Arquitectura de centros de datos: una detallada del diseño

La arquitectura del centro de datos es una integración compleja de instalaciones modernas, TI y sistemas de red que trabajan juntos para diseñar, diseñar y respaldar aplicaciones comerciales críticas. Estos sistemas están altamente interconectados y requieren un enfoque bien planificado y sincronizado para su diseño y operación. Debido a su interdependencia, los cambios realizados en un sistema pueden tener consecuencias de gran alcance y afectar a muchos otros sistemas.

La arquitectura del centro de datos representa el diseño y la disposición de una instalación informática que alberga la infraestructura de TI, incluidos servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red. Esta arquitectura también incorpora la infraestructura física de la instalación, como los sistemas de refrigeración y distribución de energía.

Centro Infra explora el mundo de la arquitectura de centros de datos, profundizando en sus componentes clave, principios arquitectónicos y mejores prácticas. Examinamos las arquitecturas de red, almacenamiento y servidores que forman la columna vertebral de los centros de datos modernos, brindando información sobre su diseño e implementación. Finalmente, Centro Infra analiza la arquitectura física de los centros de datos, incluida la selección del sitio, las consideraciones de construcción y el diseño, para brindar una comprensión integral de esta infraestructura crítica.

¿Qué es la arquitectura del centro de datos?

La arquitectura del centro de datos se refiere al diseño y distribución de una instalación informática que alberga servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red para procesar, almacenar y distribuir grandes cantidades de información. Implica una planificación detallada del espacio físico, los sistemas de energía y refrigeración, la conectividad de la red, las medidas de seguridad y el software para garantizar un rendimiento, confiabilidad y escalabilidad óptimas de los recursos y servicios de TI. El objetivo final es crear un entorno eficiente, resistente y seguro para alojar la infraestructura de TI crítica de las empresas y organizaciones modernas.

Componentes de la arquitectura del centro de datos

Los componentes clave de la arquitectura típica de un centro de datos incluyen:

1. Servidores: Clasificados en diferentes tipos según su estructura física y tamaño, incluidos servidores en rack, servidores blade y servidores en torre.
2. Sistemas de almacenamiento: Los centros de datos utilizan diversas tecnologías de almacenamiento, como redes de área de almacenamiento (SAN), almacenamiento conectado a la red (NAS) y almacenamiento conectado directo (DAS) para almacenar y administrar datos.
3. Equipo de red: Los conmutadores, enrutadores, firewalls y equilibradores de carga brindan comunicación de datos eficiente y seguridad dentro del centro de datos y hacia las redes externas.
4. Infraestructura de energía: Los sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS), los generadores de respaldo y las unidades de distribución de energía (PDU) brindan un suministro de energía estable y confiable al equipo del centro de datos.
5. Sistemas de refrigeración: Las unidades de aire acondicionado para salas de ordenadores (CRAC), los sistemas de refrigeración líquida y la contención de pasillos fríos y calientes mantienen niveles óptimos de temperatura y humedad para que el hardware funcione correctamente.
6. Gabinetes: Racks y gabinetes utilizados en los centros de datos incluyen racks de marco abierto (racks de dos y cuatro postes), racks cerrados, racks montados en la pared y gabinetes de red
7. Cableado: Sistemas de estructura cableado, incluidos cables de par trenzado (para Ethernet, como Cat5e, Cat6), cables de fibra óptica (monomodo y multimodo) y cables coaxiales.
8. Sistemas de seguridad: Las medidas de seguridad física como control de acceso biométrico, cámaras de vigilancia y personal de seguridad, así como soluciones de ciberseguridad como firewalls, sistemas de detección/prevención de intrusiones (IDS/IPS) y cifrado protegen el centro de datos contra accesos no autorizados y amenazas.
9. Software de administración: El software Data Center Infrastructure Management (DCIM) ayuda a monitorear, administrar y optimizar el rendimiento y la eficiencia energética de los componentes del centro de datos.

Principios de la arquitectura del centro de datos moderno.

Los principios de escalabilidad, confiabilidad, eficiencia y seguridad de la arquitectura moderna de los centros de datos son fundamentales para el diseño y distribución de los centros de datos.

