同劍飛

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

ATCA平臺(tái)下通信設(shè)備管理系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

同劍飛

（西安外事學(xué)院 陜西 西安 710077）

通訊行業(yè)為保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的高性能，可以采用電信級(jí)操作系統(tǒng)和符合ATCA（先進(jìn)電信計(jì)算架構(gòu)，Advanced Telecom Computing Architecture）規(guī)范的硬件平臺(tái)。本文就如何設(shè)計(jì)一個(gè)面向ATCA平臺(tái)的電信中間件設(shè)備管理系統(tǒng)為研究目的，通過(guò)系統(tǒng)冗余和接口的設(shè)計(jì)，為通信行業(yè)的數(shù)據(jù)處理的高可靠性提供參考價(jià)值。

ATCA；通用設(shè)備；冗余；用戶接口

近年來(lái)，在通訊行業(yè)中ATCA架構(gòu)正在逐漸取代傳統(tǒng)架構(gòu)成為電信系統(tǒng)中的主流，它與電信級(jí)Linux相互支持，共同促進(jìn)著電信行業(yè)乃至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在這個(gè)平臺(tái)上若能再配合兼容最新的硬件標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范并滿足開放性要求的中間件，就可以形成一套完整的機(jī)制，提供高效可靠的服務(wù)，從而使運(yùn)營(yíng)商專注于應(yīng)用層的開發(fā)。

1 系統(tǒng)的主要模塊

ATCA標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)架內(nèi)各部件實(shí)際上也都是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)。各部件自身都運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，能夠獨(dú)立提供服務(wù)。因此，所謂對(duì)機(jī)架內(nèi)通用設(shè)備的管理實(shí)質(zhì)就是對(duì)這些獨(dú)立的計(jì)算機(jī)部件進(jìn)行管理，完整的硬件系統(tǒng)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

圖1 中所有設(shè)備都采用硬件冗余。其中，主服務(wù)器是這個(gè)架構(gòu)的核心單元，中間件軟件（包括設(shè)備管理子系統(tǒng)）也運(yùn)行其上。圖中主服務(wù)器是機(jī)架外的獨(dú)立服務(wù)器，當(dāng)然也可以是機(jī)架內(nèi)的某個(gè)SBC。OSW（outside switch）即外部交換機(jī)（內(nèi)外是相對(duì)于機(jī)架而言），負(fù)責(zé)機(jī)架內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸。其余部件都位于ATCA機(jī)架內(nèi)。CMM作為機(jī)架控制單元，對(duì)機(jī)架上的硬件控制通過(guò)操作CMM實(shí)現(xiàn)。

2 核心技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 集群管理的設(shè)計(jì)

2.1.1 冗余機(jī)制

本論文主要涉及和應(yīng)用的冗余硬件有：電源，散熱系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元和服務(wù)器自身。

1）電源。高端服務(wù)器普遍采用雙電源系統(tǒng)，而且這兩個(gè)電源多是負(fù)載均衡的，即在系統(tǒng)工作時(shí)它們都為系統(tǒng)提供電力，當(dāng)一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)電源就承擔(dān)所有的負(fù)載。

2）散熱系統(tǒng)。散熱裝置有多種，方便理解起見我們簡(jiǎn)單考慮風(fēng)扇。散熱系統(tǒng)的冗余是指在服務(wù)器的關(guān)鍵發(fā)熱部件上配置的降溫風(fēng)扇有主用和備用兩套，這兩套風(fēng)扇具有自動(dòng)切換功能。而當(dāng)主風(fēng)扇出現(xiàn)故障或轉(zhuǎn)速低于規(guī)定要求時(shí)，備用風(fēng)扇馬上啟用。

3）存儲(chǔ)系統(tǒng)。存儲(chǔ)系統(tǒng)是整個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的地方。大型系統(tǒng)中都采用了冗余機(jī)制來(lái)確保存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠。

