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(華北計算技術(shù)研究所, 北京 100083)

0 引言

軍用環(huán)境的復(fù)雜多變對軍事化設(shè)備的維護和管理提出很高的要求，如何保證軍用設(shè)備運行的穩(wěn)定性并進一步降低日常的管理維護成本已經(jīng)成為各個相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點之一。廣泛應(yīng)用于對高可靠性有極大需求的服務(wù)器制造行業(yè)、電信業(yè)、工業(yè)控制以及軍事等領(lǐng)域的IPMI管理技術(shù)，為提高系統(tǒng)的整體智能化管理、自適用管理和高可靠性提供一種開放的、低成本的解決方案。

本設(shè)計適用于軍用國產(chǎn)平臺功能板卡上，滿足VPX VITA46.11標準和IPMI2.0協(xié)議，設(shè)計目的是實現(xiàn)系統(tǒng)管理員能夠在單一的控制臺上實現(xiàn)對不同軟、硬件平臺的功能板卡模塊進行監(jiān)視和管理，同時可以對各個功能板卡(主要包括計算功能模塊、制冷模塊、供電模塊、交換模塊)電源、電流、CPU、制冷單元等各個部件的工作狀態(tài)進行有效的實時監(jiān)控。

作為IPMI管理的重要組成部分，合理的IPMC控制器設(shè)計，特別是控制器管理軟件如何設(shè)計出滿足協(xié)議標準又能實現(xiàn)接口靈活，現(xiàn)場維護能及時有效地避免各種事件給系統(tǒng)造成宕機帶來的損失，從而提高系統(tǒng)的可維護性和穩(wěn)定性是實現(xiàn)上述系統(tǒng)管理的關(guān)鍵[1]。

1 機箱管理系統(tǒng)架構(gòu)

VPX機箱管理系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、機箱管理子系統(tǒng)和板卡管理子系統(tǒng)[2]。其中，系統(tǒng)管理子系統(tǒng)運行于機箱外，通過SNMP協(xié)議接口對機箱進行系統(tǒng)級別管理；機箱管理子系統(tǒng)運行于機箱內(nèi)的主控板卡上，對上通過SNMP協(xié)議處理系統(tǒng)管理軟件對機箱的配置請求，ChMC(板級管理控制器)通過IPMB總線收發(fā)IPMI消息實現(xiàn)對機箱內(nèi)FRU模塊的管理配置；板卡管理子系統(tǒng)運行于各個功能板以及電源模塊、制冷模塊的IPMC控制器上，其控制器IPMC通過IPMB總線收發(fā)IPMI消息，處理對本地板卡的配置管理請求以及將各類事件進行上報[3]。

VPX機箱管理系統(tǒng)整體架構(gòu)[4]如圖1所示。

圖1 VPX機箱管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 IPMC控制器設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 板卡管理子系統(tǒng)功能

作為機箱管理系統(tǒng)的重要組成部分，板卡管理子系統(tǒng)承擔(dān)機箱內(nèi)多個不同類型功能模塊的IPMI管理控制任務(wù)[5]。為機箱管理提供訪問本地FRU的管理接口。板卡管理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)下列管理功能：

1)實現(xiàn)功能板卡的插入檢測、通斷電、自檢、冷熱啟動等相關(guān)控制；

2)響應(yīng)主控板卡通過IPMB總線發(fā)送的命令及錯誤處理；

3)實現(xiàn)溫度、電壓傳感器的實時監(jiān)測；

4)實現(xiàn)機箱管理訪問控制FRU和SDR信息；

5)向機箱管理軟件上報各類信息，包括負載電源自檢、現(xiàn)場可替換單元狀態(tài)切換、各類傳感器告警事件的實時上報。

機箱管理子系統(tǒng)通過IPMB總線向功能板卡發(fā)送IPMI管理命令，IPMC控制器內(nèi)的命令解析模塊實現(xiàn)收發(fā)消息包的解析組包功能。命令處理模塊根據(jù)IPMI協(xié)議標準將解析后的數(shù)據(jù)進行處理，包括SDR和FRU相關(guān)信息的存儲讀??；命令處理模塊在處理命令時調(diào)用底層硬件訪問接口實現(xiàn)上層主控板卡需求數(shù)據(jù)的采集計算。此外，IPMC控制器內(nèi)集成了CONSOLE命令解釋器，通過串口實現(xiàn)命令行管理。板卡IPMC控制器管理的各模塊組成見圖2。

