現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心正深深地感受到密集計(jì)算所帶來的影響。計(jì)算硬件、系統(tǒng)、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)策略和支持技術(shù)不斷發(fā)展，更高的計(jì)算性能可以被配置在與幾年前一樣的物理空間架構(gòu)內(nèi)。提高密度有助于降低采購成本與能耗。但高密度計(jì)算同樣也存在一些問題，諸如潛在的管理挑戰(zhàn)與更高的硬件依賴。下一代數(shù)據(jù)中心規(guī)模會(huì)縮小得更厲害，IT專業(yè)人員必須向前看，在受益于更高計(jì)算密度時(shí)，降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)與問題。

空前密集的硬件

沒有什么比高密度對(duì)計(jì)算硬件，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)設(shè)備部署的影響更明顯了。想想傳統(tǒng)處理器的密度。單核、雙核以及四核處理器已經(jīng)讓位給八核甚至更多核的組件。例如Intel Xeon E7-8857提供了12個(gè)核心，而Xeon E7-8880L提供了15核。這樣對(duì)諸如IBM System x3850 X6的四插槽服務(wù)器，可配置最高達(dá)60處理器核心，部署數(shù)十臺(tái)虛擬機(jī)。甚至如PowerEdge M620都可以支持兩個(gè)Xeon E5-2695 12核處理器，達(dá)到每刀片24核。

這一趨勢(shì)同樣也蔓延到服務(wù)器內(nèi)存。內(nèi)存模塊充滿了新功能，機(jī)架式服務(wù)器內(nèi)存可以根據(jù)模塊與功能選型(如備用內(nèi)存、內(nèi)存鏡像等功能)，擴(kuò)展到128GB至超過1TB的容量。刀片服務(wù)器通常的內(nèi)存規(guī)模為每刀片32GB到64GB總?cè)萘俊．?dāng)然，內(nèi)存還可以通過使用相同型號(hào)的刀片機(jī)箱存儲(chǔ)器快速增加，可支持6、8甚至更多刀片。

存儲(chǔ)也變得越大越快，內(nèi)存與存儲(chǔ)之間的界限變得越來越模糊，而且閃存宣稱其將在服務(wù)器架構(gòu)中占據(jù)一個(gè)永久地位。比如，固態(tài)硬盤(SSD)設(shè)備已經(jīng)在高性能存儲(chǔ)層(有時(shí)候也被稱為第0層)扮演著新角色，它采用傳統(tǒng)的SATA/SAS硬盤接口，容量規(guī)模從100GB到1TB。

為了更好的存儲(chǔ)性能，服務(wù)器可以選配基于PCIe固態(tài)硬盤加速器(SSA)的設(shè)備，如Fusion-io的ioDrive2產(chǎn)品，每單元可以配置高達(dá)3TB閃存存儲(chǔ)。當(dāng)峰值存儲(chǔ)性能成為關(guān)鍵時(shí)，IT專家們開始考慮TB級(jí)別的內(nèi)存通道存儲(chǔ)(MCS)設(shè)備，如Diablo Technologies DDR3閃存存儲(chǔ)模塊，該產(chǎn)品可以配合常規(guī)DIMM內(nèi)存模塊共享內(nèi)存使用。這個(gè)爆炸性的革命數(shù)據(jù)中心硬件并不完美。例如，增加高端內(nèi)存容量會(huì)增加服務(wù)器成本，并降低性能。類似性能損失同樣發(fā)生在采用非內(nèi)置內(nèi)存刀片服務(wù)器上，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸需要通過整個(gè)背板而有所延時(shí)。IT專家說，這種潛在問題正使傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能瓶頸從CPU擴(kuò)展限制轉(zhuǎn)向內(nèi)存與存儲(chǔ)問題，而且資源分配策略必須修改，以不斷適應(yīng)諸如數(shù)據(jù)中心密度增加的各種變化。

“我們最近面臨的新問題是管理存儲(chǔ)層的IOPS，”Reach IPS公司IT主管兼顧問委員會(huì)成員Tim Noble說，他還指出在虛擬機(jī)管理程序?qū)樱褂煤翊鎯?chǔ)配置與自動(dòng)精簡(jiǎn)配置會(huì)引發(fā)存儲(chǔ)緩存問題，進(jìn)而需要對(duì)存儲(chǔ)層級(jí)進(jìn)行重新劃分。