1. Escalabilidad: Los centros de datos deben diseñarse para adaptarse fácilmente al crecimiento futuro en volumen de datos, potencia de procesamiento y necesidades de almacenamiento sin un rediseño significativo ni tiempo de inactividad. Este principio garantiza que la infraestructura pueda expandirse de forma modular, así como que se puedan agregar nuevo hardware y recursos para satisfacer las crecientes demandas. Los centros de datos necesitan tanto “ampliarse” (agregar más máquinas o instancias a un conjunto de recursos para manejar una mayor carga) como “ampliarse” (agregar más potencia, como CPU y RAM, a una máquina existente para mejorar su capacidad).
2. Confiabilidad: Garantizar una alta disponibilidad y minimizar el tiempo de inactividad son aspectos críticos de la arquitectura del centro de datos, que se pueden lograr a través de sistemas redundantes, hardware tolerante a fallas y soluciones sólidas de respaldo y recuperación ante desastres. La arquitectura incorpora redundancia en varios niveles, incluido el suministro de energía, refrigeración, redes y almacenamiento, para mantener operaciones del centro de datos continuas incluso en caso de fallas de componentes
3. Eficiencia: El diseño eficiente del centro de datos se centra en maximizar el rendimiento y minimizar el consumo de recursos, especialmente de energía. Esto implica optimizar el diseño, implementar hardware energéticamente eficiente, utilizar sistemas inteligentes de administración de energía, utilizar sistemas de enfriamiento eficientes (como enfriamiento gratuito y enfriamiento líquido) y mejorar métricas clave como [eficacia del uso de energía (PUE)](/articulos/pue-power-usage-effectiveness Effectiveness/) para reducir los costos operativos y el impacto ambiental.
4. Seguridad: Proteger los datos confidenciales y garantizar la integridad de la infraestructura del centro de datos son primordiales en la arquitectura del centro de datos, lo que requiere un [enfoque de seguridad] de Múltiples capas(/articulos/data-center-tiers-difference-1-2-3-4security/). Esto incluye la implementación de medidas de seguridad física, como sistemas de control de acceso y vigilancia, así como medidas de seguridad lógicas, como firewalls, sistemas de detección y prevención de intrusiones y cifrado de datos, para proteger contra accesos no autorizados, violaciones de datos y amenazas cibernéticas.

Arquitectura de red para centros de datos

La arquitectura de red del centro de datos se refiere al diseño y disposición de los nodos y rutas interconectados que facilitan la comunicación y el intercambio de datos dentro de un centro de datos. Incluye el diseño físico y lógico de los equipos de red, como conmutadores, enrutadores y cableados, para permitir una transmisión de datos eficiente entre servidores, sistemas de almacenamiento, firewalls y equilibradores de carga.

Una arquitectura de red adecuada proporciona conectividad confiable, de alta velocidad y baja latencia, al mismo tiempo que brinda escalabilidad, seguridad y tolerancia a fallas.

Durante décadas, la arquitectura de tres niveles ha sido el modelo estándar para redes de centros de datos. Sin embargo, ha surgido una topología alternativa, la arquitectura de hoja espinal, que ha ganado prominencia (https://link.springer.com/article/10.1007/s11704-012-1155-6) en los entornos de centros de datos modernos. Esta arquitectura prevalece especialmente en entornos de informática de alto rendimiento (HPC) y se ha convertido en la opción predominante entre los proveedores de servicios en la nube (CSP).

La siguiente es una comparación de estas dos arquitecturas de redes de centros de datos distintos:

Arquitectura de red de centro de datos de tres niveles

La arquitectura de red del centro de datos de tres niveles es una topología de red tradicional que ha sido ampliamente adoptada en muchos centros de datos más antiguos y a menudo se la denomina modelo de “acceso de agregación central” o modelo de “acceso de distribución central”. La redundancia es una parte clave de este diseño, con múltiples rutas desde la capa de acceso al núcleo, además de ayudar a las redes a lograr una alta disponibilidad y una asignación eficiente de recursos.

