Системы CompactPCI высокой готовности

В. И. Шельгов

Успешная работа многих современных предприятий в значительной степени зависит от способности компьютерного, сетевого и телекоммуникационного оборудования стабильно выполнять свои функции, мерой которой является коэффициент готовности (availability). Каким он должен быть? Это зависит от специфики работы соответствующих приложений и размеров убытков, связанных с запланированным и вынужденным простоем оборудования. Критически важные телекоммуникационные и Интернет-системы обычно имеют коэффициент готовности, равный 99,999% (или выше), что соответствует 5,25 мин простоя в год.

Возможности архитектуры CompactPCI для повышения готовности оборудования

Данная архитектура получила широкое применение в области построения вычислительных систем высокой готовности благодаря простоте обслуживания соответствующего оборудования и возможности “горячей” замены плат CompactPCI. Шасси CompactPCI обеспечивает удобный доступ к установленным в нем платам и поддерживает переходные модули ввода-вывода (по стандарту IEEE 1101.1), размещаемые в задней его части. К ним подключаются кабели, необходимые для работы плат. Это существенно ускоряет замену последних, поскольку их кабели остаются подсоединенными к переходным модулям.

Что касается “горячей” замены плат CompactPCI, то спецификация CompactPCI Hot Swap (PICMG 2.1) определяет три варианта реализации этой функции. В базовом варианте предполагается переконфигурирование системы вручную (с помощью консоли), при этом оператор вполне может ошибиться. В полном варианте предусматривается автоматическая процедура “горячей” замены, которая активизируется по сигналу от микропереключателя, срабатывающего при нажатии на рычаг фиксации/извлечения платы. В третьем варианте — для систем высокой готовности — специальный контроллер “горячей” замены автоматически отслеживает состояние плат и слотов, отключает вышедшую из строя плату и активизирует резервную (если она уже имеется в шасси), определяет появление новой платы в слоте и инициирует ее подключение. Этот контроллер может быть интегрирован на процессорной плате или переходном модуле либо выполнен в виде модуля, устанавливаемого в специальный слот CompactPCI. В системах высокой готовности предусмотрены резервирование и “горячая” замена этих контроллеров.

Эти разные, разные платформы CompactPCI

Высокий коэффициент готовности вычислительных систем достигается за счет резервирования критически важных компонентов или посредством кластеризации. В современных платформах CompactPCI нашли применение оба подхода. Рассмотрим их типовую архитектуру.

Базовая платформа (рисунок, а) содержит один системный слот, предназначенный для установки процессорной платы, и семь периферийных слотов, в которые помещают заменяемые в “горячем” режиме платы ввода-вывода. Большое число слотов обеспечивает широкие возможности резервирования этих плат. Процессорная плата контролирует все периферийные слоты.

Платформа с полным сегментом ввода-вывода (рисунок, б) является расширенным вариантом базовой. В ней также имеется один системный слот, периферийных же слотов в два раза больше (по семь на двух разных шинах CompactPCI). Данная конфигурация весьма привлекательна с точки зрения расширяемости. Кроме того, разместив резервные платы на разных шинах, можно сделать более надежной подсистему ввода-вывода. Дело в том, что одна вышедшая из строя плата способна парализовать работу всех устройств шины.

Поскольку процессорная плата в этих платформах не зарезервирована, они имеют меньший коэффициент готовности, чем две другие, описанные ниже платформы. Несмотря на это, они подходят для большинства приложений, так как процессорная плата довольно надежный компонент (по данным компании Intel, в серверах чаще всего из строя выходят жесткие диски, источники питания и вентиляторы, а на долю подсистемы центрального процессора приходится всего 10% отказов).

Следующую платформу называют кластером в коробке (рисунок, в). Это две независимые системы CompactPCI, размещенные в одном шасси. В каждой из них имеются один системный слот и до семи периферийных слотов. При использовании данной платформы сервер высокой готовности создается с помощью имеющегося на рынке готового к применению кластерного ПО, например Veritas Claster Server. Это существенно упрощает и ускоряет его (сервера) реализацию. В кластере высокой готовности одна система функционирует, а другая является резервной. Недостатком этого решения является малое число периферийных слотов и высокая стоимость резервирования всех плат ввода-вывода и других периферийных устройств (узлы кластера должны иметь одинаковую конфигурацию).

В самом деле, некоторые телекоммуникационные системы (например, серверы доступа) могут иметь многопортовые адаптеры, модули цифровой обработки сигналов (DSP) и высокоскоростные сетевые платы, общая стоимость которых значительно выше стоимости вычислительных компонентов. Кроме того, время переключения полезной нагрузки на резервную систему в кластере довольно значительно — 30—90 с. А ведь система высокой готовности должна бы простаивать не более пяти с лишним минут в год!

Экономически более эффективным решением является платформа с дополнительным системным слотом, предназначенным для резервной процессорной платы (рисунок, г). В ней основная процессорная плата работает с двумя шинами CompactPCI, имеющими в общей сложности до 12 периферийных слотов (благодаря этому не нужно дублировать все платы ввода-вывода). В случае выхода данной платы из строя (или отключения с целью модернизации) она автоматически изолируется от этих шин, а вместо нее, подключившись к шинам, начинает действовать резервная плата. Весь процесс происходит довольно быстро (примерно за 10 мс или около того).

В ходе работы системы процессорные платы, на которых запущены одинаковые ОС и приложения, синхронизируют данные между собой и обнаруживают возникающие неисправности.

В системе реализована “горячая” замена процессорных плат.

Основным недостатком данного решения является отсутствие промышленного стандарта на системы CompactPCI с резервными процессорными платами. Он еще находится в стадии разработки. Поэтому все ныне представленные на рынке системы такого рода являются фирменными. Поддержка резервирования процессорной платы осуществляется на уровне аппаратного обеспечения, операционной системы (специальные драйверы) и приложений.

Для повышения коэффициента готовности все рассмотренные в статье типы платформ оснащают резервными источниками питания, вентиляторами и жесткими дисками, заменяемыми в “горячем” режиме.

Типичными примерами платформы высокой готовности (99,999%) с резервными процессорными платами являются системы CPX8216 и ZT 5083 фирм Motorola и Ziatech (в составе компании Intel). Система CPX8216 поддерживает до четырех жестких дисков (если не использовать CD-ROM) и до трех источников питания, заменяемых в горячем режиме. Ее оснащают резервными контроллерами “горячей” замены. Для своей системы компания Motorola выпускает специальные процессорные платы высокой готовности на основе процессоров PowerPC 750, Pentium II и Pentium III.

Платформа ZT 5083 комплектуется платами с процессором Pentium III и поддерживает до четырех источников питания.

Обе системы оснащены шиной компьютерной телефонии, соответствующей спецификации H.110. Устройства этого типа предназначены для развертывания критически важных приложений с интенсивным вводом-выводом (центры обработки вызовов, серверы доступа, инфраструктура сетей мобильной связи). Помимо названных производителей, системы высокой готовности выпускают еще несколько фирм, включая Force Computers и SBS Technologies.