同劍飛

（西安外事學院 陜西 西安 710077）

ATCA平臺下通信設備管理系統(tǒng)的應用設計

同劍飛

（西安外事學院 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，可以采用電信級操作系統(tǒng)和符合ATCA（先進電信計算架構，Advanced Telecom Computing Architecture）規(guī)范的硬件平臺。本文就如何設計一個面向ATCA平臺的電信中間件設備管理系統(tǒng)為研究目的，通過系統(tǒng)冗余和接口的設計，為通信行業(yè)的數(shù)據(jù)處理的高可靠性提供參考價值。

ATCA；通用設備；冗余；用戶接口

近年來，在通訊行業(yè)中ATCA架構正在逐漸取代傳統(tǒng)架構成為電信系統(tǒng)中的主流，它與電信級Linux相互支持，共同促進著電信行業(yè)乃至整個信息產業(yè)的發(fā)展。在這個平臺上若能再配合兼容最新的硬件標準和接口規(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制，提供高效可靠的服務，從而使運營商專注于應用層的開發(fā)。

1 系統(tǒng)的主要模塊

ATCA標準的機架內各部件實際上也都是獨立的計算機。各部件自身都運行嵌入式操作系統(tǒng)，能夠獨立提供服務。因此，所謂對機架內通用設備的管理實質就是對這些獨立的計算機部件進行管理，完整的硬件系統(tǒng)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件構成圖

圖1 中所有設備都采用硬件冗余。其中，主服務器是這個架構的核心單元，中間件軟件（包括設備管理子系統(tǒng)）也運行其上。圖中主服務器是機架外的獨立服務器，當然也可以是機架內的某個SBC。OSW（outside switch）即外部交換機（內外是相對于機架而言），負責機架內外的數(shù)據(jù)傳輸。其余部件都位于ATCA機架內。CMM作為機架控制單元，對機架上的硬件控制通過操作CMM實現(xiàn)。

2 核心技術設計

2.1 集群管理的設計

2.1.1 冗余機制

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

1）電源。高端服務器普遍采用雙電源系統(tǒng)，而且這兩個電源多是負載均衡的，即在系統(tǒng)工作時它們都為系統(tǒng)提供電力，當一個電源出現(xiàn)故障時，另一個電源就承擔所有的負載。

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

3）存儲系統(tǒng)。存儲系統(tǒng)是整個服務器系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的地方。大型系統(tǒng)中都采用了冗余機制來確保存儲系統(tǒng)的可靠。

4）I/O卡。對服務器來說，主要指網(wǎng)卡和硬盤控制卡的冗余。冗余網(wǎng)卡技術原為大型機及中型機上的技術，現(xiàn)在也逐漸被PC服務器所應用。PC服務器如Micron公司的NetFRAME9200最多實現(xiàn)4個網(wǎng)卡的冗余，這4個網(wǎng)卡各承擔25%的網(wǎng)絡流量。康柏公司的ProSignia/Proliant服務器都具有容錯冗余雙網(wǎng)卡。

5）PCI總線。對等PCI技術優(yōu)化PCI總線的帶寬，提升硬盤、網(wǎng)卡等高速設備的數(shù)據(jù)傳輸速度。

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

從實際環(huán)境出發(fā)，本課題設計的ATCA通用設備管理系統(tǒng)將選用1+1的冗余方式實現(xiàn)高可用性。即用兩個完全相同的控制器，其中一臺作為主控制單元承擔全部的監(jiān)視控制任務。在主控制器故障情況下，不須人工干預即可自動切換至備用控制器工作，使整個系統(tǒng)不會發(fā)生停滯。

2.1.2 有限狀態(tài)機

有限狀態(tài)機是一種用來進行對象行為建模的工具，其作用主要是描述對象在它的生命周期內所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應來自外界的各種事件。游戲引擎是有限狀態(tài)機最為成功的應用領域之一，由于設計良好的狀態(tài)機能夠被用來取代部分的人工智能算法，因此游戲中的每個角色或者器件都有可能內嵌一個狀態(tài)機[1-2]?？紤]RPG游戲中城門這樣一個簡單的對象，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

當玩家到達一個處于Locked狀態(tài)的門時，如果此時他經(jīng)找到了用來開門的鑰匙，那么他就可以利用它將門的當前狀態(tài)轉變?yōu)閁nlocked，進一步還可以通過旋轉門上的把手將其狀態(tài)轉變?yōu)镺pened，從而成功地進入城內。

2.1.3 IP接管

IP接管就是為了保證熱切換過程中服務不中斷以及單一的邏輯集群視圖[3]。在我們設計的這個系統(tǒng)中，IP接管的工作過程是這樣的。我們假設客戶端C想要和由S1和S2組成的冗余系統(tǒng)通信?，F(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，該表中存儲了IP和硬件MAC地址的對應（一對一）關系。

