Архитектура PowerStruXure

Андрей Борзенко

Новая архитектура APC решает проблемы электропитания, возникающие при развертывании компьютерных центров любого масштаба.

Пытаясь предсказать устойчивость оборудования к отказам, руководители центров данных и инженерных служб часто склонны закладывать в расчет слишком большой запас надежности, что приводит к излишним расходам и превышению бюджета. Если же не удается верно оценить потребности систем в развитии, это грозит неудовлетворенностью пользователей, простоями оборудования и снижением роста доходности. Впрочем, сегодня из этой противоречивой ситуации есть выход – можно воспользоваться преимуществами архитектуры APC PowerStruXure, нового подхода к развертыванию центров данных как в условиях переоснащения существующей инфраструктуры, так и при создании ее с нуля.

Для высококонкурентной среды современного бизнеса, когда любой простой оборудования может обернуться огромными убытками, компания American Power Conversion (APC, http://www.apcc.com) представила (заявленный на патент) системный подход к построению инфраструктуры центров обработки данных – PowerStruXure, где реализуется сценарий "оплаты по мере роста". По словам руководителей компании, этот принципиально новый способ технической поддержки компьютерных центров упрощает планирование, построение и администрирование инфраструктуры любого центра обработки данных. Архитектура PowerStruXure позволяет приобретать и устанавливать элементы расширения по мере необходимости, по принципу детского конструктора, что сокращает бремя капитальных вложений, необходимых для начала любого информационно-технологического проекта.

Напомним что, основанная в 1981 г. компания APC – лидер в разработке сквозных решений, продуктов и услуг в области систем питания переменного и постоянного тока, включая подавители выбросов тока, бесперебойные источники питания (ИБП), оборудование кондиционирования питания, ПО управления питанием, аппаратуру питания постоянного тока, а также профессиональные услуги и консультации. На протяжении более 20 лет эта компания не только продвигала новые технологии в области систем питания, но и проводила перспективные исследования и разработки.

В сравнении с традиционными решениями

По мнению разработчиков, PowerStruXure – масштабируемая архитектура центра данных для инфраструктуры по требованию (Infrastructure On Demand) — позволяет инвестировать средства по мере роста, экономя тем самым до 50% капитальных затрат и до 20% на текущих расходах и обеспечивая большую эффективность инвестиций.

Так, PowerStruXure позволяет успешно решать проблемы возрастающей плотности оборудования не только на текущий момент, но и в будущем. При использовании этой архитектуры готовность к росту требований к плотности в будущем не заставляет отказываться от сделанных ранее инвестиций благодаря способности PowerStruXure полностью интегрироваться в существующую среду центра данных.

Одно из основных преимуществ новой архитектуры – существенная экономия занимаемого пространства. Дело в том, что низкая эффективность дизайна традиционных компонентов инфраструктуры приводит к тому, что они занимают много места и ограничивают пространство, доступное для ИТ-оборудования. Набор решений, объединенных единым товарным знаком PowerStruXure, позволяет администраторам компьютерных центров использовать технологию формирования инфраструктуры, эффективно поддерживающую любые изменения корпоративной среды. Технология конструирования основана на использовании стандартных стоек, и это позволяет сэкономить место, которое ранее требовалось для оборудования поддержки инфраструктуры. Дизайн на основе PowerStruXure оптимизирует использование пространства центра данных, высвобождая для ИТ-инфраструктуры порядка 20% доступных площадей.

Как известно, немалое внимание уделяется степени готовности центра данных.
В этом случае речь обычно идет о трех основных проблемах:

• снижении влияния неисправностей;
• уменьшении времени восстановления;
• ограничении распространения последствий неисправности.

Традиционные системы электропитания, как правило, обеспечивают высокие уровни избыточности, вплоть до ИБП, но не охватывают некоторых конкретных точек возможного отказа, расположенных между ИБП и критичной нагрузкой. Причина же отказа часто оказывается связана с ошибками оператора, вызванными сложностью системы. PowerStruXure повышает готовность системы электропитания, уменьшая число точек отказа между ИБП и критичной нагрузкой (в частности, путем обособления потенциальных отказов).

