云计算在电力企业数据中心的研究与应用.pdf

国内图书分类号 t p 3 9 国际图书分类号 0 0 4 7 学校代码 1 0 0 7 9 密级 公开 硕士学位论文 云计算在电力企业数据中心的研究与应用 硕士研究生 导师 企业导师 申请学位 专业领域 培养方式 所在学院 答辩日期 授予学位单位 张玢 郑玲教授 王继业教授级高工 工学硕士 计算机应用技术 全曰制 控制与计算机工程学院 2 0 13 年3 月 华北电力大学 c l a s s i f i e di n d e x t p 3 9 u d c 0 0 4 7 t h e s i sf o rt h em a s t e rd e g r e e r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc l o u dc o m p u t i n gi n e l e c t r i cp o w e r e n t e r p r i s ed a t ac e n t e r c a n d i d a t e s u p e r v i s o r s c h o o l d a t eo fd e f e n c e d e g r e e c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n z h a n gb i n p r o f z h e n gl i n g s c h 0 0 1o fc o n t r o la n d c o m p u t e r e n g m e e n n g m a r c h 2 0 1 3 n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 云计算在电力企业数据中心的研 究与应用 是本人在导师指导下 在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明 确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 弓k 王易 日期 2 d 旧年弓月 丐日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 云计算在电力企业数据中心的研究与应用 系本人在华北电力大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归华北电力大学所 有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解华北电力大学关 于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本 允许论文被查阅和借阅 学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提 供文献传递服务和交换服务 本人授权华北电力大学 可以采用影印 缩印或其他 复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 请在以上相应方框内打 保密口 在 年解密后适用本授权书 不保密耐 作者签名 导师签名 张殇 日期 劭l 弓年弓月1 5 日 日期 如l 弓年弓月历日 华北电力大学硕士学位论文 摘要 近年来 云计算技术的蓬勃发展为整个i t 行业带来了巨大变革 由数以万计的 服务器支撑的云计算系统是否能够高效稳定地运行 关键在于这些大数量的服务器 能够被有效地组织起来 网络拓扑的合理性对网络的性能的提高和稳定性的加强具 有重要的影响 即网络的部分节点或链路在故障或拥挤时也能正常工作 对于电力 企业而言 云计算将能够改变电力企业信息化建设的模式 过去都是由单个企业架 设自己的电力数据中心 企业与企业之间的沟通交流不多 云计算的利用将会使得 整个电力企业数据中心整合到一起 构成一个庞大的数据中心电子云 云计算资源 管理平台能够对电力系统数据中心的主机 存储 网络等各类资源进行有效的管理 监控和调度 并通过网络将这些资源作为一种服务提供给用户 传统数据中心网络拓扑构建方式及网络层控制平面的运行机制存在固化性 已 经难以满足新形势下日益增长的高性能及高性价比需求 并且无法支持云环境下更 加灵活的按带宽租赁数据中心网络的运营方式 本文首先主要分析了云计算在电力 企业数据中心研究的可行性与必要性 通过与传统的数据中心作比较 找出其中的 不足之处 构建多种网络结构来解决相关问题 从而提高服务器的利用率和拓扑内 结点的连通性 获得更大的网络吞吐量 形成低成本高连通的网路拓扑结构 然后 阐述了高连通性低造价的网络拓扑结构 d c e l l 结构 b c u b e 结构 h y p e r f a t t r e e n e t w o r k h f n 结构 最后引入了一种新的结构即雪花结构 这五种结构对云计 算在电力企业数据中心的构建中都起到一定的作用 通过仿真实验验证了雪花结构 在传输带宽 吞吐量瓶颈问题和网络延时等数据中心建设问题上都具有一定的优 势 关键词 云计算 电力企业数据中心 网络结构 华北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s t h ec l o u dc o m p u t