建構高可靠度（High Availability, HA）的CompactPCI系統(tǒng)
Jeff Munch 2003/04/04
高可靠度（High Availability, HA）是現今市場中被過度使用的詞匯，廠商沿用此詞匯可定義從最簡單的備援電源（power supply）一直到復雜度高的全復聯系統(tǒng)（redundant system），然而這卻產生了「'什么是高可靠度？」的問題，把高可靠度想成是系統(tǒng)使用率的提高或是當機時間的減少，可能比較簡單�，F今許多電訊系統(tǒng)要求5個9（5 NINES）的可靠度、亦或一般通稱的99.999%運作時間，每年可允許這些系統(tǒng)的總當機時間是5.26分鐘（525,600分鐘/年 x 99.999%）， 5分鐘的當機尚包括既定的系統(tǒng)維護及任何因系統(tǒng)之部分故障所造成的當機時間。設計一個符合5個9（5 NINES）使用率的高可靠度系統(tǒng)通常會需要系統(tǒng)的每項功能都有備援設計，也就是不允許單點的故障。在邁向高可靠度系統(tǒng)之路一般包括備援電源、備援風扇架與備援硬盤槽，這些備援零組件的加入將可以降低零組件故障而導致系統(tǒng)當機的或然率，因此，添加備援零組件增加了系統(tǒng)的可靠度。如各位所看到的，備援電源、風扇與硬盤是增加可靠度最直接的方式，然在系統(tǒng)中添加備援運算組件則是一件相當復雜的挑戰(zhàn)。將CompactPCI應用于高可靠度的系統(tǒng)應用上
多年來系統(tǒng)開發(fā)者已將PICMG 2.0 CompactPCI 規(guī)格應用于各種可與高可靠度應用兼容的系統(tǒng)上，隨著市場上對高可靠度的要求提高，CompactPCI系統(tǒng)便隨之改進以因應新的挑戰(zhàn)，而不再是原本簡單的總線架構。圖1顯示第一代典型的CompactPCI 架構。
PICMG 2.0 CompactPCI系統(tǒng)是由一組或多組CompactPCI 總線所組成，每個總線最多可達8個CompactPCI板卡插槽，其中包含一個系統(tǒng)插槽（system slot）與最多達7個外圍插槽（peripheral slot）。PCI總線是作為該總線內插槽之間的主要通訊途徑，在這個架構下，PCI總線與系統(tǒng)插槽是一個可能的故障單點，故障的周邊插槽會讓整個PCI總線停止作用而阻礙了其它任一插槽之間的通訊。這種故障單點成為CompactPCI采用高可靠度應用的一個主要障礙，早期的CompactPCI 高可靠度系統(tǒng)架構必須克服PCI總線單點故障的限制，典型的解決方法則是添加第二個CompactPCI 總線且讓此二個總線的功能相同。圖2顯示雙CompactPCI 總線架構的范例。
在圖2中，雙總線與雙系統(tǒng)插槽是現行標準CompactPCI架構中被用以提供單點故障備援的解決方案。在雙總線架構（Dual Segment）中，每個系統(tǒng)插槽都可控制PCI總線1與PCI總線2，透過備援系統(tǒng)插槽的提供，就可允許其中一個系統(tǒng)插槽的故障；同樣的道理亦可應用在PCI總線的故障上，若故障發(fā)生于PCI總線1，則PCI總線2可以繼續(xù)處理作業(yè)。這種架構的工程挑戰(zhàn)是很復雜的，系統(tǒng)插槽提供服務總線的時序（clock）、仲裁（arbitration）與阻斷（interrupt），其中一個系統(tǒng)插槽故障時會將該系統(tǒng)插槽的時序驅動器、仲裁及阻斷控制器功能一并轉移到仍可作用中的另一系統(tǒng)插槽，然而，要得知總線的故障時間并在不阻礙整個系統(tǒng)的使用率之下，將系統(tǒng)工作移轉至另一備援系統(tǒng)是相當困難的。在1999年，PICMG協會組了一個小組委員會，任務是將備援系統(tǒng)插槽的執(zhí)行標準化，然PICMG
