Adatközpontok osztályozása és struktúraelemei

A C2-adatközpontokat négy csoportba sorolják. Ezek a Tier I …, Tier IV kategóriák szerint léteznek:

- A Tier I adatközpontnak egyetlen tápfeszültség-ellátási útvonala és hűtéselosztója van, és nem rendelkezik redundáns elemekkel.

- A Tier II adatközpont N+1 redundanciával készül, ami magasabb rendelkezésre állási szintet nyújt.

- A Tier III adatközpont többszörös tápfeszültség-útvonallal és hűtéselosztóval rendelkezik, de ezek közül egy időben csak egyetlen aktív. Redundáns elemeket tartalmaz, amelyeket egyszerre lehet karbantartani, mivel tipikusan N+2 felépítésű.

- A Tier IV adatközpont két aktív feszültségforrással, illetve hűtéselosztóval rendelkezik. Mindegyik útvonal redundáns elemekkel van ellátva, így bármelyik berendezés meghibásodása nem befolyásolja az adatközpont normális működését.

A Tier osztályozás ma még nem teljesen pontos, a definíció még alakul. A legtöbb kereskedelmi adatközpont a III és IV fokozat között helyezkedik el. Az adatközpont megbízhatósága nemcsak a tervezéstől függ, hanem az üzemeltető cég minőségétől is. Az iparban alkalmazott rendelkezésre állási szintek az alábbiak:

- Tier II: 99,7%

- Tier III: 99,98 % - Tier IV: 99,995 %

A C2-adatközpontok fizikai méretei széles palettán helyezkednek el. Az USA szervereinek kétharmada 450 m²-nél kisebb alapterületű gépteremben működik, amelyek elektromosteljesítmény-felvétele kisebb, mint 1 MW.

Több vállalat adatközpontjának teljesítményfelvétele 10–20 MW és csak néhány olyan adatközpont létezik, amelynek kritikusteljesítmény-felvétele meghaladja a 30 MW értéket.

Fontos: C2-adatközpontosztályok: Tier I, Tier II, Tier III, Tier IV.

Az adatközpont tipikus elemeit a 4.2. ábra mutatja be. A tápfeszültség a külső transzformátortól érkezik, amely rendszerint a közmű alrendszerben helyezkedik el. Ez a 10–20 kV középfeszültségű rendszer, és a 60–400 kV tartományú magasfeszültségű külső, illetve a 110–600 V alacsony feszültségű belső energia hálózat között helyezkedik el. A középfeszültségű vonalak az elsődleges kapcsolófokozatnál (EPS – Electrical Primary Switchgear) végződnek, amely az elektromos meghibásodások ellen biztosítékokat, valamint 400–600 V-ra transzformáló berendezéseket tartalmaz.

Az alacsony feszültség a szünetmentes tápegységekhez (UPS – Uninterruptible Power Supply) jut el, ahol egy második, ugyanakkora feszültségű betáplálási áramkör a dízel generátoroktól (EDG – Energy Diesel Generator) érkezik. Utóbbi akkor lép működésbe, ha a külső szolgáltatói energiaforrás meghibásodik. A dízelgenerátoroknak külön üzemanyagtankokat (FOST – Fuel Oil Storage Tank) is biztosítani kell.

A szünetmentes tápforrás rendszer három funkciót valósít meg egyszerre:

- Elsőként tartalmaz egy olyan kapcsolót, amely kiválasztja az aktív energiaforrást (külső szolgáltatótól vagy a dízelgenerátortól). A betáplálás meghibásodása esetén a kapcsoló érzékeli, hogy a generátor mikor áll készen az üzemi munkára. Ez általában 10-15 másodperc időtartam szokott lenni.

