Лезвийные серверы: экономия энергии и пространства.

Введение

Серверный компьютер, потребляющий меньше энергии и занимающий меньше места, чем традиционный сервер.

Блейд-сервер – это упрощенный серверный компьютер с модульной конструкцией, оптимизированной для минимизации использования физического пространства и энергии. Из блейд-серверов удалено множество компонентов для экономии места, снижения энергопотребления и других целей, при этом сохраняются все функциональные компоненты, необходимые для работы как полноценного компьютера. В отличие от серверного оборудования, устанавливаемого в стойку, блейд-сервер размещается внутри блейд-шасси, которое может содержать несколько блейд-серверов и обеспечивать их питанием, охлаждением, сетевым подключением, различными соединениями и управлением. Вместе блейды и блейд-шасси образуют блейд-систему, которую также можно установить в стойку. Разные производители блейд-серверов придерживаются различных принципов относительно того, какие компоненты включать непосредственно в блейд, а какие – в блейд-систему в целом. В стандартной конфигурации серверной стойки минимально возможный размер оборудования определяется одной юнитом стойки (1U) – по высоте и ширине. Основное преимущество и обоснование блейд-вычислений заключается в преодолении этого ограничения для уменьшения требований к размерам. Наиболее распространенный форм-фактор серверной стойки – 42U, что ограничивает количество отдельных компьютерных устройств, которые можно непосредственно установить в стойку, до 42 единиц. Блейд-серверы не имеют этого ограничения. По состоянию на 2014 год, с помощью блейд-систем можно достичь плотности до 180 серверов в одной системе (или 1440 серверов в одной стойке).

Ограждение лезвия

Ограждение (или шасси) выполняет многие из вспомогательных, не относящихся к основным вычислениям, сервисов, которые присутствуют в большинстве компьютеров. Традиционные, неблейд-системы обычно используют громоздкие, выделяющие много тепла и занимающие много места компоненты, и могут дублировать их в нескольких компьютерах, которые могут работать не на полную мощность. Концентрируя эти сервисы в одном месте и предоставляя их в совместное пользование блейд-серверам, достигается более высокая общая утилизация ресурсов. Конкретный набор предоставляемых сервисов зависит от производителя.

Мощность

Компьютеры работают в диапазоне напряжений постоянного тока, но энергоснабжающие организации поставляют электроэнергию в виде переменного тока и при более высоких напряжениях, чем требуется для работы компьютеров. Для преобразования этого тока необходим один или несколько блоков питания (или ПСУ). Чтобы гарантировать, что отказ одного источника питания не повлияет на работу компьютера, даже серверы начального уровня могут иметь резервные блоки питания, что опять же увеличивает габариты и тепловыделение системы. Блок питания корпуса блейд-серверов обеспечивает единый источник питания для всех блейдов внутри корпуса. Этот единый источник питания может быть реализован в виде блока питания, встроенного в корпус, или в виде выделенного отдельного ПСУ, обеспечивающего постоянным током несколько корпусов. Такая схема позволяет сократить количество ПСУ, необходимых для обеспечения надежного электропитания. Популярность блейд-серверов и их высокая потребность в энергии привели к увеличению числа устанавливаемых в стойку источников бесперебойного питания (или UPS), включая устройства, разработанные специально для блейд-серверов (например, BladeUPS).

Охлаждение

Во время работы электрические и механические компоненты выделяют тепло, которое система должна отводить для обеспечения правильной работы своих компонентов. Большинство блейд-шасси, как и большинство вычислительных систем, отводят тепло с помощью вентиляторов. Часто недооцениваемой проблемой при проектировании высокопроизводительных компьютерных систем является несоответствие между количеством тепла, выделяемого системой, и способностью её вентиляторов рассеивать это тепло. Благодаря общему питанию и системе охлаждения, блейд-серверы выделяют меньше тепла, чем традиционные серверы. Блейд-шасси оснащаются вентиляторами с регулируемой скоростью и логикой управления, а также, в некоторых случаях, системами жидкостного охлаждения, которые адаптируются к потребностям системы в охлаждении. В то же время, повышенная плотность блейд-серверных конфигураций может приводить к увеличению общей потребности в охлаждении, особенно при заполненности стоек более чем на 50%. Это особенно актуально для блейд-серверов первого поколения. В абсолютном выражении, полностью заполненная стойка блейд-серверами, скорее всего, потребует большей мощности охлаждения, чем полностью заполненная стойка стандартных 1U серверов. Это объясняется тем, что в одной и той же стойке можно разместить до 128 блейд-серверов, в то время как 1U серверов поместится только 42.