“當(dāng)掛起寫緩存滿了，所有連接到陣列上的系統(tǒng)都可能崩潰或需要恢復(fù)，”Noble說。不過，盡管存有潛在隱患，潛臺(tái)詞是明確無誤的：先進(jìn)的硬件與虛擬化組合，可以讓更多的工作負(fù)載在更少的服務(wù)器與更小空間內(nèi)運(yùn)行。

“我正在規(guī)劃新的數(shù)據(jù)中心，所有業(yè)務(wù)都將只運(yùn)行在一個(gè)單刀片機(jī)箱上，”Magpul Industries Corp.公司的IT主管Chris Steffen說，“其中將包含近200個(gè)虛擬機(jī)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與SAN都將放入一個(gè)機(jī)架。十年前，這樣的規(guī)模需要近2000平方英尺數(shù)據(jù)中心空間。”

更高的帶寬與連接性

討論數(shù)據(jù)中心密度必須包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。傳統(tǒng)以太網(wǎng)速度已經(jīng)能夠達(dá)到10GbE、40GbE甚至100GbE，只有少數(shù)組織采用更快的標(biāo)準(zhǔn)——而且主要用于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)骨干上。“我實(shí)在不明白升級(jí)到更快的傳統(tǒng)以太網(wǎng)有什么好處，”Steffen說，“這些錢可以更好地花在企業(yè)其他投資上。”

相反，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心持續(xù)采用各服務(wù)器1GbE的部署方案，著眼于更大的服務(wù)器連通性與網(wǎng)路虛擬化。例如IBM System X3950 X6提供兩個(gè)擴(kuò)展槽，可以容納多個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器，如兩個(gè)4*1千兆以太網(wǎng)是配置(每臺(tái)服務(wù)器最多可以配置8個(gè)1GbE以太網(wǎng)端口)。同樣大多數(shù)常規(guī)機(jī)架服務(wù)器都可以安裝基于PCIe的多端口網(wǎng)卡。當(dāng)服務(wù)器承載大量虛擬機(jī)時(shí)，通常才會(huì)去增加網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)量，而不是升級(jí)更快標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡。多端口可以提升服務(wù)器可靠性，防止出現(xiàn)單點(diǎn)故障影響網(wǎng)絡(luò)連通性。每個(gè)網(wǎng)卡通常都配置在不同交換機(jī)上，確保不會(huì)因?yàn)榻粨Q機(jī)故障而影響所有通信。不僅如此，多個(gè)網(wǎng)卡可以通過綁定技術(shù)來提供更高帶寬，以滿足工作負(fù)載需要。多網(wǎng)絡(luò)接口還可以實(shí)現(xiàn)故障切換，允許工作負(fù)載在某個(gè)端口貨交換機(jī)故障時(shí)，切換到可用的網(wǎng)口或交換機(jī)上。

另外兩個(gè)新興技術(shù)將影響數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)密度與管理，“軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)。SDN將交換機(jī)邏輯與交換機(jī)端口去耦合，允許對(duì)交換機(jī)進(jìn)行集中行為分析、控制并(在理想情況下)優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)可以“學(xué)習(xí)”更有效或更高效的網(wǎng)絡(luò)通信路徑，并修改交換機(jī)配置實(shí)現(xiàn)變更。若實(shí)施得當(dāng)，SDN的交通流量?jī)?yōu)化可以實(shí)現(xiàn)在沒有更大帶寬的條件下細(xì)分流量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

通過比較，NFV利用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器與交換機(jī)，使用虛擬化模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能或應(yīng)用程序。NFV可以提供包括網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)、域名服務(wù)(DNS)、防火墻、入侵檢測(cè)與防御以及緩存等功能。其目標(biāo)是利用服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)功能，替代昂貴的專有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)快速部署與可擴(kuò)展，這些功能非常適用于新興云計(jì)算和其他自助服務(wù)環(huán)境。

