刀片服务器的基础知识

1、技术现状与发展趋势：标准的阴云 图解刀片式服务器 - 作为一种新兴的服务器产品，读者可能还缺乏对它的直观认识。在此，我们以国内较为常见的一种刀片式服务器向大家介绍一下它各个部件名称，以了解其基本构成。 图4 刀片式服务器构成(正面)图5 刀片式服务器构成(背面)图7 第一代刀片式服务器只使用 了compactpci定义的j1接口- 每台刀片式服务器一般由机柜和刀片组成，因此刀片式服务器的标识由机柜的型号和刀片的型号共同构成，而不像以往的服务器那样由一个单一的服务器型号所代表。刀片通过机柜背板上的compacpci接口与之相连接，刀片服务器的compacpci接口支持热插拔(在compactpc

2、i的规范中，热插拔功能是可选的特性)。服务器机柜一般可以容纳8片至数十片刀片。刀片以服务器刀片为主，而每个服务器刀片都是一个功能完整的服务器。 - 早期的刀片式服务器一般还会包括1个kvm（keyboard、vga、mouse）刀片，提供键盘、鼠标、显示器接口，kvm刀片经常还包括软驱和光驱，便于使用者直接操作服务器刀片。kvm刀片上提供切换开关，用于在机柜上的不同刀片之间或者不同机柜之间进行切换。早期的服务器机柜提供kvm串接口，可以通过串接口连接多个机柜，实现在不同的服务器机柜间共享kvm刀片。【图6 服务器刀片】 图6- 除服务器刀片和kvm刀片外，一些功能复杂的刀片式服务器还具有网络刀

3、片、存储刀片、管理刀片、光纤通道san刀片、扩展i/o刀片等等。 - 服务器机柜上的电源和散热风扇一般也采用模块化冗余设计，可以进行热插拔维护，为刀片式服务器提供较高可靠性的运行环境。 各种刀片的概念 服务器刀片 - 顾名思义，具备cpu、内存、硬盘、网络控制器等服务器基本功能的插板，能够独立承担服务器功能。 - 目前最为常见的服务器刀片一般采用1颗为的intel pentium 处理器，并采用serverworks lc-e芯片组、intel 815芯片组、via pro266芯片组，支持的内存容量和类型由芯片组决定，内存类型一般为具有ecc功能的sdram或ddr。目前采用0.13mm工艺

4、生产的intel pentium -s（tualatin）处理器具有功耗低、性能高等特点，在双处理器下性能表现良好，相信在未来的ia-32服务器刀片式中将占据主流。 - 由于刀片式服务器的散热问题较为严重，在设计中也有厂商采用了低功耗的transmeta 5600处理器。但是由于这种处理器性能只相当于同频率intel pentium 的30%，所以往往得不偿失，只适用于少数应用场合。 - 目前，hp、sun也正致力于把它们的risc处理器制作成服务器刀片，只是尚未面世。2002年内，我们预计双处理器的服务器刀片应该也可以面世了 - 除连接机柜背板的接口外，服务器刀片上一般还具有一个pmc扩展接

5、口，可以连接pmc接口的扩展卡，如scsi卡、光纤存储卡等，其功能相当于pci扩展槽，只是相应接口的扩展卡价格略贵。 - 服务器刀片采用与笔记本电脑相同规格的65mm(2.5英寸)硬盘，一般只安装操作系统和简单的应用软件，性能较低。服务器刀片更适合网络存储。因此，服务器刀片一般具有23个网络接口，这也是它称之为服务器的一个重要特征。 - 散热问题是刀片式服务器的重要技术，服务器刀片在设计中都非常注重低功耗，部分功耗偏高的产品都在刀片上加装了涡轮式主动散热风扇，与机箱风扇配合完成散热。 网络刀片 - 目前，网络刀片的功能相当于局域网交换机，以智能型交换机为主，从而提供良好的网络监控和管理功能。

