2.1　数据中心的发展

2.1.1　发展历程

数据中心为互联网内容服务商、企业、媒体和各类网站提供大规模、高质量、安全可靠的专业化服务器托管、空间租用、网络批发带宽，以及应用服务商（Application Service Provider，ASP）、电子商务等业务[1]，如图2.1所示[2]。

20世纪40年代，美国生产了世界上第一台全自动电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC），体积约为439m3，占地约170m2，重30吨，功耗为140～150kW，这台庞然大物不仅开启了人类计算的新时代，也开启了与之配套“数据中心”历程的演进。

20世纪60年代，人们通常把数据中心称为服务器农场，此时的数据中心用来存放计算机系统、存储系统、电力设备等相关组件。

20世纪80年代，微机市场呈现出一片繁荣的景象，大量的计算机被应用到各领域，但是很少有人关心运维，随着运维技术越来越复杂，资源丢失的现象也越来越普遍，所有公司都了解到互联网资源管控的重要性。

20世纪90年代，微机市场更加繁荣，新一代的连接型网络取代了老一代的个人计算机（Personal Computer，PC），服务器开始单独放在一个房间里，并单独布线和分层设计，这一时期出现了数据中心的叫法，这个名称延续至今。

2000年前后，互联网爆发式增长。在国内，腾讯、百度、阿里巴巴、网易等互联网公司兴起，个人计算机端对网络的要求不断增加，有效促进了数据中心的快速发展。

2005年，数据中心稳定发展，这一年，中国电信推出了得到行业认可的机房设计标准，即中国电信IDC产品规范；同年，美国电信产业颁布了“TIA942标准”，将机房分为Tire1～Tire4这4个级别。这两项标准对数据中心的稳定发展起到了规范和指导作用。

2007年，一些大型数据中心开始采用更环保节能的技术来保障自身的正常运行。

2010年，随着云计算技术的兴起，云数据中心逐渐走进了大家的视线。国际数据公司IDC公布的数据显示，到2010年年底，中国数据中心总数量已经达到504155个[3]。

Synergy调研数据显示，全球超大规模数据中心在2018年同比增长了11%，数量达到了430个，并且还有132个大型数据中心处于规划或建设阶段。超大规模数据中心用户的增长势头并没放缓，其收入每年平均增长24%，而资本支出超过40%用于建设和装备数据中心。产业界敦促云计算落地的呼声愈演愈烈，业内人士纷纷在促进云计算进入商用阶段的同时建议避免对数据中心的盲目投资。

2019年，IDC发布了《2019 Q1中国公共云服务市场跟踪报告》。该报告显示，中国公共云市场发展强劲，2019年Q1公共云IaaS市场同比增长74%，已经成为全球第二大公共云市场。阿里云、腾讯云、金山云保持中国公共云IaaS市场互联网云厂商前三格局不变。从市场份额上来看，阿里云遥遥领先，腾讯云紧随其后，金山云位列第三，三者总体市场份额达到61%。

我国云计算产业在近年持续高速增长，云计算市场规模十年时间增长十倍。IDC发布的《2018年全球公共云服务市场跟踪报告》显示，2018年，全球公共云IaaS市场规模达到359.7亿美元，其中中国市场份额占比达12.9%，同比增长86.1%，一跃成为全球第二大公共云IaaS市场[4]。2019年一季度，中国在云基础设施服务上的总投入首次达到21亿美元。IDC表示，全年中国公共云IaaS市场仍有望保持80%以上的高速增长，并且中国是全球唯一一个完全由本土云计算企业主导市场的国家。

2.1.2　传统数据中心

1. 架构

在传统的大型数据中心中，网络通常是三层架构的，如图2.2所示[5]。

三层网络架构采用层次化模型设计，即将复杂的网络设计分成几个层次，每个层次着重于某些特定的功能。这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题。采用三层网络架构的网络有以下三个层次[6]。

（1）核心层。核心层是网络的高速交换主干，对整个网络的连通起到至关重要的作用。核心层应该具有的特性：可靠性、高效性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低时延性等。在核心层上，应该采用高带宽的千兆以上交换机。这是因为核心层是网络的枢纽，重要性突出。核心层设备采用双机冗余热备份是非常必要的，也可以使用负载均衡功能，以改善网络性能，为进出数据中心的包提供高速转发服务，为多个汇聚层提供连接性。

（2）汇聚层。汇聚层是边缘层和核心层的“中介”，即在工作站接入核心层前先做汇聚，以减轻核心层设备的负荷。汇聚层具有实施策略、安全、工作组接入、虚拟局域网之间的路由、源地址或目的地址过滤等多种功能。在汇聚层上，应该选用支持三层交换技术和虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）的交换机，以达到网络隔离和分段的目的，如防火墙、SSL offload、入侵检测、网络分析等。

（3）边缘层。边缘层向本地网段提供工作站接入。在边缘层上，减少同一网段的工作站数量能够向工作组提供高速带宽。边缘层可以选择不支持VLAN和三层交换技术的普通交换机。

2. 缺点

传统数据中心根据其提供的服务可以划分为如下三种类型[7]。

（1）托管型数据中心：典型服务包括IP接入、带宽接入、电力供应。在托管型数据中心，服务器由客户自行购买安装，其间，对设备的监控和管理工作也由客户自行完成。数据中心主要提供IP接入、带宽接入和电力供应等服务。总体来说，托管型数据中心提供服务器运行的物理环境。

（2）管理服务型数据中心：典型服务包括安装、调试、监控、湿度控制、IP接入、带宽接入、VPN、电力供应。客户自行购买服务器设备装入管理服务型数据中心，由工程师完成从安装到调试的整个过程。当客户的服务器开始正常运转，与之相关联的网络监控（包括IP、带宽、流量、网络安全等）和机房监控（机房环境参数、机电设备等）也开始运行。对客户设备状态进行实时的监测以提供最适宜的运行环境。除IP、带宽资源外，管理服务型数据中心也提供VPN接入和管理。

（3）托管管理型数据中心：典型服务包括服务器、存储、咨询、自动化的管理和监控、IP接入、带宽接入、VPN、电力供应。相比于管理服务型数据中心，该类型数据中心不仅提供管理服务，还向客户提供服务器和存储，客户无须自行购买设备即可使用数据中心所提供的存储空间和计算环境。同时，相关IT咨询服务也可以帮助客户选择最适合的IT解决方案以优化IT管理结构。

这三种类型的数据中心都有很多缺点。首先，数据中心的专业化程度要求很高：要求营造专业机房环境，从选址、规划、实施、运营、维护、设备选型到方案确定都有着相对苛刻的要求；同时需要有经验丰富的专业人员参与全生命周期管理。其次，总体拥有成本（TCO）和功耗持续居高不下：初期建设成本投入较大，后期运营支出压力日益增大，功耗问题突出。最后，精细化管理和智能化运维实现难度高，设计规划与工程实施极其复杂：运营和管理效率低下；风险的识别和控制能力较差；智能化运维难以实现，自动化程度很低，普遍采用的手工操作难以确保响应的及时性和业务的连续性；数据中心前期设计对外部建筑环境依赖程度高，设计更改变数大；现场施工界面交叉复杂，管理难度大；交付周期易延长，交付质量难以保证；后期运维对前期设计要求很高。