目錄

前言
電源 Power Source
拖板 Power Bar
  穩流器
  RJ45 接頭
  計數器
發電機組 Generator Set
  發電機
  自動轉換開關 Automatic Transfer Switch
不間斷電源供應 Uninterruptible Power Supply
  蓄電式 (Battery Storage)
  飛輪式 (Fly Wheel)
N, N+1, 2N, 2(N+1) Redundancy 冗餘
設備的 Power Redundancy 電源冗餘
商業大廈的電源

前言

由於剛剛上了一個關於 Data Center 的課程,裡面其中一個課題是探討電源供應,非常有趣!電源為電腦世界萬物之本,對網絡設備尤其重要,電源供應有問題或不穩定,任憑你把網絡設計得再完善,Router 或 Switch 等網絡設備沒有電也會立刻 gg。本篇文章就介紹一下如何提供可靠的電力給網絡設備和伺服器使用。(原意是介紹網絡知識的 Jannet.hk 好像開始有點不務正業了......😖)

電源 Power Source

我們先從電源說起,電源很簡單,就是電力公司從發電廠發電,把電力經過架空電纜把電送到建築物,再經過建築物的電錶房把電送到每層的房間,最終會到達插座。一般家用或商業大廈會見到這種 13A 插座 (香港制式,俗稱三腳)。

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A (Ampere) 是電流單位安培,13A 已足夠一般家中或商廈的電器使用了。而在用電量較高的地方,則會安裝電流較高的插座以應付需求。例如在數據中心 (Data Center) 通常會使用這種 16A 插座 (香港俗稱豬嘴),供應更強大的電流給多台網絡設備和伺服器使用。

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拖板 Power Bar

一個插座肯定不夠用,但由於安裝插座的成本較高,因此我們通常會使用拖板 Power Bar 把一個電源插座分成多組插座使用。在家用或商廈我們會使用下面這款拖板。如準備用作接駁伺服器或網絡設備,強烈建議不要使用有開關的拖板!因為在工作時很容易意外地碰到開關而導致停機。

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而在數據中心當然要使用較專業的 Power Bar,這些 Power Bar 提供了一些額外的功能。而由於伺服器或網絡設備都會使用一種叫 C13/C14 的電源線 (香港俗稱方頭),所以數據中心一般會使用這種方頭 Power Bar,方頭比三腳節省空間。

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而這些專業級的 Power Bar 還可提供以下功能。

穩流器

對設備提供保護作用,以免在電壓突然提升時 (例如雷擊) 弄壞了設備。

RJ45 接頭

可以接到網絡,這樣管理人員便可遙距查看 Power Bar 的狀態,或者搖距控制開關電源。

計數器

監控用電量,到達特定水平時會發出警告,以免超出負荷。

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發電機組 Generator Set

問題來了,由於伺服器和網絡設備必需提供 7 x 24 無間斷工作,如果電力公司因為意外或保養維修而中斷電源供應,設備就會關機無法提供服務,老闆就會來電了,(而這些意外或維修總是在你休假時發生😩),為了防止電力中斷,數據中心或高級的商業大廈都會加裝大型的發電機組以應付這些突發事件。

發電機

一般是用柴油推動,平時是閒置的,只在有需要時啟動以提供電力。

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自動轉換開關 Automatic Transfer Switch

發電機要達到緊急供電效果,我們還需要 Automatic Transfer Switch (ATS),ATS 的有兩個作用:

作用 1:切換電源

ATS 同時接駁著電力公司的來電 (俗稱市電) 和發電機兩邊電源,正常情況下 ATS 會使用市電供電給 Data Center 的設備,但當市電被切斷時,就會跳轉到發電機那邊,這可以自動跳轉或在有需要時人手跳轉。

作用 2:啟動發電機

剛才說過發電機本來是停著不動的,當 ATS 發現市電那邊沒有供電時,就會發訊號去啟動發電機。而發電機由靜止到完全啟動一般需要 10 至 30 秒。

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不間斷電源供應 Uninterruptible Power Supply

問題又來了,由於發電機從靜止到完全啟動一般需要 10 至 30 秒時間,那麽就算加裝了發電機,在這段短時間裡,設備仍然會因為沒有電源供應而關機,這時你老闆又會來電了。為了解決這問題,就要加裝 Uninterruptible Power Supply (UPS) 了。顧名思義,UPS 可以為我們提供不間斷的電源供應,UPS 的作用主要有兩個:

  1. 在市電停止供應後至發電機完全啟動前的短暫時間 (10 至 30 秒) 提供電力,避免設備關機。
  2. 在電力不穩定時 (電壓突然下降),提供電力避免設備關機。

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UPS 有兩種,比較常見的是蓄電式,另一款是飛輪式。

蓄電式 (Battery Storage)

原理十分簡單,在市電正常供應時,把電池房的一大推電池充滿電,在供電出問題時,預先充好電的電池就可以釋放以提供電力。

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然而蓄電式 UPS 有兩個問題:

  1. 電池需要佔用空間,而且易燃,也會釋出有害氣體。
  2. 電池會老化,需要定期更換 (約 5 年)。

飛輪式 (Fly Wheel)

在市電正常供應時,電力會提供給一些飛輪組件讓它們轉動。在供電出問題時,由於慣性,飛輪並沒有即時停下而是繼續轉動,這時飛輪就變成一台小型的發電機,產生電力。飛輪式體積較蓄電式小,而且不需電池,解決了傳統蓄電式 UPS 的問題。可是,飛輪式的初期設置費用則較昂貴,然而維護費用卻比較便宜 (換電池費用不便宜啊)。

