边缘数据中心安全可靠措施探讨

孙丽玫， 孙立峰， 姜宇光

(中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)

0 引言

随着5G业务的发展，在靠近数据输入或用户的地方提供计算、存储和网络带宽需求的边缘计算平台和边缘数据中心成为必然趋势。数据中心布局正逐步向云-边分布式数据中心架构发展，边缘数据中心与中心云数据中心能力相辅相成，长短互补，实现数据、应用、AI算法、管理的协同。靠近物或数据源头部署的边缘数据中心将成为满足5G新业务发展的能力底座。

按照业务场景、网络时延需求，边缘数据中心通常分布于地市核心层级、区县层级、园区接入层级等层级布局，分布广泛，机房形态多样。边缘数据中心层级布局见图1。

图1 边缘数据中心布局示意图

通常，区县级以下层级部署的边缘数据中心单点规模小，部署环境复杂，可能部署在标准机房楼、办公楼宇、仓库、工厂、园区、市政空地上，相关市政条件(如供电、供水等条件)不够理想，较云数据中心，业务中断风险相对更大。而部分边缘数据中心涉及实时性业务和大量用户隐私数据，安全可靠性要求高。因此，提升边缘数据中心物理基础设施安全可靠性，是边缘数据中心布局规划、选址、技术方案选定必须考虑的首要问题。

本文将从机电系统方案规划设计角度，对地市核心层级以下的边缘数据中心基础设施的安防系统、供电系统、空调系统、通信网络接入等关键措施进行探讨分析。

1 安防系统

全面系统地设置边缘数据中心基础设施的安全防范措施，是保障边缘数据信息安全第一要素。

设置安防系统，一方面能有效阻止相关不安全行为或对之起到震慑作用；另一方面，能在第一时间发出报警信息，通知相关责任人及时处理，并监控事件发生全过程。

无人值守的边缘数据中心分布较广，部分室外数据中心环境恶劣，需要全方面的安防手段，利用综合布线技术、通信技术、网络互联技术、多媒体应用技术、安全防范技术、网络安全技术等形成完整的安全防范体系。典型的安防系统方案如表1所示。

边缘数据中心安防系统设置 表1

同时，对于高危地区的边缘数据中心，还可设置一些震慑作用的安防设备，如警笛、告警喇叭、告警灯、语音监听及远程对讲功能等。

2 供电系统

供电系统是保障边缘数据中心安全可靠、绿色经济运行的关键，因此供电系统配置需考虑安全性、简洁性与经济性的问题。

2.1 供电系统的安全性

不同于传统的数据中心,边缘数据中心分布的范围更加广泛，周边的电力资源也千差万别。市电质量不良及市电断电直接影响边缘数据中心的安全运行。

市电质量不良通常包含供电中断、波形畸变、频率漂移、电压偏差过大等情况。供电系统中合理配置不间断电源系统便可基本解决市电质量不良的问题。

市电断电一般分为计划停电和偶发的事故停电。对于计划停电,可以提前做好应对措施，保障边缘数据中心的安全运行；而对于偶发的事故停电，供电系统需要设置合理的后备电源，保障事故停电期间边缘数据中心安全的运行。常见的后备电源有发电机组、蓄电池组及其他多种能源的输入(如太阳能、风能等)。

2.1.1 采用固定发电机组作为后备电源

采用固定发电机组作为备用电源时，在燃料充足的情况下，可以应对长时间的市电断电，有效保障边缘数据中心安全可靠运行；还可以降低蓄电池的后备保障时间(市电与发电机供电系统应满足自动化切换，蓄电池后备保障时间不宜低于15min)。

边缘数据中心设置在区县层级、园区接入层时，多为二类或三类市电引入，发生停电的概率较高，在场地条件允许时，宜设置固定的发电机组，此种场景的供电系统可以参照B级或更低级数据中心的标准配置。

2.1.2 采用蓄电池组作为后备电源

无法配置固定发电机组时，边缘数据中心需合理配置蓄电池组作为后备电源，同时还应配置移动发电机组作为补充，以应对长时间的市电断电。蓄电池后备时间需提前分析以往市电断电数据，同时考虑运维人员到达现场的时间。如某地以往市电断电时长多为2～3h，此时可以考虑按3～4h保障配置蓄电池组；如运维人员到达现场的时间较长，可适当增加蓄电池的保障时间。

2.1.3 采用其他能源输入作为后备电源

针对不同的节点，可以考虑多种能源输入的形式。对于日照充足的地区，可以考虑采用太阳能发电作为部分后备电源；对于风力资源较充分的地方，可以考虑采用风力发电作为部分后备电源。

2.2 供电系统的简洁性

边缘数据中心供电系统应简洁、便于维护，虽然各种设备的供电要求各有不同，但可以考虑供电系统的融合设计，即在同一站址部署时采用单一制式原则取代多制式共存的方式，如统一采用UPS系统，针对少量的-48V设备设置相应的转换模块，如多能源输入(图2)型式，简单且维护方便。

