刀行天下――浅析刀片服务器的发展与未来

刀片服务器(Blade Server)是一种拆卸式的服务器计算机，其模块化设计经过优化可最大限度减少对物理空间和能源的使用。一台标准机架式服务器可以配备(至少)一个电源线和网线，但是刀片服务器有很多可移除的组件，从而节约空间和最大限度降低能耗。刀片服务器机箱可容纳多个刀片服务器，提供能源、冷却、网络、各种互连以及管理等服务。总之，刀片和刀片机箱构成了刀片系统(不同刀片提供商在刀片和刀片系统的构成上有不同的原则)。

　　在一个标准服务器机架配置中，1U(一个机架单元，宽19[48 cm]，高1.75 [4.45 cm])是任何设备的最小尺寸。最常见的机架是42U高，这使得一个机架内可堆放的单个计算机设备数量限制在42个。而随着应用对于计算能力的渴望不断扩张，单位机架的计算密度的需求不断提高，有别于传统机架服务器的，新的可以大幅度提高单位机架计算密度的服务器就有了市场的需求，由此也就催生出了当前的刀片服务器，但在此之前，有关于它的技术积累其实早已开始。

刀片服务器的历史

　　在8位微处理器问世不久，开发人员就在20世纪70年代向板卡上配置了完整的微型计算机，并将其封装在标准的19英寸机架中。这种架构被用于工业流程控制领域，作为可取代迷你计算机控制系统的一个选择。

　　VMEbus架构(约公元1981年)定义一个计算机接口包括配置一个安装在机架背板的板级计算机，可插拔的板上带有多个插槽提供了I/O、内存或者额外的计算能力。PCI工业计算机制造商组织(PICMG，PCI Industrial Computer Manufacturers Group)为后来出现的CompactPCI总线开发了一个机箱/刀片结构。这些基于机箱的计算机有一个共同点，那就是整个机箱是一个整体系统。虽然一个机箱中可能包括多个计算机部件来提供所需的性能和冗余性，但是通常只有一个板卡在使用，一个主板卡在协调整个系统的运转。

　　PICMG扩展了CompactPCI规范可在背板的板卡之间使用标准以太网。PICMG 2.16 CompactPCI Packet Switching Backplane规范从2001年9月开始生效，提供了首个针对多服务器机箱的开放架构。PICMG遵循功能更丰富的AdvancedTCA，后者瞄准了电信行业对高可用性和高密度计算平台以及更长产品寿命(10年以上)的需求。虽然AdvancedTCA系统和板卡通常售价要高于刀片服务器，但是AdvancedTCA供应商宣称，较低的运营成本和总拥有成本让基于AdvancedTCA的解决方案成为下一代电信网络构建块的理想选择。

　　第一个商用刀片服务器架构是由Christopher Hipp和David Kirkeby发明的，他们的美国专利号6411506被划归为休斯敦RLX Technologies(主要由一些原康柏电脑员工所组建的公司)所有。RLX在2001年出货首款商用刀片服务器，并在2005年被惠普公司收购。

　　RLX的刀片，采用的还是全美达(TRANSMETA)的处理器，其实按今天的标准，它其实一个刀片PC，而不是刀片服务器

　　RLX刀片的机箱，这一模式的刀片在后来延续了很长时间。

　　2006年2月，Blade.org组织成立，其目的是为了增加用户可用刀片平台解决方案的数量和加速推向市场的进城。这是一个专注于加速IBM刀片服务器平台开发和采用的合作机构和开发社区。

　　当一个板卡中包括处理器、内存、I/O和非易失性存储(闪存或者小体积硬盘)的时候，刀片服务器这个命名就出现了。这让制造商可以在一个板卡或者刀片中封装带有操作系统和应用的完整服务器。然后这些刀片可以在一个常见机箱内独立运作，更有效地运行多个服务器设备。除了这种封装显著的优点以外，由于共享了通用基础架构来支持整个机箱，而不是为每个服务器提供资源，因此能源、冷却、管理和网络效率将有所提高。

　　根据分析公司IDC的统计数据，刀片市场的主要参与者包括惠普和IBM。其他销售刀片服务器的公司包括AVADirect、Sun、Egenera、Supermicro、Hitachi、Fujitsu-Siemens、Rackable、Verari Systems、Dell和Intel(通过转售IBM的刀片机箱)。

第2页：刀片服务器的标准区分——刀片机箱

　　刀片服务器的标准区分——刀片机箱

　　机箱执行你可以在大多数计算机中看到的很多非核心计算服务。通过将这些服务定位到一个地方，然后在刀片组件之间进行共享，整体的利用率将有所提高。不同厂商提供的服务细节可能会有所不同。

