论文部分内容阅读
清华大学计算机与信息管理中心2001年提出了校园数据中心的理念，2004年基本实现了应用系统的集中运行和统一管理，有效实现了资源整合，减少了学校在信息系统运行环境、维护人员等方面的重复投资。但随着信息系统数量的增加，数据中心内的服务器数量也不断增加，各类服务器达150多台，不但耗电严重，而且硬件的故障率逐年上升，维护成本越来越高。从2005年开始，经过3 年的探索和实践，清华大学对数据中心内部的服务器、存储、网络、应用系统和数据进行大量的集中和整合的改造，取得了较好的效果。
一、数据中心建设中的集中技术简介
数据中心建设中的IT资源集中有两个层面：
第一个层面是将分散在学校各职能部门小机房中的IT资源集中到学校统一的数据中心进行集中管理，以求用更少的IT资源完成更多任务。
第二个层面是针对数据中心内部的服务器、存储、网络、应用系统和数据的集中，以降低运行和维护成本。
下面针对第二个层面，简要介绍数据中心内部的IT资源集中过程中用到的相关技术。
1．高密度机箱式交换机
增加交换机端口密度一般有两种做法：一种是采用堆叠或级联的方法，将多个小型的24口或48口的交换机连接起来；另一种是采用高密度机箱式交换机，支持多个模块插槽，通过添加模块，就可以满足不同的端口密度需求，这种方案在性能上、可配置性上、可管理性上都优于第一种方案，但价格也比第一种方案要贵。
清华大学在2005年对数据中心的子网进行了改造，将原来的由1台Quidway S8016级联4台Summit 48交换机的网络结构替换成了由1台Quidway S8508为数据中心150多台服务器提供网络接入和路由服务的结构，极大提高网络设备的可靠性和性能，降低管理和配置的复杂性。
2．统一存储架构
在一般应用环境中，像数据库类的应用通常采用SAN的存储架构，文件共享类应用更多的是采用NAS的结构。为了简化存储的复杂性，很多存储厂商推出了统一的存储架构，在单一的存储设备上可同时支持FCP、iSCSI、CIFS、NFS等不同的传输协议，从而以单一存储系统就能满足学校各式各样的存储需求，有效解决传统存储系统不够经济与管理困难的问题。
3．刀片服务器
刀片服务器是一种HAHD（High Availability High Density，高可用高密度）服务器平台，其主要结构为一大型主体机箱加上内部插上的许多“刀片”，其中每一块刀片实际上就是一个独立的服务器，根据所承担的服务器功能，可被分成服务器刀片、网络刀片、存储刀片、管理刀片、光纤通道SAN刀片、扩展I/O刀片等。系统管理员利用自动软件分发工具能够系统地快速安装和部署。高密度的刀片服务器可以在一个7U高度的机箱内配置16片的刀片，最大限度地实现了机柜的优化。
4．服务器虚拟化
由于单个服务器的资源利用率不足、管理成本不断攀升等原因，人们开始探索在PC服务器和小型机上进行虚拟化的操作，除了软件公司的虚拟化软件外，CPU厂商也开始在CPU内加入对虚拟化的支持。
虚拟化将物理硬件与操作系统分开，允许具有不同操作系统的多个虚拟机（virtual machine，VM）在同一物理机上独立并行运行。虚拟机封装在文件中，因此可以快速对其进行保存、复制和部署。可在几秒钟内将整个系统（完全配置的应用程序、操作系统、BIOS和虚拟硬件）从一台物理服务器移至另一台物理服务器，以实现零停机维护和连续的工作负载整合。
目前常见的服务器虚拟化软件有：Vmware、Xen、Microsoft Virtual PC等。
二、集中化的优点分析
通过对设备、应用系统、数据、维护人员的大集中，有利于提高资源利用率，降低运行成本，提高学校整体信息化建设。
1．共享IT基础保障环境，提高应用系统运行水平，降低运营成本