i n gb o o m i n gh a sg r e a t l yc h a n g e da l lt h ei t i n d u s t r y t h e r ea r eh u n d r e d so ft h o u s a n d so fs e r v e r si nt h es y s t e mo fc l o u dc o m p u t i n g h o wt oe f f e c t i v e l yo r g a n i z es u c hal a r g en u m b e ro fs e r v e r si so n eo ft h ek e yp r o b l e m s t h a tt h ec l o u dc o m p u t i n gs y s t e mr u n si nt h es t a t u so fh i g he f f i c i e n c ya n ds t e a d y a r e a s o n a b l en e t w o r kt o p o l o g yc a nn o to n l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k b u t a l s og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h en e t w o r k w h i c ht h en e t w o r kc a nw o r kn o r m a l l yw h e n t h ep a r to ft h en o d e so rl i n k sf a i l u r eo rc r o w d e d f o rt h ep o w e re n t e r p r i s e s t h ec l o u d c o m p u t i n gw i l lc h a n g et h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o np a t t e r no fp o w e re n t e r p r i s e s i nt h e p a s to n ep o w e re n t e r p r i s eb u i l ti t so w np o w e rd a t ac e n t e r w i t h1 e s sc o n n e c t i o nb e t w e e n d i f f e r e n tc o m p a n i e s t h ec l o u dc o m p u t i n gu s ew i l lc o m b i n et h ew h o l ep o w e re n t e r p r i s e d a t ac e n t e r s a n df o r mah u g ed a t a c e n t e re l e c t r o n i cc l o u d t h ev a r i o u sr e s o u r c e so f p o w e rs y s t e m d a t ar e c o v e r yc e n t e rs u c ha s h o s t s t o r a g e n e t w o r ka r em a n a g e d m o n i t o r e da n ds c h e d u l e db yt h el o u dc o m p u t i n gr e s o u r c em a n a g e m e n tp l a t f o r m t h e r e s o u r c e sa sas e r v i c ea r ep r o v i d e dt ot h eu s e rt h r o u g ht h en e t w o r k t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o do f b u i l d i n g t h ed a t a c e n t e rn e t w o r k t o p o l o g i c a l a r c h i t e c t u r ea n dt h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h ec o n t r o lp l a n ei nn e t w o r kl a y e rh a v et h e s t a t i o n a r i t y w h i c hh a r d l ym e e tt h ee v e r g r o w i n gh i g h p e r f o r m a n c ea n dc o s t e f f e c t i v e n e e d su n d e rt h en e ws i t u a t i o n a n dc a n n o ts u p p o r tt h em o r ef l e x i b l er u n n i n gp a t t e mo f r e n t i n gt h