　　不过，由于刀片的尺寸与接口设计是厂商各自想法的体现，它们只是在最终的外形机箱上与机架的相关标准(比如宽度和高度单位)保持一致，但就机箱本身而言，它可以说是另一种变向的机架，这也就使得刀片的标准有很多，厂商各自为战，互不兼容(机架服务器可以插入任何一个标准的42U机架中，但不同厂商标准的刀片无法在实现互插)，所以有些刀片标准也就在竞争中逐渐走向消亡。

　　从刀片在2001年正式销售以来，一共出现过40多款机箱，其中包括我国的联想与曙光公司的设计，以及国外大厂，如HP、Dell和Sun的一些型号，而到现在能稳定供货的只有10余款(图中红色标记的机箱已经从市场上消失)，这也就意味着，很多厂商自己的刀片服务器标准前后都是不统一的

　　目前唯一能保持刀片标准延续性的就是IBM的BladeCenter家族，它最早由英特尔与IBM在1999年开始研发，在2002年正式推出(BladeCenter E机箱)，虽然在推出时间上并不领先，但与RLX的刀片不同的是，BladeCenter支持全线的英特尔x86处理器并提供多种高性能I/O可选配置，在2006年，又在E机箱的基础上推出了面向高性能计算的BladeCenter H机箱，提供了高端的10Gb以太网与InfiniBand 4X的交换互联能力

　　随后，IBM将BladeCenter努力打造成一个开放的刀片架构，将重点放在了基于前后兼容性考虑的处理器、内存与I/O配置上，并联合了业界主要的相关元件与设备的供应商(如电源、网络)来加盟，blade.org也由此诞生。之后，IBM又推出了BladeCenter HT和最新的BladeCenter S机箱，在这一过程中，IBM一直坚持着刀片标准的统一，所以2002年BladeCenter E机箱仍然延用至今，这在其他厂商的刀片服务器发展史中是绝无仅有的。

　　BladeCenter的最大特点就是刀片机箱众多，应对的行业与应用更为全面，而与此同时还能保持刀片的兼容性

　　根据BladeCenter的标准，相应的硬件提供商可以方便的设计出与其相兼容的组件和功能刀片，比如网络交换机机、存储交换机，以及用于刀片服务器的适配卡等，而这种周边的配套支持所营造出来的生态环境，也反过来加强了BladeCenter在业界的领导地位。

　　其实，业界有关于刀片服务器标准化的争议一直没有停止，而为了推动这一标准，英特尔也发起了SSI(Server System Infrastructure)开放标准的刀片服务器的倡议，但由于传统的刀片服务器大厂已经有了广阔的用户基础和丰富的技术积累与产品延革，因此SSI在某种角度上讲，目前只是增加了一种刀片服务器的标准，还远没有到统一标准的时候。相较而言，SSI更适合那些小型的，很难推广自己的标准并建立相应的生态环境的服务器厂商。

第3页：刀片服务器的其他组成部分

刀片服务器的其他组成部分

　　在刀片机箱内部，除了刀片服务器外，就是一些相关的关键组件，它们与服务器机箱与刀片的标准息息相关，对于刀片服务器来说也是非常重要的，而由于密度很高，也对元件的设计提出更高的要求。我们下面以IBM的BladeCenter E机箱来说明一下。

 

 

 IBM的BladeCenter E机箱前面板，可以看出有四个电源槽，可插入最多4个电源模块(冗余设计)

 

 

 IBM的BladeCenter E机箱后面板设计，有两个散热风扇模块(Blower Module)，分上下层给刀片服务器散热，而I/O Module则是用来插入符合BladeCenter标准的I/O模块，这是一个刀片标准的重要组成部分(请注意，最下面的I/O模块插槽与上面的不太一样，我们暂且用半高与全长模块来区分)
第4页：其他设备分析  

电源

　　计算机在直流电压范围内工作，但是电力提供是交流电的形式，并且高于计算机所要求的电压。这种电流的转换要求有一个或者多个电源（或者PSU）为了确保一个电源故障不会影响到计算机的操作，即使入门级的服务器都会配备冗余电源，再次增加了设计的体积和散热。

　　IBM BladeCenter H机箱所采用的电源，电源数量更多或功率更大，就意味着可以承载更多的刀片，或者说刀片上的处理器可以采用更强劲的型号

　　刀片机箱电源是机箱内的所有刀片的单一电源，它可能是机箱的电源或者是为多个机箱提供直流电的一个单独的专用电源。这种设置减少了提供弹性电力供应所需的PSU数量。

　　刀片服务器的普及引发了机架式UPS单元数量的增加，包括专门针对的刀片服务器的UPS单元（例如BladeUPS）。

冷却

　　在操作过程中，电子及机械部件会产生热量，系统必须排除热量以确保组件的正常运作。大多数刀片机箱和大多数计算系统一样都是通过风扇散热的。刀片共享能源和冷却意味着不会产生传统服务器那么多的热量。新型刀片封装设计采用了高速可调节的风扇和控制逻辑，根据系统的需求调节冷却，甚至是采用水冷系统。