Компоненты, используемые в PowerStruXure, состоят из интеллектуальных, управляемых модулей, обеспечивающих быстрое восстановление после сбоя. Данная архитектура значительно снижает возможность ошибок обслуживающего персонала за счет применения модульных компонентов, прогностического анализа отказов и защиты от ошибок.

При традиционном подходе к архитектуре системы электропитания компании вынуждены с самого первого дня разворачивать полномасштабную инфраструктуру. Отсюда вытекают и важные недостатки традиционного подхода – длительный срок подготовки и низкий коэффициент использования. Чтобы не натолкнуться на ограничения в будущем, системы обычно строят с большим запасом, что и приводит к низкой начальной загрузке мощностей, а это, в свою очередь, ведет к повышению текущих расходов.

PowerStruXure – это масштабируемое решение, позволяющее затрачивать средства по мере реальной необходимости, что значительно сокращает сроки развертывания, позволяя начать бизнес раньше и с меньшими затратами. В частности, стоечная конструкция дает возможность приобретать оборудование, полностью соответствующее текущим потребностям компьютерного центра, что приводит к сокращению капитальных вложений. Последующее расширение системы при изменении потребностей происходит быстро, удобно и по доступной цене. Поскольку емкость наращивается по мере реальной надобности, коэффициент использования намного выше, чем в случае традиционных систем.

Хотя современные технологии накладывают все меньше ограничений на занимаемую оборудованием площадь, количество потребляемой им энергии осталось тем же, а если и уменьшилось, то весьма незначительно. Эта тенденция, в свою очередь, приводит к росту "плотности мощности" в пределах центров данных, к чему традиционный подход адаптируется не столь эффективно.

Все чаще появляются "горячие" точки, вызванные тем, что одна или несколько секций центра данных требуют намного большей плотности мощности, чем другие секции. В зависимости от текущей производительности и компоновки системы может оказаться сложно, если вообще возможно, справиться с этими "горячими" точками в рамках традиционной архитектуры организации электропитания.

PowerStruXure позволяет легко адаптироваться к растущим нагрузкам. Кроме того, новое решение может интегрироваться с действующими компьютерными центрами, что позволяет избежать потери инвестиций в предыдущую инфраструктуру в результате обновления оборудования.

Особо стоит отметить улучшенное администрирование вспомогательного оборудования. В PowerStruXure используется информационный контроллер, создающий в рамках корпоративной инфраструктуры внутреннюю частную сеть, которая позволяет собирать и обобщать информацию, поступающую от всех элементов системы, в одном центральном узле. В результате администратор компьютерного центра может управлять всей системой PowerStruXure через единый интерфейс, совместимый с большинством известных систем администрирования энергосистем зданий и сетей (Building and Network Management Systems, BNMS).

Защита центра данных

До настоящего времени существовали два доминирующих метода развертывания защиты питания центров данных: на месте использования (в пределах стойки) и централизованный (на уровне помещения). В первом случае однофазный ИБП защищает одно устройство или стойку с оборудованием. Во втором случае один ИБП снабжает питанием весь центр данных. Он может располагаться в пределах центра или чаще всего в ином, выделенном месте.

PowerStruXure не только переопределяет существующие методы защиты, но и предлагает свое решение, называемое зонной защитой. В этом случае ИБП обеспечивает питание одного или нескольких рядов стоек или группы оборудования, расположенного вне стойки. Обеспечивая высокую степень гибкости, новая архитектура позволяет выбрать любой из трех методов защиты или их комбинацию (если в центре данных применяется более одного метода защиты, то такое решение называют гибридным).

Уровни готовности PowerStruXure

PowerStruXure легко адаптируется к разнообразным условиям и требованиям центров данных по уровню готовности. Например, конфигурация класса 1 (резервирование N+1) обеспечивает статистическую готовность более 99,99% и строится на основе единого силового ввода. Избыточность N+1 достигается за счет построения внутреннего массива на основе ИБП APC. Питание от одного источника подается в каждую отдельную стойку.

Конфигурация класса 2 (резервирование N+1 с внешней избыточностью) гарантирует статистическую готовность более 99,999%. В этой конфигурации используются два силовых ввода (A + B), причем ввод A обеспечивает питание для резервируемого ИБП (N+1), а ввод B обеспечивает кондиционирование питания на стороне B. Энергия от обоих источников подается в каждую стойку. Если в стойке расположены устройства с одним шнуром питания, то специальный переключатель (уровня стойки) выберет наилучший из источников.

