Дата-центры: где хранится интернет и как работают огромные серверы

Когда человек открывает сайт, отправляет сообщение или запускает видео, нужная информация появляется на экране почти мгновенно. Кажется, будто она существует где-то в невидимом цифровом пространстве. На самом деле данные хранятся и обрабатываются на физических устройствах, установленных в специальных зданиях — дата-центрах.

В таких центрах круглосуточно работают серверы, сетевое оборудование, накопители, системы охлаждения и резервного электропитания. Они обеспечивают доступ к сайтам, облачным документам, социальным сетям, онлайн-магазинам, банковским приложениям и другим цифровым сервисам.

Однако утверждение, что весь интернет находится в нескольких огромных зданиях, было бы неправильным. Информация распределена между множеством дата-центров, серверов компаний, узлов связи, домашних устройств и локальных хранилищ по всему миру.

Что такое дата-центр

Дата-центр, или центр обработки данных, — это специально подготовленное здание либо отдельное помещение, в котором размещается компьютерное и сетевое оборудование.

Основу дата-центра составляют серверы — компьютеры, рассчитанные на непрерывную работу и одновременное обслуживание большого количества запросов.

Они могут выполнять разные задачи:

• хранить файлы;
• обрабатывать запросы сайтов;
• запускать приложения;
• управлять базами данных;
• передавать видео;
• выполнять вычисления;
• создавать резервные копии;
• обслуживать корпоративные системы;
• поддерживать работу облачных платформ.

Дата-центр — это не просто помещение с компьютерами. Для его работы необходимы стабильное электричество, несколько каналов связи, охлаждение, пожарная защита, контроль температуры и круглосуточное наблюдение.

Даже короткое отключение оборудования может нарушить работу сайтов и приложений, поэтому основные инженерные системы резервируются.

Действительно ли серверы хранят весь интернет

Интернет нельзя представить в виде одного гигантского жёсткого диска. Он является сетью, объединяющей огромное количество устройств.

Часть информации хранится в крупных дата-центрах. Другие данные находятся:

• на серверах небольших компаний;
• в корпоративных сетях;
• на домашних компьютерах;
• в смартфонах;
• на устройствах интернета вещей;
• в локальных системах организаций;
• на серверах государственных учреждений;
• в распределённых сетях.

Не всё, что передаётся через интернет, обязательно сохраняется надолго. Например, данные видеозвонка могут обрабатываться и передаваться между участниками без длительного хранения полной записи.

Кроме того, один файл может иметь множество копий. Популярное видео, фотография или обновление программы часто размещается на разных серверах, чтобы пользователи получали его из ближайшей точки.

Поэтому правильнее говорить, что дата-центры являются важнейшей частью интернета, но не единственным местом хранения цифровой информации.

Что находится внутри дата-центра

Внутри центра обработки данных располагаются длинные ряды металлических шкафов — серверных стоек. В каждой стойке может быть установлено множество серверов, сетевых коммутаторов и систем хранения.

Оборудование соединяется большим количеством кабелей. Одни передают данные между серверами, другие связывают дата-центр с внешними сетями. Отдельные линии используются для электропитания и управления инфраструктурой.

Основными элементами дата-центра являются:

• вычислительные серверы;
• системы хранения данных;
• сетевые коммутаторы;
• маршрутизаторы;
• межсетевые экраны;
• источники бесперебойного питания;
• дизельные генераторы;
• системы охлаждения;
• датчики температуры и влажности;
• средства пожаротушения;
• оборудование физической безопасности.

Работа всех компонентов постоянно контролируется. Сотрудники наблюдают за температурой, нагрузкой, электропитанием и состоянием сетевых каналов.

Чем сервер отличается от обычного компьютера

Сервер использует знакомые компоненты: процессоры, оперативную память, накопители и сетевые адаптеры. Но его конструкция рассчитана на другие условия работы.

