Blade Server

刀片服务器:一种新兴的服务器体系结构

随着体系结构向基于标准的、机架密集的服务器的转变，数据中心将产生许多问题，新兴的刀片服务器的体系结构将能够缓解和解决这些问题。刀片服务器能够提高服务器的密度，改善可管理性，降低功率消耗，增强部署和可服务性，所有这些都将降低总的所有权成本。尽管最初的刀片服务器的实现十分适用于扩展到IT基础设施的前端，但该体系结构很可能将继续发展，并在整个数据中心发挥重要的作用。

随着系统从单片电路和专有的体系结构向更具有成本效率的基于标准的服务器结构的转变，越来越多的机架密集的服务器进入到系统环境中，数据中心的管理员和IT人员必须设法解决由此而产生的问题。虽然机架密集的服务器增长十分迅速，但供应商并不象关心提高密度那样关注部署、可服务性、成本和管理等问题。刀片服务器是一种新兴的下一代服务器的体系结构，它将能够缓解现有的许多问题，并将开始改变供应商设计基于标准的服务器的方式。

什么是刀片服务器

虽然生产商可能实现许多种类的刀片服务器的系统，但从根本上来说，刀片服务器就是一个卡上的服务器--一个单独的主板上包含一个完整的计算机系统，包括处理器、内存、网络连接和相关的电子器件（参见图 1）。大部分刀片服务器最初包括某种程度的本地磁盘存储，并提供外部存储访问的途径，详细内容将在本文后面讨论。

图1. 服务器设计的变迁

每个刀片服务器都有其自己的操作系统实例，因此管理员可以为不同的应用或终端用户分配单独的刀片服务器，并且刀片服务器的插入或移去（热插拔）不影响其它刀片服务器的运行。如果将多个刀片服务器插入一个机架或机柜的中平面中，那么该机架或机柜的基础设施就能够共用，例如电源、冷却设备、网络设备和布线等，同时具有冗余特性。

为什么要使用刀片服务器

从根本上说，系统供应商利用刀片服务器为客户提供的解决方案，提高了数据中心的效率，并最终降低了总的所有权成本。数据中心效率的提高包括以下几个方面：

降低硬件成本与传统的服务器不同的是，每个刀片服务器不需要单独的机架和基础设施，因此刀片服务器相对廉价。通过多个系统共用电源、冷却设备、管理硬件和布线系统，可以极大地降低每个服务器的成本，如图 2 所示。

图2. 刀片服务器的经济效益

现在供应商可以将客户分别购买的部件，例如远程管理卡、以太网交换机甚至KVM（键盘、显示器和鼠标）转换器，以极低的成本集成在机架上。从可靠性的观点来看，多个服务器共用高质量的部件也是十分有意义的，因为系统可发生故障的部件减少了。因为初始的投资成本与机架相关，因此，刀片服务器更适合于集中式数据中心环境，而非只有少量服务器的分布式站点。

简化部署和维修部署多个服务器是一个耗时和资源密集的过程。管理员需要将每个服务器安装在机架中，进行电源和网络布线，并为其安装软件。在高密度的环境下，布线尤其是一个部署中令人头疼的难题之一。

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（参见图 3）。

图3. 刀片服务器底盘对电缆的合并

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。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的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，需要拆除故障的刀片服务器，并插入替换的刀片服务器，并修理故障的刀片服务器。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。

最大限度地利用数据中心的空间由于数据中心的地产价格十分昂贵，因此，在过去的2年中，市场已经迅速地转向密集的机架优化的服务器。根据设计和供应商的不同，刀片服务器能够使服务器的密度比目前1U的机架优化的系统增加100%到800%（参见图 4）。此外，因为每个服务器都是一个单独的服务器，因此可以用底盘将多个应用集成一个单一的机箱中。这种集成方式可以进一步使客户将其计算机资源集中在数据中心中。

图4. 传统服务器与刀片服务器的密度比较

提高资源的利用率数据中心的管理者必须针对最高需求来估算每个客户的基础设施的规模（无论是内部机构还是xSPs情况下的外部客户）。通常，很大一部分硬件在产生热量、耗费资金、消耗管理资源和功率及占用空间的同时，并没有得到充分利用。通过采用刀片服务器的体系结构，并利用工作负荷管理软件改善相应的性能，管理者就可以根据整个数据中心的最高需求，而不是单个客户或单个组的最高需求来估算数据中心基础设施的规模。估算主要是管理软件的功能，但是刀片服务器依靠其低成本及简化增加计算资源过程的能力，能够增强软件的估算能力。