2.1.4 數(shù)據(jù)同步

為了確保業(yè)務數(shù)據(jù)的同步，本系統(tǒng)使用共享磁盤技術實現(xiàn)存儲管理。即冗余的兩個服務器將不再存儲業(yè)務數(shù)據(jù)，而將數(shù)據(jù)存放在獨立的外部的RAID上。如圖3。

圖3 共有磁盤示意圖

2.1.5 心跳監(jiān)測

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

心跳進程組由一組相關進程和用于進程通訊的管道組成。其進程包括有：控制進程、狀態(tài)進程、套接字的讀和寫進程[4]。其管道有：主狀態(tài)管道、控制FIFO等。進程都具備實時優(yōu)先級，被鎖定在內存中，不會換出，保證了心跳檢測快速高效。可以參考圖4所示。

圖4 心跳數(shù)據(jù)流

2.2 兩種用戶接口模式的設計

高可用性電信中間件得到了ATCA的有效支持，ATCA能支持多種標準機箱管理接口，包括CLI，HTTP，RPC，HPI和RMCP（局域網(wǎng)上的IPMI），在本系統(tǒng)中，我們將設計兩種基本的接口模式：CLI和RPC接口[5]。

2.2.1 CLI 模式的設計

CLI（命令行接口，command line interface）可以和機架上的智能管理設備如CMM、ISW、SBC等交互。CLI模式是基于IPMI庫的命令組成，能夠被高級管理應用直接接觸。出于硬件檢測和實時監(jiān)控的目的，ATCA機架上的各個部件上都安裝了不同類型的傳感器。想要獲知某設備的某個參數(shù)值，通過查詢該傳感器的當前值即可[6]。本系統(tǒng)的按照邏輯關系分為3層索引。對這3層的指定是描述上的從大到小（從各個刀片機到傳感器的某一參數(shù)值）逐步精確具體化的過程。

設備的三層架構如表1所示。

表1 ATCA機架設備的三級架構

第一層是field層。每一個field就是一個獨立的計算機。第二層是sensor層。每一個sensor都是一個要監(jiān)控的設備項。第三層是item層。就是具體每一個sensor的相關值。

2.2.2 RPC模式的設計

RPC（Remote Procedure Call Protocol）——遠程過程調用協(xié)議，RPC采用客戶機/服務器模式。請求程序就是一個客戶機，而服務提供程序就是一個服務器。運行時，一次客戶機對服務器的RPC調用，其內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）調用客戶端句柄；執(zhí)行傳送參數(shù)；

2）調用本地系統(tǒng)內核發(fā)送網(wǎng)絡消息；

3）消息傳送到遠程主機；

4）服務器句柄得到消息并取得參數(shù)；

5）執(zhí)行遠程過程；

6）執(zhí)行的過程將結果返回服務器句柄；

7）服務器句柄返回結果，調用遠程系統(tǒng)內核；

8）消息傳回本地主機；

9）客戶句柄由內核接收消息；

10）客戶接收句柄返回的數(shù)據(jù)。

3 結束語

通訊級高可用中間件的系統(tǒng)非常繁雜，本文只對其中的一個核心子系統(tǒng)——通訊設備管理系統(tǒng)進行了研究。如何將這個模塊和其他諸多模塊統(tǒng)籌思考，做到高內聚低耦合，減少因為模塊間的開銷而影響整個中間件系統(tǒng)的性能，將是進一步的工作。

[1]Chuang J，Sollenberger N.Beyond 3G:wideband wireless data access based on OFDM and dynamic packet assignment.Communications Magazine.2000，38（7）：78-87

[2]孫靜，高林，李海波.中間件技術與標準研究[J].信息技術與標準化，2006（10）：9-11.

[3]Batista A.J.N，Neto A.，Correia M.ATCA Control System Hardware for the Plasma Vertical Stabilization in the JET Tokamak.Nuclear Science，2010，57（2）：583-588.

[4]SJ Jang.Design of the Kernel Hardening Function in the Linux Network Module[J].International Journal of Computer Science and Network security，2006，6（8）：135～140.

[5]黃劉生，李黃海，吳俊敏.一種可動態(tài)更新的高可用中間件框架[J].華中科技大學學報：自然科學版，2006，34（10）：8-10.

[6]陳子平.淺談控制系統(tǒng)冗余控制的實現(xiàn) [J].自動化儀表，2005，26（9）：12-16.

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：201507135

同劍飛（1974—），男，陜西西安人，碩士，助教。研究方向：計算機控制。