В конфигурации класса 3 (резервирование N+1 с матрицированной избыточностью) обеспечивается просто невиданное значение статистической готовности – более 99,99999% (!). Здесь также используются два силовых ввода (A + B). А матрицированная избыточность достигается за счет подачи питания от двух источников (A + B) на два ИБП с резервированием N+1. В этом случае на каждую стойку питание подается от двух отдельных источников. Если в стойке расположены устройства с одним шнуром питания, то переключатель выберет наилучший из источников.

Компоненты архитектуры PowerStruXure

В технологию PowerStruXure изначально входят три ключевых решения: модульный масштабируемый ИБП с резервированием N+1; интеллектуальные зонные распределительные панели питания PDU (Power Distribution Unit) и монтажный шкаф нового поколения NetShelter VX. Способность архитектуры к адаптации подчеркивается выбором между распределенной и централизованной топологиями, в зависимости от назначения проекта.

Компоненты базового блока, общие для всех типов, – это стойка для ИТ-оборудования, зонные распределительные панели питания, монтируемые в стойке, средства мониторинга среды и средства для прокладки кабелей питания и данных. Кроме того, имеются специфические компоненты, к которым относятся продвинутое ПО для управления питанием, масштабируемый (N+1) модульный ИБП и адаптируемое устройство распределения питания (PDU). Дополнительное оборудование включает переключатель питания и выпрямитель.

Базовый блок

Он состоит из общих для структуры PowerStruXure компонентов. Здесь приведены их наиболее характерные особенности.

Стойка NetShelter VX (рис. 1) имеет глубину корпусу в 42 дюйма, что позволяет
размещать серверы большего размера и удобнее распределять кабели. NetShelter
VX обеспечивает удобство интеграции PDU. Передняя дверца способствует улучшению
вентиляции, а двойные задние дверцы экономят занимаемую площадь и оптимизируют
проходы между стойками. Маркированные точки крепления расположены с шагом 1U
(1,75 дюйма).

Рис. 1. Стойка NetShelter VX.

Средства прокладки кабелей питания и данных

Регулируемые короба для кабелей питания и данных отлично размещаются на крышке стойки NetShelter VX. Не требуется использования фальшпола. Прокладка кабелей в коробах осуществляется без помощи инструмента.

Распределительные панели питания (монтируемые в стойке)

Установка их в стойку NetShelter VX не требует инструмента. Имеются одно- и трехфазные вводы, один PDU, обеспечивающий мощность порядка 6 кВт, не требуется применения нескольких панелей на одну стойку. Есть светодиодный индикатор потребления тока, универсальный разъем подачи питания с поворотной фиксацией, защелки фиксации разъема.

Блок мониторинга среды

Мониторинг температуры и влажности проводится на уровне отельной стойки с оборудованием. Имеются четыре группы контактов для цепей управления. Дополнительный (второй) пробник может располагаться в верхней или нижней части каждой стойки.

Специальный переключатель (для систем с двумя силовыми вводами)

Повышает готовность подключенного оборудования за счет автоматического переключения на наилучший источник питания. Размер устройства подобран для размещения непосредственно в стойке, высота 1U экономит место в стойке. Устройство имеет настраиваемые параметры, универсальный разъем с поворотной фиксацией.

Выпрямитель

Отвечает требованиям при смешанном электропитании (как от переменного, так и от постоянного тока). Устанавливается в стойку. Выпускается в виде шасси на 50A, возможна работа от двух сетевых вводов (дополнительно). Имеются стандартные разъемы с поворотной фиксацией.

Типы архитектуры PowerStruXure

Вообще говоря, PowerStruXure позволяет создавать инфраструктуру центра данных, которая начинается на уровне силового ввода и заканчивается на разъеме питания защищаемого оборудования (критичной нагрузки). Чтобы удовлетворить потребности среды конкретного центра данных и приложений, компания APC разработала три типа архитектуры (таблица), каждая из которых в высокой степени обладает конструктивно заложенной масштабируемостью, поэтому установка системы проходит быстро и просто, требуя от заказчика знания только двух показателей: реальных размеров и мощности нагрузки компьютерного центра. Надо только отметить, что для конкретного центра данных оптимальным решением может оказаться комбинация нескольких типов PowerStruXure.