　　与此同时，刀片服务器配置越来越高的密度仍然会导致整体冷却需求增长，对于早期刀片来说更是如此。一个完全配置的刀片服务器机架可能要求比标准1U服务器更高的冷却能力。这是因为你可以向一个原本只能容纳42个1U机架服务器的空间内装进128个刀片。

网络

　　计算机制造商开始更多地出货配备了高速和集成网络接口的产品，而且大多数都是可扩展能够支持更快、更具弹性和运行在不同传输介质（铜线和光纤）的附加连接。这也许要求在刀片的设计和制造上下更多工夫，需要占用安装空间和容量空间，因此会增加复杂性。高速网络拓扑要求有高成本高速度的集成电路和媒介，而大多数计算机并不是百分百地使用带宽。

　　这种刀片封装提供了一个或者多个可以连接刀片的网络总线，不管是单独地在一个位置提供这些端口，还是聚合成数量更少的端口以削减连接单独设备的成本。可用端口可提供给机箱本身或者在网络刀片中。

　　从功能上讲，一个刀片机箱可以有两种网络模块：交换或者直通。

存储

　　虽然计算机通常是使用硬盘来保存操作系统、应用和数据的，但这在本地并不是必须的。虽然很多存储连接方式（例如FireWire、SATA、E-SATA、SCSI、DAS、FC和iSCSI）是可以随时用于除了服务器之外的地方，但是并非所有都是用于大型企业环境的。在计算机中配置这些连接方式会带来和网络接口一样的挑战，同样地可以从刀片上移除，独立或者聚合地用于机箱中或者其他刀片。

　　能够从SAN启动刀片的能力可以实现一个完全不需要磁盘的刀片。这使得更多的电路板空间用于增加CPU上。而一些刀片服务器可能包括或者不包括内置服务器设备，当然这取决于不同的厂商。

其他刀片

　　因为刀片封装提供了为计算机设备交付基本服务的标准方法，或者其他类型的设备也可以利用刀片封装。提供了交换、路由、存储、SAN和光纤通道的刀片可以插入封装中，为封装中的所有计算部分提供这些服务。

　　系统管理员可以利用存储刀片而无需额外的逻辑存储。

第5页：刀行天下 锋向云巅 　　

　　随着企业的数据积累不断增加，企业的需要处理的信息量不断加大之后，刀片服务器的优势也在越来越多的领域时体现出来。总的来说，刀片服务器有以下三大优点：

　　装机密度高：以IBM的BladeCenter E为例，单机箱可装14个刀片，而机箱高度为7U，也就是说比传统的1U机架服务器的密度高了一倍，或者说占用的机架空间少了一倍，这也就变向节省了成本。另一方面，这种高密度也让单位的IT管理人员/服务器数量比大大降低，也有效提高了单位人工的管理效率。

　　可扩展灵活性与可维护性高：刀片的整体封装与集成化、热插拔设计、简约的I/O连接架构，让刀片服务器的可维护性比传统机架服务器更高，便于管理人员迅速根据应用需求进行弹性调整，而且这种特性使其非常适合于集群化的服务器架构。

　　更为节能高效：仍以IBM的BladeCenter E为例，双电源共4600W左右，而7台1U服务器基本上要到4800W左右，而且刀片机箱已经集成了网络交换设备，所以在电力消耗方面比机架服务器方案更节省，节省的幅度最高可达30%左右，这也符合当前绿色化IT的潮流。

　　总体上看，刀片服务器很适合于网络托管、虚拟化和集群计算等特定目的。单个刀片通常是可热插拔的。随着用户向刀片服务器中增加更多的处理能力、内存和I/O带宽，他们可以应对更大更多样化的工作负载。所以对于大规模的服务器应用，或者是空间紧凑的应用需求，刀片服务器都是理想的选择。不过，较传统的机架服务器它也有自己的一些不足，比如单机成本更高，不利用规模较小的企业采用；机箱设计更为复杂，而且没有标准化，这也将限制用户的选择自由度（选择一家厂商的刀片服务器，以后就不能升级到其他厂商的刀片，只能重新购买，但机架服务器没有问题，因为机架是通用的）；另一方面刀片服务器的能耗密度非常大，这对于传统的机架供电来说是个考验。