1.1.3 云數據中心體系結構簡介

1. 存儲

隨著企業網絡應用時間和應用數據量的加大，企業已經感覺到存儲容量和性能與網絡應用發展之間的不平衡。因此，滿足用戶存儲需求的技術也應運而生，DAS（Direct Attached Storage,直連式存儲）、NAS（Network-Attached Storage,網絡接入存儲）和SAN（Storage Area Network，存儲區域網絡）3種存儲技術成為當今主流的存儲技術。

（1）DAS

DAS在我們生活中非常常見，尤其是在中小企業應用中，DAS是最主要的應用模式，存儲系統被直連到應用的服務器中。DAS技術是最早被采用的存儲技術，但由于這種存儲技術是把設備直接掛載在服務器上，隨著需求的不斷增加，越來越多的設備被添加到網絡環境中，服務器和存儲獨立數量較多，導致資源利用率低下，使得數據共享受到嚴重限制。

DAS更多地依賴服務器主機操作系統進行數據的I/O讀寫和存儲維護管理，數據備份和恢復要求占用服務器主機資源（包括CPU、系統I/O等），數據流需要回流主機再到服務器連接著的存儲設備，數據備份通常占用服務器主機資源的20%～30%，直連式存儲的數據量越大，備份和恢復的時間就越長，對服務器硬件的依賴性和影響就越大。DAS邏輯示意如圖1-5所示。

（2）NAS

NAS技術改進了DAS技術，通過標準的拓撲結構實現連接，服務器無需直接與企業網絡連接，不依賴于通用的操作系統，所以存儲容量得以擴展，而且對原來的網絡服務器的性能沒有任何影響。NAS邏輯示意如圖1-6所示。

NAS是文件級的存儲方法，常被用來共享文檔、圖片、電影等，而且隨著云計算的發展，一些NAS廠商也推出了云存儲功能，大大方便了企業和個人用戶的使用。

（3）SAN

SAN的支撐技術就是光纖通道——FC技術，該技術與前面介紹的NAS技術完全不同。它不是把所有的存儲設備集中安裝在一個服務器中，而是將這些設備單獨通過光纖交換機連接起來，形成一個光纖通道存儲在網絡中，然后在企業的局域網中進行連接。這種技術的最大特點就是將網絡和設備的通信協議與傳輸介質隔離開，使其可以在同一個物理連接上傳輸。高性能的存儲系統和寬帶網絡的使用，使得系統的構建成本和構建復雜程度大大降低。SAN邏輯示意如圖1-7所示。

2. 網絡結構

DCN（Data Center Network，數據中心網絡）主要采用層次結構實現，按照網絡結構中設備作用的不同，網絡系統可以被劃分為核心層、匯聚層、接入層。多種應用同時運行在一個數據中心，每種應用一般都運行在特定的服務器與虛擬服務器集群上，每個應用與一個或者多個因特網路由的IP地址綁定，用于接收來自因特網的客戶端訪問。在數據中心內部，來自因特網的請求被彈性負載均衡器分配到這個對應的服務器池中進行處理。根據傳統負載均衡的術語，接收請求的IP地址被稱為虛擬IP地址（Virtual IP Address，VIP），負責處理請求的服務器的集合被稱為直接IP地址（Direct IP Address，DIP）。一個典型的數據中心網絡體系結構示意如圖1-8所示。

除了以上所說的網絡結構以外，還有一種Fabric的網絡架構。數據中心在部署云計算之后，Fabric網絡架構可以利用陣列技術來扁平化網絡，可以將傳統的三層結構壓縮為兩層，并最終轉變為一層，通過實現任意點之間的連接來消除復雜性和網絡延遲。不過，Fabric這個新技術目前仍未有統一的標準，其推廣應用還有待更多的實踐。

3. 數據層次

數據中心全年無休地運行，一旦數據丟失，造成的損失將難以估量，因此部署數據備份系統尤為重要，而數據備份技術也是整個備份系統中的核心技術。

數據備份技術可以將整個數據中心的數據或狀態保存下來，一旦發生硬件損壞而導致數據丟失，我們可以從已有的備份中，快速、正確、方便地將數據恢復。數據備份技術在存儲系統中的意義不僅在于防范意外事件的發生，而且它還是歷史數據歸檔保存的主要方式。