4）I/O卡。對(duì)服務(wù)器來(lái)說(shuō)，主要指網(wǎng)卡和硬盤控制卡的冗余。冗余網(wǎng)卡技術(shù)原為大型機(jī)及中型機(jī)上的技術(shù)，現(xiàn)在也逐漸被PC服務(wù)器所應(yīng)用。PC服務(wù)器如Micron公司的NetFRAME9200最多實(shí)現(xiàn)4個(gè)網(wǎng)卡的冗余，這4個(gè)網(wǎng)卡各承擔(dān)25%的網(wǎng)絡(luò)流量?？蛋毓镜腜roSignia/Proliant服務(wù)器都具有容錯(cuò)冗余雙網(wǎng)卡。

5）PCI總線。對(duì)等PCI技術(shù)優(yōu)化PCI總線的帶寬，提升硬盤、網(wǎng)卡等高速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度。

6）CPU。系統(tǒng)中主處理器并不會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)故障，但對(duì)稱多處理器（SMP）能讓多個(gè)CPU分擔(dān)工作以提供某種程度的容錯(cuò)。

從實(shí)際環(huán)境出發(fā)，本課題設(shè)計(jì)的ATCA通用設(shè)備管理系統(tǒng)將選用1+1的冗余方式實(shí)現(xiàn)高可用性。即用兩個(gè)完全相同的控制器，其中一臺(tái)作為主控制單元承擔(dān)全部的監(jiān)視控制任務(wù)。在主控制器故障情況下，不須人工干預(yù)即可自動(dòng)切換至備用控制器工作，使整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生停滯。

2.1.2 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)是一種用來(lái)進(jìn)行對(duì)象行為建模的工具，其作用主要是描述對(duì)象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應(yīng)來(lái)自外界的各種事件。游戲引擎是有限狀態(tài)機(jī)最為成功的應(yīng)用領(lǐng)域之一，由于設(shè)計(jì)良好的狀態(tài)機(jī)能夠被用來(lái)取代部分的人工智能算法，因此游戲中的每個(gè)角色或者器件都有可能內(nèi)嵌一個(gè)狀態(tài)機(jī)[1-2]?？紤]RPG游戲中城門這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)象，它具有Opened，Closed，Locked，Unlocked 4種狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 控制城門的狀態(tài)機(jī)

當(dāng)玩家到達(dá)一個(gè)處于Locked狀態(tài)的門時(shí)，如果此時(shí)他經(jīng)找到了用來(lái)開門的鑰匙，那么他就可以利用它將門的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閁nlocked，進(jìn)一步還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)門上的把手將其狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镺pened，從而成功地進(jìn)入城內(nèi)。

2.1.3 IP接管

IP接管就是為了保證熱切換過(guò)程中服務(wù)不中斷以及單一的邏輯集群視圖[3]。在我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)中，IP接管的工作過(guò)程是這樣的。我們假設(shè)客戶端C想要和由S1和S2組成的冗余系統(tǒng)通信。現(xiàn)在S1處于ACT狀態(tài)，擁有外網(wǎng)IP。而S1、S2和C各有一張ARP緩存表，該表中存儲(chǔ)了IP和硬件MAC地址的對(duì)應(yīng)（一對(duì)一）關(guān)系。

2.1.4 數(shù)據(jù)同步

為了確保業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的同步，本系統(tǒng)使用共享磁盤技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理。即冗余的兩個(gè)服務(wù)器將不再存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，而將數(shù)據(jù)存放在獨(dú)立的外部的RAID上。如圖3。

圖3 共有磁盤示意圖

2.1.5 心跳監(jiān)測(cè)

本系統(tǒng)設(shè)置心跳周期初始值是3秒，而心跳延遲的允許時(shí)間被設(shè)置為10秒。由于本系統(tǒng)采用的是1+1冗余方式，一個(gè)集群包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們采用UDP的環(huán)形心跳。

心跳進(jìn)程組由一組相關(guān)進(jìn)程和用于進(jìn)程通訊的管道組成。其進(jìn)程包括有：控制進(jìn)程、狀態(tài)進(jìn)程、套接字的讀和寫進(jìn)程[4]。其管道有：主狀態(tài)管道、控制FIFO等。進(jìn)程都具備實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，被鎖定在內(nèi)存中，不會(huì)換出，保證了心跳檢測(cè)快速高效?？梢詤⒖紙D4所示。

