠近客户，那当然是根据客户的地点来建造数据中心了，哪里有客户就把数据中心建在哪里。

这样的回答，道理上没错，只是考虑得不够全面。数据中心的选址还需要考虑很多因素，比如电力供应的稳定性、自然灾害发生情况、社会稳定性、所在国法律、人力资源、容量供应、建造成本等等。

这些因素都很容易理解，不过有意思的是，“所在国法律”是其中非常重要的一个因素。

一个公司总会存储各种用户数据，而公司是需要保护用户隐私的。但是很多国家的法律要求，建造在本国的数据中心，必须允许本国政府访问这些用户数据。这就与公司应尽的职责构成了冲突。

我们有时候开玩笑说，放眼全球，还真找不到几个国家，能够在该国不用担心警察会突然破门而入，用枪指着头，强迫数据中心员工交出客户的数据。如果考虑诸多这些因素，地球虽大，却也难找到合适的地方建造数据中心。

数据中心建造还有一个特点，就是建造周期很长，从选址、规划，一直到建造完成，最少也需要好几年。所以，为了让一个数据中心能够长时间有效使用，建造一般也会刻意地分期完成。比如假设一个数据中心，最终会建造6个大楼，公司通常会分成3个阶段，一次建造两个大楼。

数据中心内服务器的生命周期

我们上一讲讨论了服务器的设计。一种服务器设计完成后，公司就可以部署了，你也需要对这个部署过程有个了解。对于一台服务器，它的生命周期经过4个阶段，包括购买和运送、按服务分配、运行管理、最终退休。

购买和运送

公司给了预算并且确定数据中心有了放置的空间和计划，就可以订购服务器了。服务器一般都是按照机架的单位批量购买。之所以要提前做好购买计划，是因为从购买到运送，一般需要几个月的时间。

服务分配

服务器放置在预定义的机架位置后，需要给它们通电。通电后，机架会自动在资产跟踪系统中注册。然后预配操作将安装操作系统以及许多其他软件。新服务器安装完成后，一般是放到备用池等待分配。服务所有者会提出申请服务器的要求，然后负责分配的团队，按照要求将容量分配给他们。

运行管理

在服务器的整个生命周期中，服务器和机架可能都需要进行维护。维护可能需要置换有故障的磁盘、更换坏的主板、重新启动服务器、重新安装/升级/修补操作系统、运行修复软件、诊断软件等。

我们通常的服务器设计，实际上已经考虑到了很多可能的维护工作。例如，既然换出磁盘是常见的修复任务，那么服务器设计可以让更换磁盘非常容易，无需任何工具比如螺丝刀等。

光荣退休

机架和服务器在数据中心的使用寿命是多久呢？通常约为3-4年。之后，我们需要让它光荣退休，将其从数据中心中移除，擦除所有数据，切碎磁盘，并遵循所有硬件的报废流程。

为什么需要让服务器及时退休？因为当超过使用寿命时，它们的组件就容易发生故障。在处理维修单和更换这些组件方面，会给数据中心的技术人员带来负担。同样，各个组件的保修期也可能快过期，甚至可能因为技术的发展，置换部件已经很难买到了。更重要的是，新的服务器替换旧的，也可以提高性能和效率，比如每一代的CPU都会比上一代更加强大。

Facebook数据中心的网络部署

讲完了数据中心的架构和服务器的生命周期，我们再看看数据中心的网络部署。

数据中心内部的服务器之间，以及用户和服务器之间有大量的数据交换，这些对数据中心的网络部署也提出了很高的要求。为了能够更好地扩展，现代数据中心的网络设置也在不断地演化。下面我就用Facebook来举例，看看现代数据中心的情况。

Facebook的生产网络本身，就是一个大型分布式系统，包括边缘网络、骨干网和数据中心内部网络。Facebook的网络基础架构也在不断扩展。从Facebook到Internet的流量，我们称其为“机器到用户”的流量，非常庞大，并且还在不断增加。但是，这种流量，相对于数据中心内部发生的“机器到机器”流量，就只是冰山一角了，后者是前者的百倍以上。而且这种流量的增长速度，几乎每年都增长一倍。由此，我们也可以看出数据中心内部网络的重要性。

我们公司以前的数据中心网络，是使用集群Cluster构建的。集群是一个大型部署单元，涉及数百个服务器机柜，这些机柜的顶部（TOR）交换机，聚集在一组大型的交换机上。但是这种以集群为中心的体系结构有很大的局限性。

所以我们的新一代数据中心网络设计，就不是基于集群的，也就是说，不是按层次分配的集群系统。我们将网络分解为多个小的相同单元，也就是服务器Pod，而不是大型集群，并在数据中心的所有Pod之间，创建了统一的高性能网络连接。

这里的Pod，只是我们新架构中的标准“网络单元”。每个Pod，由一组称为设备交换器的四个设备提供服务，从而可以根据需要进行扩展。当前的多数机架顶部交换机具有4个40G上行链路，为被连接的服务器提供160G的总带宽容量。下图就展示了一个Pod和48个机架的网络连接。

每个Pod的大小都一样，都是48个机柜，所以只需要基本的中型交换机就可以支持。对于机柜交换机的每个下行链路端口，我们在Pod的交换矩阵交换机上，保留相同数量的上行链路容量，这使我们能够将网络性能扩展到在统计上无阻塞的水平。

为了实现大楼范围的连通性，我们数据中心内部，创建了四个独立的骨干交换机“平面”，每个平面，可以最多扩展48个独立设备。

每个Pod的各个交换矩阵，都连接到其本地平面内的主干交换机，共同构成一个模块化的网络拓扑，能够容纳成千上万个连接10G的服务器。如下图所示：

对于外部连接，我们用光纤网络配备了数量灵活的边缘Pod。每个边缘Pod，能够为骨干网和数据中心站点上的后端提供很多Tbps的带宽，并且可扩展到100G和更高的端口速度。

这种高度模块化的设计，使我们能够在一个简单统一的框架内，快速扩展任何维度的容量。

当我们需要更多计算能力时，就简单地添加服务器Pod。当我们需要更多的内部网络容量时，就可以在所有平面上添加骨干交换机。当我们需要更多的连接时，我们可以在现有边缘交换机上添加边缘Pod，或扩展上行链路。

总结

我们今天讨论了数据中心这个重要的容量载体，它的内部结构、网络设置、服务器的生命周期，以及规划数据中心的一些考虑因素。

数据中心可以说是服务器的“家”，也是我们的程序最终部署的地方。唐代诗人王建说：“今夜月明人尽望，不知秋思落谁家。”我们开发程序和部署服务，最好要了解数据中心的知识和架构，因为各种互联网服务，总归是需要数据中心的服务器和网络来支撑的。了解数据中心的配置，对我们服务的开发和部署是很有用的。

对一些大规模的服务，数据中心的网络或者服务器资源，可能会成为性能和业务发展的瓶颈，所以我们也需要不断优化，并提前规划数据中心。尤其是现在的互联网服务，往往有很大的数据量，所以数据中心网络的扩展性尤其重要。

思考题

你们公司的服务器一定也在数据中心里，这些数据中心的地理位置在哪里？地理因素对你的互联网服务的性能比如端到端延迟有什么影响？

你们公司用的数据中心是自己建造的还是租赁的？公司对数据中心的运营成本有什么要求和策略？

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