圖2 管理功能模塊示意圖

板卡管理軟件自上而下分為三層，分別是：業(yè)務(wù)層、中間件和外設(shè)層。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)主要板卡管理功能；中間件提供通信、控制和硬件讀寫接口；外設(shè)層為底層硬件驅(qū)動。各層詳細情況見圖3。

圖3 管理功能層次劃分

2.2 板卡狀態(tài)管理

按VITA46.11標準規(guī)定[6]，將VPX機箱內(nèi)板卡的工作狀態(tài)分為：M0、M1、M4、M6和M7。工作狀態(tài)定義及描述見表1。

表1 板卡工作狀態(tài)定義

2.2.1 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換

按照VITA46.11標準，將功能板卡總體管理流程分為四個主要階段，各個階段模塊的工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖4。

1)IPMC上電初始化階段：工作狀態(tài)M0->M1；

2)功能板卡負載電源加載階段：工作狀態(tài)M1->M4；

3)功能板卡負載電源掉電階段：工作狀態(tài)：M4->M6->M1；

4)功能板卡信息丟失階段，對應(yīng)工作狀態(tài)M7。

圖4 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程示意圖

2.2.2 上電初始化階段管理流程

板卡管理的關(guān)鍵過程在于控制其上電、斷電系列流程，當(dāng)板卡插入到插槽中，備用電源驅(qū)動IPMC工作，首先進行硬件地址的自檢，此時板卡工作狀態(tài)為M1，IPMC與ChMC之間進行一系列的消息握手，包括設(shè)備ID的獲取、設(shè)備出廠信息的獲取、IPMB總線冗余設(shè)置、事件接收地址設(shè)置、VSO版本獲取等信息。上電初始化階段IPMC與主控板卡ChMC之間的信息交互見圖5。

圖5 上電初始化階段信息交互

2.2.3 上電階段管理流程

上電初始化階段命令響應(yīng)完畢后，功能板卡進入加載負載電階段。板卡在這一階段需要完成負載電源自檢并將自檢結(jié)果以事件信息的方式上報給主控板卡；此外，IPMC將工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件上報給主控板卡，收到主控板卡的相應(yīng)信息后，加載負載電，功能板卡進入到正常運行狀態(tài)M4；在M4階段，IPMC周期性對本板各個傳感器進行輪詢，同時讀取EEPROM中存入的SDR信息進行解析，將輪詢到的傳感器實時數(shù)值與對應(yīng)的SDR閾值進行比較判斷，如果數(shù)值超限，IPMC以告警事件信息方式上報給主控板卡。上電階段的信息交互圖見圖6。

圖6 加載負載電階段信息交互

2.2.4 負載電卸載階段管理流程

正常運行于M4狀態(tài)的功能板卡接收到主控板卡卸載負載電源命令，關(guān)閉負載電源并響應(yīng)回復(fù)主控板卡；負載電關(guān)閉后，IPMC將板卡工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息(M4-M6)以事件上報給主控板卡；IPMC在M6 狀態(tài)接收主控板卡周期性發(fā)送的輪詢設(shè)備ID命令并響應(yīng)上報板卡是否在線信息。負載電卸載過程見圖7。

圖7 卸載負載電階段信息交互

2.3 平臺事件處理

2.3.1 平臺事件信息分類

事件信息是指在管理軟件系統(tǒng)探測到重要或者危急系統(tǒng)管理事件時由管理控制器發(fā)送的一組專用消息。事件具體到計算機系統(tǒng)中包括超越溫度閾值、超過電壓/電流閾值、電源報錯等。VPX機箱的事件信息包括內(nèi)部事件和外部事件，外部事件主要由BIOS事件、SMS系統(tǒng)管理軟件事件、IPMB事件和總線事件組成[7-8]。不同的事件信息通過不同接口上報給主控板卡事件接收器。機箱管理系統(tǒng)的事件分類及產(chǎn)生來源請求路徑示意圖見圖8。

圖8 事件產(chǎn)生請求示意圖

板卡上報事件屬于IPMB事件，即IPMC通過IPMB總線向主控板卡上報的一系列消息。根據(jù)板卡的具體業(yè)務(wù)和控制流程，此類消息共分為三類：負載電源自檢結(jié)果事件、板卡工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換事件、各類板卡傳感器告警事件。