2.13備援系統(tǒng)插槽規(guī)格卻在三年后被廢棄不用，PICMG 2.13是唯一未完成規(guī)格就被解散的小組委員會，其主要是因為問題的復雜性與相對應的解決方案因素。毫無疑問地，CompactPCI中的備援系統(tǒng)插槽可以用來增加系統(tǒng)的可靠度，但卻受限于高昂的成本與高度復雜性而阻礙其發(fā)展，此外，提供這種架構的廠商其所銷售的產品皆屬專屬性方案（proprietary
solutions），而非基于開放架構（open architecture）的產品。
在CompactPCI 加入IP數據的傳輸
在2001年9月，PICMG協會核準PICMG 2.16 封包交換背板（Packet Switched Backplane）規(guī)格，本規(guī)格對于在一個CompactPCI架構里外圍插槽（peripheral slots）與光纖插槽（fabric slots）之間10/100/1000Mbit Ethernet的互聯做了詳細定義。光纖插槽是相互備援的，PICMG2.16兼容系統(tǒng)已被廣泛應用于多種用途上，Ethernet互聯與IP數據傳輸需求的普遍特性促使系統(tǒng)提供者廣泛采用此規(guī)格。圖3顯示典型的PICMG2.0與2.16架構。
在 PICMG 2.16 兼容系統(tǒng)中，IP數據傳輸可以作為系統(tǒng)內的主要通訊頻道，這種通訊途徑皆有備援聯機到備援光纖插槽，PICMG 2.16規(guī)格可避免系統(tǒng)工作一起使用CompactPCI
總線，并在不增加系統(tǒng)成本的情況下增加系統(tǒng)可靠度。PICMG2.16兼容系統(tǒng)是自動備援的，不會產生單點故障。Ethernet光纖（Ethernet
fabric）是下一代電信應用里處理封包數據傳輸的一種便利方法。
高可靠度CompactPCI 系統(tǒng)的下一步發(fā)展將是去除系統(tǒng)插槽（system slot）；因為應用程序利用現今系統(tǒng)的IP互聯，PCI總線逐漸成為派不上用場的費用。PICMG協會現正進行CompactTCA的規(guī)格制訂，CompactTCA規(guī)格可望結合AdvancedTCA（PICMG
3.0）所定義的系統(tǒng)管理能力、PICMG 2.0所定義的標準機箱（Form Factor）及PICMG 2.16所定義的數據傳輸。這種架構將不包含PCI總線，在此架構下的系統(tǒng)將能夠支持24個外圍插槽與2個光纖插槽。摒除PCI總線將可降低CompactPCI
系統(tǒng)所使用的電路板成本、降低提供備援系統(tǒng)插槽（system slot）的復雜性，以及增加插槽總數。圖4顯示可能的CompactTCA系統(tǒng)范例。
總結
PICMG 2.16封包交換背板（Packet Switched Backplane）規(guī)格是改善現今系統(tǒng)可靠度的可行方案之一法，排除第一代CompactPCI系統(tǒng)的單點故障與增加數據傳輸的備援，以提供5個9
（5 NINES，也就是99.999%）可靠度所需的基礎。系統(tǒng)設計師需注意到很多廠商提供的產品是專屬性（proprietary）的外圍備援系統(tǒng)架構，這些封閉式的架構系統(tǒng)無法受益于目前的CompactPCI
開放式經濟效益，可以確定的是使用PICMG 2.16 封包交換背板（Packet Switched Backplane）規(guī)格的CompactPCI
系統(tǒng)不但可提供5個9（5 NINES）可靠度要求所需的點對點數據傳輸與備援，更可提供邁向未來技術之路。
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