Типы архитектуры PowerStruXure

Характеристики центра данных	Тип A (однофазный ввод)	Тип B (трехфазный ввод)	Тип C (трехфазный ввод)
Небольшой Нагрузка 2-12 кВт Площадь <45 кв.м	Централизованный	–	–
Средний Нагрузка 12-200 кВт Площадь 45-450 кв.м	Зонный	Зонный или централизованный	Централизованный
Большой Нагрузка >200 кВт Площадь >450 кв.м	–	Зонный	Централизованный

Архитектура PowerStruXure типа A (рис. 2) предназначена для серверных помещений,
главных и промежуточных распределительных узлов, а также коммутационных узлов
общей площадью менее 45 м2. Это простой и удобный способ установки полноценного
решения бесперебойного электропитания. Такой подход минимизирует вероятность
вынужденного простоя благодаря хорошо администрируемой и полностью интегрированной
инфраструктуре с элементами, монтируемыми в стойках.

Рис. 2. Решение PowerStruXure типа А.

В центре архитектуры PowerStruXure
типа A находится массив электропитания Symmetra RM (рис. 3), предлагаемый либо
в версии на 2-6 кВ. А с резервированием N+1, которая занимает в стойке лишь
8U, либо в версии на 8-12 кВ 2.2. А с резервированием N+1 (до 16 кВ.А без резервирования),
занимающей всего 15U. Дополнительно предлагается комплект параллельного расширения
(Row Expander), позволяющий подключить до 12 дополнительных аппаратурных стоек
без изменения компоновки. Вся система монтируется в стойке нового поколения
NetShelter VX.

Рис. 3. ИБП Symmetra RM Power Array.

Для средних и крупных компьютерных центров (площадью от 45 до 450 м2) предназначена
архитектура PowerStruXure типа B. Она разработана специально для среды компьютерных
центров и представляет собой простую в установке инфраструктуру с монтируемыми
в стойках элементами; кроме того, она легко адаптируется к изменениям конфигурации
такого центра. Комплект PowerStruXure типа B состоит из нескольких современных
разработок APC. Модульный масштабируемый трехфазный ИБП Symmetra на 10-40 кВт
с резервированием N+1 обеспечивает наивысшую энергетическую плотность из всех
продуктов, предлагаемых сегодня на рынке. Монтируемый в стойке блок распределения
электропитания (PDU) с системным "байпасом" изолирует ИБП от ответственной нагрузки.
Кроме того, сюда входят системы распределения электропитания для монтажных шкафов
(PDU), информационные контроллеры и стойки NetShelter VX.

Для крупных компьютерных центров (площадь более 450 м2) предназначена архитектура
PowerStruXure типа C, в которой используется испытанная на практике технология
онлайнового дельта-преобразования. Это решение идеально соответствует потребностям
предприятий с потребляемой мощностью не менее 1 МВт и установленными ИБП APC
Symmetra на 1 МВт (возможен также вариант с использованием трехфазного ИБП Silcon,
рис. 4). PowerStruXure типа C – это масштабируемое и модульное решение, позволяющее
увеличивать мощность по мере необходимости "порциями" по 200 кВт, что существенно
сокращает исходные капиталовложения. Кроме того, в комплект PowerStruXure типа
C входят аксессуары распределения электропитания и информационный контроллер,
предлагаемые и для типа B, а также стойка для батарей аккумуляторов (XR Battery
Rack). Последнее устройство содержит модули батарей с горячей заменой, которые
обеспечивают дополнительное время работы при отключении электропитания.

Рис. 4. ИБП Silcon DP300E.

Выбор типа архитектуры

При выборе типа архитектуры корпорация APC рекомендует выполнить несколько шагов. На первом шаге следует разбить центр данных на секции (участки). На этом этапе выделяется оборудование центра данных, которое имеет сходные требования к электропитанию (не забывая о резерве на расширение). В большинстве случаев весь центр данных может представлять собой один-единственный участок, поскольку все оборудование будет иметь сходные требования к питанию, к резервированию систем питания и к избыточности.