- Másodikként tartalmaz olyan akkumulátorokat, amelyek képesek áthidalni a generátorok beindulásáig szükséges szolgáltatói betáplálás kiesését. Az UPS dupla, AC-DC-AC, azaz váltóáram-egyenáram-váltóáram konverzióval biztosítja ezt a funkciót. Az egyenáramú energiát az akkumulátor tárolja, amely normál működés közben folyamatosan töltődik.

4.3. ábra - A C2-adatközpont strukturális szerkezete

- Harmadikként a belső elektronikája segítségével szabályozza a rajta áthaladó váltóáramú tápfeszültséget, kiszűrve a tüskéket, ingadozásokat, illetve a harmonikus torzításokat. Ez a szabályozás az AC-DC-AC, kétszeres konverzió miatt automatikusan megtörténik.

Fontos: Az UPS három funkciót lát el egyszerre: betáplálás-kapcsolás, energiatárolás, váltóáram-szabályozás.

Mivel az akkumulátorok skálázható fizikai területet igényelnek, ezért az UPS-t külön, erre a célra kialakított teremben szokták elhelyezni, függetlenül az adatközpont területétől. Az UPS kapacitása n·100 kW és 2 MW között van.

Az energiaelosztó egységek (PDU – Power Distribution Unit) az energiát a szünetmentes táprendszertől kapják.

Ezek már az adatközpont szintjén helyezkednek el, és a 110–230 V-os megszakító paneleket hajtják meg, ahonnan minden számítástechnikai szekrény (ICCC – Individual Colocation Computer Cabinet, CS – Colocation Suite) kapja a tápellátást. Minden egyes elektromos áramkör saját biztosítékkal rendelkezik, így egy esetleges rövidzárlat csak az adott szervergépet befolyásolja. Egy tipikus energiaelosztó 75–225 kW terhelést bír el, ami áramkörönként 20–30 A áramerősséget jelent a 110–230 V-os alacsony feszültségnél, azaz 6 kW-os elektromosteljesítmény-szolgáltatást. Az energiaelosztók gyakran a redundanciát két energiaforrással oldják meg, amelyeket A, illetve B oldalaknak neveznek. Ezek között olyan rövid idő alatt képes kapcsolni, ami nem okozza a szerverek elakadását. Ehhez a szünetmentes egységek duplikáltak az A és B oldalakra, így az UPS meghibásodása nem okoz a szerver számára elakadást.

Fontos: Minden egyes elektromos áramkör saját biztosítékkal rendelkezik, így egy esetleges rövidzárlat csak az adott szervergépet befolyásolja.

Gyakori megoldás az, ahol a dízelgenerátorokat és az UPS-eket is párhuzamosítják. A több eszköz egy osztott sínt hajt meg, így egy meghibásodott eszköz funkcióját más eszközök képesek átvenni, hasonlóan a háttértárolók RAID rendszerénél alkalmazott módszerhez. A gyakorlati megoldásoknál az N+1 konfigurációt (egyetlen meghibásodás vagy javítás engedélyezése), az N+2 konfigurációt (egy meghibásodás, miközben egy eszköz javítás alatt van), illetve a 2N konfiguráció (redundáns párok) alkalmazzák.

A C2-adatközpont hűtőrendszere egy kissé egyszerűbb, mint a szünetmentes tápforrás rendszer. Az adatközpont rendszerint álpadlóval rendelkezik, amely tartólábak segítségével a tényleges födém felett 60–100 cm távolságra helyezkedik el (ld. 4.3. ábra). Az álpadló alatti teret gyakran használják a kábelek szekrényekig (rack) való vezetésére, de elsődleges célja a hideg levegő eljuttatása a szerverszekrényekig.