A continuación se ofrece una descripción general de cada nivel en la arquitectura de red del centro de datos de tres niveles:

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• Capa de acceso: Como nivel más bajo en la arquitectura de red del centro de datos de tres niveles, funciona como punto de entrada para servidores, sistemas de almacenamiento y otros dispositivos a la red, proporcionando conectividad a través de conmutadores y cables. Los conmutadores de capa de acceso, a menudo dispuestos en una configuración de rack superior (ToR), aplican políticas como configuraciones de seguridad y asignaciones de VLAN (red de área local virtual).
• Capa de agregación: También conocida como capa de distribución, consolida el tráfico de datos desde los conmutadores de la parte superior del rack de la capa de acceso antes de transmitirlo a la capa central para enrutarlo a su destino final. Esta capa mejora la resiliencia y disponibilidad de la red del centro de datos a través de conmutadores redundantes, eliminando puntos únicos de falla y controlando el tráfico de la red a través de políticas como equilibrio de carga, calidad de servicio (QoS), filtrado de paquetes, colas y enrutamiento entre VLAN.
• Capa central: También conocida como columna vertebral, es la parte central de alta capacidad de la red diseñada para brindar redundancia y resiliencia, interconectando conmutadores de capa de agregación y conectándose a redes externas. Operando en el Nivel 3, la capa central prioriza la velocidad, la latencia mínima y la conectividad utilizando conmutadores de alta gama, cables de alta velocidad y protocolos de enrutamiento con tiempos de convergencia más bajos.

En última instancia, la arquitectura tradicional del centro de datos de tres niveles tiene dificultades para manejar de manera eficiente el aumento del tráfico de este a oeste (servidor a servidor) generado por las modernas tecnologías de virtualización de servidores debido a la latencia introducida por múltiples saltos entre capas.

Arquitectura de columna-hoja

La arquitectura de hoja espinal, a menudo denominada diseño Clos, es una topología de red de dos niveles que se usa ampliamente en centros de datos y entornos de TI empresarial. Aporta múltiples beneficios para la infraestructura del centro de datos, como escalabilidad, latencia reducida y rendimiento mejorado en comparación con las arquitecturas de red tradicionales de tres niveles.

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Los componentes de la arquitectura lomo-hoja son los siguientes:

• Switches hoja: Estos son conmutadores de la parte superior del rack en la capa de acceso que se conectan a servidores y dispositivos de almacenamiento dentro del rack. Forman una red de malla completa al conectarse a cada conmutador principal, lo que garantiza que todas las rutas de reenvío estén disponibles y que los nodos estén equidistantes en términos de saltos.
• Conmutadores de columna: Forman la columna vertebral de la red del centro de datos, interconectando todos los conmutadores de hoja y enrutando el tráfico entre ellos. No se conectan directamente entre sí, ya que la arquitectura de red en malla elimina la necesidad de conexiones dedicadas entre conmutadores principales. En su lugar, enrutan el tráfico de este a oeste a través de la capa de la columna vertebral para permitir transferencias de datos totalmente sin bloqueo entre servidores en diferentes conmutadores de hoja.

La arquitectura de hoja espinal ofrece una escalabilidad superior, latencia reducida, rendimiento predecible y eficiencia optimizada del tráfico de este a oeste en comparación con la arquitectura tradicional de tres niveles. También proporciona tolerancia a fallos a través de una alta interconectividad, elimina los problemas de bucles de red y simplifica la gestión de la red del centro de datos.

Arquitectura de almacenamiento para centros de datos.

La arquitectura de almacenamiento del centro de datos se refiere al diseño y organización de sistemas de almacenamiento que dictan cómo se almacenan básicamente los datos y cómo se accede a ellos dentro de un centro de datos. Defina los tipos de dispositivos de almacenamiento físico utilizados, como unidades de disco duro (HDD), unidades de estado sólido (SSD) y unidades de cinta, así como también cómo están configurados, como almacenamiento de conexión directa (DAS), almacenamiento conectado a red (NAS) y red de área de almacenamiento (SAN).

Además, la arquitectura de almacenamiento implica el método mediante el cual los servidores acceden a los datos almacenados, ya sea directamente o a través de una red.

Fuente: Google.

Aquí se detallan los principales tipos de arquitectura de almacenamiento en los centros de datos:

Almacenamiento adjunto directo (DAS)

El almacenamiento de conexión directa (DAS) es un sistema de almacenamiento digital utilizado en centros de datos, caracterizado por su conexión física directa al servidor que soporta, sin conexión de red de por medio. El servidor se comunica con los dispositivos de almacenamiento mediante protocolos como SATA, SCSI o SAS, y un controlador RAID gestiona la división de datos, la duplicación y la gestión del disco.

