曙光大规模KVM切换系统技术漫谈.doc

曙光大规模KVM切换系统技术漫谈KVM是键盘（Keyboard）、显示设备（Video）、鼠标（Mouse）的简称，目前市场上通用的叫法。KVM切换系统，则是指机群系统的管理设备。 使用这样的系统的优点是不必花钱买同结点机一样多的键盘鼠标显示器,同时节省空间和能源,也不必在车间、噪杂的现场和机房重地内部进行操作。通过KVM系统能够看到所有需要观察的节点机启动信息，能进行BIOS操作并可对计算机进行底层设置而不占用任何计算机资源，不在计算机中增加任何硬件设备和软件。 目前国内仅有个别厂家生产这种设备，产品主要集中在低端的4口，8口的机械切换系统，这种系统能够控制的节点数目少，同时这些节点机的距离必须在两三米之内，而且连线比较复杂，应用范围仅局限于管理数目很少的服务器。 国际上也有不少的KVM产品，高端的有基于IP的系统，但受限于网络，视频效果不太理想对于服务器机群系统没有多少实用价值。其它基于模拟信号传输的产品一般传输距离在几十米以内同时支持的结点数也在几十个左右。 曙光大规模KVM切换系统由三部分组成，分别是节点卡（Node），终端（Terminal）和多路器（Multiplexer）三种设备，设备之间采用五类双绞线连接，组成KVM网络。多路器是可选设备，用来扩展KVM系统的规模。 中国 由节点卡和终端组成的KVM网络示意图如下。节点与机柜中的主机相连，节点和终端都挂接在一条KVM总线上，每个节点都有唯一的地址。终端可以切换到总线上的任一节点。KVM总线单路长度可达100米，单条总线上可以挂接128个节点。采用这种网络结构，可以实现一套KVM在128台主机之间切换。 使用多路器可以扩展KVM系统的规模。多路器左边是多条KVM总线，每条总线上挂接若干节点，多路器右边和终端相连。多路器的功能是将终端和它左边的多条总线中的一条相连。多路器左边可以连接接8条总线，每条总线上可挂接128个节点，所以整个网络中的节点数可以达到1024个。这种总线加星型并且采用双绞线的结构布线简洁，结构灵活，具有很好的可伸缩性和可扩展性，可以满足较大规模应用的需求。曙光大规模KVM切换系统支持两种操作方式，一种是OSD操作，通过键盘命令可以调出OSD菜单，可以使用系统的配置菜单或者直接搜索当前节点，通过上下键进行逐个选择，或者通过翻页键进行翻页选择。选中需要切换的节点回车就可以切换到选中节点。另外一种方式是采用键盘的热键操作，使用系统设定的热键同时加需要切换的节点号可以直接切换到需要的节点。 曙光大规模KVM系统操作方式方便灵活，支持的节点数目多，距离远，兼容性和扩展性好，不但能够从整体上提升机群的使用性能水准，而且能够很大程度上满足用户实际需求，提高用户的集群系统的可管理性、好用性、高可用性，是曙光一贯倡导的SUMA标准的再一次体现。 曙光大规模KVM系统以其灵活性、人性化、智能化而著称。其中表现之一就是友好的人机交换界面。市场上的低端KVM产品多数都没有很好的人机交换界面，只能靠键盘切换或者开关切换，这样容易造成在使用过程中，用户往往不知道当前在线节点的位置，如果该节点出现故障，则需要很大工作量来寻找故障节点。而曙光KVM系统所配有的人机交换界面是OSD切换菜单和键盘快捷键切换两套操作界面。具有以下六大功能和特点： 一、多路节点瞬间切换 无论是使用OSD菜单还是使用键盘快捷键，都可以实现1024节点之间的瞬间切换。键盘是计算机主要的输入设备，那如何才能使得在切换节点的过程中，不影响计算机的输入呢？