ed a t a c e n t e rn e t w o r ka c c o r d i n gt ot h eb a n d w i d t hi nt h ec l o u de n v i r o n m e n t f i r s to fa l l t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo f r e s e a r c h i n gt h eu s e o ft h ec l o u dc o m p u t i n gi nt h ee l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s ed a t ac e n t e r f i n d so u tt h e s h o r t c o m i n g so ft h ec o n v e n t i o n a ld a t ac e n t e rb yt h ef o r c eo fc o n t r a s t b u i l d sk i n d so f n e t w o r ka r c h i t e c t u r e st os o l v ec o n c e r n e dq u e s t i o n s a n dt h e no b t a i nt h eg r e a t e rn e t w o r k t h r o u g h p u t i e t h el o w c o s ta n dh i g h c o n n e c t i v i t yn e t w o r kt o p o l o g i c a la r c h i t e c t u r e t h e nt h ep a p e re x p o u n d st h el o w c o s ta n dh i g h c o n n e c t i v i t yn e t w o r kt o p o l o g i c a l a r c h i t e c t u r e d c e l l b c u b e h y p e r f a t t r e en e t w o r k a tl a s t an e w s t y l ea r c h i t e c t u r e i e t h es n o wa r c h i t e c t u r e i si n t r o d u c e di nt h ee n d t h e s ea r c h i t e c t u r e sa c tar o l ei nb u i l d i n g c l o u dc o m p u t i n gi np o w e r e n t e r p r i s ed a t ac e n t e r t h es u p e r i o r i t i e so fs n o wa r c h i t e c t u r e a r ev a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si nt h ep r o b l e m so fd a t ac e n t e rc o n s t r u c t i o n s u c ha st h et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h b o t t l e n e c kt h r o u g h p u ta n dn e t w o r kt i m ed e l a y k e y w o r d s c l o u dc o m p u t i n g e l e c t r i cp o w e re n t e r p r i s ed a t a c e n t e r n e t w o r ks t r u c t u r e i i 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘 要 一i a b s t r a c t i i 第1 章引言 1 1 1 选题背景及意义 1 1 2 国内外研究现状 一2 1 3 数据中心设计原则 3 1 4 论文主要工作及组织结构 3 1 5 本章小结 3 第2 章电力企业数据中心对云计算的需求分析 5 2 1 传统电力数据中心的研究 5 2 1 1 传统数据中心的网络结构 5 2 1 2 现有电力企业数据中心的逻辑层次 9 2 1 3 现有电力企业数据中心的逻辑结构 1 0 2 2 云计算数据中心及产业升级规划 1 1 2 2 1 产业转型的背景 1 1 2 2 2 传统i d c 发展中遇到的瓶颈 1 2 2 2 3 经营模式转变的必然性 1 3 2 2 4 基于云计算的下一代数据中心 1 4 2 2 5 云计算数据中心的建设和服务模式 1 4 2 3 本章小节 1 6 第3 章云计算在电力企业数据中心的研究 1 7 3 1 云计算研究的可行性分析 1 7 3 2 电力企业云计算数据中心 2 0 3 2 1 基础架构 2 0 3 2 2 服务器虚拟化与虚拟机的实时迁移 2 1 3 2 3 电力数据中心云计算平台 2 2 3 3 面向云计算的数据中心网络拓扑研究 