嵌入式系統(tǒng)的高可用性

設(shè)計人員正在調(diào)整各種高可用體系結(jié)構(gòu)，以滿足客戶對用于下一代超級可靠嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的持久數(shù)據(jù)接口的需求。

要 點

   高速串行數(shù)據(jù)鏈路和交換結(jié)構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)路徑，人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)重新設(shè)定信息路由。
　 管理軟件自動監(jiān)視系統(tǒng)工作，并在發(fā)生故障或性能降低時用冗余元件來替換。
　 熱插拔特性實現(xiàn)無中斷的修理和升級，并為發(fā)展容錯自愈系統(tǒng)鋪平了道路。
　 刀片計算機(jī)集群以更低的采購和運(yùn)營成本支持可擴(kuò)展、高密度、高可用的服務(wù)器系統(tǒng)。

　　隨著普適計算時代的到來（屆時用戶將可隨時隨地訪問信息和服務(wù)），嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員在提高服務(wù)器、遠(yuǎn)程設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的可用性方面承受著日益增大的壓力。鑒于其應(yīng)用，人們對嵌入式系統(tǒng)可靠性的期望遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對多數(shù)其它計算系統(tǒng)的期望。終止或重啟其中一些關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)需要承擔(dān)人身財產(chǎn)或重要信息損失的風(fēng)險。在滿足這些要求的過程中，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者運(yùn)用各種智能硬件和軟件冗余技巧在日常運(yùn)行中實現(xiàn)高達(dá) 99.999% 的可用性，即每年停機(jī)時間不到六分鐘。
　　“高可用性”描述系統(tǒng)特性，它們使系統(tǒng)在發(fā)生硬件或軟件故障時能夠保持連續(xù)工作。高可用系統(tǒng)具有內(nèi)置監(jiān)視和復(fù)制數(shù)據(jù)路徑，透明地取代可選硬件或軟件組件復(fù)制正常功能，在出現(xiàn)故障時也能照常工作。一般而言，高可用性系統(tǒng)還支持在不中斷運(yùn)行的前提下替換故障組件或升級。隨著通用連接的問世，數(shù)據(jù)安全也成了可用性的一個要素，這是因為未授權(quán)的黑客、惡意軟件或外部“拒絕服務(wù)”攻擊會導(dǎo)致預(yù)期功能中斷。可用性一般定義為 MTBF/(MTBF+MTTR)，其中 MTBF是指平均無故障時間，MTTR 是指平均修理時間。
　　高可用性對于越來越多的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用都變得十分必要，而不斷提高的技術(shù)趨勢使系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)日益困難。例如，可以預(yù)見，隨著客戶需要嵌入式設(shè)備中有更多功能，增加的硬件和軟件組件帶來了新的故障模式。顯然，增加的的組件不利于達(dá)到更高的可用性，甚至產(chǎn)生其它冗余性，從而不斷加劇系統(tǒng)復(fù)雜性。當(dāng)前向普遍連接發(fā)展的趨勢也給高可用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者帶來了許多數(shù)據(jù)安全與通信可靠性問題。雖然最可靠的系統(tǒng)可能使用有限資源的簡便的單獨(dú)設(shè)備，但設(shè)計者必須采用一種提高任意嵌入配置可用性的戰(zhàn)略。

　　不間斷運(yùn)行
　　當(dāng)前多數(shù)用于提高服務(wù)可用性的訣竅和技巧均源自電信行業(yè)。多年來，電信設(shè)備制造商設(shè)計了多種方案，以便提供不間斷的服務(wù)，即使發(fā)生硬件和軟件故障也是如此。遺憾的是，多數(shù)方案都是專有的，維護(hù)費(fèi)用高，并且難以在要求演變時進(jìn)行更新。它們還需要很長的開發(fā)周期。設(shè)備設(shè)計者無法利用 COTS（商用現(xiàn)貨）構(gòu)件，這是因為沒有通用內(nèi)置設(shè)備提高服務(wù)可用性。為了解決可用性難題，電路板制造商制定一系列可與專有系統(tǒng)性能匹敵的硬件和軟件規(guī)范。
　　IPMI （智能平臺管理接口）規(guī)范是用來解決可用性問題的最早標(biāo)準(zhǔn)之一，它由戴爾、英特爾、惠普、NEC 公司制定，旨在從本地和遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備，以便執(zhí)行電源管理、冷卻、電子鍵控和熱插拔等事務(wù)處理。IPMI 與管理控制器相互配合，后者在主機(jī)處理器出現(xiàn)故障時可依靠自身運(yùn)行。借助平臺管理，操作人員能監(jiān)視設(shè)備是否出現(xiàn)邊際操作或潛在問題，并能在它們變成系統(tǒng)故障之前糾正它們。PICMG （Peripheral Component Interconnect Industrial Computer Manufacturers Group）組織把 IPMI 的若干變體都包含到電路板級 CompactPCI 規(guī)范和 ATCA（高級電信計算架構(gòu)）規(guī)范中。
　　為了最大限度發(fā)揮 IPMI 的優(yōu)勢，設(shè)備客戶需要具備熱插拔功能，以便在不關(guān)閉系統(tǒng)的情況下替換出故障的系統(tǒng)板。熱插拔系統(tǒng)要求硬件和軟件能夠在等待修理的同時，動態(tài)設(shè)定信號路由，使其繞過出故障的組件。必備熱插拔技術(shù)之一是系統(tǒng)板和背板之間的物理連接。如果不控制電源涌流和背板信號連接，簡單直連可能會干擾總線上的其它板。例如，CompactPCI 利用不同長度的分級引腳來控制通向背板的物理連接。卡片導(dǎo)向器確保板的插入垂直于背板。較長的引腳首先對接、供電并接地，以便對 PCI 總線信號預(yù)充電。串聯(lián)電阻限制了電源電流浪涌。中等長度引腳連至處于預(yù)充電、高阻抗或禁用狀態(tài)的 PCI 總線信號。最短的引腳支持總線通信。