我们的做法是通过使用键盘上一些不常使用的键实现节点的切换和OSD菜单的显示。如用“双击ScrollLock键”实现显示OSD主菜单的功能。由于键盘上的“ScrollLock键”一般不常用，所以我们采用这种方法来操作KVM终端卡，以实现节点切换功能。 二、在线节点预搜索 54 用户在将终端卡上电时，终端卡会立刻同多路器和节点机通信，搜索多路器和在线节点，并将搜索的信息存储，以备用户使用。这样用户可以通过双击ScrollLock键调出OSD菜单，所有在线的节点都罗列在上面，使用户一目了然，如图1所示。 54 图1 OSD选择节点菜单 图2 OSD编辑节点名菜单 三、在线编辑组名称、节点名称 过去，很多使用KVM系统的用户都会遇到一个问题：节点只能用节点号标定。曙光大规模KVM系统有效的解决了这一难题，它可以允许用户任意修改组号、节点号，而且用户修改后的信息永不丢失。如图2所示。这样，用户可以将上千个以前只能靠节点号区分的节点命名一个有意义的名字，这样就非常方便用户的使用。如果用户需要重新配置节点名称，我们的OSD菜单中提供了一项功能：可以将全部节点的名称清空，这样就大大提高了用户的操作效率。四、指令信息处理方式的不同，保证计算机稳定运行 为了使切换到节点的操作与对节点机的具体操作相区分，曙光大规模KVM系统在按键和鼠标的信息处理上分两个部分：一个是节点在线时键盘、鼠标直接对节点操作（快捷键例外）；另一个是在进行OSD菜单处理时，键盘、鼠标信息不对节点操作，而只是对终端卡操作。这样做的好处直接避免了在显示OSD菜单的同时，冗余字符传到节点机，造成操作混乱的状况。 五、人性化的OSD菜单设计 OSD菜单在细节上进行了大量的人性化设计。例如，对于节点选择可以采用上下键来逐个选择，或者使用翻页键进行选择。切换到一个节点后，下次再调出OSD菜单，显示菜单缺省值为当前节点，而不是先前节点状态。如果该节点上面还有其他节点，OSD菜单会显示上箭头，反之则显示下箭头。使用户对该节点在整个系统中的位置一目了然。这些人性化的设计迎合了用户的使用习惯。 六、便捷高效的快捷键切换方式 曙光KVM具备两套高效的操作方法，一套是OSD菜单操作；另一套是键盘快捷键操作。如果节点数多，比如需要切换到100号节点以后，则OSD菜单要翻页几次，使用曙光KVM快捷键则可以将需要切换的节点号迅速切换，大大节省了操作时间。曙光大规模KVM系统是曙光公司在SUMA标准基础上，在服务器机群管理技术领域的又一次创新，使用了独创的通信技术, 可控制多达1024台服务器, 有效信号传输距离可达百米之远，曙光大规模KVM系统省去了传统的KVM切换器及难以管理的电缆线。为用户提供了极大的方便。本文将对曙光大规模KVM系统简单的布线方式以及100米距离外节点切换技术，做一概要介绍。 特点一：简单连线 曙光大规模KVM系统既吸收了市场上现有的KVM系统的优点，同时又突破了现有产品的局限性。现有市场上的产品的连线形式为每个节点有一套键盘、鼠标和显示器的连线，从而连接到KVM的终端上。这种连线方式距离短，电缆难以管理。也有采用每个节点使用一条5类线连接到终端的连线形式，但如果节点数在100个以上的时候，布线将极其困难，同时加上机群系统本身会有复杂的连线，致使此类布线的可管理性和安全性大大降低。 曙光大规模KVM切换系统采用菊花链的方式，每128个节点采用一条5类线级连，并连接到终端（连接实物如图1所示）。如果节点数达到一定数量时，则需要在系统中接入可以被终端智能识别的多路器。多路器把整个节点分成8组，每组128个节点，用一条5类线连接到多路器上，通过多路器引出一条最终连线连接到终端机（加入多路器系统后如图2所示）。