在学校信息化建设的初期阶段，通常都是由学校各职能部门根据自身业务的需要，自发地开发各自的业务系统，配置各自独立的IT运行环境（包括机房、空调、UPS、网络、服务器、存储等），由此造成了学校的IT资源部署数量过多，物理位置分散。通过合并各职能部门的小的数据中心，建设学校集中统一的数据中心，从物理上，将各职能部门的业务系统集中起来，运行在统一的IT基础设施上，共享IT基础保障环境和集中的运维服务，降低系统复杂性，并提高整体安全性、可用性，降低运营成本并提升系统性能，改善服务水平。
2．进行服务器整合，提高资源利用率
利用虚拟化技术进行服务器整合，能带来以下一些优点：
有效减少服务器数据的增加，提高服务器资源的利用率；
简化管理，减少系统部署所需的时间，降低维护成本；
提升系统的可用性和可靠性，提升应用系统适应业务变化的能力；
能带来更好的工作负载需求响应，迅速适应业务的改变；
减少系统管理员的需求；
降低软件许可证成本。
清华大学数据中心在2006年通过虚拟化软件将30多台Windows服务器整合到了4台PC服务器上，极大提高了可靠性和灵活性，降低了管理成本。
3．采用统一存储架构，简化存储环境
为满足不同的应用系统的需求，学校往往必须分别建设SAN和NAS两种使用不同传输方式的存储系统，以致增加了管理上的麻烦。通过采用统一的存储架构，在单一的存储设备上同时支持FCP、iSCSI、CIFS、NFS等不同的传输协议，从而以单一存储系统满足学校各式各样的存储需求，能有效降低存储环境的复杂性，减少学校在设备购买与维护方面的成本。
4．基于统一的开发和运行规范，简化应用系统运行环境
多年来的信息化建设已经给学校带来了复杂的应用系统运行环境，通过建立统一的开发和运行规范，对在学校数据中心运行的所有应用系统，在开发或采购阶段就提出运行环境的要求，尽量采用已有的和统一的运行环境，这样可以有效降低应用系统运行环境的复杂性，实现更多应用系统的集中运行，更好地实现资源的共享，使应用系统运行环境具有更好的敏捷性，能更快地响应安全漏洞、物理灾难和停机。同时，还可以有效减少服务器数量，减少管理服务器所需员工的数量，并降低维护与许可证成本。
三、集中化面临的主要风险和问题
集中程度越高，风险也越集中，我们必须充分意识到大集中带来的风险。
1．集中化面临着更大的系统风险
IT资源和管理集中后，所有的原来分散的系统风险都将集中于一点，这些系统风险主要包含系统本身规划和设计的风险，系统建设技术性风险，通信线路的风险，系统安全设施风险，遭受攻击和入侵风险等，一旦这些风险发生，在大集中模式下带来的损失也远远超过了分散模式的损失，使整个学校的信息化陷入瘫痪，不但严重影响学校的教学、科研和管理，学校的形象也会遭受严重损害。
另外，即使在正常情况下，由于设备老化导致的硬件故障，由于软件BUG修复或功能的增加导致的软件升级都不可避免，升级和维护将导致所有应用系统的运行受到影响，虽然有厂家信誓旦旦的保证，有技术人员制定的各种复杂的预案，但在大集中模式下，每一次升级和维护对应用系统的影响几乎不可避免，将损害用户良好的信息化体验。
2．集中化面临着更大的管理风险
大集中后，学校的数据更为集中，系统管理员权限进一步加强，管理人员的道德素质和责任心对系统安全有着不可忽视的影响，需要完善的规章制度、相应的安全审计手段来约束和规范管理人员行为，有效防止未授权的访问，以保障系统安全平稳的运行。
随着业务流程的调整和系统功能的不断扩展，信息中心管理工作日趋复杂，管理制度规划和建设变得非常重要，管理制度是否完善，执行是否到位，对系统运行的影响将越来越明显。
3．集中化面临着更大的投资性风险