2.3.2 IPMB事件消息格式

IPMC在進行事件請求前需要先響應(yīng)主控板卡的事件接收地址設(shè)置命令，按照IPMI2.0的協(xié)議標準[9]，事件接收方的地址即IPMB總線的從地址，標準設(shè)置為20 h。事件信息格式遵循IPMI協(xié)議中IPMB事件格式，事件信息封裝IPMI和IPMB兩層協(xié)議包頭，其中IPMI協(xié)議包頭與上報數(shù)據(jù)部分共同進行校驗。事件信息由IPMC主動上報給主控板卡的ChMC，事件信息使用02h作為統(tǒng)一的命令碼，詳細的信息格式如圖9所示。

圖9 事件消息協(xié)議格式

2.3.3 事件處理策略

VPX機箱系統(tǒng)中會存在各種復(fù)雜的情況，如果當(dāng)各種事件同時發(fā)生的時候，事件處理核心如何去設(shè)定一個執(zhí)行策略是事件告警處理設(shè)計中的核心問題。策略設(shè)計的是否高效率，處理結(jié)果是否合理會直接影響到系統(tǒng)整體的工作效率。針對系統(tǒng)內(nèi)的三類事件，事件上報采取不同的策略。

傳感器告警事件上報分兩種情況，當(dāng)板卡模塊運行在M4狀態(tài)時，IPMC會周期性地對其所在模塊的各個傳感器狀態(tài)進行輪詢，并將輪詢到的數(shù)值與其閾值進行比較，如果產(chǎn)生告警事件，將事件上報給主控板卡；當(dāng)主控板卡下發(fā)獲取傳感器實時數(shù)值命令時，IPMC將采集到的傳感器數(shù)值閾值比對后，將數(shù)值和狀態(tài)信息以響應(yīng)命令的形式進行回復(fù)；同時判斷狀態(tài)位的值，若不是正常值，則調(diào)用事件信息發(fā)送，將請求告警信息發(fā)給事件接收方。

工作狀態(tài)類型轉(zhuǎn)換是第二類需要請求上報的事件，此處的工作狀態(tài)指上述M0-M7的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。此類事件主要產(chǎn)生于系統(tǒng)控制板卡上、下電過程中。當(dāng)功能板卡完成每一個工作狀態(tài)切換時，需要將事件轉(zhuǎn)換情況和原因進行上報。

第三類需要及時進行上報的事件是負載電源的自檢結(jié)果事件。為提高板卡及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，硬件平臺為IPMC提供了一系列負載電源狀態(tài)自檢的方法，能夠確保負載電源運行結(jié)果完全受控。IPMC對負載電源進行周期性檢測，并將自檢結(jié)果以事件信息形式進行上報。

事件處理設(shè)置重傳機制，針對不同類型事件的緊急程度設(shè)置重傳次數(shù)和重傳周期。建立重傳隊列，將需要重傳的信息放入重傳隊列。針對傳感器數(shù)據(jù)需要倒攝比對的情況，事件告警系統(tǒng)為傳感器告警信息預(yù)留單條記錄。由于信息刷新頻率較高，為避免主控板卡過于密集地受到相同類型的告警事件。傳感器事件告警設(shè)置滯回值，以百分比的形式存入板卡的SDR信息中。并設(shè)置正向參數(shù)和負向參數(shù)，告警策略設(shè)計將本次讀取數(shù)值與上次數(shù)值進行比對，并結(jié)合參數(shù)和滯回值進行判斷是否觸發(fā)事件上報[10]。

閾值滯回策略見圖10，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)超上線時，如果參數(shù)是正向的，則進行超上線持續(xù)告警；如果參數(shù)是負向的，則結(jié)合滯回值進行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)低于滯回值則取消上報。當(dāng)讀取數(shù)值超下限時，當(dāng)參數(shù)為負向時，則觸發(fā)負向持續(xù)告警；若參數(shù)為負向時，則結(jié)合滯回值來判斷，高于滯回值范圍，不再進行事件告警。

