邊緣數據中心安全可靠措施探討

孫麗玫， 孫立峰， 姜宇光

(中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080)

0 引言

隨著5G業務的發展，在靠近數據輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網絡帶寬需求的邊緣計算平臺和邊緣數據中心成為必然趨勢。數據中心布局正逐步向云-邊分布式數據中心架構發展，邊緣數據中心與中心云數據中心能力相輔相成，長短互補，實現數據、應用、AI算法、管理的協同。靠近物或數據源頭部署的邊緣數據中心將成為滿足5G新業務發展的能力底座。

按照業務場景、網絡時延需求，邊緣數據中心通常分布于地市核心層級、區縣層級、園區接入層級等層級布局，分布廣泛，機房形態多樣。邊緣數據中心層級布局見圖1。

圖1 邊緣數據中心布局示意圖

通常，區縣級以下層級部署的邊緣數據中心單點規模小，部署環境復雜，可能部署在標準機房樓、辦公樓宇、倉庫、工廠、園區、市政空地上，相關市政條件(如供電、供水等條件)不夠理想，較云數據中心，業務中斷風險相對更大。而部分邊緣數據中心涉及實時性業務和大量用戶隱私數據，安全可靠性要求高。因此，提升邊緣數據中心物理基礎設施安全可靠性，是邊緣數據中心布局規劃、選址、技術方案選定必須考慮的首要問題。

本文將從機電系統方案規劃設計角度，對地市核心層級以下的邊緣數據中心基礎設施的安防系統、供電系統、空調系統、通信網絡接入等關鍵措施進行探討分析。

1 安防系統

全面系統地設置邊緣數據中心基礎設施的安全防范措施，是保障邊緣數據信息安全第一要素。

設置安防系統，一方面能有效阻止相關不安全行為或對之起到震懾作用；另一方面，能在第一時間發出報警信息，通知相關責任人及時處理，并監控事件發生全過程。

無人值守的邊緣數據中心分布較廣，部分室外數據中心環境惡劣，需要全方面的安防手段，利用綜合布線技術、通信技術、網絡互聯技術、多媒體應用技術、安全防范技術、網絡安全技術等形成完整的安全防范體系。典型的安防系統方案如表1所示。

邊緣數據中心安防系統設置 表1

同時，對于高危地區的邊緣數據中心，還可設置一些震懾作用的安防設備，如警笛、告警喇叭、告警燈、語音監聽及遠程對講功能等。

2 供電系統

供電系統是保障邊緣數據中心安全可靠、綠色經濟運行的關鍵，因此供電系統配置需考慮安全性、簡潔性與經濟性的問題。

2.1 供電系統的安全性

不同于傳統的數據中心,邊緣數據中心分布的范圍更加廣泛，周邊的電力資源也千差萬別。市電質量不良及市電斷電直接影響邊緣數據中心的安全運行。

市電質量不良通常包含供電中斷、波形畸變、頻率漂移、電壓偏差過大等情況。供電系統中合理配置不間斷電源系統便可基本解決市電質量不良的問題。

市電斷電一般分為計劃停電和偶發的事故停電。對于計劃停電,可以提前做好應對措施，保障邊緣數據中心的安全運行；而對于偶發的事故停電，供電系統需要設置合理的后備電源，保障事故停電期間邊緣數據中心安全的運行。常見的后備電源有發電機組、蓄電池組及其他多種能源的輸入(如太陽能、風能等)。

2.1.1 采用固定發電機組作為后備電源

采用固定發電機組作為備用電源時，在燃料充足的情況下，可以應對長時間的市電斷電，有效保障邊緣數據中心安全可靠運行；還可以降低蓄電池的后備保障時間(市電與發電機供電系統應滿足自動化切換，蓄電池后備保障時間不宜低于15min)。

邊緣數據中心設置在區縣層級、園區接入層時，多為二類或三類市電引入，發生停電的概率較高，在場地條件允許時，宜設置固定的發電機組，此種場景的供電系統可以參照B級或更低級數據中心的標準配置。

2.1.2 采用蓄電池組作為后備電源

無法配置固定發電機組時，邊緣數據中心需合理配置蓄電池組作為后備電源，同時還應配置移動發電機組作為補充，以應對長時間的市電斷電。蓄電池后備時間需提前分析以往市電斷電數據，同時考慮運維人員到達現場的時間。如某地以往市電斷電時長多為2～3h，此時可以考慮按3～4h保障配置蓄電池組；如運維人員到達現場的時間較長，可適當增加蓄電池的保障時間。

2.1.3 采用其他能源輸入作為后備電源

針對不同的節點，可以考慮多種能源輸入的形式。對于日照充足的地區，可以考慮采用太陽能發電作為部分后備電源；對于風力資源較充分的地方，可以考慮采用風力發電作為部分后備電源。

2.2 供電系統的簡潔性

邊緣數據中心供電系統應簡潔、便于維護，雖然各種設備的供電要求各有不同，但可以考慮供電系統的融合設計，即在同一站址部署時采用單一制式原則取代多制式共存的方式，如統一采用UPS系統，針對少量的-48V設備設置相應的轉換模塊，如多能源輸入(圖2)型式，簡單且維護方便。