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讀者需要注意的是,無論使用那一款 UPS 都只提供短暫性的供電服務,而且電力有限。UPS 的供電對象必需是「不能停止」的設備,例如:伺服器、網絡設備、消防設備、必要的照明等等。UPS 不應為冷氣、一般照明供電,因為幾十秒短暫的停頓對這些設備所提供的服務影響輕微。

N, N+1, 2N, 2(N+1) Redundancy 冗餘

從以上設施可見,數據中心對供電穩定性的要求極高,你不會知道在數據中心裡,客戶的機器在運行什麼服務,因電力問題而停機可能導致他們損失慘重,甚至性命悠關!因此,為數據中心供電,必需要經常抱著「杞人憂天」的性格,經常問一個問題:如果這裡壞了仍能正常供電嗎?如果那部份壞了又會怎樣?有後備嗎?談到後備,就出現了 N, N+1, 2N, 2(N+1) 等的名詞。

所謂 N 就是代表機器的數目,在此舉一個比較簡單的比喻去說明。假設我是一個很怕寂寞的人,需要很多的愛,所以一星期七天,每一晚我都找不同的女朋友在一起。

N

因為一星期有 7 天,所以我找了 7 位女朋友 (N=7),7 位女朋友都已分別安排在星期一至星期日來陪我。

N+1

可是,我怕有些時候女朋友會有事做或沒有空陪我,所以我又結識了第 8 位女朋友來當後備。當其中一天正選女朋友沒來找我時,這位後備可以立刻補上。

2N

後來,我開始要分別在香港和台灣兩地工作了,很明顯,我需要把香港的設定複製到台灣,好讓我在港台兩地也不愁寂寞。基本來說我可以把 N 變成 2N,即港台兩地分別有 7 位女朋友,一共 14 位。

2(N+1)

當然,我需要多一點保障,所以還是決定把 N+1 那一套複製到台灣,變成 2(N+1),於是我一共有 16 位女朋友。這是最頂級的設定,帝皇級的享受。

套用到數據中心的話,我們要考慮需要後備的東西包括:電力供應、冷氣設備、UPS、數據線等等。而用那一款 Redundancy 就得看預算了。

N 與 2N 的比較

左圖為 N,即沒有任何 Redundancy,供電路徑上每一處都是 Single Point of Failure,即是說只要任何一個組件出問題,都會導致供電出現問題。而右圖則是 2N 設定,有兩條條完完全全分開的供電路徑,任何組件出問題,設備仍能正常運作。

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設備的 Power Redundancy 電源冗餘

最後我們說說電源供應的終點站,就是伺服器或網絡設備本身的 Power Redundancy 了。現時大部份伺服器和網絡設備都有雙供電的設計,即可以分別提供兩組電力輸入,就算一邊電力固障或變壓器壞掉,設備仍可正常運作。

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如果數據中心內提供兩組電源的話,為了分辨,一般會稱為 Source A 及 Source B。需要緊記的是,設備的兩個電源輸入必需要分別接駁 Source A 及 Source B,方可達到 Redundancy 的效果。

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不幸的是,有些低階的型號仍然只有一組電源輸入,這時我們唯有使用一種小型的 ATS 放在機櫃裡面,同時接駁 Source A 和 Source B,而出來的第三組供電就喚作 Source A/B,這樣我們仍能為只有一組電力輸入的設備提供 Power Redundancy。然而這個方法仍然有 Single Point of Failure,就是 ATS 和設備的變壓器。

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商業大廈的電源

商業大廈供電質量並沒有數據中心那麽高,所以在商業大廈建 Server Room 或設置機櫃,玩法有少許不同。

電源

香港較高級的商廈通常也有兩組電源,欲不是 Source A 和 Source B,而是喚作正常電 Normal (香港俗稱 N 氣) 和緊急電 Emergency (E 氣)。N 氣即是一般的市電,至於 E 氣除了接駁市電,也接駁了發電機組,跟數據中心設定一樣,市電斷電時發電機啟動,理論上是無間斷供電的。E 氣一般用作大廈的緊急設施,例如:消防逃生設備、必要照明、保安設備等。由於現在網絡除了數據傳輸外,也提供了電話系統服務,也有經網絡的 IP 閉路電視、門禁系統,近年甚至有 IP 的煙霧感應器。因此,網絡設備必需使用 E 氣,而 N 氣則用作後備電源。

接駁

可是,筆者工作過的某些大廈是不提供 E 氣給租戶的,或者只在有需要時臨時接駁 E 氣,例如 N 氣需要維修時才預早提供 E 氣電,N 氣回復正常時就收回 E 氣。但這些供電模式是不適合現今網絡要求的。最理想是同時存在 E 氣和 N 氣,分別接駁兩組 Power Bar。如果設備支緩雙供電,則分別接駁兩條 Power Bar 取電。與數據中心比較,商廈的電源相對不穩定,強烈建議使用有隱流器的 Power Bar,以保護設備。

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小型 ATS

如有單供電設備則需要配合小型的 ATS 提供 Redundancy,這些小型的 ATS 原理和數據中心的 ATS 一樣,有兩個電源輸入,提供自動跳轉。小型 ATS 體積比較少,一般只有 1U 厚度,適合安裝於機櫃之中。

小型 UPS

由於一般商廈的供電設計不會像數據中心一樣高檔,大廈也不會有中央 UPS,而且,如大廈發生停電問題,也不會保證什麽時間可以恢復供電。這是在一般商廈建造 Server Room 或機櫃的隱憂。因此,除了 E 氣和 N 氣外,必需設置一隻小型 UPS作為第三層保險,當不幸地 E 氣和 N 氣同時無法供電時,UPS 仍能供電讓設備提供正常服務。建議 UPS 的電池容量需要足夠讓設備維持 2-4 小時運作。