为提高学校信息化水平，很多高校投入了大量资金来推进大集中的建设。但是大集中的建设过程是一个复杂的、技术含量很高的、需巨额投入的过程，除了物理意义上的大集中，还需要在应用上的整合和数据上的集成。另外，即使建设完成后，还需要投入大量的运行维护资金，尤其是一些大型的服务器、存储、网络设备，几百万的购买价格，通常只有三年的保修期，一旦过保，每年保修的服务费都是几十万元。如果一旦出现决策上的失误，将会出现巨大的投资黑洞，而且巨额投入将不能达到预期效果，给学校带来巨大的经济损失。
四、集中化的风险防范
把所有的鸡蛋放到一个篮子中，使风险由分散变为集中，我们必须制定完善的措施，有效防范相应的风险。
1．做好信息化总体规划，确保学校信息化可持续发展
坚持用科学的发展观来指导高校信息化建设和运行维护工作，科学全面的总体规划是在综合考虑学校信息化建设的现状与需求的基础上，从全局和整体的高度规划学校信息化建设的目标、原则、策略、中长期发展规划与年度实施计划；全面考虑硬件环境建设、信息资源建设、应用系统建设、管理规范建设和运维服务机制建设；科学全面的总体规划既有利于从整体上建立一个关联统一的数字校园，又有利于统一管理、有序实施、减少失误、规避风险，确保学校信息化工作的一致性和连续性。
2．建设高可用的IT基础保障环境，确保系统稳定运行
信息系统的运行需要考虑服务器系统、应用软件、数据库、网络环境、机房环境、安全架构、数据备份、人员配备、管理制度、流程规范、用户服务等各个环节。依靠单台设备能达到的可靠性非常有限，尤其是多个环节的串行，使整体可靠性大幅降低，这时就需要通过合理的设置网络结构、服务器架构和存储体系，采用服务器集群、负载均衡、网络冗余连接等技术，构建无单点的基础保障环境。另外，由于设备本身的故障不可避免，一些不可控的意外事件也可能影响系统的运行，这时就需要有自动化的监控和报警机制，能及时发现问题，并将问题反馈给相关的人员，同时，应该有规范的故障处理流程，以保证问题的及时响应和解决。
3．建设数字校园全方位的安全防范体系，提高系统防范风险能力
通过建立健全的覆盖网络、系统、数据、应用、用户各层的安全保障措施，强化安全管理与服务，建立数字校园全方位的安全防范体系，才能使最终用户享受到安全可信的信息化服务。主要措施包括：
建立和完善安全监控制度，明确安全监控岗位、人员的职责，规范安全监控工作流程和工作纪律；
加强安全监控人员素质培训，强化监控人员的责任意识、危机意识，提高安全监控人员应急能力和处理故障能力；
加强网络和系统安全、应用安全、数据安全、物理安全的建设，确保信息系统运行环境的安全。
4．加强培训，提高人员素质
高素质的人不但能有效提高整个系统的质量和运行效率，更能推动学校信息化建设向高阶发展。大集中模式在结构上、管理上、技术上跟分散模式都有本质上的区别，原有的适应分散模式下分层级体制的管理人员和运行人员已经不能适应大集中模式下的管理和技术支持。加强人员素质培训，提高人员综合素质，大力培养支持新技术体系的人才成为当务之急。
5．加强数据备份管理，把鸡蛋分散到多个篮子，规避集中的风险
硬件系统、软件系统以及通信系统都应采用备份机制，确保系统发生故障时，能够迅速恢复正常运行；应建立异地数据备份系统、灾难恢复中心，确保数据发生丢失或遭受物理损坏时能够得到快速恢复；应积极探索和建立系统、数据的分散备份机制，确保信息中心和备份中心同时遭受攻击时，系统能够及时得到有效的恢复。
清华大学从2005年开始进行校内异地数据容灾体系的建设，基于计算中心、网络中心、图书馆、档案馆建立了分布式的数据中心，实现了关键业务数据的校内楼宇级的异地容灾，目前容灾数据已有30TB。
五、结束语