數據備份由備份服務器、備份軟件、數據服務器和備份介質4個部分組成。數據備份并不是簡單地數據拷貝，為降低備份數據所占用的額外空間，一般需要改變數據格式，進行壓縮等操作，這一般由專業的備份軟件完成。數據庫的備份與普通文件備份不同，需要通過應用插件與數據庫協調，以保證備份數據的一致性和完整性。

那么什么是備份策略呢？備份策略是確定需要備份的內容、備份時間及備份方式的過程。各行各業都需要根據自己的實際情況來制訂不同的備份策略。目前被采用的備份策略主要有以下3種。

（1）完全備份（Full Backup）

如圖1-9所示，我們可以每天對自己的系統進行完全備份。例如，第一天用一盤磁帶對整個系統進行備份，第二天再用另一盤磁帶對整個系統進行備份，以此類推。

優點：只需使用當天的數據盤就能恢復數據。

缺點：每天都對整個系統進行完全備份會造成備份的數據大量重復，這些重復的數據占用了大量的磁帶空間；其次，由于需要備份的數據量較大，備份所需的時間也較長。

（2）增量備份（Incremental Backup）

第一天進行一次完全備份，然后在接下來的每天只對當天新的或被修改過的數據進行備份。這種備份策略如圖1-10所示。

優點：節省了磁帶空間，縮短了備份時間。

缺點：當災難發生時，數據的恢復比較麻煩。例如，系統在星期三的早晨發生故障，丟失了大量的數據，那么現在就要將系統恢復到星期二晚上時的狀態。這時系統管理員就要先找出星期天的那盤完全備份磁帶進行系統恢復，然后再找出星期一的磁帶來恢復星期一的數據，接著找出星期二的磁帶來恢復星期二的數據。很明顯，這種方式很繁瑣且可靠性也很差。在這種備份方式下，各盤磁帶間的關系就像鏈子一樣，一環套一環，其中任何一盤磁帶出了問題都會導致整條鏈子脫節。比如在上例中，若星期二的磁帶出了故障，那么管理員最多只能將系統恢復到星期一晚上時的狀態。

（3）差異備份（Differential Backup）

管理員首先在星期天進行一次系統完全備份，然后在接下來的幾天里，再將當天所有與星期天不同的數據（新的或修改過的）備份到磁帶上，如圖1-11所示。差異備份策略在避免了以上兩種策略的缺陷的同時，又具有了它們的所有優點。

優點：它無需每天都對系統做完全備份，因此備份所需時間短，節省了磁帶空間；其次，它的災難恢復也很方便，系統管理員只需兩盤磁帶，即星期天的磁帶與災難發生前一天的磁帶，就可以將系統恢復。

4. 能源利用

PUE（Power Us age Effectiveness，能源使用效率）是評價數據中心能源效率的指標，是數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比。PUE值已經成為國際上比較通行的數據中心電力使用效率的衡量指標。PUE值越接近于1，表示一個數據中心的綠色化程度越高，能源的利用率越高。

節能減排在今天已成為一種社會責任，越來越多的數據中心在構建之初就已將其列為一項硬性指標。數據中心所耗費的能源費用已占企業運營費用的40%～45%，因此，合理高效的能源利用是十分重要的。

5. 延遲、帶寬、容量

隨著越來越多新技術的問世以及標準的出臺，數據中心的帶寬提升也變得越來越棘手。目前，數據中心的帶寬發展介于突破與瘋狂之間，帶寬需求正在以每年25%～35%的速度飛速增長，預計這樣的增長速度還會持續幾年甚至更久。因此，合理的網絡架構和及時更換網絡設備是解決帶寬問題的首要方法。

6. 故障恢復

隨著網絡科技快速發展，云數據中心需要更高水平的運營支撐能力和強大的數據處理能力，既要確保關鍵業務數據萬無一失，又要支撐各企業業務系統的連續、可靠運行。因此，數據中心的故障恢復要快速，不能影響業務的正常運行，高可用和負載均衡的技術就顯得尤為重要。合理的高可用架構可以保證服務的不間斷運行，性能優秀的負載均衡架構可以保證服務的質量，兩者的合理安排，是數據中心故障恢復的有力保障。