DAS ofrece rentabilidad, simplicidad y alto rendimiento para servidores individuales, pero tiene limitaciones en escalabilidad y accesibilidad en comparación con soluciones de almacenamiento en red como NAS y SAN.

Almacenamiento conectado a la red (NAS)

El almacenamiento conectado a la red (NAS) es un dispositivo de almacenamiento dedicado a nivel de archivos que facilita el acceso a datos para múltiples usuarios y dispositivos cliente a través de TCP/IP Ethernet en redes de área local (LAN). Estos sistemas están diseñados para facilitar el almacenamiento, la recuperación y la gestión de datos sin la necesidad de un servidor de aplicaciones intermediario.

NAS ofrece beneficios de fácil acceso, uso compartido y administración, pero enfrenta limitaciones de escalabilidad y rendimiento debido a su dependencia del ancho de banda de red compartida y limitaciones físicas.

Red de área de almacenamiento (SAN)

Las redes de área de almacenamiento (SAN) son redes dedicadas de alta velocidad que conectan servidores a dispositivos de almacenamiento compartido, normalmente utilizando el protocolo Fibre Channel. Estos sistemas brindan acceso a nivel de bloque al almacenamiento dentro de los centros de datos, lo que permite que los servidores interactúen con los dispositivos de almacenamiento como si estuvieran conectados directamente, agilizando operaciones como las copias de seguridad y el mantenimiento al descargar estas tareas de los servidores host.

Las SAN ofrecen alto rendimiento y escalabilidad, pero conllevan altos costos y requisitos de gestión complejos que exigen experiencia en TI especializada.

Arquitectura de servidor para centros de datos.

La arquitectura de servidores en los centros de datos se refiere al diseño y organización de servidores y componentes relacionados para procesar, almacenar y administrar datos de manera eficiente.

Fuente: Microsoft.

Por lo general, se puede dividir en las siguientes categorías: factor de forma (estructura física), recursos del sistema e infraestructura de soporte:

Factor de forma (estructura física)

• Servidores en rack: Estos son el tipo más común de servidores que se encuentran en los centros de datos. Están diseñados para montarse en bastidores estándar de 19 pulgadas y suelen tener una altura de 1U a 4U.
• Servidores Blade: Estos servidores están diseñados para maximizar la densidad y minimizar el espacio físico. Varios servidores blade están alojados en un solo chasis y comparten recursos comunes como fuentes de alimentación, refrigeración y redes.
• Servidores en torre: Aunque son menos comunes en los grandes centros de datos, los servidores en torre todavía se utilizan en implementaciones de menor escala o donde el espacio en rack no es una limitación. Se parecen a torres de computadoras de escritorio y pueden ser unidades independientes.

recursos del sistema

• CPU (Unidad Central de Procesamiento): La CPU es el cerebro del servidor, responsable de ejecutar instrucciones y procesar datos. Realiza operaciones aritméticas, lógicas y de entrada/salida.
• Memoria: RAM (memoria de acceso aleatorio) es la memoria principal del servidor y proporciona acceso rápido a datos e instrucciones. Almacena temporalmente datos y programas que están actualmente en uso.
• Almacenamiento: Los dispositivos, como unidades de disco duro (HDD) o unidades de estado sólido (SSD), almacenan datos y archivos de forma persistente. Contienen el sistema operativo, las aplicaciones, las bases de datos y los datos del usuario.
• Redes: Las NIC (tarjetas de interfaz de red) conectan el servidor a la red, permitiendo la comunicación con otros dispositivos. Se encargan del envío y recepción de paquetes de datos.
• GPU (Unidad de procesamiento de gráficos): Las GPU son procesadores especializados diseñados para el procesamiento paralelo y la representación de gráficos. Se destacan en el manejo de tareas computacionales intensivas, particularmente aquellas de inteligencia artificial, aprendizaje automático y simulaciones científicas. Sin embargo, no todos los servidores requieren GPU.