集中与分散，永远是一个发展的过程，为了提高资源利用率，降低运行和维护成本，尤其是为了构建一个绿色节能的数据中心，越来越多的学校会对现有的IT资源进行逐步的集中。在IT资源集中过程中，必须评估带来的风险，并使用相应的管理和技术手段风险进行控制，才能达到预期的建设效果，确保学校信息化建设的可持续发展。
一、数据中心建设中的集中技术简介
数据中心建设中的IT资源集中有两个层面：
第一个层面是将分散在学校各职能部门小机房中的IT资源集中到学校统一的数据中心进行集中管理，以求用更少的IT资源完成更多任务。
第二个层面是针对数据中心内部的服务器、存储、网络、应用系统和数据的集中，以降低运行和维护成本。
下面针对第二个层面，简要介绍数据中心内部的IT资源集中过程中用到的相关技术。
1．高密度机箱式交换机
增加交换机端口密度一般有两种做法：一种是采用堆叠或级联的方法，将多个小型的24口或48口的交换机连接起来；另一种是采用高密度机箱式交换机，支持多个模块插槽，通过添加模块，就可以满足不同的端口密度需求，这种方案在性能上、可配置性上、可管理性上都优于第一种方案，但价格也比第一种方案要贵。
清华大学在2005年对数据中心的子网进行了改造，将原来的由1台Quidway S8016级联4台Summit 48交换机的网络结构替换成了由1台Quidway S8508为数据中心150多台服务器提供网络接入和路由服务的结构，极大提高网络设备的可靠性和性能，降低管理和配置的复杂性。
2．统一存储架构
在一般应用环境中，像数据库类的应用通常采用SAN的存储架构，文件共享类应用更多的是采用NAS的结构。为了简化存储的复杂性，很多存储厂商推出了统一的存储架构，在单一的存储设备上可同时支持FCP、iSCSI、CIFS、NFS等不同的传输协议，从而以单一存储系统就能满足学校各式各样的存储需求，有效解决传统存储系统不够经济与管理困难的问题。
3．刀片服务器
刀片服务器是一种HAHD（High Availability High Density，高可用高密度）服务器平台，其主要结构为一大型主体机箱加上内部插上的许多“刀片”，其中每一块刀片实际上就是一个独立的服务器，根据所承担的服务器功能，可被分成服务器刀片、网络刀片、存储刀片、管理刀片、光纤通道SAN刀片、扩展I/O刀片等。系统管理员利用自动软件分发工具能够系统地快速安装和部署。高密度的刀片服务器可以在一个7U高度的机箱内配置16片的刀片，最大限度地实现了机柜的优化。
4．服务器虚拟化
由于单个服务器的资源利用率不足、管理成本不断攀升等原因，人们开始探索在PC服务器和小型机上进行虚拟化的操作，除了软件公司的虚拟化软件外，CPU厂商也开始在CPU内加入对虚拟化的支持。
虚拟化将物理硬件与操作系统分开，允许具有不同操作系统的多个虚拟机（virtual machine，VM）在同一物理机上独立并行运行。虚拟机封装在文件中，因此可以快速对其进行保存、复制和部署。可在几秒钟内将整个系统（完全配置的应用程序、操作系统、BIOS和虚拟硬件）从一台物理服务器移至另一台物理服务器，以实现零停机维护和连续的工作负载整合。
目前常见的服务器虚拟化软件有：Vmware、Xen、Microsoft Virtual PC等。
二、集中化的优点分析
通过对设备、应用系统、数据、维护人员的大集中，有利于提高资源利用率，降低运行成本，提高学校整体信息化建设。
1．共享IT基础保障环境，提高应用系统运行水平，降低运营成本