4.4. ábra - A C2-gépterem hűtési rendszere

A levegős hűtő rendszer (CRAC, Computer Room Air Conditioning) nagyobb nyomással az álpadló alá fújja be a hideg levegőt, amely a szerverszekrények elülső oldalához jut el az álpadló megfelelő helyein kiképzett lyukakon keresztül. A szerverszekrények a saját ventilátoraik segítségével elölről szívják a feláramló hideg levegőt és a hátsó oldalukon fújják ki a szerverekből kiáramló meleg levegőt. A szervergépterem mennyezete eltereli a meleg levegőt a CRAC elszívó részéhez. A CRAC a hozzá kapcsolódó folyadék segítségével a külvilág felé küldi ki a beszívott meleg levegőből kinyert hőt. Ez folyamatos körfogásban tartja a gépterem levegőjét, biztosítva ezáltal a szervergépek működése miatt termelődő hő külvilágba történő elszállítását.

Bizonyos esetekben a hideg és a meleg folyosók fizikai elkülönítésével hatékonyabbá tehető a hő elszállítása, amit erre a célra kialakított beltéri terelőfalakkal oldanak meg.

Fontos: A meleg levegő könnyebb, mint a hideg levegő, ezért a befújás az álpadló alá, az elszívás pedig a terem mennyezete irányából történik.

A CRAC befele áramló hűtőfolyadékja 12–14 ℃ hőmérsékletű, ami 16–20 ℃ hőmérsékletű hideg levegő befújását teszi lehetővé. Ez a gépteremben 18–22 ℃ hőmérsékletű levegőt alakít ki a szerverszekrények elülső oldalán.

A legújabb adatközpontok esetén gyakran alkalmaznak hűtőtornyot, amely képes előhűteni a kondenzációs vízáramkört, mielőtt az a beltéri hűtőegységet elérné. Ezt nevezik szabad hűtésű megoldásnak. A vízalapú szabad hűtésnél a hűtőtornyok egy elkülönült áramkört alkalmaznak. A meleg víz egy nagy felületű lemezstruktúrán áramlik át, így párolgás közben lehűl. Fontos megjegyezni, hogy a meleg vizet a környezeti hőmérséklet alá lehet hűteni, ha a levegő páratartalma viszonylag kicsi. Ahogy a környezeti levegő áthalad a nedves felületen, a párolgás lehűti a vizet közel a „nedves csepp” levegő hőmérsékletére, ami kisebb, mint a

„száraz csepp” levegő hőmérséklete. A hűtőtornyok legjobban az alacsony páratartalmú környezetben működnek, de alacsony hatásfokkal működnek a nagyon hideg környezetben, mivel segédmechanizmusok szükségesek a jég tornyokon való kialakulása ellen.

Fontos: A vízalapú hűtőtorony a párolgás miatti lehűlést mint fizikai törvényt alkalmazza.

Alternatív megoldásként a glycol-alapú kültéri egységeket alkalmazzák, hogy a hő leadását megoldják. Ez jól működik a hideg időkben, de ugyancsak gyenge hatásfokú a meleg időszakokban, mivel a hő leadása levegő-levegő típusú konvekcióval kevésbé hatékony, mint a párolgásos megoldás. Bizonyos esetekben, ha a kinti hőmérséklet alacsony, egyszerűen ventilátorok segítségével pumpálják ki a szabadba a meleg levegőt.

A legtöbb mechanikus hűtőrendszert a dízelgenerátorok és az UPS egységek indítják el, mivel az adatközpont nem működhet hűtés nélkül. A hűtés nélküli túlforrósodási idő csupán néhány perc. Emiatt az adatközpontokban a ventilátorok és hőcserélők a szerverek fogyasztásának kb. 40%-át teszik ki. Ezt az adatközpont elektromos rendszerének tervezésekor fontos paraméterként veszik figyelembe.

A levegő mozgásának iránya a gépteremben igencsak fontos üzemeltetési szempont. A szerverszekrényekbe általában 10 darab gépet is be szoktak szerelni, mindegyik kb. 10 m³/perc térfogatú levegő mozgatását igényli.