多路器放置在机房，终端机放置在控制间，这样KVM网络从机房到控制间只有一条线，而控制间内，连接1024个节点的KVM网络也只有8条线，从而极大的方便了布线，增加了产品的稳定性和安全性。 图1 连接实物图 图2 大规模连接示意图 特点二：远距离操作 中国 经严格测验，曙光大规模KVM切换系统在超过100米的距离外，经过调节的信号完全可以接受。而目前市场上的产品基本只能支持十几米或二三十米，使用曙光大规模KVM切换系统可以使用户的终端和节点之间不受距离的束缚。 传统KVM产品当信号经过远距离传播后，由于信号的衰减以及跳变沿的延迟，会在视频上出现严重的托尾和重影现象（如图3所示，一个没有采用补偿措施的信号经过70米的传输的效果图）。为了达到远距离传输，同时获得清晰视频效果，曙光大规模KVM切换系统设计了信号补偿电路，并在终端上为用户留下信号调节按钮，对于由距离引起的信号延迟造成的视频信号托尾现象，用户完全可以通过按钮调节来获得最佳效果（如图4所示，调节后的效果）。 图3 信号经过70传输的托尾现象 54 图4 70米距离下的调节后的结果 曙光大规模KVM切换系统支持距离远，布线简单，扩展性好，安全性高。其不但能够从整体上提升机群的使用性能水准，而且在很大程度上能够满足用户实际应用需求。 在大型服务器领域，KVM切换系统是整个系统的核心，其性能的好坏直接关系到系统的复杂程度和应用的灵活性。一般的KVM最多只能支持几十个节点，而曙光大规模KVM系统最多可以支持1024个节点。为什么有如此大的诧异呢？ KVM网络示意图 首先，由于每一种KVM系统都是一个网络设备，这就涉及到一个网络拓扑结构的问题。用于KVM的网络结构一般有星形网络、菊花链网络、以太网络等。星形网络结构的KVM产品有故障率小的特点。也就是说如果一台节点机损坏，不会影响其他节点机的正常工作。但星形网络结构的KVM产品一般布线比较复杂，常常要从服务器机柜中引出很多线出来，基本上每台节点机都要引出几条数据线。而且为了能够区分那条数据线对应哪台节点机，有时候不得不在数据线上做上标号。这样一来，如果在一台有十几个节点的机柜中，要寻找某一个节点的数据线可就要费很大的劲了。菊花链式网络结构的KVM产品的特点是结构简单，类似于单一总线上挂接数十台节点机，这样即使是有十几个节点的机柜，也只需要从中引出一条数据线出来。但这种结构的缺点是很容易发生故障：比如说链上的某一台节点机故障，或者某一段线路发生故障，会造成该节点或线路以后的所有节点失去和KVM终端的联系，造成节点机无法操作。基于以太网的KVM产品比较少，而且图象质量比较差，数据传输速度也很受具体网络条件的限制。 曙光大规模KVM系统采用的是一种星形网络和菊花链式网络相结合的一种网络拓扑结构。这种结构可以称为两级的树状结构。具体来说，一个KVM终端卡，通过多路器分出八路，每一路又可以挂接最多128个节点，这样一共可以最多支持1024个节点。这种结构综合了星形结构和菊花链式结构的优点，同时又最小化地降低了菊花链式结构所能发生的故障。 其次，由于市场上有些KVM产品是星形网络结构的产品，这样由于每一台KVM所具有的端口数量有限，而且对应每一个端口都有一套相应的软硬件配套。端口增加，相应的产品成本和体积都会增加。这样就限制了其所带的节点数量，也就是说不具备智能化的功能。曙光大规模KVM系统是在单一数据总线上挂接数台节点机，其切换机理靠的是数据传输协议，这样就具备智能化、可扩展等特点，使得产品的灵活性发