在学校信息化建设的初期阶段，通常都是由学校各职能部门根据自身业务的需要，自发地开发各自的业务系统，配置各自独立的IT运行环境（包括机房、空调、UPS、网络、服务器、存储等），由此造成了学校的IT资源部署数量过多，物理位置分散。通过合并各职能部门的小的数据中心，建设学校集中统一的数据中心，从物理上，将各职能部门的业务系统集中起来，运行在统一的IT基础设施上，共享IT基础保障环境和集中的运维服务，降低系统复杂性，并提高整体安全性、可用性，降低运营成本并提升系统性能，改善服务水平。
2．进行服务器整合，提高资源利用率
利用虚拟化技术进行服务器整合，能带来以下一些优点：
有效减少服务器数据的增加，提高服务器资源的利用率；
简化管理，减少系统部署所需的时间，降低维护成本；
提升系统的可用性和可靠性，提升应用系统适应业务变化的能力；
能带来更好的工作负载需求响应，迅速适应业务的改变；
减少系统管理员的需求；
降低软件许可证成本。
清华大学数据中心在2006年通过虚拟化软件将30多台Windows服务器整合到了4台PC服务器上，极大提高了可靠性和灵活性，降低了管理成本。
3．采用统一存储架构，简化存储环境
为满足不同的应用系统的需求，学校往往必须分别建设SAN和NAS两种使用不同传输方式的存储系统，以致增加了管理上的麻烦。通过采用统一的存储架构，在单一的存储设备上同时支持FCP、iSCSI、CIFS、NFS等不同的传输协议，从而以单一存储系统满足学校各式各样的存储需求，能有效降低存储环境的复杂性，减少学校在设备购买与维护方面的成本。
4．基于统一的开发和运行规范，简化应用系统运行环境
多年来的信息化建设已经给学校带来了复杂的应用系统运行环境，通过建立统一的开发和运行规范，对在学校数据中心运行的所有应用系统，在开发或采购阶段就提出运行环境的要求，尽量采用已有的和统一的运行环境，这样可以有效降低应用系统运行环境的复杂性，实现更多应用系统的集中运行，更好地实现资源的共享，使应用系统运行环境具有更好的敏捷性，能更快地响应安全漏洞、物理灾难和停机。同时，还可以有效减少服务器数量，减少管理服务器所需员工的数量，并降低维护与许可证成本。
三、集中化面临的主要风险和问题
集中程度越高，风险也越集中，我们必须充分意识到大集中带来的风险。
1．集中化面临着更大的系统风险
IT资源和管理集中后，所有的原来分散的系统风险都将集中于一点，这些系统风险主要包含系统本身规划和设计的风险，系统建设技术性风险，通信线路的风险，系统安全设施风险，遭受攻击和入侵风险等，一旦这些风险发生，在大集中模式下带来的损失也远远超过了分散模式的损失，使整个学校的信息化陷入瘫痪，不但严重影响学校的教学、科研和管理，学校的形象也会遭受严重损害。
另外，即使在正常情况下，由于设备老化导致的硬件故障，由于软件BUG修复或功能的增加导致的软件升级都不可避免，升级和维护将导致所有应用系统的运行受到影响，虽然有厂家信誓旦旦的保证，有技术人员制定的各种复杂的预案，但在大集中模式下，每一次升级和维护对应用系统的影响几乎不可避免，将损害用户良好的信息化体验。
2．集中化面临着更大的管理风险
大集中后，学校的数据更为集中，系统管理员权限进一步加强，管理人员的道德素质和责任心对系统安全有着不可忽视的影响，需要完善的规章制度、相应的安全审计手段来约束和规范管理人员行为，有效防止未授权的访问，以保障系统安全平稳的运行。
随着业务流程的调整和系统功能的不断扩展，信息中心管理工作日趋复杂，管理制度规划和建设变得非常重要，管理制度是否完善，执行是否到位，对系统运行的影响将越来越明显。
3．集中化面临着更大的投资性风险
为提高学校信息化水平，很多高校投入了大量资金来推进大集中的建设。但是大集中的建设过程是一个复杂的、技术含量很高的、需巨额投入的过程，除了物理意义上的大集中，还需要在应用上的整合和数据上的集成。另外，即使建设完成后，还需要投入大量的运行维护资金，尤其是一些大型的服务器、存储、网络设备，几百万的购买价格，通常只有三年的保修期，一旦过保，每年保修的服务费都是几十万元。如果一旦出现决策上的失误，将会出现巨大的投资黑洞，而且巨额投入将不能达到预期效果，给学校带来巨大的经济损失。