Infraestructura de soporte

• Alimentación: Las unidades de fuente de alimentación (PSU) proporcionan energía estable y confiable a todos los componentes del servidor. Convierten la energía de CA del tomacorriente de pared a los voltajes de CC apropiados requeridos por el servidor.
• Enfriamiento: Los servidores generan una cantidad significativa de calor y el sistema de enfriamiento garantiza que los componentes funcionen dentro de rangos de temperatura seguros. Las opciones de refrigeración incluyen ventiladores, disipadores de calor, refrigeración líquida y aire acondicionado en salas de servidores.
• Placa base: Esta es la placa de circuito impreso principal que conecta todos los componentes del servidor. Proporciona las interfaces, buses y ranuras necesarias para la CPU, RAM, almacenamiento y otros periféricos.

Arquitectura del centro de datos en la nube

La arquitectura del centro de datos en la nube se refiere al diseño y organización de recursos informáticos, de almacenamiento, de redes y de bases de datos dentro de un centro de datos remoto que permite la prestación de servicios de computación en la nube. Esta arquitectura se basa en tecnología de virtualización, lo que permite compartir y utilizar eficientemente recursos físicos para proporcionar aplicaciones y servicios escalables, confiables y flexibles basados ​​en la nube.

A continuación se muestra un desglose de los componentes principales de la arquitectura de un centro de datos en la nube:

1. Computación: los servicios de computación en la nube proporcionan máquinas virtuales (VM), contenedores y recursos computación sin servidor para ejecutar aplicaciones y cargas de trabajo. Estos servicios permiten a los usuarios suministrar y escalar potencia informática bajo demanda, sin necesidad de administrar hardware físico. Por ejemplo, los principales servicios de computación en la nube incluyen Amazon EC2, Azure Virtual Machines de Microsoft y Compute Engine de Google Cloud.
2. Almacenamiento: Los servicios de almacenamiento en la nube ofrecen soluciones de almacenamiento escalables y duraderas para diversos tipos de datos, como archivos, objetos y copias de seguridad. Estos servicios proporcionan alta disponibilidad, replicación automática y cifrado de datos para garantizar la integridad y seguridad de los datos. Ejemplos de servicios populares de almacenamiento en la nube incluyen Amazon S3, Azure Blob Storage de Microsoft y Cloud Storage de Google.
3. Red: Los servicios de redes en la nube permiten a los usuarios crear, configurar y administrar redes virtuales, subredes y reglas de seguridad de red. Estos servicios brindan conectividad entre recursos en la nube, redes locales e Internet, lo que permite una transferencia de datos segura y eficiente. Por ejemplo, los servicios claves de redes en la nube incluyen Amazon Virtual Private Cloud (VPC), Azure Virtual Network de Microsoft y Google Cloud Virtual Private Cloud (VPC).
4. Base de datos: Los servicios de bases de datos en la nube ofrecen soluciones de bases de datos administradas y escalables para almacenar, recuperar y administrar datos estructurados y no estructurados. Estos servicios admiten varios motores de bases de datos, como bases de datos relacionales (por ejemplo, MySQL, PostgreSQL), bases de datos NoSQL (por ejemplo, MongoDB) y almacenes de datos. Los servicios de bases de datos en la nube manejan tareas como aprovisionamiento, escalado, copias de seguridad y protección, lo que permite a los desarrolladores centrados en el desarrollo de aplicaciones. Por ejemplo, los servicios de bases de datos en la nube más conocidos incluyen Amazon RDS, Azure Cosmos DB de Microsoft y Google Cloud SQL.

Diseño de centro de datos físicos

La arquitectura física y el diseño de un centro de datos son cruciales para garantizar un rendimiento, seguridad y confiabilidad óptimas.

Fuente: Google.

Estos son los elementos clave del diseño de la arquitectura del centro de datos físicos:

Selección del sitio

• Ubicación: Los centros de datos suelen construirse en áreas con bajo riesgo de desastres naturales, lejos de áreas propensas a terremotos, inundaciones y huracanes.
• Clima: Las ubicaciones más frías pueden reducir el costo de enfriar un centro de datos mediante el uso de aire ambiente, mientras que los climas más cálidos requieren soluciones de enfriamiento que consumen más energía.
• Accesibilidad: El sitio debe ser de fácil acceso para el personal y estar cerca de las principales carreteras y aeropuertos para el transporte de equipos y respuesta de emergencia.
• Energía: Las fuentes de energía confiables y rentables son vitales. La presencia de múltiples líneas de transmisión de alto voltaje y subestaciones eléctricas es importante para el suministro de energía.
• Conectividad: La proximidad a las principales rutas de fibra óptica y tener múltiples proveedores de servicios da como resultado una mejor conectividad.