Домашний компьютер обычно обслуживает одного пользователя. Сервер способен одновременно принимать большое количество запросов от других устройств.

В серверном оборудовании могут использоваться:

• несколько процессоров;
• большой объём оперативной памяти;
• высокоскоростные сетевые интерфейсы;
• накопители с возможностью быстрой замены;
• резервные блоки питания;
• дополнительные средства контроля;
• удалённое управление;
• усиленное охлаждение.

Если один блок питания выйдет из строя, второй может продолжить работу. Неисправный накопитель в некоторых системах заменяется без полного отключения сервера.

Но это не означает, что каждый сервер чрезвычайно мощный. В дата-центрах используются разные устройства: от небольших машин для простых сервисов до специализированных вычислительных систем.

Как загружается обычная веб-страница

Когда пользователь вводит адрес сайта, браузер сначала должен определить, к какому серверу обратиться. Для этого используется система доменных имён DNS, сопоставляющая понятный адрес сайта с сетевым адресом.

Дальнейший процесс упрощённо выглядит так:

1. Устройство отправляет запрос.
2. DNS помогает определить нужный адрес.
3. Запрос проходит через сеть оператора.
4. Маршрутизаторы направляют его к серверу.
5. Сервер обрабатывает запрос.
6. Необходимые данные отправляются обратно.
7. Браузер собирает и показывает страницу.

В действительности запрос может пройти через множество промежуточных устройств. Отдельные части страницы — текст, изображения, реклама и видео — иногда поступают с разных серверов.

Для ускорения используются кэширующие узлы и сети доставки контента. Они хранят копии популярных файлов ближе к пользователям.

Что такое облако

Облачное хранилище не находится в воздухе. Словом «облако» называют модель, при которой пользователь получает вычислительные ресурсы или место для файлов через интернет.

Фотографии, документы и резервные копии хранятся на физических накопителях, установленных в дата-центрах.

При этом пользователь обычно не знает:

• на каком именно сервере находится файл;
• в каком здании установлено оборудование;
• сколько копий создано;
• между какими устройствами распределены данные.

Облачная платформа управляет этим автоматически. Если одному приложению требуется больше мощности, система может предоставить дополнительные ресурсы. Когда нагрузка снижается, их можно освободить.

Облако позволяет компаниям не покупать отдельный физический сервер для каждой задачи. Вместо этого они арендуют необходимую вычислительную мощность и платят за используемые ресурсы.

Как один сервер превращается в несколько

В дата-центрах широко применяется виртуализация. Специальное программное обеспечение позволяет разделить ресурсы одного физического сервера между несколькими виртуальными машинами.

Каждая виртуальная машина может иметь:

• собственную операционную систему;
• выделенную оперативную память;
• виртуальные процессорные ядра;
• отдельное сетевое подключение;
• собственное пространство для файлов.

Для пользователя виртуальная машина выглядит как самостоятельный компьютер, хотя физически она работает рядом с другими системами на одном сервере.

Более лёгким способом распределения приложений являются контейнеры. Они позволяют запускать множество изолированных сервисов без отдельной полноценной операционной системы для каждого.

Благодаря этим технологиям оборудование используется эффективнее, а приложения можно быстрее переносить и масштабировать.

Почему дата-центры занимают столько места

Один сайт может работать на небольшом сервере, но крупные цифровые платформы обслуживают миллионы пользователей одновременно.

Им необходимо хранить:

• фотографии;
• видеозаписи;
• сообщения;
• резервные копии;
• платёжные операции;
• каталоги товаров;
• карты;
• музыку;
• программное обеспечение;
• журналы событий;
• результаты вычислений.

Количество информации постоянно увеличивается. Кроме самого хранения, требуется вычислительная мощность для поиска, рекомендаций, обработки изображений, защиты от атак и работы искусственного интеллекта.

Большую площадь занимает не только компьютерное оборудование. Необходимо пространство для электрических систем, аккумуляторов, генераторов, охлаждения, сетевых узлов и технического обслуживания.

