Wie funktioniert ein Rechenzentrum?

In Deutschland gibt es wohl etwa 50.000 Rechenzentren, die genaue Anzahl kennt niemand. Sehr viele Standorte sind zudem geheim. Etwa 85% sind unternehmenseigene Rechenzentren, die auch Data Center genannt werden oder aus lediglich einem Serverraum oder sogar nur aus einem Serverschrank bestehen. Eine klare Definition für ein Rechenzentrum (RZ) gibt es scheinbar nicht, vom Serverschrank mit 3 qm bis zum großen Rechenzentrum mit über 5.000 qm ist die Bezeichnung geläufig und zutreffend. Ohne Rechenzentren funktioniert nicht mehr viel, sie sind für Unternehmen aller Branchen, öffentliche Institutionen, die Nutzer und unser gesellschaftliches Leben von höchster Bedeutung.

Unternehmen nutzen ihre eigenen oder zentrale Rechenzentren für ihre Unternehmensdaten, Anwendungen und Geschäftsprozesse. Alle Internetdienste werden in Rechenzentren erbracht. Die Webserver und Server für Suchmaschinen, Webshops, Verkaufsplattformen, Videoportale, E-Mail, Telefonnetze oder andere Kommunikationsdienste sind in Serverschränken verbaut und stehen in Rechenzentren.

Ein großes Rechenzentrum (RZ) ist eine Spezialimmobilie, die durchaus aus weit über 1.000 qm Fläche bestehen kann. Ein Rechenzentrum ist dafür ausgelegt, Informationstechnik (IT) und Kommunikationstechnik (TK), Rechentechnik (Server, Storages, Switches, Rechner, Computer, Speicher, Netzwerkkomponenten) und die notwendige Infrastruktur zu beherbergen. Es dreht sich aber alles um die wertvollen Daten. Diese müssen irgendwo ins zentrale Rechenzentrum rein und bei Bedarf wieder raus. Zu einem sicheren RZ gehört Infrastruktur wie Datenanbindung, Stromversorgung, Brandschutzeinrichtungen, Kühlaggregate und Zutrittsschutz.

 

Rechenzentrum (RZ)

 

Sicherheit im Rechenzentrum (RZ)

Ein Rechen­zentrum (RZ) wird auch Data Center oder Technikzentrum genannt. Neben den betrieblichen Rechenzentren gibt es kommunale und regionale Rechenzentren. In den meisten Unternehmen und staatlichen Einrichtungen ist es ein Serverraum mit den Serverschränken (Racks) und der darin enthaltenen IT-Infrastruktur, IT Systemen, EDV Anlagen, RZ Komponenten wie Server, Switches, Speicher, Telefonanlage. Das Rechenzentrum ist das Gehirn, Herz, Rückgrat eines Unternehmens, wichtige Prozesse laufen darin ab.

Ohne eine funktionierende ITK ist ein Unternehmen handlungsunfähig. Der Unternehmenserfolg hängt vom reibungslosen Betrieb der Hardware und Software ab. Arbeitsstationen greifen pausenlos auf die Daten des Rechenzentrums zu und speichern diese dort ab. Zunehmend werden Rechenzentren betrieben, um Cloud-Lösungen bereitzustellen, das Colocation Hosting. Ein Anbieter betreibt dabei die RZ-Infrastruktur und grundlegende RZ-Dienste, beispielsweise die schnelle Internetanbindung und Backup, die von anderen RZ-Betreibern genutzt wird, um eigene RZ-Dienste, beispielsweise SaaS, IaaS, PaaS, bereitzustellen. Es gelten strenge Sicherheitsvorkehrungen.

Ein Rechenzentrum muss nicht nur gekühlt werden.

Ein Rechenzentrum muss vor äußeren Einflüssen bewahrt und ausreichend gekühlt werden. Eine Menge leistungsfähiger Hardware auf engem Raum benötigt Energie und erzeugt Wärme. Mikroprozessoren werden im Betrieb sehr heiß und müssen gekühlt werden.

Rechner benötigen Strom und Schutz vor Diebstahl und Manipulationen. Ein Rechenzentrum besteht nicht nur aus einem Raum oder Gebäude, das Switches, Server, Speicher, Verkabelung und den Anschluss an das Internet bereithält, sondern auch Stromversorgung, Kühlung und häufig automatische Löscheinrichtungen und regelmäßige Backups, die den Betrieb sicherstellen.

Rechenzentren werden in sogenannte Tiers nach der Definition des American National Standards Institute (ANSI) eingestuft und gelten als Gradmesser für das Sicherheitsniveau. Ein Tier 4 Rechenzentrum bietet eine Verfügbarkeit von mindestens 99,995%, die Ausfallzeit innerhalb eines Jahres beträgt weniger als eine Stunde. Gewährleistet wird dies durch mehrfaches Vorhalten (Redundanz) aller wichtiger sowie kritischer Komponenten.

Sicherheitssysteme wie Kameraüberwachung, Sicherheitsschleusen, Keycards, Zahlencodes und Wachdienst sorgen dafür, dass lediglich autorisiertes Personal Zugang zu den Serverräumen hat.

