专家座谈：浅析刀片服务器与集群

(2006-07-04 13:59:19)
摘要：我们知道，现在的高性能服务器通常是通过SMP、MPP或服务器集群等并行扩展技术实现的。在这其中又以集群技术应用最广泛，性能提高能力更强，所以本文主要就新型的刀片服务器技术与传统的集群技术进行对比。
目前
，通过并行扩展技术实现的高性能服务器在现代企业或一些关键行业应用中，逐步显露出种种弊端。一方面技术实现难度、配置和管理都较复杂，而且像SMP这种常见的扩展技术还受到诸多限制，性能提高非常有限;另一方面像传统的服务器集群技术那样，通常采用分离的单台服务器连接，这样一台高性能集群系统需占用非常大的宝贵机房空间，有的还根本无法放进去，就像过去的大型机群一样。不符合现代应用所要求的集中式管理、易于扩展和高可用性需求。
新兴的机架式服务器虽然在空间占用上相对传统塔式结构服务器有一定优势，但仍还是具有较大体积，在其它方面与传统塔式服务器差不多，仍解决不了传统集群等并行技术的种种不足。于是就有了更新一代的Blade Server(刀片服务器)架构。刀片式服务器技术不仅在体积上比起机架式结构更具优势，还可通过机体积比机架式服务器更小的“刀片”集群，组建成一个性能非常高的刀片服务器集群系统，实现高性能计算的企业需求，为高性能服务器提供了一条新的更加经济、可行的扩展方案。
下面我们就刀片式服务器与传统集群系统进行一个简单的对比。
一、什么是刀片式服务器
刀片服务器是一种HAHD(High Availability High Density，高可用高密度)的低成本服务器平台，是专门为特殊应用行业和高密度计算环境设计的。在每台刀片服务器中可以安插有几块，甚至几十块称之为“刀片”的服务器，如图1左图所示的为一块块“刀片”，而右图所示的则是把许多“刀片”集中在一切的“刀片服务器”。

图1
通过对多台服务器“刀片”的集群可实现非常高的性能需求，完全可以胜任一些高密度计算应用。最为难得的是由于它共享了许多部件，所以整个集群系统的体积可以做到非常小，大大节省了企业宝贵的空间资源。所以从原理上来说，刀片服务器所采取的也是一种集群技术，但它与传统的集群技术相比又有许多不同之处。这些我们将在下节详细介绍。
在刀片服务器中的每一块“刀片”实际上就是一块系统主板，在这样一块主板中它配置了CPU、内存、磁盘和网卡等设备(参见图1左图)。像一台独立的服务器一样，这些“刀片”可以通过本地硬盘启动自己的操作系统。在这种模式下，每一个主板运行自己的系统，服务于指定的不同用户群，相互之间没有关联，但可以通过刀片服务器中集成的交换设备实现与其他“刀片”交换;另一种是刀片服务器中的“刀片”相互通过交换设备的“背板”连接在一起，形成星形连接，就像交换机连接许多网络设备一样。
在刀片服务器中交换设备的背板相当于交换机的背板总线，不过仍然是共享总线模式，而非高性能计算机的交叉独享总线结构。这种刀片服务器，本质上相当于多台“瘦”服务器通过交换机连在了一起。“瘦”是指刀片比之普通服务器，可以省掉电源、外部I/O、网卡之类东西，如图2所示的就是传统综合服务器与刀片服务器的架构区别。

图2
在集群模式下，所有的“刀片”可以连接起来提供高速的网络环境，可以共享资源，为相同的用户群服务。还可在集群中插入新的“刀片”，提高整体性能。同时由于每块“刀片”都是热插拔的，所以，系统可以轻松地进行替换，并且将维护时间减少到最小。值得一提的是，系统配置可以通过一套智能KVM和9个或10个带硬盘的CPU板来实现。CPU可以配置成为不同的子系统。一个机架中的服务器可以通过新型的智能KVM转换板共享一套光驱、软驱、键盘、显示器和鼠标，以访问多台服务器，从而便于进行升级、维护和访问服务器上的文件。
除此之外，这些刀片服务器还可以通过标准机柜叠放，就像交换机和路由设备一样，大大减少了服务器所占用的空间，如图3所示的是一个42U高度的刀片服务器机柜、7U高度的刀片服务器和“刀片”示意图。同时，这些叠放在一起的刀片服务器又可进一步通过传统的集群服务，实现更高性能的服务器系统。

图3
二、刀片服务器相对服务器集群的优点
尽管刀片服务器所采用的扩展技术也属于“集群”范畴，但它与传统的集群技术实现原理并不一样。传统的集群技术集群的是多台完整的服务器系统，而刀片服务器中所集群的仅是一个包括独立CPU、内存、驱动器和网络组件等存储器的服务器板(俗称为“刀片”)。这些刀片是通过专门刀片服务器中集成的交换网络实现集群的。刀片服务器的这种集群技术相对各种并行扩展技术而言，有如下几个方面的优点:
首先，它克服了传统的服务器集群管理难的缺点。管理传统的集群服务器系统让很多IDC都非常头疼，一方面体现在维护这些服务器的工作量相当大，另一方面是集群服务器中的内部连接非常复杂。而刀片服务器的出现适时地解决了这些问题。利用刀片服务器，管理员只需要对机架进行安装和布线，单独的刀片服务器无需布线。增加新的计算机资源就像插入一个新刀片服务器一样简单，就像现在加入一个硬盘驱动器。由于多个刀片服务器可以共用冗余电源，因此最大限度地减少了机架布线。
此外，内置的转换器将以太网数据和管理网络，甚至KVM连接集成在一起。如图4所示是6台服务器的传统集群与6个“刀片”服务器集群的连接对比图。因为刀片服务器中的各刀片是共享如电源、以太网连接、键盘等部件，所以整个6个刀片的服务器集群系统设备连接其实就相当于地一台刀片服务器，大大简化了设备的连接与管理。集群的服务器数越多，这一优势更明显。