通过采用刀片服务器的体系结构，并利用工作负荷管理软件改善相应的性能，管理者就可以根据整个数据中心的最高需求，而不是单个客户或单个组的最高需求来估算数据中心基础设施的规模。估算主要是管理软件的功能，但是刀片服务器依靠其低成本及简化增加计算资源过程的能力，能够增强软件的估算能力。

减少功率消耗为了减少刀片服务器的功率消耗，大多数供应商将在有些刀片服务器中采用低功率的处理器。即便刀片服务器不使用低功率的处理器，其功耗也少于"综合"服务器，因为刀片服务器的功耗部件较少。此外，供应商也能够承担得起使用高效率电源的费用，因为电源将由多个服务器共用。由于刀片服务器的功耗较低，也就产生较少的热量，因而也就减少了冷却系统的耗电量。

存在的问题是什么

服务器的小型化和高密度所带来的问题主要包括存储、服务器管理、标准化及服务器和网络之间的冲突等方面。

存储扩充的限制刀片服务器存在的问题之一就是它如何处理存储的扩充。尽管市场上的第一批刀片服务器将具有板载磁盘，但数量一般是有限的。对于IT基础设施的第一层和第二层中的应用，这一限制尚不会产生较大影响，因为它们一般不是存储密集型应用。这些应用依靠后端服务器连接到存储基本设备。

由于大部分刀片服务器的体系结构禁用传统的外设部件互连（PCI）扩展槽，因此很难从内部进行存储扩充。此外，刀片服务器不能方便地连接多个外部接口电子设备和连接器，使得供应商不得不在与外部存储系统连接的以太网和光纤通道之间进行选择。

第一代高密度刀片服务器很可能选择以太网作为与外部存储系统的连接，因为刀片服务器必须通过以太网连接来接入局域网（LAN）或广域网（WAN）。以太网具有较高的成本效率，并且在数据中心中较为普遍，所以它是刀片服务器进行存储连接的最佳选择。利用以太网，刀片服务器可以连接到网络附着存储（NAS）系统和网际协议存储（IPS）系统。利用新兴的IPS技术，例如 iSCSI (互联网 SCSI)，就可以通过以太网接入块级存储资源。光纤通道的连接可能更适用于低密度和高性能的模块化产品。

需要有效的管理工具随着设备的不断增加及其对资源的影响，数据中心的负担越来越重，刀片服务器将加剧这一矛盾。为了确保刀片服务器的正常运行，供应商必须提供稳定、有效的工具，不但支持标准的管理接口，还必须提供远程接入、自动软件供应或硬件配置工具。数据中心管理者在规划其基础设施时，应该考虑到这些新的工具，以便充分利用这种新的体系结构的性能。

多个硬件标准 CompactPCI® (cPCI) 是目前唯一一个定义刀片服务器形态因数和连接器的标准。按照该标准制造的刀片服务器和外壳，即便来自于各个不同的供应商，也能够在一个标准的 cPCI 机壳中运行。尽管对多家供应商的刀片服务器进行维护和支持将产生额外的成本，但这种兼容性保护了客户的投资。

然而，cPCI的体系结构目前还不适合于高性能、高密度和低成本的环境。市场上的 cPCI 刀片服务器主要是针对电信和工业应用，而不是传统的数据中心计算；因此，对于大部分数据中心的客户来说，接入一个第三方刀片服务器的"生态系统"并没有很大的利益。

没有采用 cPCI 标准的刀片服务器的供应商将利用基于标准的芯片集、控制器、处理器和标准协议（例如以太网、简单网络管理协议/公用信息模型（SNMP/CIM））等）来建立他们的解决方案。不过，连接器和信号的布线将随各个供应商的系统实现的不同而不同。虽然客户不能将多个供应商的刀片服务器集成在一个机箱中，但这种实现方式对他们仍然是有利的，因为它使供应商能够以较低的成本设计出更好的性能，同时比基于标准（例如cPCI）的产品占用更少的机架空间。所以，在没有使用 cPCI 刀片服务器的系统中，刀片服务器仍然能够相互作用，并以标准的方式与"综合"服务器相互作用和通信，同时还可以运行标准的操作系统，并利用标准的管理工具对其进行管理。