Сетевые связи

Блэд-серверы обычно включают интегрированные или дополнительные сетевые контроллеры для Ethernet, хост-адаптеры для систем хранения Fibre Channel или конвергированные сетевые адаптеры для объединения хранения данных и передачи данных через один интерфейс Fibre Channel over Ethernet. Во многих блэдах как минимум один интерфейс встроен в материнскую плату, а дополнительные интерфейсы можно добавить с помощью мезаннинных карт. Корпус блэд-серверов может предоставлять отдельные внешние порты для подключения каждого сетевого интерфейса блэда. В качестве альтернативы, корпус блэд-серверов может объединять сетевые интерфейсы во взаимосвязанные устройства (например, коммутаторы), встроенные в корпус или в сетевые блэды.

Хранение

В то время как компьютеры обычно используют жесткие диски для хранения операционных систем, приложений и данных, они не всегда необходимы локально. Многие методы подключения к хранилищу (например, FireWire, SATA, E SATA, SCSI, SAS DAS, FC и iSCSI) могут быть легко вынесены за пределы сервера, хотя не все из них используются в корпоративных установках. Реализация этих интерфейсов подключения внутри компьютера создает схожие проблемы с сетевыми интерфейсами (фактически, iSCSI работает поверх сетевого интерфейса), и, подобно им, они могут быть удалены с модуля и представлены отдельно или объединены либо на шасси, либо через другие модули. Возможность загрузки модуля из сети хранения данных (SAN) позволяет создать модуль, полностью лишенный дисков, примером чего является модульная серверная система Intel.

Другие лопасти

Поскольку корпуса с лезвиями обеспечивают стандартный способ предоставления основных сервисов компьютерным устройствам, другие типы устройств также могут использовать корпуса с лезвиями. Лезвия, обеспечивающие коммутацию, маршрутизацию, хранение данных, SAN и доступ к Fibre Channel, могут устанавливаться в корпус для предоставления этих сервисов всем устройствам в корпусе. Системные администраторы могут использовать лезвия хранения данных при необходимости дополнительной локальной памяти.

Применение

Блейд-серверы эффективно работают для определенных задач, таких как веб-хостинг, виртуализация и кластерные вычисления. Отдельные модули обычно поддерживают горячую замену. По мере того, как пользователи сталкиваются с более крупными и разнообразными рабочими нагрузками, они увеличивают вычислительную мощность, объем памяти и пропускную способность ввода-вывода блейд-серверов. Хотя технология блейд-серверов теоретически допускает использование открытых систем от разных производителей, большинство пользователей приобретают модули, корпуса, стойки и инструменты управления у одного поставщика. В конечном счете, стандартизация технологии может расширить выбор для потребителей; все больше сторонних разработчиков программного обеспечения выходят на этот растущий рынок. Однако блейд-серверы не являются решением для всех вычислительных задач. Их можно рассматривать как разновидность готовой серверной фермы, использующей технологии компоновки, охлаждения и электропитания, заимствованные у мэйнфреймов. Для решения очень больших вычислительных задач по-прежнему могут потребоваться серверные фермы из блейд-серверов, и из-за высокой плотности мощности блейд-серверов проблемы с отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха, характерные для крупных традиционных серверных ферм, могут усугубиться.

