刀片服务器的基础知识

1、技术现状与开展趋势：标准的阴云 图解刀片式效劳器 - 作为一种新兴的效劳器产品，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效劳器向大家介绍一下它各个部件名称，以了解其根本构成。 图4 刀片式效劳器构成(正面)图5 刀片式效劳器构成(反面)图7 第一代刀片式效劳器只使用 了CompactPCI定义的J1接口- 每台刀片式效劳器一般由机柜和刀片组成，因此刀片式效劳器的标识由机柜的型号和刀片的型号共同构成，而不像以往的效劳器那样由一个单一的效劳器型号所代表。刀片通过机柜背板上的CompacPCI接口与之相连接，刀片效劳器的CompacPCI接口支持热插拔(在CompactPC

2、I的标准中，热插拔功能是可选的特性)。效劳器机柜一般可以容纳8片至数十片刀片。刀片以效劳器刀片为主，而每个效劳器刀片都是一个功能完整的效劳器。 - 早期的刀片式效劳器一般还会包括1个KVMKeyboard、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效劳器刀片。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。早期的效劳器机柜提供KVM串接口，可以通过串接口连接多个机柜，实现在不同的效劳器机柜间共享KVM刀片。【图6 效劳器刀片】 图6- 除效劳器刀片和KVM刀片外，一些功能复杂的刀片式效劳器还具有网络刀片、

3、存储刀片、管理刀片、光纤通道SAN刀片、扩展I/O刀片等等。 - 效劳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，为刀片式效劳器提供较高可靠性的运行环境。 各种刀片的概念 效劳器刀片 - 顾名思义，具备CPU、内存、硬盘、网络控制器等效劳器根本功能的插板，能够独立承当效劳器功能。 - 目前最为常见的效劳器刀片一般采用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工艺生产

4、的Intel Pentium -STualatin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效劳器刀片式中将占据主流。 - 由于刀片式效劳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处理器制作成效劳器刀片，只是尚未面世。2021年内，我们预计双处理器的效劳器刀片应该也可以面世了 - 除连接机柜背板的接口外，效劳器刀片上一般还具有一个PMC扩展接口，可以

5、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。 - 效劳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。效劳器刀片更适合网络存储。因此，效劳器刀片一般具有23个网络接口，这也是它称之为效劳器的一个重要特征。 - 散热问题是刀片式效劳器的重要技术，效劳器刀片在设计中都非常注重低功耗，局部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。 - 目前

6、的网络刀片普遍提供10/100Mbps端口，以双绞线的方式连接效劳器刀片，对外提供高速上连通道千兆端口。采用NAS存储方式的刀片式效劳器经常会配备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标准，未来的网络刀片将可以通过效劳器背板总线连接效劳器刀片，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效劳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：高负载不停机的网站内

7、容发布系统 - 网站是最适合使用刀片式效劳器的应用模式，把网关、负载均衡效劳器和Web效劳器全都集成在1台刀片式效劳器的机构内，并完美地与NAS设备相结合 管理刀片 - 第一代刀片式效劳器的KVM刀片可以说是功能最为简单的管理刀片，提供对所有效劳器刀片的管理控制。第二代刀片式效劳器具备更加强大的管理功能，但是各家产品各不相同。管理刀片往往通过效劳器刀片上集成的监控管理芯片进行1台或多台刀片式效劳器的集中监控和管理。管理刀片向效劳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 - 使用刀片式效劳器进行群集

8、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。 刀片式效劳器的灵魂：CompactPCI - 在本文前面的局部我们简要地谈过CompactPCI的历史，在此我们继续从技术角度来探讨CompactPCI。这局部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效劳器，一定要耐心阅读。 CompactPCI的根本概念 - CompactPCI是基于PCI电气标准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的热插拔特性并不完善，但是作为

9、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信和模块化设计

10、。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，包括效劳器、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、根本通信等。J1用于32位PCI

11、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，但原那么上是开放的。 标准的纷争 - CompactPCI总线标准是建立刀片式效劳器的根底。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版和2.0版，它们在接口

12、定义的完善程度上不尽相同。早期的刀片式效劳器全部采用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效劳器。2021年最新推出的刀片式效劳器局部采用CompactPCI 2.0标准，背板支持64位PCI通信，称之为第二代刀片式效劳器。由于标准的版本不同，两代刀片式效劳器之间不能完全兼容。 - 2022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数据交换的刀片式效劳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成心采用厂商标准去定义插

13、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标准设计刀片式效劳器，而其他效劳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。 - 为什么效劳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的定义，电路板高度为100mm

14、3U和233.35mm6U，这一规格被局部刀片式效劳器产品所遵循，然而160mm的电路板深度却难以设计一块功能齐全的效劳器刀片，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，刀片式效劳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标准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效劳器市场的主要问题。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 - 在进行高性能的科学和工程计算时，与采用大型机

15、的方式相比拟，大量的刀片式效劳器进行群集运算，能够发挥出刀片式效劳器的本钱优势。 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效劳器的开展趋势。2022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，从而可以在此根底上提供插板间的IP连接。该协议与64位CompactPCI、

16、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效劳器上称之为网络刀片。标准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，然而却为刀片式效劳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CompactPCI总线带宽缺乏的问题，效劳器刀片可以利用

17、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。 - 2022年10月，PICMG 2.14 CompactPCI MultiComputing Specification多值计算标准面世。该标准定义了在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效劳器刀片分布在不同的总线分段上。 - PICMG 2.14标准的发布为不同处理器的效劳器刀片共处同一个效劳器机柜，并具有通过机柜背板的高效通信方式提供了工业标准，对推动刀片式效劳器开展有重要指导意义。 - 2022年11月，PICMG开始启动PICMG 3.0标准的设计