图4
其次，刀片服务器实现了机柜优化，大大减少了服务器系统所占用的宝贵空间。不要说比传统塔式服务器有了非常大的减少，就相对于本来非常紧密的机架式服务器来说也有了至少1/3的优势。比如在处理1024节点的高密度计算服务器环境里，采用1U配置需要24个机柜，其中还不包括以太网交换器机所占用的空间，而采用插有8个“刀片”的刀片式服务器，只需要9个机柜，却包括了以太网交换机的空间。从外表看，与传统的机架/塔式服务器相比，它显然能够最大限度地节约服务器的使用空间和费用。如果做成对比图的话，我们可以从图5中得到说明。

图5
最后，在管理方面，利用自动软件供应工具，管理员只需通过一个网络操作，就能够方便、快捷地将软件安装到一个或多个刀片服务器中，而传统的服务器集群系统则不具备这一优势。在完成刀片服务器的软件安装之后，管理员就能够利用远程管理工具进行全面的管理。客户应要求供应商提供功能全面的工具，以便进行远程软件安装、硬件配置和系统管理。
利用这些工具，客户可以在一个单一机架中管理刀片服务器和传统的综合服务器，从而降低资源成本。维修故障的刀片服务器时，只需要拆除故障的刀片服务器，并插入替换的刀片服务器。管理员还可以很容易地配置一台全局热备份服务器，通过远程配给，接管需要维修的刀片服务器的任务和功能。同时每个刀片都可内置监视器和管理工具软件，并提供单一视图。
三、刀片标准之争
目前，影响客户采购刀片服务器的一个可能因素，就是不同厂商之间采用的刀片技术不尽相同，即各厂商生产的刀片服务器和刀片背板无法互相兼容，蚨贾驴突г诓晒菏庇兴思伞Ｕ庖彩堑镀衿骶」芤丫辏匆廊晃薹ń氲缧藕诵挠τ玫闹匾蛩刂弧?/P>
目前各刀片服务器标准主要是IBM、Intel、HP等巨头各自为政，而且DELL也宣称要建立自己的刀片服务器标准，而一向桀骜不驯的SUN则更是将其刀片技术一如既往地构建在其专有的Solaris系统平台之上。互不妥协的最终结果只能造成刀片服务器市场拓展过程中的踯躅不前。
今年7月中旬，Intel发布整合了其一手打造的Advanced TCA(ATCA)规范与模块化通信平台(MCP)的崭新模块化设计产品。最新的ATCA规范真正改变了电信行业设计和构建全新通信解决方案的方式，超越了平台体系结构。当与多种其它组件相结合时，电信设备制造商(TEM)可在包括电信级操作系统、标准互连和服务可用性论坛API等标准平台之上进行创新。Intel的努力已经初见成效，包括爱立信、诺基亚在内的电信设备厂商都已经成为了ATC标准的支持者，而这个日益庞大的阵营无疑会给刀片服务器市场的格局带来巨大的影响。
同样是今年的7月，IBM宣布一种称之为BladeCenter T的刀片服务器产品，它具有同时兼容网络设备构建系统3(NEBS 3)标准和欧洲电信标准行业(ETSI)标准的产品的强大优势。IBM宣称，能对包括软交换、VoIP、无线网关、速度识别、统一的信息传输和相关管理功能在内的诸多网络应用提供支持是BladeCenter T最大的亮点。与ATCA标准相比，BladeCenter T基于电信级工业标准的设计思想将更加开放，同时BladeCenter T对四路服务器的支持能力也超过了目前基于ATCA标准设计的刀片产品。
而与IBM刀片服务器高密度、大容量的设计思路不同，HP的刀片产品为了赢得性能上的卓越，宁愿牺牲对体积的追求。HP的ProLiant刀片服务器上设计了三个可供使用的千兆以太网端口和一个用于HPiLO(集成光输出)的管理处理器。并且HP的刀片服务器在高可用性存储方面相当突出，每台刀片服务器中都有一个集成的Ultra320 RAID控制器和两个热插拔SCSI硬盘仓。尽管综合优势并不明显，但HP仍然以其在刀片服务器管理方面的优势赢得了众多用户的青睐。
而在电信领域一直处于优势的SUN对于刀片服务器标准却有另一个惊人之举。一向特立独行的SUN继其自有的基于Ultra SparcIII处理器的刀片式服务器面市之后，为了应对IBM与Intel军团的进攻，破例选择了AMD作为了其合作伙伴。采用了AMD“x86”处理器的SUN刀片服务器能够像其Solaris操作系统一样自如地运行Linux。
在国际巨头们纷纷发表自己的刀片技术的同时，国内的本土服务器厂商也不想扮演弱者的角色。如凌华和宝德公司也纷纷加盟以上巨头们的刀片标准阵营，并声称自己的“刀片”技术不弱于任何其他厂商。其他国内服务器厂商也都抒它作为实现与国外服务器分庭抗争的契机。因篇幅原因，在此就不再多介绍了。
总之，到目前为止，以上各巨头们的刀片标准还无法达成统一，而且各有千秋，所以就目前来说还无法想象将来的刀片标准是与哪一家更近。据一些专家估计，未来的刀片标准很可能是多家技术的纵横融合。如果一旦标准确立，凭借刀片技术的以上种种优势，相信很快就会改变高性能服务器架构，传统的集群技术在一些中低档的应用领域很可能将新型的刀片集群技术所取代，特别是在电信运营商中。
(天极网)
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