История

Разработчики впервые размещали полноценные микрокомпьютеры на платах и упаковывали их в стандартные 19-дюймовые стойки в 1970-х годах, вскоре после появления 8-битных микропроцессоров. Эта архитектура использовалась в промышленности для управления технологическими процессами как альтернатива системам управления на базе мини-ЭВМ. Ранние модели хранили программы в ПЗУ (EPROM) и были ограничены выполнением одной функции с небольшим исполнительным механизмом реального времени. Архитектура VMEbus (около 1981 года) определила компьютерный интерфейс, включающий реализацию компьютера на уровне платы, устанавливаемого в заднюю панель шасси с несколькими слотами для подключаемых плат, обеспечивающих ввод-вывод, память или дополнительные вычислительные возможности. В 1990-х годах группа производителей промышленных компьютеров PCI PICMG разработала структуру шасси/модуля для развивающейся шины PCI Peripheral Component Interconnect, известной как CompactPCI. CompactPCI была фактически изобретена компанией Ziatech Corp из Сан-Луис-Обиспо, штат Калифорния, и стала отраслевым стандартом. Общей чертой этих компьютеров на базе шасси было то, что все шасси представляло собой единую систему. Хотя шасси могло включать несколько вычислительных элементов для обеспечения необходимого уровня производительности и резервирования, всегда присутствовала одна управляющая плата или две резервные, координирующие работу всей системы. Более того, эта системная архитектура предоставляла возможности управления, отсутствующие в обычных стойковых компьютерах, больше напоминая системы сверхвысокой надежности, управляющие источниками питания, вентиляторами охлаждения, а также осуществляющие мониторинг состояния других внутренних компонентов. Возникшая потребность в управлении сотнями и тысячами серверов в развивающихся центрах обработки данных Интернет, где не хватало персонала для поддержания необходимого темпа, потребовала новой серверной архитектуры. В 1998 и 1999 годах эта новая архитектура Blade Server была разработана в Ziatech на базе их платформы Compact PCI для размещения до 14 "серверных модулей" в стандартном 19-дюймовом шасси высотой 9U, что позволяло разместить до 84 серверов в стандартной 84-разрядной 19-дюймовой стойке. Эта новая архитектура предоставила набор новых интерфейсов к оборудованию, специально предназначенных для обеспечения возможности удаленного мониторинга состояния и производительности всех основных заменяемых модулей, которые можно было менять/заменять во время работы системы. Возможность менять/заменять или добавлять модули в систему во время ее работы известна как горячая замена (Hot Swap). В отличие от других серверных систем, серверы Ketris Blade маршрутизировали Ethernet по задней панели (где подключались серверные модули), что позволило исключить более 160 кабелей в одном 84-разрядном шасси высотой 19 дюймов. Для крупного центра обработки данных это позволило бы исключить десятки тысяч Ethernet-кабелей, склонных к отказам. Кроме того, эта архитектура обеспечивала возможность инвентаризации установленных в системе модулей удаленно в каждом системном шасси без работы серверных модулей. Эта архитектура позволила осуществлять удаленную подготовку (включение питания, установку операционных систем и прикладного программного обеспечения) (например, веб-серверов) из центра сетевых операций (NOC). Архитектура системы, представленная в момент анонса, получила название Ketris, в честь меча Кетри, который кочевники носили таким образом, чтобы его можно было быстро извлечь при необходимости. Идея впервые возникла у Дэйва Боттома и была разработана инженерной командой Ziatech Corp в 1999 году и продемонстрирована на выставке Networld+Interop в мае 2000 года. Патенты на архитектуру сервера Ketris blade были получены. В октябре 2000 года Ziatech была приобретена Intel Corp, и системы Ketris Blade Server стали продуктом Intel Network Products Group. PICMG расширила спецификацию CompactPCI за счет использования стандартного Ethernet-соединения между платами по задней панели. Спецификация PICMG 2.16 CompactPCI Packet Switching Backplane была принята в сентябре 2001 года. Это обеспечило первую открытую архитектуру для многосерверного шасси. Второе поколение Ketris было разработано в Intel в качестве архитектуры для телекоммуникационной отрасли для поддержки развертывания IP-услуг связи и, в частности, сети сотовой связи LTE (Long Term Evolution). PICMG продолжила разработку более крупной и многофункциональной спецификации AdvancedTCA, ориентированной на потребность телекоммуникационной отрасли в высокодоступной и плотной вычислительной платформе с длительным сроком службы (10+ лет). Хотя системы и платы AdvancedTCA обычно продаются по более высокой цене, чем серверы blade, эксплуатационные расходы (затраты на персонал для управления и обслуживания) значительно ниже, при этом эксплуатационные расходы часто превышают затраты на приобретение традиционных серверов. AdvancedTCA продвигается для телекоммуникационных клиентов, однако в реальных условиях внедрения в центрах обработки данных Интернет, где затраты на тепловое и другое техническое обслуживание и эксплуатацию стали непомерно высокими, эта архитектура сервера blade с удаленной автоматизированной подготовкой, мониторингом состояния и производительности и управлением оказалась значительно менее затратной в эксплуатации. Первая коммерциализированная архитектура сервера blade была изобретена Кристофером Хиппом и Дэвидом Киркби, а патент на нее был передан компании RLX Technologies, базирующейся в Хьюстоне. RLX, состоявшая в основном из бывших сотрудников Compaq Computer Corporation, включая Хиппа и Киркби, поставила свой первый коммерческий сервер blade в 2001 году. RLX была приобретена Hewlett Packard в 2005 году. Название blade server появилось, когда плата включала процессор, память, ввод-вывод и энергонезависимую память программ (флэш-память или небольшой жесткий диск(и)). Это позволило производителям упаковывать полноценный сервер с операционной системой и приложениями на одну плату/модуль/blade. Эти модули затем могли работать независимо внутри общего шасси, выполняя работу нескольких отдельных серверных блоков более эффективно. Помимо наиболее очевидной выгоды от этой упаковки (меньшее занимаемое пространство), дополнительные преимущества в плане энергопотребления, охлаждения, управления и сетевого взаимодействия стали очевидны благодаря объединению или совместному использованию общей инфраструктуры для поддержки всего шасси, а не предоставлению каждого из этих элементов для каждого серверного блока. В 2011 году исследовательская компания IDC назвала основными игроками на рынке blade-серверов HP, IBM, Cisco и Dell. Другими компаниями, продающими blade-серверы, являются Supermicro и Hitachi.