圖2 邊緣數據中心多能源輸入示意圖

2.3 供電系統的經濟性

經濟合理也是邊緣數據中心供電系統不能忽視的問題。隨著鋰電池的技術逐步成熟，鋰電池的價格也有大幅下降，綜合對比鐵鋰電池與鉛酸電池，采用能量密度大、循環壽命長的鋰電池可以節約建設成本，應對頻繁停電的問題。鉛酸電池與鐵鋰電池的性能對比詳見表2。

鉛酸電池與鐵鋰電池性能對比表 表2

綜上所述，邊緣數據中心分布廣泛，業務種類繁多，其供電系統需綜合考慮各種因素建設，保障邊緣數據中心可靠、穩定、綠色運行。

3 空調系統

空調系統是保障邊緣數據中心全年機房環境溫度正常的重要系統。因場地條件等限制因素較多，邊緣數據中心空調系統的安全可靠性面臨的問題各不相同。

3.1 空調設備冗余備份不足問題

空調系統和設備的冗余可為數據中心可靠性提供更多保障，減少運維工作量。因此，鑒于維護人員較難快速到達機房現場進行維護的情況，邊緣數據中心空調設備需要冗余備份設置，至少按照N+1配置，空調數量較多時也可以采用N+X(X>1)。

3.2 停電問題

部分邊緣數據中心安裝了重要業務處理系統，要求基礎設施可用性高。為避免市電停電后機房出現宕機現象，此類邊緣數據中心應考慮空調系統連續制冷措施。

(1)措施一

配置固定油機。油機負荷在滿足ICT設備需求時，還應考慮空調系統供電負荷。

(2)措施二

對于未設置固定油機的機房，可考慮為空調系統配置后備電池保障連續供電，且空調蓄電池后備時間若與ICT設備蓄電池保障時間相同，可大幅增加蓄電池的布置空間和成本。例如某邊緣數據中心ICT負荷50kW，ICT設備蓄電池保障時間3h，需要6組48V 600AH鐵鋰電池，占地面積4.86m2；如同時考慮空調系統蓄電池保障3h，還需要新增電池組3組48V 800AH鐵鋰電池，新增電池面積2.43m2。

(3)措施三

設置應急通風系統。空調停機后通過引入室外低溫空氣進行室內降溫，除了夏季高溫天氣外，全年大部分時間可以解決連續供冷問題。此外還可以采用小型相變儲能機架模塊，作為斷電供冷措施。

綜上，需要根據當地氣象條件、經濟性、維護能力等多維度確定市電停電后邊緣數據中心空調系統連續制冷措施。

3.3 氣流組織混亂問題

邊緣數據中心因同時布置ICT設備、CT設備(氣流組織一般為左右風道)、IT設備(一般為前后風道氣流組織形式)，因此機房內會存在氣流組織混亂現象，易出現局部機架高溫宕機的安全隱患。

解決此問題可以采用一定的氣流阻隔技術，具體措施有傳統的冷熱通道封閉、地板送風、列間空調、背板空調、精確送風等。另外，還可以采用風管+末端風機智能化配風群控系統，在機柜不同位置設置溫度傳感器，系統根據溫度監測點實時數據，控制風機出風風量，根據不同機柜冷量需求進行智能調節，有效避免出現局部熱點。

列間送風冷熱通道封閉示意圖詳見圖3。

圖3 列間送風冷熱通道封閉示意圖

3.4 停水問題

目前，蒸發冷卻的空調形式正逐步應用在IT設備負荷200～300kW的室外邊緣數據中心，蒸發冷卻的空調形式需要可靠的供水。為了解決停水的制冷問題，可以根據當地應急補水保障時間情況，設置一定容量的蓄水池或水箱。另外，大部分蒸發冷卻空調會配置一定比例壓縮機機械補冷設備，實際使用中此部分設備可以按照100%冷量需求配置，停水時可以完全壓縮機供冷。

3.5 空調室外機夏季熱島問題

空調室外機的散熱問題容易被忽視。當遇到夏季室外高溫時，空調散熱不暢，輕則空調制冷量下降，重則空調高溫故障停機，嚴重影響數據中心安全性。

這個問題往往由于室外機散熱空間狹小導致，因此室外機可以增加一些導風裝置，熱量排散到空曠大氣中，避免室外機互相短路，如采用集中冷凝器布置到開敞的環境中。另外，還可利用水霧蒸發吸熱特性，加裝霧化噴淋裝置，降低局部室外風溫，進而降低壓縮制冷冷凝壓力，避免高溫報警，如圖4所示。

圖4 空調室外機霧化噴淋示意圖

4 可靠網絡接入

可靠的通信網絡接入，是邊緣數據中心與外界信息通信的重要保障，否則邊緣數據中心將成為“信息孤島”。為確保通信網絡接入的安全、通暢、便捷，應合理規劃和布局數據中心通信路由。

邊緣數據中心可以通過接入可靠的無線網絡、有線網絡接口，保障邊緣數據中心穩定的網絡連接能力。具體的接入方案有“無線網絡+有線網絡”“有線網絡多接口”等。

對于有線網絡接入，室外通信管道應就近與市政通信管道相連接，有條件時可以考慮由兩個方向引入，室外平行敷設的通信管道需有一定間距。

邊緣數據中心通信接入示意圖詳見圖5。

圖5 邊緣數據中心通信接入示意圖

5 結束語