2 4 3 3 1 云计算的原理 2 4 3 3 2 低成本高连通性的网络拓扑结构 2 6 3 3 3 云计算的数据中心网络拓扑h y p e r f a t t r e en e t w o r k 2 7 3 3 4 数据中心的雪花网络结构 3 0 3 4 电力系统云计算资源管理平台 3 4 3 4 1 功能目标 3 4 3 4 2 总体架构 3 5 3 4 3 关键技术 3 6 3 4 4 具体应用 3 9 华北电力大学硕士学位论文 3 4 5 经济效益和管理效益 3 9 3 5 本章小结 4 0 第4 章基于云计算的虚拟网络构建和管理机制 4 1 4 1 网络虚拟化 4 1 4 2 系统模型 4 3 4 3 对虚拟机迁移的支持体系 4 4 4 4 虚拟网络带宽分配机制 4 6 4 5 本章小结 4 7 第5 章仿真实验 4 8 5 1 雪花结构与b c u b e 结构的属性对比 4 8 5 2 雪花模型试验 5 0 5 3 本章小结 5 3 第6 章结论与展望 5 4 6 1 结论 5 4 6 2 展望 5 4 参考文献 5 6 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 5 9 攻读硕士学位期间参加的科研工作 6 0 致i 射 6 1 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章引言 近年来 一种新的服务化计算模式 云计算在逐步的实现发展 诸多的专家 觉得 云计算会促使网络技术发生改变 乃至于会对整体的产业格局造成影响 云 计算是指基于互联网等网络 通过虚拟化方式共享i t 资源的新型计算模式 其核 心思想是通过网络统一管理和调度计算 存储 网络 软件等资源 实现资源整合 与配置优化 以服务方式满足不同用户随时获取并扩展 按需使用并付费 最大限 度地降低成本等各类需求 云计算被看作是在计算机技术 网络技术之后又一次 历史性的变革 会促使工作以及商业方面的模式发生很大的改变 在全世界范围内 云计算市场迅速增长 世界信息产业强国和地区对云计算给予了高度关注 已把云 计算作为未来战略产业的重点 纷纷研究制定并出台云计算发展战略规划 加快部 署国家级云计算基础设施 并加快推动云计算的应用 抢占云计算产业制高点 美 国政府正在大力推行的云计算计划 内容涉及生产性产业结构调整 发展云端产业 商务业务整合 政府网站改革 社交媒体等诸多方面 在 十二五 规划纲要之中 将云计算作为典型代表的最新的信息技术作为重点发展的产业 快速的实现云计算 产业的进步 将有力地推动传统产业的改造升级和新兴产业的加速培育 云计算作为在网络基础之上的一种超级计算形式 在远程计算机的数据中心之 中 大量的计算机同服务器之间有效的连接成了电脑云 使得其在运算水平上大幅 上升 其所具有的关键性特征包含有下列四个方面 1 按需自助获取 消费者根据自己的需求量自助获取服务器的时间 网络 存储等计算资源能力 2 便捷 其对于用户端在设备方面不具有很高的要求 应用极其便捷 3 数据资源的共享 其能够让不一样的设备之间在数据以及应用方面实现 共享 4 独立资源池 物理和虚拟资源是根据消费者不同的需求来动态地划分或 释放的 划分后的资源被出租给用户 用户无需了解资源池的具体划分情况 只需 了解资源池所在的行政区域或数据中心 云计算是当前发展迅速的i t 技术之一 它是在计算机互联网 网格计算 并行 计算基础上发展起来的综合网络服务业务 传统的数据中心设备数量多 资源利用 率低 占地面积大 云计算的运用可以使i t 资源虚拟化 从而更好地解决传统的 数据中心存在的问题 华北电力大学硕士学位论文 电力企业设计管理范围很广 而且他的业务繁杂 囊括有生产 销售 调度 人事 财务 以及物资等 人力 财力 以及物力方面已经实现了集约型的管理 别的松耦合管理系统就好像安全 计划 以及法律法规等大量存在 可是这部分系 统对于服务器有很高的要求 可是在负荷的具体时间上存在着差异 为使得服务器 在采购量上减少 降低机房容量的扩充 减少相应的成本 让这部分松耦合系统在 性能方面得以提升 增强其安全和稳定性 云计算具有高安全性 可提供安全可靠 安全的数据存储 而且它的数据共享功能可以帮助电力企业高效利用数据中心所储 存的大量的企业信息 按照国家电网企业在整体层面上的安排以及指导 让数据信 息实现在纵向以及横向上的有机共享 让数据所具有的枢纽作用得以体现 让企业 的信息被有效的应用 领导可以每天关注企业的生产运行情况 数据中心旨在对企业的信息进行全方位的集中及共享 建设旨在为构建信息化 的企业予以良好的数据服务 企业数据中心在进行构建的时候是针对企业在经济效 益以及管理能力上的提升 数据中心在作用上实现最大化 最大限度的应用数据中 心所提供的资源 基于确保系统安全 运行稳定之上 利用云计算服务提高资源利 用率 最终做到为公司领导提供智能辅助决策支持能力 1 2 国内外研究现状 随着云计算概念的不断深化 越来越多的电信运营商 国际i t 业公司 甚至政 府部门以从未有过的规模和速度进行云计算产品的研究和开发 这已经称为他们规 划的重要任务之一 我国目前对云计算的理论研究滞后于实践应用 理论研究尚处 于发展的初级阶段 二十一世纪是一个信息时代 信息安全和共享越来越受到重视 成为企业信息化建设的重点 鉴于我国电力企业在信息化上的具体情况 