Stromversorgung

Die Betreiber von Rechenzentren treffen mit hohem Aufwand Vorkehrungen, damit die höchstmögliche Verfügbarkeit gewährleistet werden kann. So sind große oder kommunale Rechenzentren meist an zwei unterschiedliche Netze der lokalen Stromversorger angeschlossen. Die Stromversorgung ist sichergestellt, auch wenn einer der beiden Bereiche ausfallen sollte. So führen Reparaturen an einem der Netze nicht dazu, dass Geräte wie Server deswegen ausgeschaltet werden müssen. Server, Switches und Speichereinheiten haben jeweils mehrere redundante Netzteile. Der Ausfall eines der Netzteile führt nicht zum Totalausfall.

Im Rechenzentrum wird der laufende Betrieb der Anwendungen über Batterieblöcke, die sogenannte Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) für Minuten oder Stunden gesichert, die auch gleichzeitig die Stromqualität sicherstellt. Die USV gleicht Spannungsschwankungen aus und schützt die empfindliche Rechenelektronik. Netzteile können Aussetzer im Millisekundenbereich ausgleichen, doch für darüber hinausgehende Unterbrechungen sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) notwendig.

Zusätzlich verfügen große Rechenzentren meist in einem separaten Raum oder Gebäude Dieselgeneratoren, die im Notfall den Energiebedarf des Rechenzentrums über Stunden oder Tage decken können, je nach Dieselvorrat. Damit der Dieselmotor schnell und zuverlässig anspringt, wird er durch Vorwärme in ständiger Bereitschaft gehalten. Aus Redundanzgründen gibt es in vielen Rechenzentren ein zweites Notstromaggregat. Der Dieselgenerator übernimmt nach einem Stromausfall innerhalb kürzester Zeit als eigene Notstromversorgung die Stromversorgung. Die Treibstoffreserven müssen im Bedarfsfall aufgefüllt werden. Dafür sollten garantierte Lieferzeiten vereinbart werden.

 

Batterieraum für die Notstromversorgung  

Batterieraum

 

Dieselmotor im Notstromraum

Dieselgenerator als Notstromversorgung

 

Klimakontrolle

Elektronische Bauteile erzeugen im Betrieb Wärme, bei Prozessoren kann von Hitze gesprochen werden. Die Kühlung durch Kühlkörper, Lüfter und Klimaanlage ist essentiell. Wird Wärme nicht abgeführt, fallen Bauteile aus. Aufgrund der Rechenleistung ist der Bedarf an Kühlung enorm. Bewährt hat sich die Anordnung der Racks in Kaltgang und Warmgang. Zwei Reihen von Racks stehen sich jeweils gegenüber. Durch Löcher im Doppelboden bläst die Klimaanlage kühle Luft ein. Die aktiven Geräte wie Server in den Racks saugen diese kalte Luft ein und führen die abgegebene Wärme zur Rückseite ab. So entsteht ein Kaltgang, in dem praktischerweise die Frontseiten der Server zugänglich sind und ein Warmgang, dessen warme Luft durch die Klimaanlage abgekühlt werden muss. Die Wirkung des Prinzips wird durch eine Abdeckung nach oben und durch Türen an den Seiten deutlich verstärkt. Im Rechenzentrum stehen in der Regel mehrere solcher Kaltgangeinhausungen in den Serverräumen.

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Klimaanalagen werden mit der Außenluft oder im Sommer mit Wasser gekühlt, das Kältemaschinen herunterkühlen müssen. Die erhitzte Luft geben Rückkühler an die Außenumgebung ab.

Brandschutz und Brandbekämpfung

Im modernen Rechenzentrum hat eine umfassende Brandschutzstrategie allerhöchste Priorität. Es wird alles dafür getan, damit es gar nicht erst zu einem Brand kommen kann. Dazu gehört die Auslegung der Räume als Brandabschnitt, die Brand- und Rauchfrüherkennung, Brandmeldeanlage, Löscheinrichtungen, Schutz gegen Brandgase, Staub und Löschwasser. Den Sauerstoffgehalt der Luft soweit zu reduzieren, dass keine Flammen mehr entstehen können, ist eine wirkungsvolle Methode. Da Sauerstoff durch Undichtigkeiten oder Betreten der Räume immer wieder einströmt, müssen Sauerstoffreduzierungsanlagen ständig laufen.

Im Falle des Falles leiten Löschanlagen mit hohem Druck ein nicht brennbares Gas in den betroffenen Raum ein, das den Sauerstoff verdrängt und das Feuer löscht. Benachbarte Rechner bleiben unbehelligt. Durch Löschwasser wäre der Folgeschaden nach dem Brandschaden an der Technik erheblich.

 

Zugangssicherheit

Es muss gewährleistet sein, dass niemand an der Rechentechnik Schaden anrichten oder manipulieren kann. Damit keine unberechtigten Personen Zutritt zum Rechenzentrum erlangen, bestehen hohe Sicherheitsvorkehrungen. Der Standort, die Bauweise, Einzäunung des Geländes, Bewegungsmelder, Kameras, Sicherheitsschleusen, Zugangssysteme und Wachschutz sorgen dafür, dass lediglich autorisierte Personen Zugang zum Serverraum haben.