Ez azt jelenti, hogy a szekrény perforált elülső oldalán nettó 100 m³ hideg levegőt kell biztosítani. Ha ez az érték nem biztosított, akkor a szekrény alján lévő szerverek lényegesen hűvösebbek lesznek, miközben a felső szerverek túlmelegedhetnek. Ezt a visszaáramlásos esetet kell megelőzni a befújt hideg levegő megfelelő irányba történő terelésével. Így a hő formájában keletkező energiasűrűsége kiegyenlítettebb lesz a géptermen belül. Az energiasűrűség egyenletessé tétele annál nehezebb feladat, minél több szerver szekrény van a gépteremben. A C2-adatközpont esetén éppen ez a helyzet áll elő, ezért fontos ez a téma is. A 15-20 W/m² hőenergia-sűrűségű C2-adatközpontok esetén az egyenletes hőmérséklet kialakítása csak komoly költségtöbblet-ráfordítással valósítható meg.

Fontos: A C2-gépteremben a hő formájában létrejött energia sűrűségének egyenletes kialakítása egy komplex feladat és meghatározza a hűtéshez felvett elektromos teljesítmény mértékét.

A szerverszekrényen belüli hűtés egy olyan megoldás, amely képes növelni a hűtés hatékonyságát azáltal, hogy a rack hátoldalán elhelyezett levegő-víz hőcserélő a hátrafelé fújt meleg levegő hőmérsékletét még a szekrényben lecsökkenti a víz által átjárt hűtőborda-szerkezet segítségével (hasonlóan, mint az autók motorjánál). Így rövidre zárul a szerver hőtermelése és a hűtőegység bemenete. Bizonyos megoldásoknál ez a járulékos hűtés a termelt hőnek csak egy részét képes elszállítani, de még így is lényegesen csökkenti a terem hűtőrendszerének terhelését, mivel csökken a szekrényekből kiáramló hőenergia sűrűségének térbeli szórása.

Más megoldásoknál teljes mértékben helyettesíteni képes a teremszintű globális hűtőrendszert. A megoldás nehezebb része az, hogy minden szekrénybe külön-külön be kell vezetni a vizet, ami költségesebbé teszi a hűtőrendszer egyszeri beruházási összegét (CAPEX). Cserébe viszont a fenntartási költség (OPEX) kisebb lesz.

Ennek a gondolatnak a továbbfejlesztése hűtővíznek a szerverek alaplapjára történő elvitele. Jelenleg még kezdeti stádiumában van ez a megoldás, de már léteznek szervergépek, amelyek az alaplapról, sőt a CPU belsejéből közvetlenül lehetővé teszik a hő elszállítását víz segítségével.

Fontos: A C2-gépterem hűtésére globális, rack, illetve szerverszintű vízhűtéses megoldásokat alkalmaznak.

A C2-adatközpontok speciális változata a konténeralapú megoldás. Ezek a több tíz négyzetméter területű, speciális kialakítású dobozok arra vannak előkészítve, hogy a bennük elhelyezett szekrényekbe a szervergépeket beszerelve, gyors üzembe helyezési idő mellett lehessen a C2-szolgáltatásokat elindítani. Úgy a tartalék energiaforráshoz (dízelgenerátor) való csatlakoztatás, mint a hűtés és a szükséges kábelezés megfelelő módon elő van készítve. A helyszínre szállítás és a csatlakoztatás után rövid idő alatt lehet látványos eredményt elérni.

A megoldás természetesen költségesebb, mint az épületben kialakított változat. Ilyen adatközpontok gyors telepítését a Google cég már 2005-ben elkezdte sikerrel alkalmazni.

Fontos: A konténeralapú adatközpont a szolgáltatások leggyorsabb üzembe helyezését teszi lehetővé.

Tehát: A C2-adatközpontok típusa a mérettől, a megbízhatóságtól, a CAPEX- és az OPEX-költségektől függ.