圖10 閾值滯回策略示意

2.4 參數(shù)設(shè)計及閾值判斷策略

2.4.1 傳感器參數(shù)設(shè)計

IPMC管理內(nèi)容中的核心部分是各類板級傳感器 數(shù)據(jù)的實時采集和超限告警事件上報。根據(jù)IPMI標準協(xié)議的規(guī)定，IPMC需要將底層各個接口讀取的原始數(shù)據(jù)(Raw value)上報給主控板卡，主控板卡讀取SDR信息中的參數(shù)表結(jié)合原始寄存器數(shù)值進行計算得到最終值。這樣做的原因是由于標準的IPMI協(xié)議中命令或者事件上報的值均為一個字節(jié)長度，無法滿足浮點型數(shù)據(jù)上報的實際需求，系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)計解決上述問題以適應(yīng)實際數(shù)據(jù)的精度要求。

經(jīng)過對IPMI標準及VITA46.11規(guī)范的解析，得出讀取值與實際值得轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)公式：

y=L[(Mx+(B*10k1))*10k2]uints

其中:x為原始數(shù)據(jù)值，L[]為線性類型函數(shù)，M和B為有符號整型系數(shù)，k1和k2為有符號整型指數(shù)。這四個參數(shù)對于不同類型傳感器設(shè)定不同，設(shè)計中進行一一計算比對，得到相對準確的參數(shù)填入SDR數(shù)據(jù)中，SDR數(shù)據(jù)根據(jù)不同的sensor_number進行分類逐條存儲，當(dāng)主控板卡讀取到原始數(shù)據(jù)后結(jié)合上述參數(shù)機型計算取值。

2.4.2 閾值判斷策略

IPMI標準中事件觸發(fā)類型，事件可分為事件產(chǎn)生、事件消除、正常狀態(tài)三類。根據(jù)所監(jiān)控的傳感器特點，將其引發(fā)事件主動上報的閾值設(shè)置為上限下限各三條，分別為：UNR、UC、UNC和LNC、LC、LNR。即不可恢復(fù)超上限、一般超上限、輕微超上限，與其對應(yīng)的是不可恢復(fù)超下限、一般超下限、輕微超下限。并在正常數(shù)值兩側(cè)加入2.3節(jié)中的滯回值設(shè)計。

閾值判斷策略具體流程是：首先建立全局變量表，將各個SDR信息填入表中，表中的val值作為上次數(shù)值，條用底層接口函數(shù)讀取的數(shù)值作為此次值，根據(jù)此次數(shù)值所在的區(qū)間(6條閾值界定界限劃分)并結(jié)合與上次的數(shù)值比對，確定傳感器狀態(tài)和變化方向。當(dāng)狀態(tài)與上次不同并且沒有回到滯回值范圍內(nèi)，則觸發(fā)事件發(fā)生標志位；如果此次數(shù)值回到滯回值區(qū)間內(nèi)，則觸發(fā)事件消除標志位；此次與上次狀態(tài)一致時不予上報事件。

此閾值判斷策略經(jīng)過實際應(yīng)用驗證，將數(shù)值設(shè)置在不同區(qū)間和狀態(tài)下，能夠覆蓋到全部可能值的判斷，精確地上報超限事件。

2.5 FRU與SDR設(shè)計

FRU與SDR數(shù)據(jù)存儲和解析設(shè)計作為IPMI管理的重要組成部分。VPX架構(gòu)整機中全部的FRU信息，概括起來可分為兩大類：機箱FRU信息和板卡FRU信息。具體到板卡模塊中，板卡FRU信息被固定存儲在各個板卡的EEPROM中，按照板卡模塊分類，F(xiàn)RU信息分為三類：功能板卡FRU信息、CU(制冷單元)FRU信息和PM (電源模塊)FRU信息。

各個模塊的FRU通用信息包括：FRU模塊產(chǎn)品信息、地址信息、設(shè)備ID、熱交換信息、最大電流值等信息。上述FRU信息被各自存儲在各自模塊的EEPROM中。

2.5.1 FRU數(shù)據(jù)設(shè)計

FRU數(shù)據(jù)區(qū)域劃分為三部分：Chassis Area、Board Area、Product Area。Chassis Area區(qū)域存儲機箱相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，包括機箱類型、機箱生產(chǎn)相關(guān)信息等；Board Area區(qū)域存儲板卡模塊的信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備ID號碼、板卡生產(chǎn)日期、板卡序列號等；Product Area區(qū)域的重要信息是廠家初始化信息。上述信息需要在響應(yīng)主控板卡獲取設(shè)備號的命令時讀取并解析，將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ChMC 處理。