Edificación y Estructural

• Materiales de construcción: Los centros de datos generalmente se construyen utilizando materiales duraderos y resistentes al fuego, como concreto, acero y paneles de pared especializados.
• Estructura: Si bien los centros de datos de un solo piso son más comunes, los centros de datos de varios pisos se construyen cada vez más en áreas con disponibilidad limitada de terreno o altos costos inmobiliarios.
• Alturas de techo: Las alturas de techo altas, generalmente entre 12 y 18 pies, son necesarias para acomodar pisos elevados, bandejas de cables elevadas y conductos de aire acondicionado, al tiempo que se proporciona espacio suficiente para el equipo y el mantenimiento.
• Capacidad de carga: Los centros de datos requieren una gran capacidad de carga en el piso para soportar el peso de bastidores de servidores pesados, sistemas de refrigeración y sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS). La capacidad de carga suele oscilar entre 150 y 300 libras por pie cuadrado.
• Diseño interno: La arquitectura interna de un centro de datos, incluidas las columnas y las paredes divisorias, desempeña un papel crucial en el diseño general y la funcionalidad de la instalación. Estos elementos impactan la utilización del espacio, el flujo de aire asociado con los sistemas de enfriamiento, la distribución de energía y la accesibilidad de los equipos para finos de mantenimiento

Sistemas de diseño

Los centros de datos se han diseñado y construido en función de diversos factores arquitectónicos, como el tamaño, el propósito, la propiedad y la ubicación. Los tipos de centros de datos notables incluyen:

• Centros de datos empresariales: Propiedad y operación de empresas individuales para respaldar sus necesidades y aplicaciones comerciales específicas. A menudo son build-to-suit, lo que significa que están personalizados para satisfacer las necesidades específicas de una sola organización.
• Centros de datos de colocación: Ofrecer una infraestructura compartida donde varios clientes pueden alquilar espacio, potencia y refrigeración para albergar su propio equipo de TI en la instalación de colocación
• Centros de datos de hiperescala: Instalaciones masivas y centralizadas diseñadas para satisfacer las necesidades de los hyperscalers, que son grandes proveedores de servicios en la nube (CSP) y empresas de Internet.
• Centros de datos perimetrales: Instalaciones más pequeñas que utilizan una arquitectura de centro de datos distribuida. Los centros de datos perimetrales están ubicados más cerca de los usuarios finales o de las fuentes de datos, diseñados para reducir la latencia y mejorar el rendimiento de las aplicaciones al procesar los datos más cerca de su origen.
• Centros de datos en contenedores: También conocidos como micro centros de datos, son instalaciones modulares y portátiles alojadas en contenedores de envío, que ofrecen flexibilidad y rápida implementación.
• Centros de datos de Inteligencia Artificial (IA): Instalaciones especializadas optimizadas para cargas de trabajo de IA, con computación de alto rendimiento, GPU (Unidades de procesamiento de gráficos) y sistemas de refrigeración líquida

Preguntas frecuentes

¿Qué es un arquitecto de centro de datos?

Un arquitecto de centro de datos es un profesional responsable de la planificación estratégica, el diseño y la supervisión de la construcción e implementación de la infraestructura del centro de datos. Esto incluye consideraciones sobre el diseño físico, los controles ambientales, la eficiencia energética y la integración de sistemas de red de TI y medidas de seguridad.

Los arquitectos de centros de datos colaboran estrechamente con diversas partes interesadas, como clientes, contratistas, gerentes de proyectos, equipos de TI y personal de administración de instalaciones. Garantizan que la infraestructura diseñada se alinea con los objetivos comerciales de la organización y al mismo tiempo cumple con los estándares y regulaciones de la industria.

El objetivo principal de un arquitecto de centro de datos es diseñar y entregar un centro de datos confiable, eficiente y escalable que satisfaga las necesidades actuales y futuras de la organización.