圖4 心跳數(shù)據(jù)流

2.2 兩種用戶接口模式的設(shè)計(jì)

高可用性電信中間件得到了ATCA的有效支持，ATCA能支持多種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱管理接口，包括CLI，HTTP，RPC，HPI和RMCP（局域網(wǎng)上的IPMI），在本系統(tǒng)中，我們將設(shè)計(jì)兩種基本的接口模式：CLI和RPC接口[5]。

2.2.1 CLI 模式的設(shè)計(jì)

CLI（命令行接口，command line interface）可以和機(jī)架上的智能管理設(shè)備如CMM、ISW、SBC等交互。CLI模式是基于IPMI庫(kù)的命令組成，能夠被高級(jí)管理應(yīng)用直接接觸。出于硬件檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，ATCA機(jī)架上的各個(gè)部件上都安裝了不同類型的傳感器。想要獲知某設(shè)備的某個(gè)參數(shù)值，通過(guò)查詢?cè)搨鞲衅鞯漠?dāng)前值即可[6]。本系統(tǒng)的按照邏輯關(guān)系分為3層索引。對(duì)這3層的指定是描述上的從大到?。◤母鱾€(gè)刀片機(jī)到傳感器的某一參數(shù)值）逐步精確具體化的過(guò)程。

設(shè)備的三層架構(gòu)如表1所示。

表1 ATCA機(jī)架設(shè)備的三級(jí)架構(gòu)

第一層是field層。每一個(gè)field就是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)。第二層是sensor層。每一個(gè)sensor都是一個(gè)要監(jiān)控的設(shè)備項(xiàng)。第三層是item層。就是具體每一個(gè)sensor的相關(guān)值。

2.2.2 RPC模式的設(shè)計(jì)

RPC（Remote Procedure Call Protocol）——遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用協(xié)議，RPC采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式。請(qǐng)求程序就是一個(gè)客戶機(jī)，而服務(wù)提供程序就是一個(gè)服務(wù)器。運(yùn)行時(shí)，一次客戶機(jī)對(duì)服務(wù)器的RPC調(diào)用，其內(nèi)部操作大致有如下十步，大致流程如圖5所示。

圖5 RPC流程圖

1）調(diào)用客戶端句柄；執(zhí)行傳送參數(shù)；

2）調(diào)用本地系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)送網(wǎng)絡(luò)消息；

3）消息傳送到遠(yuǎn)程主機(jī)；

4）服務(wù)器句柄得到消息并取得參數(shù)；

5）執(zhí)行遠(yuǎn)程過(guò)程；

6）執(zhí)行的過(guò)程將結(jié)果返回服務(wù)器句柄；

7）服務(wù)器句柄返回結(jié)果，調(diào)用遠(yuǎn)程系統(tǒng)內(nèi)核；

8）消息傳回本地主機(jī)；

9）客戶句柄由內(nèi)核接收消息；

10）客戶接收句柄返回的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通訊級(jí)高可用中間件的系統(tǒng)非常繁雜，本文只對(duì)其中的一個(gè)核心子系統(tǒng)——通訊設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。如何將這個(gè)模塊和其他諸多模塊統(tǒng)籌思考，做到高內(nèi)聚低耦合，減少因?yàn)槟K間的開銷而影響整個(gè)中間件系統(tǒng)的性能，將是進(jìn)一步的工作。

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Application design of communication equipment management system based on ATCA

TONG Jian-fei
（Xi’an International University，Xi’an 710077，China）

The communications industry to protect the system data processing of high performance，the telecom operation system and meet the ATCA （Advanced Telecommunications Computing Architecture，advanced Telecom Computing Architecture）specification of the hardware platform.In this paper，how to design a oriented ATCA platform of telecommunication middleware equipment management system for the purpose of the study，through the system redundancy and interface design，for the communications industry，the data processing of high reliability provide a reference value.

ATCA；General equipment；redundancy；user interface

TN91

A

1674－6236（2016）15-0184-03

2015-07-18 稿件編號(hào)：201507135

同劍飛（1974—），男，陜西西安人，碩士，助教。研究方向：計(jì)算機(jī)控制。