6、- 目前的网络刀片普遍提供10/100mbps端口，以双绞线的方式连接服务器刀片，对外提供高速上连通道（千兆端口）。采用nas存储方式的刀片式服务器经常会配备2个网络刀片，其中一个专门用于连接nas设备。 - 根据新的compactpci 2.16规范，未来的网络刀片将可以通过服务器背板总线连接服务器刀片，网络刀片的前面板只提供高速上连端口即可。 存储刀片 - 存储刀片可以被视为一个硬盘模块，通过背板总线或者硬盘接口线向服务器刀片提供存储功能。存储刀片上一般配备2块性能较高90mm(3.5英寸)硬盘，接口类型有ide、scsi和光纤通道（fiber channel接口。 - 应用模式1：高负载

7、不停机的网站内容发布系统 - 网站是最适合使用刀片式服务器的应用模式，把网关、负载均衡服务器和web服务器全都集成在1台刀片式服务器的机构内，并完美地与nas设备相结合 管理刀片 - 第一代刀片式服务器的kvm刀片可以说是功能最为简单的管理刀片，提供对所有服务器刀片的管理控制。第二代刀片式服务器具备更加强大的管理功能，但是各家产品各不相同。管理刀片往往通过服务器刀片上集成的监控管理芯片进行1台或多台刀片式服务器的集中监控和管理。管理刀片向服务器机柜内的其他刀片提供必要的配置信息，并在某些刀片发生故障时接收报警信息，并向监控程序发出报警。 - 应用模式2：数据仓库并行处理集群系统 - 使用刀片式

8、服务器进行群集并与存域网相结合，可以胜任大数据量吞吐的数据库并行处理。 刀片式服务器的灵魂：compactpci - 在本文前面的部分我们简要地谈过compactpci的历史，在此我们继续从技术角度来探讨compactpci。这部分涉及的许多技术细节也许会让您失去阅读的耐心，但是如果您要想真正了解刀片式服务器，一定要耐心阅读。 compactpci的基本概念 - compactpci是基于pci电气规范开发的高性能工业总线，适用于3u和6u高度的电路插板设计。compactpci电路插板从前方插入机柜，i/o数据的出口可以是前面板上的接口或者机柜的背板。尽管compactpci的热插拔特性并不

9、完善，但是作为一项提高可用性的电气特性也被电信设备的制造商们所重视。 - 由于compactpci插板与背板间的连接方式是长达2mm的插针与插座，即使机柜处于震动与摇摆的恶劣条件下也不易松动，在连接的可靠性方面明显优于台式pc上的pci接口标准。 - 台式pc上的pci标准在每段总线上只能支持4个插槽，而compactpci可以支持8个。两者的扩展方法是相同的，都是通过pci-pci桥接电路。也就是说，compactpci系统可以通过pci-pci桥接电路连接多个pci段，从而扩展到数十个插槽。 - compactpci是为电信、计算机通信和工控等领域设计的工业总线标准，其主要特点为支持高速通

10、信和模块化设计。由于compactpci拥有较高的带宽，它也适用于一些高速数据通信的应用，包括服务器、路由器、交换机等。 插板尺寸的定义 - 如图8所示，compactpci的插板（刀片）尺寸规格定义一目了然。 图8 compactpci的插板规格定义- 每条compactpci总线上可以有8个插座，一个称为系统插座，其他称为外围插座(参见图9)。 图9 compactpci的背板插座背板接口的定义 - 目前compactpci的背板接口定义了5组插脚j1、j2、j3、j4、j5（也请参照图8）。 - 在compactpci 2.0标准中对j1、j2的插脚进行了定义，包括电源、管理、基本通信等

11、。j1用于32位pci通信，j2是可选的，可以进行64位传输，适用于背板i/o通信。compactpci 2.0只定义了j1、j2的插脚，j3、j4、j5的插脚是开放的，可以用于背板i/o、桥接第2条总线（vme、scsi等）或者用于用户自定义的数据通信。 - 在3u的机柜标准中只支持j1和j2，6u的机柜中才能支持j3到j5的扩展标准。 picmg对于j3、j4、j5的几种特定使用方式也有一些标准化的建议，但原则上是开放的。 标准的纷争 - compactpci总线标准是建立刀片式服务器的基础。它是惟一的标准，同时也是标准纷争的起源。 - compactpci目前有2个主要的版本，即 1.0