因为市场激烈化的竞争环境以及企 业的具体特征 使得电力企业不具备足够的能力来应对大型的信息管理系统的开发 建设 因此 在最初的阶段选择投入云计算刚好能够解决企业发展信息化管理的问 题 云计算最为基础的目的即为共享资源以及服务 能够良好的确保资源管理的效 率以及整体云计算系统运行的顺畅 当前国内已刮起了开发云计算的浪潮 通过政 府方面而言 大量的政府机构均已认可了云计算 并且希望将之用到实践之中 希 望云计算可以有效的促进经济社会的进步 通过企业方面而言 基于云计算产业链 条的所有环节里面均已经产生了较为突出的i t 企业 这部分企业无论是在技术 产品 亦或是服务上都敢于实施创新 其目的是为了获得更好的实践成效 整体而 言 云计算在国内已经得到了社会的广泛关注 其前进的势头非常快 而且具有良 好的发展前景 电力企业云计算建设的实施优势主要包括成本优势 性能优势 安 全优势和个性化应用优势 华北电力大学硕士学位论文 1 3 数据中心设计原则 1 稳定性 数据中心能够确保2 4 小时的可靠正常运行并且能够根据用户对 信息数据量的需求 系统可以满足大负载 长时间的运行 2 安全性 对于一个数据中心来说 安全性也非常重要 中心系统要确保 中心系统信息严密安全 安全地控制提供信息级和系统级的存取访问 与此同时 还要对数据中心系统的信息进行备份 以防万一 3 可扩展 数据中心的构建还要考虑到数据和系统的可扩展性 因为数据 需要可以任意添加新的数据 并且当前数据和原始数据不能改变或丢失 系统则需 要更具不同的应用要求增加新的应用 在不影响 1 3 的应用的同时 使得新的应用与 之恰当的整合 在访问量增加的情况下 数据中心系统能够较容易地将其数据和应 用恰当地结合 实现均衡负载 4 高效性 电力数据中心本系统承担着大量的的信息存储 管理 查询 发布任务 为了提供实时的信息查询 系统需要具有存储海量信息的能力 秒级的 查询功能 上百用户的并发访问能力等 2 j 1 4 论文主要工作及组织结构 本文主要分析了云计算在电力数据企业中心的研究的必要性 通过与传统的数 据中心作比较 找出其中的不足之处 构建多种网络结构来解决相关问题 从而提 高服务器的利用率和拓扑内结点的连通性 获得更大的网络吞吐量 形成低成本高 连通的网路拓扑结构 然后阐述了高连通性低造价的网络拓扑结构 d c e l l 结构 b c u b e 结构 h y p e r f a t t r e en e t w o r k h f n 结构 最后引入了一种新的结构即雪 花结构 第二章主要通过电力企业数据中心对云计算的需求分析介绍传统电力数据 中心的相关研究进而指出其中的缺陷和改进的必要 阐述了云计算数据中心和电力 产业升级的规划 第三 四章是本文的中心 其中第三章主要研究云计算在电力企 业数据中心的应用 提出了几种云计算网络拓扑结构 第四章主要是对这些网络结 构的管理 最后第五章给出了相关的仿真实验和结果 从而进一步从实际意义上说 明了研究的可行性 1 5 本章小结 本章主要起对本文起一个大致引入作用 从各个方面描述了云计算在电力企业 数据中心的研究与应用的研究现状和研究背景 公司数据中心的整个建设过程围绕 企业经济效益和管理水平提高 发挥数据中心作用 充分高效利用数据中心硬软件 资源 在保障系统安全 运行稳定基础上 利用云计算服务 提高资源利用率 最 3 华北电力大学硕士学位论文 终做到为公司领导提供智能辅助决策支持能力 与此同时 数据中心的建立要遵循 稳定 安全 可扩和高效四个原则 从而提高电力企业的工作效率和生产利润 4 华北电力大学硕士学位论文 第2 章电力企业数据中心对云计算的需求分析 电力企业的信息化建设不仅是 j f o o 技术革命 更重要的是管理变革 提高综合 竞争力 为电力企业的可持续发展奠定基础 企业的数据能够反映企业大量的生产 经营管理信息 因此现代企业逐渐加大对企业数据的保护力度 狭义的企业 数据 中心 是指企业一系列电子化数据的集合 其基本表现形式是结构化数据 非结构 化数据 地理空间数据以及实时数据的文本或数据库 包括各应用系统数据库 企 业全局数据字典以及数据仓库等文件 而广义的企业 数据中心 是指企业所有经 过处理的电子化数据的集合以及存储和应用这些数据的计算机和网络环境 其表现 形式除了信息网络 服务器 存储设备以及相关的机房环境外 还包括企业专用或 通用数据库和对数据实施收集 加工分析处理 管理 存储保护以及查询检索服务 的企业信息应用系统 随着我国电力企业体制深入改革和电力市场体系的竞争同益激烈 提高核心竞 争力是电力企业可持续发展的必由之路 因此建设数据集中 应用分布 容灾备份 的数据中心是电力企业发展的必然之路 而建立一个流量大 可靠性高 扩展性强 技术先进及安全性高的数据中心网络 才能更好地适应各级电力公司内部业务种类 多 信息量大且交换频繁的需求 2 1 传统电力数据中心的研究 2 1 1 传统数据中心的网络结构 传统数据中心的拓扑构建采用树形分层结构 如图2 1 所示 传统统数据中的 拓扑结构包括3 层结构 接入层 汇聚层和核心层 树形末端的机架上通常放置十 几台服务器 利用接入层里面的交换机来使得这部分服务器能够实现和网络的连 接 汇聚层以及核心层则应用的是造价比较昂贵的交换机 这样就使得数据中心提 供尽可能高的性能 形成高连通网络拓扑 可是 以往树形的网络构建模式已很难吻合目前网络服务给数据帧中心所提出 