2. 4.2. A C2-storage

A C2-storage szolgáltatás pontosan azt takarja, amit a neve sugall: az adatok tárolása egy C2-szolgáltató segítségével, és nem egy helyi rendszerrel. A többihez hasonlóan ezt a C2-szolgáltatást is Internet-kapcsolaton keresztül lehet elérni. Annak ellenére, hogy az adat tárolása és elérése távol történik, a karbantartás helyben valósul meg.

A C2-storage a hagyományos storage-hoz képest számos előnyt sorakoztat fel. A C2-ben tárolt adat az Internet bármely pontján hozzáférhető. A felhasználók bármilyen gépen elérhetik, anélkül hogy fizikai eszközöket kellene mozgatniuk. Ha a felhasználó cégnek kihelyezett székhelyei is vannak, ezek az adatokat a C2-szolgáltatótól érhetik el.

A C2-storage rendszerek száma mára több száz, amelyek közül néhány nagyon speciális szolgáltatást nyújt.

Ezek csak e-mail és/vagy digitális képek tárolását végzik, míg mások bármilyen típusú adatokat képesek tárolni.

Bizonyos szolgáltatók nagyon kicsik, míg mások nagyon nagy méretűek és egy teljes adattárházat képesek kezelni. Így például a Google oregoni adatközpontja futballpálya méretű és több ezer szervert működtet.

Fontos: A C2-storage rendszerek száma nagy és sokféle típusú. Ezek több szempontból különböznek:

kapacitás, gyorsaság, költség, tárolt adat típusa stb.

A C2-storage rendszer néhány tucat vagy néhány száz adatszervert használ. Mivel a szerverek üzemeltetést vagy javítást igényelnek, ezért a redundancia miatt az adatokat több gépen kell tárolni. A redundancia nélkül a felhasználók számára nem lehetne biztosítani bármelyik pillanatban a hozzáférést. Az adat másolatát olyan C2-szervereken tárolják, amelyek tápfeszültség-ellátása külön szolgáltatótól történik, így a kliensek az adatokat olyan esetben is képesek elérni, ha az egyik elektromos energiaszolgáltató rendszere ideiglenesen meghibásodik.

A felhasználók a C2-storage szolgáltatást elsősorban nem azért használják, mert az házon kívül helyezkedik el, hanem azért, mert biztonságosabb. Ha történik valami a felhasználó épületével, az adat továbbra is sértetlenül marad.

A C2-storage-architektúra elsősorban ki kell, hogy szolgálja igény szerint, nagy rendelkezésre állási szinten a többbérlős tárolási feladatokat. Általában véve a C2 storage architektúra felhasználói oldalról egy front-end felületből áll, ami API-t exportál a felhasználók felé. A hagyományos storage rendszereknél az API az SCSI protokoll, de a C2 esetén ezek a protokollok folyamatosan fejlődnek. Emiatt léteznek webszolgáltatás-alapú, fájlalapú, illetve Internetre épülő SCSI (iSCSI) front-end felületek.

A front-end mögött helyezkedik el a köztesréteg-szoftver (middleware), ami a storage logikát képezi. Ennek a rétegnek sok hasznos tulajdonsága van, mint: adatreplikáció és adatredukció a hagyományos adatelhelyező algoritmusok felett.

Fontos: A felhasználó a C2-storage szolgáltatást a front-end felületen éri el.

A back-end feladata az adat fizikai tárolása. Ez lehet egy belső protokoll, amely specifikus tulajdonságokat valósít meg, vagy egy hagyományos back-end a fizikai lemezekhez. A 4.4. ábrán látható elrendezésből derülnek ki a C2 storage architektúra legfontosabb jellemzői. Fontos megjegyezni, hogy a jellemzők nem csak egyetlen réteghez tartoznak, hanem a teljes szolgáltatásra vonatkoznak.

4.5. ábra - A C2 storage architektúra

Tehát: A C2-storage-architektúra elemei: Front-end, Storage-logika (middleware) és a Back-End Storage.