12、版和2.0版，它们在接口定义的完善程度上不尽相同。早期的刀片式服务器全部采用compactpci 1.0的标准，只使用j1插脚，背板带宽也限定在32位pci之内，这些产品属于第一代刀片式服务器。2002年最新推出的刀片式服务器部分采用compactpci 2.0标准，背板支持64位pci通信，称之为第二代刀片式服务器。由于标准的版本不同，两代刀片式服务器之间不能完全兼容。 - 2001年8月以前，由于从j3到j5都没有明确的插脚定义，所以通过背板使用j3、j4、j5进行网络通信、存储等i/o数据交换的刀片式服务器就会遇到互不兼容的麻烦，各厂商会有自己的定义。一些具有重要影响力的电信设备厂商更是

13、故意采用厂商标准去定义插脚的使用方式，制造设备间的不兼容性，从而维持电信设备厂商自身的垄断地位及其高额利润。 - 尽管目前接口标准日趋完善，但是都刚刚公布不久（在下一个题目中讨论），在产品上兑现还需很长一段时间，而且电信设备制造上仍有可能不完全采纳新标准，继续制造不兼容问题。 - 目前为止，只有hp一家声称完全按照compactpci标准设计刀片式服务器，而其他服务器厂商只是在总线和接口标准方面遵循compactpci，在刀片的尺寸上没有完全按照该标准去执行。 - 为什么服务器厂商也不能完全遵循标准呢？让我们看一下compactpci的电路板规格定义就知道原因所在了。按照compactpci的

14、定义，电路板高度为100mm（3u）和233.35mm（6u），这一规格被部分刀片式服务器产品所遵循，然而160mm的电路板深度却难以设计一块功能齐全的服务器刀片，所以很多厂商都在电路板深度方面按照自己的标准大幅增加。这样就造就了厂商间产品规格标准的不统一，刀片与机柜互不兼容。 - 另外，刀片式服务器如何进行集中管理和监控，目前还没有完整的标准可依，compactpci规范没有在管理方面定义一个完整方案。于是乎，仁者见仁，智者见智，厂商各行其道，互不兼容。 - 标准的纷争是目前困扰刀片式服务器市场的主要问题。用户为各厂商产品间的互不兼容而困惑。 - 应用模式3：高性能计算群机系统 - 在进行高

15、性能的科学和工程计算时，与采用大型机的方式相比较，大量的刀片式服务器进行群集运算，能够发挥出刀片式服务器的成本优势。 compactpci的现状与未来 - 从某种角度上讲，compactpci的现状与未来决定了未来几年刀片式服务器的发展趋势。2001年9月，picmg发布了compactpci 2.0版本的补充标准2.16，定义了compactpci packet switching backplane（包交换式底板），简称compactpci/psb。该标准在compactpci机柜背板总线中定义了一个星型拓扑的10/100/1000mbps交换式以太网，从而可以在此基础上提供插板间的ip连

16、接。该协议与64位compactpci、h.110并存，因为compactpci/psb的连接插脚定义在外围插座(peripheral slot)的j3。特定插座用于安装实现网络交换功能的插板（在刀片式服务器上称之为网络刀片）。规范中还定义该插板可以实现冗余设计。 - picmg研究这一标准的重要目的在于支持基于ip的电信应用，然而却为刀片式服务器与以太网的紧密结合提供了可以依据的工业标准。这种“背板上的以太网”支持最多21个插座，每个插座的速率为10/100/1000/2000mbps，背板带宽高达40gbps，支持链路层的流量控制。这一标准也从背板带宽上解决了33mhz 64位compac

17、tpci总线带宽不足的问题，服务器刀片可以利用compactpci总线外的网络带宽进行高速的外部数据i/o，包括网络存储等。 - 2001年10月，picmg 2.14 compactpci multicomputing specification（多值计算规范）面世。该规范定义了在compactpci系统结构中，不同处理器平台（pentium系列、powerpc、mips、pa-risc、ipf等）下的插板如何基于包交换进行数据通信。picmg 2.14定义了多值计算网络的概念（multicomputing network，简称mcnet），使用不同处理器的插板被视为网络中的外围节点（peripheral nodes，简称np）。每个mcnet还有一个系统节点（system node，简称sn），负责控制处理器间的通信。事实上，该标准使不同平台的服务器刀片分布在不同的总线分段上。 - picmg 2.14规范的发布为不同处理器的服务器刀片共处同一个服务器机柜，并具有通过机柜背板的高效通信方式提供了工业标准，对推动刀片式服务器发展有重要