的要求了 由于这种结构不能够予以很高的拓展下 同时也不能够对剖带宽 吞吐 量以及实时通信等方面的要求予以满足 除此之外 假使树形结构的上面一层出现 单点故障将会对整体的运行造成障碍 最后 因为传统形式的分层结构里面的核心 层以及汇聚层均采用的是价格比较高昂的高端交换机 所以这种网络结构的性价比 不高 华北电力大学硕士学位论文 r l i i l l i i i 机架服务器 图2 1 传统数据中心树形分层结构图 核心层 汇聚层 接入层 最近几年时间来 传统形式的数据中心所用的能源 空间以及成本逐步攀升 并且消耗量也不断上升 在2 0 0 8 年的时候国际正常运行时间协会发表的研究报告 之中之中显示 在2 0 0 6 年的时候全球数据中心能源消耗在2 0 0 0 年的基础上上升了 一倍 到2 0 1 2 年的时候 所消耗的能源将会再一次翻番 针对企业c i o 来讲 处 理好数据中心在耗能大 成本高 以及效率低的问题已经越来越关键了 1 运营成本 绝大部分企业内部的数据中心已步入到成本危机的困境之中 首先 能源价格 的上涨 而且企业不具备满足要求的电力以及冷却能力 使得全新的高密度服务器 以及存储设施的需要不能够有效的满足 除此之外 信息技术基础设施方面的发展 会被场地 以及空间所约束 我国很多企业内部的数据中心每年所使用的电费达到了几百万元 有的过千万 元 更有甚着可能亿元 因为在供电能力方面的约束 不但造成诸多区域不能够构 建起新的数据中心 乃至于以往的数据中心也可能会面对拉闸限电的情况 所以造 成扩容 以及发展不能够有效的展开 2 能源消耗 当前 我国绝大多数数据中心的p u e 值偏高 在2 5 3 左右 而国外高水平的 绿色数据中心p u e 值往往在2 以下 除此之外 我国传统形式的数据中心在物理环境上一般都具有 整体布局不科 学 制冷系统不能够以及设备的具体需求来展开实施分配 进而造成整体能源浪费 率高并且还有局部过热的情况存在 机房在空调上的设置不科学 电的缆布局太过 华北电力大学硕士学位论文 密集 有着大量的安全隐患存在 因为未配备响应的保障电源 造成机房里面的设 备不能够确保有效的运行 对于信息设备而言 i d c 所统计的相关数据信息表明 在亚太区域 数据中心 服务器的能源消耗年均增速达到了2 3 个百分点 同全球1 6 个百分点的平均水平比 较 亚太地区明显超标 g a r t n e r 的调研则显示 过去五年来 i t 设备的能源需 求增长已超过五倍 3 使用效率 当前 绝大多数的数据中心里面的服务器以及网络设备仅达到了百分之二十四 到三十的利用率 怎样最大层次地将系统资源的作用发挥出来以及对系统的结构进 行优化 作为传统形式的数据中心转变成绿色数据中心的时候必须要思考的问题 4 社会责任 数据中心在能源方面的消耗大概占到了全世界二氧化碳排放总量的两个百分 点 每年信息设备所排的废气大概为3 5 0 0 万吨 和所有航空工业排放的二氧化碳 量相当 数据中心日益增长的能耗及二氧化碳排放量已成为企业无法逃避的社会责 任 美国环保署所发布的报告指出 环境保护议题已迫使企业的i t 部门必须寻求 绿色数据中心的建立p 所以 绿色数据中心作为数据中心前进到既定时期的必然选择 其关系到数据 中心在系统在整体层面上的问题 企业构建新一代绿色数据中心或选择第三方专业 绿色数据中心 可以帮助企业节约成本 提高服务效率 快速响应业务需求 与业 务目标更加匹配 承担社会责任 目前电力企业大量应用的网络结构主要是三层结构的星形网络 有代表性的数 据中心网络结构有f a t t r e e d c e l l b c u b e 和v l 2 等 d c e l l 是在现有网络对昂贵的高端交换机的大量需求和单点失效问题的驱使下 提出的 是一种为数据中心提出的可称量的容错的网络结构 其大量采用低端交换 机进行数据交换 采用服务器来进行网络路由 并通过递归的方式建立网络 即用 位于第n 1 层的d c e l l 构建第n 层的d c e l l 第1 3 层的服务器个数s 圪为 s v o 1 s v l 交换机个数为s v k d c e l l 的结构如图2 2 所示 k 表示初始的服 务器数目 n 表示层数 d c e l l 的优点是 规模双倍指数增加 高的带宽汇聚能力 容错 节省开销 缺 点是 d c e l l 连接方式接近完全图 因此实际链路规模庞大 连接和维护花费多 困难大 d c e l l 各层次的流量分布不均 第0 层的流量过大 严重影响吞吐量 d c e u 使用服务器执行路由 并且在链路故障时路由协议也不适用于发现最短路径 因此 增大了网络延迟 华北电力大学硕士学位论文 a 第2 层 k 2 n 2 b 第1 层 k 2 n l c 第0 层 k 2 n o 图2 2 不同层数的d c e l l 结构 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 现有电力企业数据中心的逻辑层次 通常来讲 按照电力企业所具有规模以及管理上所采用的具体模式能够构建起 层次不一的数据中心 在全国范围内构建起数据中心会在很大程度上依靠信息网 络 因而会使得数据安全面临着非常大的风险 确保数据的统一性 实时性 精准 性以及全面性 来保障企业级信息系统在数据方面的应用以及共享 企业数据中一c d a t ac e n t e r d