　　防故障交換結(jié)構(gòu)
　　串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)是另一種設(shè)計創(chuàng)新，對于高可用性系統(tǒng)有多種好處。這些體系結(jié)構(gòu)允許在計算節(jié)點之間設(shè)立動態(tài)數(shù)據(jù)路徑，并支持多路并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。交換結(jié)構(gòu)的一個主要好處是，每條連接均為直接的點到點數(shù)據(jù)路徑，并帶來更好的電特性，允許的頻率和帶寬高于總線體系結(jié)構(gòu)。典型的交換結(jié)構(gòu)使用多級開關(guān)在源和目標(biāo)之間建立路由。這些動態(tài)路徑對于高可用性設(shè)計也很有價值，使人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)路由。多數(shù)主要電路板標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都規(guī)定交換結(jié)構(gòu)，盡管它們并未提出具體的交換結(jié)構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。與此相反，一系列附屬規(guī)范為以太網(wǎng)、InfiniBand、StaRFabric、PCI Express、RapidIO 等各種交換結(jié)構(gòu)對背板進(jìn)行詳細(xì)定義。雖然這種方法滿足了業(yè)內(nèi)不同觀點的要求，但它也可能造成同一標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部的互操作問題。 

    VITA（VMEbus International Trade Association）41 VXS 為廣泛應(yīng)用的 VMEbus （Versa-module eurocard bus）增添了一些交換結(jié)構(gòu)技術(shù)高可用性優(yōu)勢。VXS 規(guī)范定義了一種有效載荷卡、一種交換卡、一種新型高帶寬背板連接器，并保留標(biāo)準(zhǔn)的并行 VMEbus 連接器。每個新型交換結(jié)構(gòu)端口均包含兩組四聯(lián)串行位通道——一組用于輸入數(shù)據(jù)，另一組用于輸出數(shù)據(jù)，對于每條串行通道均支持 10 Gbps 數(shù)據(jù)速率。交換卡包含必要的結(jié)構(gòu)交換功能，以便在有效負(fù)荷卡之間或圍繞故障設(shè)定串行數(shù)據(jù)路由，或使其繞過故障。為了保持交換結(jié)構(gòu)任意性，VITA 41子規(guī)范為 InfiniBand、串行RapidIO、GbE（千兆以太網(wǎng)）、PCI Express 定義了交換卡和有效載荷卡。
　　PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）針對電信設(shè)備的獨(dú)特要求，發(fā)布了 ATCA 規(guī)范，提供 VME 和 CompactPCI 等開放體系結(jié)構(gòu)的替代結(jié)構(gòu)。ATCA 重點強(qiáng)調(diào)高可用性特性，采用高速串行數(shù)據(jù)鏈路和交換結(jié)構(gòu)技術(shù)。超大板面積支持復(fù)雜的電信電路，并提供輸入電源和冷卻功能，實現(xiàn)每插槽高達(dá) 200 W 的功率。ATCA 規(guī)范具有適用于所有板和有源模塊的熱插拔功能，因此最大限度減少系統(tǒng)中斷。一個機(jī)架管理元件（其規(guī)范基于IPMI）監(jiān)視各插入模塊的健康、功率、冷卻甚至鍵控情況，以確保各子系統(tǒng)在高效率工作。各模塊從冗余-48V直流饋電器獲得電力，并從冗余控制與數(shù)據(jù)板獲取數(shù)據(jù)，以防止單一故障使整個機(jī)箱停止運(yùn)行。