Почему серверы сильно нагреваются

Электрическая энергия, потребляемая вычислительным оборудованием, в конечном счёте в значительной степени превращается в тепло. Когда в одном помещении работают тысячи устройств, тепловая нагрузка становится огромной.

Перегрев может вызвать:

• снижение производительности;
• ускоренный износ компонентов;
• ошибки вычислений;
• отключение оборудования;
• повреждение накопителей;
• остановку сервисов.

Поэтому охлаждение является одной из важнейших систем дата-центра.

В традиционной схеме серверы устанавливаются рядами. Передние части стоек обращены друг к другу и образуют холодный коридор. С обратной стороны выходит нагретый воздух, формируя горячий коридор.

Разделение потоков не позволяет холодному и горячему воздуху смешиваться. Это повышает эффективность охлаждения.

Какие способы охлаждения применяются

Для отвода тепла используются разные технологии:

• промышленные кондиционеры;
• системы охлаждённой воды;
• теплообменники;
• наружный холодный воздух;
• испарительное охлаждение;
• непосредственное жидкостное охлаждение;
• погружение оборудования в специальную жидкость.

Воздушное охлаждение остаётся распространённым, но для мощных вычислительных систем его возможностей может быть недостаточно.

При жидкостном охлаждении тепло отводится непосредственно от процессоров и других горячих компонентов. Жидкость переносит тепло эффективнее воздуха, но такая система требует специальной конструкции оборудования и дополнительного контроля.

Некоторые дата-центры строят в прохладных регионах, где часть года можно использовать наружный воздух. Однако климат — не единственный фактор. Также важны доступность электроэнергии, сетевых линий, воды и квалифицированного персонала.

Откуда дата-центр получает электричество

Серверы должны работать круглосуточно, поэтому дата-центр обычно подключается к надёжным линиям электроснабжения. У крупных объектов может быть несколько независимых вводов.

Но даже надёжная внешняя сеть иногда отключается. Для таких случаев используются резервные системы.

Источники бесперебойного питания мгновенно поддерживают оборудование, когда внешнее напряжение исчезает или становится нестабильным. Они дают генераторам время на запуск.

Резервная цепочка может включать:

1. Основную электросеть.
2. Дополнительную линию питания.
3. Источники бесперебойного питания.
4. Аккумуляторные батареи.
5. Дизельные или газовые генераторы.
6. Систему автоматического переключения.

Запас топлива и состояние генераторов регулярно проверяются. Во время длительного отключения они должны поддерживать не только серверы, но и охлаждение, сетевое оборудование и системы безопасности.

Что произойдёт при поломке сервера

Отказ отдельного сервера не обязательно приводит к остановке сайта. Хорошо спроектированный сервис распределяет нагрузку между несколькими машинами.

Если одно устройство перестаёт отвечать, система может направить запросы на исправные серверы. Для этого используются балансировщики нагрузки и автоматические средства наблюдения.

Важные компоненты дублируются:

• блоки питания;
• сетевые соединения;
• накопители;
• коммутаторы;
• серверы;
• каналы связи;
• источники электропитания;
• системы охлаждения.

Резервирование повышает надёжность, но не устраняет риск полностью. Ошибка программного обеспечения, неправильная настройка или повреждение общей инфраструктуры способны затронуть сразу несколько систем.

Поэтому компании стараются размещать критически важные сервисы в нескольких независимых зонах или дата-центрах.

Где хранятся резервные копии

Резервная копия должна помогать восстановить информацию после удаления, повреждения оборудования, атаки или другой аварии.

Хранить её рядом с основными данными недостаточно. Если пожар, затопление или серьёзный сбой затронет весь объект, обе копии могут быть потеряны.

Поэтому резервные данные часто размещаются:

• на другом оборудовании;
• в отдельной части дата-центра;
• в другом городе;
• в другой стране или регионе;
• на носителях, отключённых от основной системы.

