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前言
电源 Power Source
拖板 Power Bar
  稳流器
  RJ45 接头
  计数器
发电机组 Generator Set
  发电机
  自动转换开关 Automatic Transfer Switch
不间断电源供应 Uninterruptible Power Supply
  蓄电式 (Battery Storage)
  飞轮式 (Fly Wheel)
N, N+1, 2N, 2(N+1) Redundancy 冗馀
设备的 Power Redundancy 电源冗馀
商业大厦的电源

前言

由於刚刚上了一个关於 Data Center 的课程,里面其中一个课题是探讨电源供应,非常有趣!电源为电脑世界万物之本,对网络设备尤其重要,电源供应有问题或不稳定,任凭你把网络设计得再完善,Router 或 Switch 等网络设备没有电也会立刻 gg。本篇文章就介绍一下如何提供可靠的电力给网络设备和伺服器使用。(原意是介绍网络知识的 Jannet.hk 好像开始有点不务正业了......😖)

电源 Power Source

我们先从电源说起,电源很简单,就是电力公司从发电厂发电,把电力经过架空电缆把电送到建築物,再经过建築物的电錶房把电送到每层的房间,最终会到达插座。一般家用或商业大厦会见到这种 13A 插座 (香港制式,俗称叁脚)。

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A (Ampere) 是电流单位安培,13A 已足够一般家中或商厦的电器使用了。而在用电量较高的地方,则会安装电流较高的插座以应付需求。例如在数据中心 (Data Center) 通常会使用这种 16A 插座 (香港俗称猪嘴),供应更强大的电流给多台网络设备和伺服器使用。

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拖板 Power Bar

一个插座肯定不够用,但由於安装插座的成本较高,因此我们通常会使用拖板 Power Bar 把一个电源插座分成多组插座使用。在家用或商厦我们会使用下面这款拖板。如準备用作接驳伺服器或网络设备,强烈建议不要使用有开关的拖板!因为在工作时很容易意外地碰到开关而导致停机。

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而在数据中心当然要使用较专业的 Power Bar,这些 Power Bar 提供了一些额外的功能。而由於伺服器或网络设备都会使用一种叫 C13/C14 的电源线 (香港俗称方头),所以数据中心一般会使用这种方头 Power Bar,方头比叁脚节省空间。

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而这些专业级的 Power Bar 还可提供以下功能。

稳流器

对设备提供保护作用,以免在电压突然提升时 (例如雷击) 弄坏了设备。

RJ45 接头

可以接到网络,这样管理人员便可遥距查看 Power Bar 的状态,或者摇距控制开关电源。

计数器

监控用电量,到达特定水平时会发出警告,以免超出负荷。

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发电机组 Generator Set

问题来了,由於伺服器和网络设备必需提供 7 x 24 无间断工作,如果电力公司因为意外或保养维修而中断电源供应,设备就会关机无法提供服务,老闆就会来电了,(而这些意外或维修总是在你休假时发生😩),为了防止电力中断,数据中心或高级的商业大厦都会加装大型的发电机组以应付这些突发事件。

发电机

一般是用柴油推动,平时是閒置的,只在有需要时启动以提供电力。

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自动转换开关 Automatic Transfer Switch

发电机要达到紧急供电效果,我们还需要 Automatic Transfer Switch (ATS),ATS 的有两个作用:

作用 1:切换电源

ATS 同时接驳著电力公司的来电 (俗称市电) 和发电机两边电源,正常情况下 ATS 会使用市电供电给 Data Center 的设备,但当市电被切断时,就会跳转到发电机那边,这可以自动跳转或在有需要时人手跳转。

作用 2:启动发电机

刚才说过发电机本来是停著不动的,当 ATS 发现市电那边没有供电时,就会发讯号去启动发电机。而发电机由静止到完全启动一般需要 10 至 30 秒。

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图片来源

不间断电源供应 Uninterruptible Power Supply

问题又来了,由於发电机从静止到完全启动一般需要 10 至 30 秒时间,那麽就算加装了发电机,在这段短时间里,设备仍然会因为没有电源供应而关机,这时你老闆又会来电了。为了解决这问题,就要加装 Uninterruptible Power Supply (UPS) 了。顾名思义,UPS 可以为我们提供不间断的电源供应,UPS 的作用主要有两个:

  1. 在市电停止供应後至发电机完全启动前的短暂时间 (10 至 30 秒) 提供电力,避免设备关机。
  2. 在电力不稳定时 (电压突然下降),提供电力避免设备关机。

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图片来源

UPS 有两种,比较常见的是蓄电式,另一款是飞轮式。

蓄电式 (Battery Storage)

原理十分简单,在市电正常供应时,把电池房的一大推电池充满电,在供电出问题时,预先充好电的电池就可以释放以提供电力。

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图片来源

然而蓄电式 UPS 有两个问题:

  1. 电池需要占用空间,而且易燃,也会释出有害气体。
  2. 电池会老化,需要定期更换 (约 5 年)。

飞轮式 (Fly Wheel)

在市电正常供应时,电力会提供给一些飞轮组件让它们转动。在供电出问题时,由於惯性,飞轮并没有即时停下而是继续转动,这时飞轮就变成一台小型的发电机,产生电力。飞轮式体积较蓄电式小,而且不需电池,解决了传统蓄电式 UPS 的问题。可是,飞轮式的初期设置费用则较昂贵,然而维护费用却比较便宜 (换电池费用不便宜啊)。