撇開網(wǎng)速復(fù)雜性，配置對(duì)于確保日益密集的網(wǎng)絡(luò)連接最佳性能是十分重要的。“服務(wù)器與交換機(jī)之間的配置不當(dāng)，可能導(dǎo)致性能問題或更糟，”Noble說，這一影響在工作負(fù)載遷移到更高性能服務(wù)器或計(jì)算高峰期需要額外資源時(shí)，會(huì)變得尤其突出。

如何散熱

隨著數(shù)據(jù)中心密度增加，IT專家們開始遇到由計(jì)算熱點(diǎn)或不良通風(fēng)而造成的發(fā)熱問題。但是，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心很少遇到發(fā)熱問題——這主要?dú)w因于過去幾年中所開發(fā)的能源效率與熱量管理技術(shù)。關(guān)鍵因素之一就是現(xiàn)代服務(wù)器與計(jì)算組件經(jīng)過改良設(shè)計(jì)。以處理器為例，它通常是發(fā)熱最高的部件之一，但新型處理器設(shè)計(jì)與模具制造技術(shù)基本能夠保持處理器溫度持平，即使核心數(shù)成倍增加也不受影響。我們以Intel Xeon E7-4809六核處理器為例，功耗為105瓦特，而Xeon E7-8880L 15核處理器功耗同樣為105瓦特。提高時(shí)鐘率到最快的Xeon E7-4890 15核處理器最高能耗也僅有155瓦特。

同時(shí)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營溫度也有所提升，因?yàn)镮T人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心溫度在80或90華氏度時(shí)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行并沒有任何明顯影響。為了應(yīng)付更高溫度，服務(wù)器的熱管理設(shè)計(jì)也有進(jìn)一步改善，加入了熱傳感器與主動(dòng)變速散熱系統(tǒng)，從各個(gè)單元帶走熱量。“最密集的硬件平臺(tái)移動(dòng)空氣就像噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，以此確保其冷卻，”Steffen說。

虛擬化是對(duì)讓熱量從服務(wù)器中移出的完美補(bǔ)充，可以大大降低整體服務(wù)器數(shù)量，以此也降低了需要從數(shù)據(jù)中心內(nèi)排出的空氣總量。類似VMware的分布式資源調(diào)度程序(DRS)與分布式電源管理(DPM)技術(shù)甚至可以根據(jù)需求在服務(wù)器之間移動(dòng)負(fù)載，關(guān)閉不需要的服務(wù)器。最終結(jié)果是，數(shù)據(jù)中心不再依賴于龐大、耗電的機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)，不需要為巨大空間內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行的硬件進(jìn)行冷卻。相反，高整合度的系統(tǒng)有利于容器與冷卻基礎(chǔ)設(shè)施更有效地冷卻機(jī)架，甚至可以采用機(jī)架內(nèi)冷卻單元。

這樣的整合與銜接也并非完美，IT專家指出，糟糕的設(shè)計(jì)與改造可能產(chǎn)生無法預(yù)料的熱點(diǎn)。“即使是四級(jí)數(shù)據(jù)中心，也無法保證其設(shè)計(jì)的100%正確、減輕冷卻等經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)，”Noble說。隨著數(shù)據(jù)中心密度上升，監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理(DCIM)技術(shù)在確保熱管理、能效與資源使用效益計(jì)算上就能產(chǎn)生客觀的價(jià)值了。

注意軟件授權(quán)限制 數(shù)據(jù)中心的密度肯定會(huì)增加，因?yàn)樘摂M化可以最大化利用先進(jìn)的X86和ARM處理器。但是，專家也指出，硬件的密度與可用率可能受到軟件授權(quán)限制，而且存在軟件維護(hù)周期的限制。

“虛擬化服務(wù)器會(huì)消耗更多軟件許可，因?yàn)樗鼈兏菀讍?dòng)，保持未使用的情況還可能更長，”Noble說，“但它們?nèi)匀恍枰浖S護(hù)和補(bǔ)丁更新，不管它們是否有在使用。”隨著數(shù)據(jù)中心增長與工作負(fù)載密度增加，許可授權(quán)與補(bǔ)丁通常可以通過系統(tǒng)管理工具解決，這些工具還可以協(xié)助IT人員進(jìn)行虛擬機(jī)生命周期與補(bǔ)丁管理，緩解工作壓力。

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