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建构高可靠度（High Availability, HA）的CompactPCI系统

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作者：凌华科技CTO Jeff Munch;国际PICMG 3.0委员会主席 本教程共有2340人阅读，有0人留言

　　高可靠度（High Availability, HA）是现今市场中被过度使用的词汇，厂商沿用此词汇可定义从最简单的备援电源（power supply）一直到复杂度高的全复联系统（redundant system），然而这却产生了「什么是高可靠度？」的问题，把高可靠度想成是系统使用率的提高或是当机时间的减少，可能比较简单。现今许多电讯系统要求5个9（5 NINES）的可靠度、亦或一般通称的99.999%运作时间，每年可允许这些系统的总当机时间是5.26分钟（525,600分钟/年 x 99.999%）， 5分钟的当机尚包括既定的系统维护及任何因系统之部分故障所造成的当机时间。设计一个符合5个9（5 NINES）使用率的高可靠度系统通常会需要系统的每项功能都有备援设计，也就是不允许单点的故障。在迈向高可靠度系统之路一般包括备援电源、备援风扇架与备援硬盘槽，这些备援零组件的加入将可以降低零组件故障而导致系统当机的或然率，因此，添加备援零组件增加了系统的可靠度。如各位所看到的，备援电源、风扇与硬盘是增加可靠度最直接的方式，然在系统中添加备援运算组件则是一件相当复杂的挑战。

将CompactPCI应用于高可靠度的系统应用上
多年来系统开发者已将PICMG 2.0 CompactPCI 规格应用于各种可与高可靠度应用兼容的系统上，随着市场上对高可靠度的要求提高，CompactPCI系统便随之改进以因应新的挑战，而不再是原本简单的总线架构。图1显示第一代典型的CompactPCI 架构。

图1 CompactPCI 2.0 背板架构
PICMG 2.0 CompactPCI系统是由一组或多组CompactPCI 总线所组成，每个总线最多可达8个CompactPCI板卡插槽，其中包含一个系统插槽（system slot）与最多达7个外围插槽（peripheral slot）。PCI总线是作为该总线内插槽之间的主要通讯途径，在这个架构下，PCI总线与系统插槽是一个可能的故障单点，故障的周边插槽会让整个PCI总线停止作用而阻碍了其它任一插槽之间的通讯。这种故障单点成为CompactPCI采用高可靠度应用的一个主要障碍，早期的CompactPCI 高可靠度系统架构必须克服PCI总线单点故障的限制，典型的解决方法则是添加第二个CompactPCI 总线且让此二个总线的功能相同。图2显示双CompactPCI 总线架构的范例。

图 2 双CompactPCI架构 （Dual Segment CompactPCI Architecture）
在图2中，双总线与双系统插槽是现行标准CompactPCI架构中被用以提供单点故障备援的解决方案。在双总线架构（Dual Segment）中，每个系统插槽都可控制PCI总线1与PCI总线2，透过备援系统插槽的提供，就可允许其中一个系统插槽的故障；同样的道理亦可应用在PCI总线的故障上，若故障发生于PCI总线1，则PCI总线2可以继续处理作业。这种架构的工程挑战是很复杂的，系统插槽提供服务总线的时序（clock）、仲裁（arbitration）与阻断（interrupt），其中一个系统插槽故障时会将该系统插槽的时序驱动器、仲裁及阻断控制器功能一并转移到仍可作用中的另一系统插槽，然而，要得知总线的故障时间并在不阻碍整个系统的使用率之下，将系统工作移转至另一备援系统是相当困难的。在1999年，PICMG协会组了一个小组委员会，任务是将备援系统插槽的执行标准化，然PICMG 2.13备援系统插槽规格却在三年后被废弃不用，PICMG 2.13是唯一未完成规格就被解散的小组委员会，其主要是因为问题的复杂性与相对应的解决方案因素。毫无疑问地，CompactPCI中的备援系统插槽可以用来增加系统的可靠度，但却受限于高昂的成本与高度复杂性而阻碍其发展，此外，提供这种架构的厂商其所销售的产品皆属专属性方案（proprietary solutions），而非基于开放架构（open architecture）的产品。

在CompactPCI 加入IP数据的传输
在2001年9月，PICMG协会核准PICMG 2.16 封包交换背板（Packet Switched Backplane）规格，本规格对于在一个CompactPCI架构里外围插槽（peripheral slots）与光纤插槽（fabric slots）之间10/100/1000Mbit Ethernet的互联做了详细定义。光纤插槽是相互备援的，PICMG2.16兼容系统已被广泛应用于多种用途上，Ethernet互联与IP数据传输需求的普遍特性促使系统提供者广泛采用此规格。图3显示典型的PICMG2.0与2.16架构。

图 3 PICMG 2.0 与 PICMG 2.16 架构
在 PICMG 2.16 兼容系统中，IP数据传输可以作为系统内的主要通讯频道，这种通讯途径皆有备援联机到备援光纤插槽，PICMG 2.16规格可避免系统工作一起使用CompactPCI 总线，并在不增加系统成本的情况下增加系统可靠度。PICMG2.16兼容系统是自动备援的，不会产生单点故障。Ethernet光纤（Ethernet fabric）是下一代电信应用里处理封包数据传输的一种便利方法。

高可靠度CompactPCI 系统的下一步发展将是去除系统插槽（system slot）；因为应用程序利用现今系统的IP互联，PCI总线逐渐成为派不上用场的费用。PICMG协会现正进行CompactTCA的规格制订，CompactTCA规格可望结合AdvancedTCA（PICMG 3.0）所定义的系统管理能力、PICMG 2.0所定义的标准机箱（Form Factor）及PICMG 2.16所定义的数据传输。这种架构将不包含PCI总线，在此架构下的系统将能够支持24个外围插槽与2个光纤插槽。摒除PCI总线将可降低CompactPCI 系统所使用的电路板成本、降低提供备援系统插槽（system slot）的复杂性，以及增加插槽总数。图4显示可能的CompactTCA系统范例。
总结
PICMG 2.16封包交换背板（Packet Switched Backplane）规格是改善现今系统可靠度的可行方案之一法，排除第一代CompactPCI系统的单点故障与增加数据传输的备援，以提供5个9 （5 NINES，也就是99.999%）可靠度所需的基础。系统设计师需注意到很多厂商提供的产品是专属性（proprietary）的外围备援系统架构，这些封闭式的架构系统无法受益于目前的CompactPCI 开放式经济效益，可以确定的是使用PICMG 2.16 封包交换背板（Packet Switched Backplane）规格的CompactPCI 系统不但可提供5个9（5 NINES）可靠度要求所需的点对点数据传输与备援，更可提供迈向未来技术之路。

作者简介：
Jeff Munch先生目前为国际PICMG 3.0委员会的主席，同时也是凌华科技技术长。Munch先生在硬件设计、软件开发、与工程资源管理领域里有超过二十年的经验。在加入凌华的经营团队之前，Munch先生曾担任美国Motorola计算机事业群工程总监（Director of Engineering）及美国Pro-Log公司工程副总（Vice President of Engineering）。