Репликация и резервное копирование — не одно и то же. Репликация создаёт рабочую копию данных и быстро передаёт изменения. Если пользователь случайно удалит файл, удаление может распространиться на все реплики.

Полноценная резервная копия позволяет вернуться к более раннему состоянию информации.

Как защищают дата-центры

В дата-центрах хранятся важные корпоративные и пользовательские данные. Поэтому защита включает не только компьютерную безопасность, но и физический контроль объекта.

Могут использоваться:

• охраняемый периметр;
• видеонаблюдение;
• электронные пропуска;
• биометрическая идентификация;
• шлюзовые кабины;
• учёт посещений;
• запираемые серверные стойки;
• круглосуточная охрана;
• датчики открытия;
• отдельные зоны доступа.

Сотрудник, обслуживающий охлаждение, не обязательно имеет доступ к серверам. Права разделяются в зависимости от обязанностей.

Посетители могут проходить только в сопровождении. Все перемещения оборудования и работы внутри технических помещений фиксируются.

Точное расположение особо важных объектов иногда не раскрывается публично.

Как данные защищаются от кражи

Физическая охрана — только одна часть защиты. Сетевой трафик контролируется межсетевыми экранами и системами обнаружения атак.

Для защиты информации применяются:

• шифрование соединений;
• шифрование накопителей;
• разделение прав доступа;
• многофакторная аутентификация;
• журналы действий;
• регулярное обновление программ;
• поиск уязвимостей;
• резервное копирование;
• изоляция отдельных систем;
• круглосуточный мониторинг.

Однако нахождение файла в защищённом дата-центре не делает его автоматически недоступным для злоумышленника. Если пользователь использует простой пароль или передаёт код подтверждения мошеннику, защита физической инфраструктуры не спасёт его учётную запись.

Безопасность зависит от всей цепочки: оборудования, программного обеспечения, сотрудников и действий самого пользователя.

Как тушат пожар рядом с серверами

Обычная вода способна повредить электронное оборудование. Поэтому серверные помещения оборудуют системами раннего обнаружения дыма и специализированного пожаротушения.

Датчики могут анализировать воздух и замечать мельчайшие частицы дыма до появления открытого огня.

В зависимости от конструкции объекта применяются:

• газовые системы пожаротушения;
• водяной туман;
• предварительно управляемые спринклеры;
• разделение помещений на пожарные зоны;
• автоматическое отключение отдельных участков.

Выбор системы зависит от требований безопасности, размеров помещения и местных норм. Приоритетом остаётся защита людей, а уже после неё — сохранение оборудования.

Зачем нужны несколько интернет-каналов

Дата-центр подключается к внешнему миру через высокоскоростные линии связи. Если использовать только один кабель или одного оператора, случайное повреждение линии может сделать сервисы недоступными.

Поэтому крупные объекты подключаются к нескольким операторам. Кабели по возможности прокладываются по независимым маршрутам.

Сетевое оборудование автоматически выбирает доступный путь. При повреждении одной линии трафик перенаправляется через другую.

Дата-центры также могут подключаться к точкам обмена интернет-трафиком. Там сети операторов и крупных компаний напрямую обмениваются данными, сокращая маршрут и задержку.

Почему видео загружается быстро

Популярное видео не обязательно каждый раз передаётся из далёкого центрального дата-центра. Копии часто размещаются на узлах сети доставки контента — CDN.

Когда пользователь нажимает кнопку воспроизведения, система выбирает подходящий сервер с учётом:

• географического положения;
• сетевой задержки;
• текущей нагрузки;
• доступности копии;
• состояния маршрута.

Ближайший сервер обычно отправляет данные быстрее и уменьшает нагрузку на магистральные линии.

Подобным образом доставляются изображения, обновления программ, музыка, игровые файлы и другие популярные материалы.