图2 边缘数据中心多能源输入示意图

2.3 供电系统的经济性

经济合理也是边缘数据中心供电系统不能忽视的问题。随着锂电池的技术逐步成熟，锂电池的价格也有大幅下降，综合对比铁锂电池与铅酸电池，采用能量密度大、循环寿命长的锂电池可以节约建设成本，应对频繁停电的问题。铅酸电池与铁锂电池的性能对比详见表2。

铅酸电池与铁锂电池性能对比表 表2

综上所述，边缘数据中心分布广泛，业务种类繁多，其供电系统需综合考虑各种因素建设，保障边缘数据中心可靠、稳定、绿色运行。

3 空调系统

空调系统是保障边缘数据中心全年机房环境温度正常的重要系统。因场地条件等限制因素较多，边缘数据中心空调系统的安全可靠性面临的问题各不相同。

3.1 空调设备冗余备份不足问题

空调系统和设备的冗余可为数据中心可靠性提供更多保障，减少运维工作量。因此，鉴于维护人员较难快速到达机房现场进行维护的情况，边缘数据中心空调设备需要冗余备份设置，至少按照N+1配置，空调数量较多时也可以采用N+X(X>1)。

3.2 停电问题

部分边缘数据中心安装了重要业务处理系统，要求基础设施可用性高。为避免市电停电后机房出现宕机现象，此类边缘数据中心应考虑空调系统连续制冷措施。

(1)措施一

配置固定油机。油机负荷在满足ICT设备需求时，还应考虑空调系统供电负荷。

(2)措施二

对于未设置固定油机的机房，可考虑为空调系统配置后备电池保障连续供电，且空调蓄电池后备时间若与ICT设备蓄电池保障时间相同，可大幅增加蓄电池的布置空间和成本。例如某边缘数据中心ICT负荷50kW，ICT设备蓄电池保障时间3h，需要6组48V 600AH铁锂电池，占地面积4.86m2；如同时考虑空调系统蓄电池保障3h，还需要新增电池组3组48V 800AH铁锂电池，新增电池面积2.43m2。

(3)措施三

设置应急通风系统。空调停机后通过引入室外低温空气进行室内降温，除了夏季高温天气外，全年大部分时间可以解决连续供冷问题。此外还可以采用小型相变储能机架模块，作为断电供冷措施。

综上，需要根据当地气象条件、经济性、维护能力等多维度确定市电停电后边缘数据中心空调系统连续制冷措施。

3.3 气流组织混乱问题

边缘数据中心因同时布置ICT设备、CT设备(气流组织一般为左右风道)、IT设备(一般为前后风道气流组织形式)，因此机房内会存在气流组织混乱现象，易出现局部机架高温宕机的安全隐患。

解决此问题可以采用一定的气流阻隔技术，具体措施有传统的冷热通道封闭、地板送风、列间空调、背板空调、精确送风等。另外，还可以采用风管+末端风机智能化配风群控系统，在机柜不同位置设置温度传感器，系统根据温度监测点实时数据，控制风机出风风量，根据不同机柜冷量需求进行智能调节，有效避免出现局部热点。

列间送风冷热通道封闭示意图详见图3。

图3 列间送风冷热通道封闭示意图

3.4 停水问题

目前，蒸发冷却的空调形式正逐步应用在IT设备负荷200～300kW的室外边缘数据中心，蒸发冷却的空调形式需要可靠的供水。为了解决停水的制冷问题，可以根据当地应急补水保障时间情况，设置一定容量的蓄水池或水箱。另外，大部分蒸发冷却空调会配置一定比例压缩机机械补冷设备，实际使用中此部分设备可以按照100%冷量需求配置，停水时可以完全压缩机供冷。

3.5 空调室外机夏季热岛问题

空调室外机的散热问题容易被忽视。当遇到夏季室外高温时，空调散热不畅，轻则空调制冷量下降，重则空调高温故障停机，严重影响数据中心安全性。

这个问题往往由于室外机散热空间狭小导致，因此室外机可以增加一些导风装置，热量排散到空旷大气中，避免室外机互相短路，如采用集中冷凝器布置到开敞的环境中。另外，还可利用水雾蒸发吸热特性，加装雾化喷淋装置，降低局部室外风温，进而降低压缩制冷冷凝压力，避免高温报警，如图4所示。

图4 空调室外机雾化喷淋示意图

4 可靠网络接入

可靠的通信网络接入，是边缘数据中心与外界信息通信的重要保障，否则边缘数据中心将成为“信息孤岛”。为确保通信网络接入的安全、通畅、便捷，应合理规划和布局数据中心通信路由。

边缘数据中心可以通过接入可靠的无线网络、有线网络接口，保障边缘数据中心稳定的网络连接能力。具体的接入方案有“无线网络+有线网络”“有线网络多接口”等。

对于有线网络接入，室外通信管道应就近与市政通信管道相连接，有条件时可以考虑由两个方向引入，室外平行敷设的通信管道需有一定间距。

边缘数据中心通信接入示意图详见图5。

图5 边缘数据中心通信接入示意图

5 结束语