c 所具有的内涵逐渐进步以及清晰 初期的数据 中心会受到计算机机房环境和有关的网络与服务器的制约 数据中心要予以极佳的 机房环境 良好的网络环境 性能极高的主机系统 充足的数据存储空间 能够吻 合软件所需的具体环境以及机制 在这种情况下数据中一t l 所注重的就不是数据了 而应该注重运行所需的物理环境 通常来讲 按照电力企业所具有规模以及管理上所采用的具体模式能够构建起 层次不一的数据中心 在全国范围内构建起数据中心会在很大程度上依靠信息网 络 因而会使得数据安全面临着非常大的风险 数据中一t l 的构建应该取决于数据本 地化的性质 在某地的数据量以及数据更新的具体频率等 将中央的国企作为例子 能够依据具体的需要构建起三级数据中一t l 第3 级电力企业数据中一t l 区域级 省级 电力公司 分公司 数据中心 公司级 公司总部 数据中心 三级数据中心利用 电力信息网来实现有效连接 来进行数据方面的有效交换以及更新 进而确保数据 方面的统一性 及时性 准确性以及完整性 确保企业级的信息系统的实现有效的 应用以及数据资源的共享 电力企业数据中心的逻辑层次如图2 3 所示 礴如 辑 摹鬻电力集团企业总部数 l 钠诵i 钠诵 图2 3 现有电力企业数据中心逻辑层次 9 1 晒瓣心 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 现有电力企业数据中心的逻辑结构 电力企业的数据中心在核心功能方面重点囊括有数据的抽取 存储以及访问 它在逻辑结构上如图2 4 所示 1 数据抽取 数据中心的获取层就是用来对数据进行提取 转换以及加载的 提取主要是业 务系统方面的相关数据 然后在提取的数据转换成标准化的数据 最后加载至主题 数据库之中 e t l 的主要任务就是把异构的分布式数据源里面的数据抽取至临时中 间层之后来实施e t l 然后将之加载至数据仓库亦或是数据集里面 让它成为公司 级 公司总部 数据中心和联机分析处理的基础 它是b i d w 的核心以及灵魂 可以依据统一的标准来对数据的价值进行集成并且使之提高 作为实现数据由数据 源转化为目标数据仓库的一个具体过程 同时也作为实施数据仓库的衣蛾关键性步 骤 2 数据存储与管理 数据的储存和管理层能够对主题数据库更深层次的进行e t l 进而形成多维度 的的数据进而储存到数据仓库里面 并且对于数据编码以及元数据展开有效的管 理 华北电力大学硕士学位论文 其作为整体数据仓库系统里面的核心之所在 数据仓库里面重要数据的储存以 及管理均靠其来实现 数据仓库在管理方面的具体方式造成它和其别的数据库存在 着区别 而且也对数据在外部的表现形式起到决定性作用 要想通过何种产品亦或 是技术来构建数据仓库里面的核心 便要通过数据仓库在技术方面的特点来进行分 析 对于当前各个业务系统里面的数据 实施抽取 清理 而且展开相应的集成 依据主题来展开有效的组织 3 数据访问 数据访问层予以有效的数据来对界面进行展示 使得查询 统计 联机分析处 理 o l a p 数据挖掘以及决策辅助等相关的功能得以有效的实现 生产报表系统集中显示了各种生产数据的日报 月报 年报 一目了然的信息 非常方便领导者查看 该报表系统不仅方便部署 任何基层站点只需要登陆系统即 可填写报表 而且报表系统具有自动统计 分析功能 能够直接以图表的形式生成 各种形象的趋势图 从而直观的为生产决策提供了直接的数据依据 此外 该报表 系统还可根据生产季节变化 新业务开展 各个基层单位业务不同的情况 灵活的 进行业务添加 删除 工作内容添加 删除等操作 方便了基层单位的使用 数据仓 库的应用是基于数据仓库之上来展开的 重点囊括有 对于决策应用进行分析 比 如 联机分析处理 o l a p 以及数据挖掘 d m 等 统一平台的建立与应用 数 据展示主要负责展示应用的结果 也可称为数据前端处理 数据展示可以通过联机 方式表示 也可以通过w e b 方式表示 4 j 所有的网省公司以及直属数据中心按照国家电网所进行的相关设计 在实现基 本功能以及重要指标得以有效满足的前提下 按照安全生产以及设备管理等相关的 特征来展开建设 因为所有的省在业务系统方面有着很大的差别 因此在构建数据 中心的时候 其在服务器 网络 存储 电力 监控以及环境调节等相关的信息设 备 数据库以及数据仓库等方面也就存在着很大的差别了 而且 软硬件 数据资 源以及安全管理与维护方面所使用的工具和技术以及设计方面存在的缺陷造成管 理繁杂 导致数据中心在开展管理以及维护的时候需要花费大量的成本 目前电力数据中心不能够有效的对今后智能化电网在大量的信息储存 信息资 源的共享以及处理方面的需求进行满足 因此 需要数据中心予以更多的服务 并 且给数据挖掘以及决策辅助创设高良好的分布式计算环境 2 2 云计算数据中心及产业升级规划 2 2 1 产业转型的背景 云计算是技术和商业模式的双重创新 华北电力大学坝士学位论文 商业模式发生巨变 消费者和企业将从 购买软硬件产品 向 购买信息服务 转变 云计算的商业视角 云计算 信息电厂 云计算的技术视角 云计算 虚拟化 集群管理 经济方面 全球经济一体化 日益复杂的世界和不可确定的黑天鹅现象 需求多样性和个 性化是云计算发展的动力 社会层面 数字时代的崛起 消费行为的改变 现实世界中的人与人 人与物已经开始复 制到虚拟世界中 政治层面 社会转型 如何满足大众日益增长并不断个性化的需求 