Второй шаг предполагает фазу развертывания центра данных. Иными словами, после выделения специфических групп оборудования со сходными требованиями к питанию надо определить первоочередные задачи. Например, на выделенном участке центра в будущем будет размещаться 90 стоек с оборудованием, однако в настоящее время потребуется только 40 таких шкафов.

Третий шаг – это собственно выбор тип PowerStruXure. Как уже отмечалось, решение зависит от размеров центра и требований к питанию. Стоит обратить внимание на то, что различные участки центра данных могут потребовать применения различных типов структур PowerStruXure.

На четвертом шаге не обойтись без программного инструмента PowerStruXure BuildOut Tool, который поможет в интерактивном режиме сконфигурировать тип PowerStruXure, выбранный для каждого участка центра данных.

Решения для управления структурой

Не секрет, что компания APC лидирует в разработке программных систем управления питанием. Приведенные ниже решения полностью интегрированы с архитектурой PowerStruXure.

Информационный контроллер

Это устройство применимо только для архитектуры типов B и C. По сути это "нервная
система" структуры PowerStruXure. Сервер высотой 1U собирает информацию от различных
компонентов подсистем APC и позволяет менеджерам центра данных контролировать
деятельность всей системы и получать уведомления при возникновении проблем с
питанием. Основные особенности этого устройства таковы:

• автоматический опрос компонентов подсистем PowerStruXure и отображение в
  графической форме информации о состоянии всей системы;
• настраиваемые пользователем уведомления на основе электронной почты основаны
  на рангах важности тревожных сигналов, генерируемых компонентами подсистем;
• все тревожные сообщения сопровождаются информацией о дате и времени и записываются
  в динамический журнал событий, позволяя менеджерам центра данных выяснить
  причину возникновения проблем.

Интерфейсная плата управления

Этот интерфейс (APC Building Management Interface Card) позволяет интегрировать решение на основе PowerStruXure типа C с существующей в центре данных системой управления. Плата управления позволяет передавать параметры состояния ИБП (такие, как нагрузка, время работы, температура ИБП, напряжение), передавать данные при помощи стандартного протокола MODBUS/JBUS; легко интегрируется с большинством систем управления различных производителей, имеет стандартный порт RS-232 с разъемом DB9.

Сетевая плата управления

Эта плата (APC Network Management Card) обеспечивает стандартизованные процедуры
управления устройствами ИБП в среде со многими серверами, включая центры данных
и сети провайдеров. Она обеспечивает:

• совместимость со многими открытыми стандартами (Telnet, http, SNMP, WAP
  и FTP);
• интерфейс 10/100BaseT с обновлением возможностей на основе флэш-памяти;
• безопасное конфигурирование и управление устройством ИБП на основе Web,
  Telnet и SNMP;
• конфигурируемую среду для обработки событий и отправки уведомлений по электронной
  почте.

Диспетчеризация и журналы регистрации событий предоставляют расширенный набор инструментов для контроля и диагностики событий ИБП.

Рис. 5. Сетевая плата управления.

PowerChute Inventory Manager

Данное ПО (предназначено для структур PowerStruXure типа A и C) позволяет руководителям ИТ-служб при помощи единой консоли собирать, организовывать и обеспечивать доступ к жизненно важной информации, относящейся ко всей инфраструктуре, построенной на основе систем компании APC. PowerChute Inventory Manager – незаменимое программное средство для любого пользователя оборудования APC в том случае, если устройств очень много или если они распределены по нескольким точкам, отстоящим далеко друг от друга. Помимо централизованного управления устройствами APC при помощи единой консоли, это ПО дает возможность сетевым администраторам избежать рисков возникновения серьезных простоев за счет обеспечения своевременной замены батарей ИБП. По электронной почте рассылаются заблаговременные предупреждения о выходе параметров ИБП за пределы порогов, заданных пользователем.

PowerChute Network Shutdown

Это ПО, предназначенное для структур PowerStruXure типа A и C, работает совместно с платой APC Network Management Card и позволяет корректно выполнить остановку и отключение различных компьютерных систем, находящихся в сети. Масштабируемость этого ПО позволяет поддерживать фактически неограниченное число клиентских систем. Администраторы могут быстро сконфигурировать ПО при помощи интерфейса на основе браузера и создать командные файлы для выполнения на каждом из серверов, на случай если потребуется провести отключение системы без физического присутствия обслуживающего персонала.