為了方便解析FRU數(shù)據(jù)，設(shè)計32字節(jié)FRU數(shù)據(jù)包頭，將包頭分為區(qū)域標記和偏移量標記部分。前一個標記用于指示具體存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域，偏移量指示相關(guān)數(shù)據(jù)存儲的具體地址。管理軟件設(shè)計了較為靈活的接口函數(shù)用于初始化、生成、存儲、讀取和解析FRU信息，便于后期進行設(shè)備信息的添刪改操作。

2.5.2 SDR數(shù)據(jù)設(shè)計

SDR信息主要存儲設(shè)備傳感器相關(guān)監(jiān)控信息，包括模塊上各個關(guān)鍵指標的監(jiān)控，包括各個關(guān)鍵參數(shù)的閾值設(shè)置。SDR存儲數(shù)據(jù)包括條目號、關(guān)鍵電壓、電流、溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、負載電源自檢結(jié)果傳感器、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換傳感器等相關(guān)值，傳感器ID、傳感器類型、傳感器數(shù)量、傳感器接收地址、實體ID、傳感器閾值設(shè)定、滯回值設(shè)定、正負參數(shù)設(shè)定等。

按照IPMI協(xié)議規(guī)定，一條SDR信息容量為固定64字節(jié)。每一條傳感器條目對應(yīng)存儲一個傳感器信息，由于同樣類型的傳感器根據(jù)不用的位置和作用，閾值設(shè)定不盡相同，設(shè)計時在預(yù)留字符串加注標識用以區(qū)分同一類型不同實體的傳感器條目。

3 設(shè)計實現(xiàn)與應(yīng)用

本文設(shè)計的IPMC控制器已經(jīng)成功應(yīng)用于某自主可控國產(chǎn)服務(wù)器機箱內(nèi)的十塊不同類型包括電源模塊、制冷模塊、交換模塊、存儲模塊和計算模塊的功能板卡上。應(yīng)用實踐表明，該IPMC控制器的設(shè)計能夠滿足服務(wù)器內(nèi)各類板卡的集成數(shù)據(jù)通信管理，管理接口設(shè)計靈活，能夠方便地在各個板卡進行移植。圖11是主控板卡用一款通用的IPMI管理圖形界面監(jiān)控的界面截圖，圖中是計算板卡上3.3 V電壓的監(jiān)控信息，左側(cè)視窗列表中顯示機箱內(nèi)各個板卡信息，展開信息為該計算模塊上所有傳感器的信息；右側(cè)視窗里顯示傳感器編號為0x15的傳感器監(jiān)控信息，六種不同顏色的線是傳感器上下六條閾值界限，黃色的線是實際檢測到的電壓。

圖11 板卡管理界面演示

利用本文提出的板卡IPMC控制器的設(shè)計和實現(xiàn)方法，可實現(xiàn)VPX架構(gòu)服務(wù)器平臺的標準IPMI管理，利用通用的IPMI監(jiān)控圖形界面可實現(xiàn)運行高效、界面美觀的服務(wù)器機箱管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于VPX架構(gòu)和IPMI管理協(xié)議的IPMC控制器。本文在分析IPMI智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、板卡管理子系統(tǒng)功能、板卡工作狀態(tài)管理、事件信息上報策略設(shè)計、設(shè)備信息與傳感器信息存儲和解析等方面對IPMC控制器進行設(shè)計，并驗證了該方法的可行性，為其他系統(tǒng)IPMI智能管理的開發(fā)提供非常好的技術(shù)借鑒。

本設(shè)計與之前設(shè)計的提升在于各類傳感器數(shù)值處理策略設(shè)計。IPMC板級管理軟件對于讀取的傳感器數(shù)據(jù)設(shè)置合理的閾值判斷標準，對于不同精度類型的數(shù)據(jù)，管理軟件建立不同的列表用相應(yīng)的容錯值和滯回值配合上下限閾值進行精確地判斷，觸發(fā)事件上發(fā)并設(shè)計重傳機制，以完成傳感器數(shù)據(jù)處理。

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