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图片来源

读者需要注意的是,无论使用那一款 UPS 都只提供短暂性的供电服务,而且电力有限。UPS 的供电对象必需是「不能停止」的设备,例如:伺服器、网络设备、消防设备、必要的照明等等。UPS 不应为冷气、一般照明供电,因为几十秒短暂的停顿对这些设备所提供的服务影响轻微。

N, N+1, 2N, 2(N+1) Redundancy 冗馀

从以上设施可见,数据中心对供电稳定性的要求极高,你不会知道在数据中心里,客户的机器在运行什麽服务,因电力问题而停机可能导致他们损失惨重,甚至性命悠关!因此,为数据中心供电,必需要经常抱著「杞人忧天」的性格,经常问一个问题:如果这里坏了仍能正常供电吗?如果那部份坏了又会怎样?有後备吗?谈到後备,就出现了 N, N+1, 2N, 2(N+1) 等的名词。

所谓 N 就是代表机器的数目,在此举一个比较简单的比喻去说明。假设我是一个很怕寂寞的人,需要很多的爱,所以一星期七天,每一晚我都找不同的女朋友在一起。

N

因为一星期有 7 天,所以我找了 7 位女朋友 (N=7),7 位女朋友都已分别安排在星期一至星期日来陪我。

N+1

可是,我怕有些时候女朋友会有事做或没有空陪我,所以我又结识了第 8 位女朋友来当後备。当其中一天正选女朋友没来找我时,这位後备可以立刻补上。

2N

後来,我开始要分别在香港和台湾两地工作了,很明显,我需要把香港的设定複製到台湾,好让我在港台两地也不愁寂寞。基本来说我可以把 N 变成 2N,即港台两地分别有 7 位女朋友,一共 14 位。

2(N+1)

当然,我需要多一点保障,所以还是决定把 N+1 那一套複製到台湾,变成 2(N+1),於是我一共有 16 位女朋友。这是最顶级的设定,帝皇级的享受。

套用到数据中心的话,我们要考虑需要後备的东西包括:电力供应、冷气设备、UPS、数据线等等。而用那一款 Redundancy 就得看预算了。

N 与 2N 的比较

左图为 N,即没有任何 Redundancy,供电路径上每一处都是 Single Point of Failure,即是说只要任何一个组件出问题,都会导致供电出现问题。而右图则是 2N 设定,有两条条完完全全分开的供电路径,任何组件出问题,设备仍能正常运作。

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图片来源

设备的 Power Redundancy 电源冗馀

最後我们说说电源供应的终点站,就是伺服器或网络设备本身的 Power Redundancy 了。现时大部份伺服器和网络设备都有双供电的设计,即可以分别提供两组电力输入,就算一边电力固障或变压器坏掉,设备仍可正常运作。

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如果数据中心内提供两组电源的话,为了分辨,一般会称为 Source A 及 Source B。需要紧记的是,设备的两个电源输入必需要分别接驳 Source A 及 Source B,方可达到 Redundancy 的效果。

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图片来源

不幸的是,有些低阶的型号仍然只有一组电源输入,这时我们唯有使用一种小型的 ATS 放在机柜里面,同时接驳 Source A 和 Source B,而出来的第叁组供电就唤作 Source A/B,这样我们仍能为只有一组电力输入的设备提供 Power Redundancy。然而这个方法仍然有 Single Point of Failure,就是 ATS 和设备的变压器。

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商业大厦的电源

商业大厦供电质量并没有数据中心那麽高,所以在商业大厦建 Server Room 或设置机柜,玩法有少许不同。

电源

香港较高级的商厦通常也有两组电源,欲不是 Source A 和 Source B,而是唤作正常电 Normal (香港俗称 N 气) 和紧急电 Emergency (E 气)。N 气即是一般的市电,至於 E 气除了接驳市电,也接驳了发电机组,跟数据中心设定一样,市电断电时发电机启动,理论上是无间断供电的。E 气一般用作大厦的紧急设施,例如:消防逃生设备、必要照明、保安设备等。由於现在网络除了数据传输外,也提供了电话系统服务,也有经网络的 IP 闭路电视、门禁系统,近年甚至有 IP 的烟雾感应器。因此,网络设备必需使用 E 气,而 N 气则用作後备电源。

接驳

可是,笔者工作过的某些大厦是不提供 E 气给租户的,或者只在有需要时临时接驳 E 气,例如 N 气需要维修时才预早提供 E 气电,N 气回复正常时就收回 E 气。但这些供电模式是不适合现今网络要求的。最理想是同时存在 E 气和 N 气,分别接驳两组 Power Bar。如果设备支缓双供电,则分别接驳两条 Power Bar 取电。与数据中心比较,商厦的电源相对不稳定,强烈建议使用有隐流器的 Power Bar,以保护设备。

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小型 ATS

如有单供电设备则需要配合小型的 ATS 提供 Redundancy,这些小型的 ATS 原理和数据中心的 ATS 一样,有两个电源输入,提供自动跳转。小型 ATS 体积比较少,一般只有 1U 厚度,适合安装於机柜之中。

小型 UPS

由於一般商厦的供电设计不会像数据中心一样高档,大厦也不会有中央 UPS,而且,如大厦发生停电问题,也不会保證什麽时间可以恢复供电。这是在一般商厦建造 Server Room 或机柜的隐忧。因此,除了 E 气和 N 气外,必需设置一只小型 UPS作为第叁层保险,当不幸地 E 气和 N 气同时无法供电时,UPS 仍能供电让设备提供正常服务。建议 UPS 的电池容量需要足够让设备维持 2-4 小时运作。