Чем дата-центр отличается от edge computing

Классический дата-центр объединяет большое количество вычислительного оборудования в одном комплексе. Edge computing переносит часть обработки ближе к месту, где появляются данные.

Небольшие вычислительные узлы могут располагаться:

• рядом с базовыми станциями;
• на предприятиях;
• в магазинах;
• в транспортных системах;
• возле промышленных датчиков;
• непосредственно в устройствах.

Это уменьшает задержку и снижает необходимость передавать весь поток в удалённое облако.

Например, система видеонаблюдения может анализировать изображение рядом с камерой и отправлять в центральный дата-центр только важные события.

Edge computing не заменяет крупные дата-центры. Эти технологии работают совместно: локальные узлы быстро обрабатывают данные, а центральные системы выполняют масштабные вычисления и длительное хранение.

Сколько энергии потребляет дата-центр

Дата-центру нужна энергия не только для серверов. Электричество расходуется на охлаждение, сетевое оборудование, освещение, преобразование напряжения и вспомогательные системы.

Эффективность объекта часто оценивают с помощью показателя PUE. Он сравнивает всю потребляемую дата-центром энергию с энергией, которая поступает непосредственно вычислительному оборудованию.

Чем ближе значение к единице, тем меньшая доля энергии тратится на вспомогательные системы. Но этот показатель не рассказывает обо всём: он не показывает происхождение электроэнергии, расход воды и полезность выполняемых вычислений.

Для сокращения воздействия на окружающую среду операторы:

• совершенствуют охлаждение;
• повышают загрузку серверов;
• используют более эффективное оборудование;
• закупают электроэнергию из возобновляемых источников;
• повторно используют выделяемое тепло;
• сокращают потери при преобразовании энергии;
• строят объекты в подходящем климате.

В некоторых городах избыточное тепло дата-центров направляют в системы отопления зданий.

Кто работает в дата-центре

Несмотря на высокую степень автоматизации, дата-центры нуждаются в специалистах.

Работу обеспечивают:

• системные администраторы;
• сетевые инженеры;
• специалисты по информационной безопасности;
• инженеры электроснабжения;
• специалисты по охлаждению;
• техники по обслуживанию серверов;
• операторы центра наблюдения;
• сотрудники физической охраны.

Некоторые задачи выполняются удалённо. Но заменить накопитель, проложить кабель или отремонтировать систему охлаждения без присутствия специалиста пока невозможно.

Сотрудники работают по строгим инструкциям. Даже простая замена детали планируется так, чтобы не нарушить работу других систем.

Может ли интернет исчезнуть из-за одного дата-центра

Весь интернет не исчезнет из-за аварии в одном здании. Он изначально создавался как распределённая сеть, способная направлять данные разными маршрутами.

Но отдельные сайты, приложения и облачные сервисы действительно могут стать недоступными, если их инфраструктура слишком сильно зависит от одного центра или одной платформы.

Крупные компании распределяют системы между несколькими зонами. Однако географическое резервирование требует дополнительных расходов и сложной синхронизации.

Абсолютной надёжности не существует. Даже резервные системы могут отказать из-за общей программной ошибки или неправильного изменения конфигурации.

Почему дата-центры стали основой цифрового мира

Без центров обработки данных не смогли бы работать многие привычные сервисы:

• поисковые системы;
• электронная почта;
• мессенджеры;
• социальные сети;
• интернет-магазины;
• банковские приложения;
• потоковое видео;
• облачные документы;
• онлайн-игры;
• искусственный интеллект.

Каждое действие пользователя превращается в запрос, который проходит по сети и обрабатывается физическим оборудованием.

За простой загрузкой страницы скрываются электростанции, оптоволоконные линии, серверы, накопители, системы охлаждения и работа тысяч специалистов.

Дата-центры не хранят интернет как единый объект. Они поддерживают его важнейшие сервисы, обрабатывают огромные потоки информации и создают множество копий данных, чтобы цифровой мир оставался доступным даже при отказе отдельных устройств.