四、集中化的风险防范
把所有的鸡蛋放到一个篮子中，使风险由分散变为集中，我们必须制定完善的措施，有效防范相应的风险。
1．做好信息化总体规划，确保学校信息化可持续发展
坚持用科学的发展观来指导高校信息化建设和运行维护工作，科学全面的总体规划是在综合考虑学校信息化建设的现状与需求的基础上，从全局和整体的高度规划学校信息化建设的目标、原则、策略、中长期发展规划与年度实施计划；全面考虑硬件环境建设、信息资源建设、应用系统建设、管理规范建设和运维服务机制建设；科学全面的总体规划既有利于从整体上建立一个关联统一的数字校园，又有利于统一管理、有序实施、减少失误、规避风险，确保学校信息化工作的一致性和连续性。
2．建设高可用的IT基础保障环境，确保系统稳定运行
信息系统的运行需要考虑服务器系统、应用软件、数据库、网络环境、机房环境、安全架构、数据备份、人员配备、管理制度、流程规范、用户服务等各个环节。依靠单台设备能达到的可靠性非常有限，尤其是多个环节的串行，使整体可靠性大幅降低，这时就需要通过合理的设置网络结构、服务器架构和存储体系，采用服务器集群、负载均衡、网络冗余连接等技术，构建无单点的基础保障环境。另外，由于设备本身的故障不可避免，一些不可控的意外事件也可能影响系统的运行，这时就需要有自动化的监控和报警机制，能及时发现问题，并将问题反馈给相关的人员，同时，应该有规范的故障处理流程，以保证问题的及时响应和解决。
3．建设数字校园全方位的安全防范体系，提高系统防范风险能力
通过建立健全的覆盖网络、系统、数据、应用、用户各层的安全保障措施，强化安全管理与服务，建立数字校园全方位的安全防范体系，才能使最终用户享受到安全可信的信息化服务。主要措施包括：
建立和完善安全监控制度，明确安全监控岗位、人员的职责，规范安全监控工作流程和工作纪律；
加强安全监控人员素质培训，强化监控人员的责任意识、危机意识，提高安全监控人员应急能力和处理故障能力；
加强网络和系统安全、应用安全、数据安全、物理安全的建设，确保信息系统运行环境的安全。
4．加强培训，提高人员素质
高素质的人不但能有效提高整个系统的质量和运行效率，更能推动学校信息化建设向高阶发展。大集中模式在结构上、管理上、技术上跟分散模式都有本质上的区别，原有的适应分散模式下分层级体制的管理人员和运行人员已经不能适应大集中模式下的管理和技术支持。加强人员素质培训，提高人员综合素质，大力培养支持新技术体系的人才成为当务之急。
5．加强数据备份管理，把鸡蛋分散到多个篮子，规避集中的风险
硬件系统、软件系统以及通信系统都应采用备份机制，确保系统发生故障时，能够迅速恢复正常运行；应建立异地数据备份系统、灾难恢复中心，确保数据发生丢失或遭受物理损坏时能够得到快速恢复；应积极探索和建立系统、数据的分散备份机制，确保信息中心和备份中心同时遭受攻击时，系统能够及时得到有效的恢复。
清华大学从2005年开始进行校内异地数据容灾体系的建设，基于计算中心、网络中心、图书馆、档案馆建立了分布式的数据中心，实现了关键业务数据的校内楼宇级的异地容灾，目前容灾数据已有30TB。
五、结束语
集中与分散，永远是一个发展的过程，为了提高资源利用率，降低运行和维护成本，尤其是为了构建一个绿色节能的数据中心，越来越多的学校会对现有的IT资源进行逐步的集中。在IT资源集中过程中，必须评估带来的风险，并使用相应的管理和技术手段风险进行控制，才能达到预期的建设效果，确保学校信息化建设的可持续发展。