网络与服务器之间的冲突交叉点在一个高密度的环境下，无法对每个刀片服务器中引出的以太网电缆进行管理，因此，供应商很可能将以太网交换机集成在一个机箱中。如果将某个以太网交换机作为电缆的汇聚点，那么只有从机箱中引出的以太网电缆是交换机的上行线路。虽然这种合并方式从布线的观点来看是完美的，但它却会改变管理员部署服务器的考虑方式。网络管理员和服务器管理员必须密切合作，共同部署和管理他们的服务器-网络的组合。供应商也需要提供管理这些以太网交换机的工具。

刀片服务器未来的前景如何

一种新的 I/O 体系结构 InfiniBandInfiniBandTM (IB) 将推动模块化服务器的发展，因为它提供了一种通用的互连结构,这种结构对于空间受限和无法采用多种结构（例如，以太网、光纤通道/SCSI、IPC（工序间通信））的环境十分理想（参见图 5）。IB 能够为刀片服务器带来下列优势：

图5. 示例 InfiniBand Fabric 拓扑

对于高性能计算和数据库群集，IB 能够提供高性能和较短等待时间的刀片服务器之间的互连。
IB 能够通过IB至光纤通道和IB至以太网网关或"边缘路由器"的连接，提供与外部存储设备和以太网网络的连接。利用这种体系结构，供应商可以利用IB的功能，同时不必强迫客户针对IB重新进行数据中心的布线。
通过提供与外部 PCI 扩展模块的连接，IB 使多个刀片服务器或机箱能够共享原有的 PCI 外部设备。这种方法不但节约了空间，而且使客户的多个服务器能够共用设备。
IB本地存储（尚未提供）使支持IB的服务器能够与IB存储设备直接连接，而无需改变协议。

IB 互连和新的管理工具为真正的"公用计算"模型奠定了基础，在这种模型中，管理员控制着所有计算和存储资源，并能够根据需要进行动态分配。这种技术建立了一个动态和模块化的数据中心，无论它是属于服务提供商，还是属于一个brick-and-click的企业。

一个新的 IT 基础设施

早期版本的刀片服务器主要是高密度、低功率设备，性能相对较低。这种类型的刀片服务器适用于第一层的应用，例如静态 Web 服务器、安全、网络服务和流媒体，因为这些应用可以简单而廉价地进行负荷均衡。应用的性能取决于所有服务器的整体性能，而不是单个服务器的性能。

高性能、低密度的刀片服务器设计将有助于在公司数据中心的主流应用中更多地采用刀片服务器。这种设计能够提供目前密集机架服务器所具有的个体性能特点和功能，同时具有刀片服务器的成本优势、部署优势、可服务性优势和密度优势。这种刀片服务器适合于高性能 Web 服务器、专用的应用服务器、基于服务器或瘦客户机的计算及高性能计算(HPC) 群集器。

刀片服务器和相关技术（例如IB）的出现将引入新的 IT 基础设施。IT 管理者从现在就应该开始规划刀片服务器的安装，评估基于IP的存储解决方案、远程软件供应和管理解决方案、扩充的系统结构及负荷均衡技术。

(来源: DELL)

厂商

IBM BladeCenter - http://www.ibm.com/cn/bladecenter/
HP BladeSystem 服务器 - http://h50025.www5.hp.com/hpcom/cn_cn/8_1_78.html
DELL 刀片服务器
Intel 刀片服务器
SUN 刀片服务器 - http://www.sun.com/servers/blades/

成功应用

在完成著名网络游戏《魔兽世界》公测并正式开始商业运营的网络游戏运营商第九城市宣布：“分布在全国五大核心节点，总量超过2200台HP刀片服务器的数据中心已经部署完毕”(超过40余吨的刀片服务器).在《魔兽世界》项目中，平均每个数据中心的惠普刀片服务器数量超过430台，却只占用了15个机柜，而相同数量的传统服务器，至少需要21个机柜。