产业升级 制造型向服务型 创新型转变 政策支持 十二五 规划对物联网 三网融合 移动互联网 云计算战略给予 大力支持 技术方面 实现 按需即用 随需应变 的各项技术已经成熟 企业i t 的成熟和计算能力的 过剩 2 2 2 传统i d c 发展中遇到的瓶颈 为满足需求的多样化 个性化以及i t 行业业务模式转变 i d c 正面临着技术发 展滞后 设备无序扩张 缺乏统一规划和管理 业务结构单一 能耗成本越来越高 等诸多问题 技术发展已经滞后业务需求 全业务运营新时代的到来 重点突破虚拟化技术 将有效实现低成本 高效率和节能环保等 设备无序扩张 但依然不能满足需求 i d c 内设备以专用方式分配 产生资源 孤岛 机器利用率低下 一般情况只有2 0 即便是最繁忙的业务系统的利用率也 不到5 0 并且在信息安全和灾备建设方面较为薄弱 各地方 各运营商各自为政 缺乏统一规划 整体网络缺乏合理的布局规划 人力物力的利用率偏低 一些小的机房为增加客户和收入 不计成本降价 给i d c 业务健康发展带来极大的负面影响 业务发展受到挑战 还表现在业务模式不灵活架构单一 目前 i d c 业务以自 建机房 租赁机架为核心 业务结构不够丰富 光凭投资来提升业务量 增值业务 少之又少 业务多为主机托管 很少涉及租赁主机的业务 华北电力大学硕士学位论文 耗能成本居高不下 i d c 机房内各种硬件以及相关的配套电器设施日复一日的 运作使得总体成本居高不下 随着配套设备的完善 机房将面临空间紧缺 耗能增 高等方面的问题 i d c 机房节能减排是当务之急 刻不容缓 2 2 3 经营模式转变的必然性 为进一步落实创建 国家电子商务示范城市 公共基础平台建设和营造互联网产 业发展良好的开放环境 为互联网和电子商务企业提供创新的运营模式和服务模 式 云计算作为第三次i t 浪潮正促使i t 行业以产品运营为核心的业务模式向以服 务为核心业务模式转变 i t 行业的生态系统将以具有垄断地位的i t 运营商为核心 进行重建和重新洗牌 旧的i t 产业链分工模式将完全被打破 i t 新时代的到来 意味着网络的融合 业务的融合 运维支撑系统的融合以及海量数据的管理和分析 云计算带来的规模经济效应加速i t 基础设施集中化 基于云计算的i d c 建设成为 重点突破方向 将实现低成本 高效益 高可靠性和绿色i t 在传统模式下 购买信息服务要过程是这样的 试举企业为例 首先必须要购 买齐全硬件设施 比如服务器 存储器 网络等 其次 还要丌通宽带 并妥善处 理数据中心的选址 土建 装修 供电 空调等相关建设问题 再次 为服务器购 买操作系统 中问件等有关的基础软件和使用权等等 在替上层应用布置好了运行 环境后 企业还要根据自己的需求购买部分系统软件 若市面上没有这样的软件 企业还要组织专门的人员或是基于第三方软件平台进行研发 当数据中心建成之 后 企业还有委任专员定期维护和修护系统 随着企业的不断发展壮大 企业对系 统的要求也会越来越多 在这一条件下 企业还需不断购进相应的配套软件以及硬 件基础设施 由于系统有时要进行对接与融合 因此系统每次新增了功能模块或是 进行扩容后 就必须重复上述购买过程 事实上 用户并不会过多的关注企业是如 何购置和规划i t 系统的 他们只期望能获得优质的信 i i i 务 由此可以得知 在 传统模式中 用户要投入大量的时间 金钱去构建和维护一个i t 系统 以获得该 系统的信息服务 5 j 云计算时代己悄然而至 传统模式也发生了天翻地覆的变化 用户的关注重心 将全部集中在信息服务上 i t 构架已不再是他们的关注范畴 系统可针对用户需求 提供个性化服务 同时结合实际需求罗列出所需要购买的资源与服务 以此实现控 制成本的目的 总的来说 是由于商业模式的内在需求才催生了云计算技术 然而我们也要意 识到 云计算的发展离不开成熟技术的支撑 比如硬件技术 包含万兆网卡 4 0 g b 核心交换 先进存储技术 虚拟化技术 包含计算 存储 网络 应用 桌面等 华北电力大学坝士学位论文 智能管理与部署 多租户构架 分布式并行计算 其次 云计算的发展得益于互联 网的成熟 通过互联网技术 i t 资源 如存储 计算 网络等 能有效降低其与底 层物力设备的耦合程度 在云计算条件下 用户只需通过云计算i a a s 服务商便能 购买或租用到自己所需的资源 并可获得p a s s 与s a a s 提供的个性化服务 2 2 4 基于云计算的下一代数据中心 基于云计算的数据中心是以云机柜为基础单元 以梅林数据中心为核心节点 逐步向外部拓展 其优点为 1 技术先进性 采用以色列m e l l a n o x 的核心交换机 主备方式 为服务器一服务器之间 服务 器与存储之间提供4 0 g b 的高速 低延迟通讯网络 采用美国w m w e r e 企业版和管 理软件优化资源 超级管理 智能 监控软件u f m 以及高性能的服务器 存储 万兆网卡 网关和专用的连接线缆 集成为我们的云机架 2 性能优势 高密度服务器 配置高速互联网络 高效的全交换网络架构 更快速存储资源 的访问能力 确保虚拟服务器能获得足够的i o 带宽 智能的网络部署与诊断 6 1 3 云机架优势 体积小 集成化高 功能强大 一个云机柜可以虚拟出8 1 6 个传统机柜 成本 低的同时又大大降低了能耗 搬迁方便 布点灵活 拓展便捷 针对特殊客户 云 机柜可以前移到客户端 维护方