Developers first placed complete microcomputers on cards and packaged them in standard 19 inch racks in the 1970s, soon after the introduction of 8 bit microprocessors. This architecture was used in the industrial process control industry as an alternative to minicomputer based control systems. Early models stored programs in EPROM and were limited to a single function with a small real time executive. The VMEbus architecture (c. 1981) defined a computer interface that included implementation of a board level computer installed in a chassis backplane with multiple slots for pluggable boards to provide I/O, memory, or additional computing. In the 1990s, the PCI Industrial Computer Manufacturers Group PICMG developed a chassis/blade structure for the then emerging Peripheral Component Interconnect bus PCI called CompactPCI. CompactPCI was actually invented by Ziatech Corp of San Luis Obispo, CA and developed into an industry standard. Common among these chassis based computers was the fact that the entire chassis was a single system. While a chassis might include multiple computing elements to provide the desired level of performance and redundancy, there was always one master board in charge, or two redundant fail over masters coordinating the operation of the entire system. Moreover, this system architecture provided management capabilities not present in typical rack mount computers, much more like in ultra high reliability systems, managing power supplies, cooling fans as well as monitoring health of other internal components. Demands for managing hundreds and thousands of servers in the emerging Internet Data Centers where the manpower simply didn't exist to keep pace a new server architecture was needed. In 1998 and 1999 this new Blade Server Architecture was developed at Ziatech based on their Compact PCI platform to house as many as 14 "blade servers" in a standard 19" 9U high rack mounted chassis, allowing in this configuration as many as 84 servers in a standard 84 Rack Unit 19" rack. What this new architecture brought to the table was a set of new interfaces to the hardware specifically to provide the capability to remotely monitor the health and performance of all major replaceable modules that could be changed/replaced while the system was in operation. The ability to change/replace or add modules within the system while it is in operation is known as Hot Swap. Unique to any other server system the Ketris Blade servers routed Ethernet across the backplane (where server blades would plug in) eliminating more than 160 cables in a single 84 Rack Unit high 19" rack. For a large data center tens of thousands of Ethernet cables, prone to failure would be eliminated. Further this architecture provided the capabilities to inventory modules installed in the system remotely in each system chassis without the blade servers operating. This architecture enabled the ability to provision (power up, install operating systems and applications software) (e. g. a Web Servers) remotely from a Network Operations Center (NOC). The system architecture when this system was announced was called Ketris, named after the Ketri Sword, worn by nomads in such a way as to be drawn very quickly as needed. First envisioned by Dave Bottom and developed by an engineering team at Ziatech Corp in 1999 and demonstrated at the Networld+Interop show in May 2000. Patents were awarded for the Ketris blade server architecture. In October 2000 Ziatech was acquired by Intel Corp and the Ketris Blade Server systems would become a product of the Intel Network Products Group. PICMG expanded the CompactPCI specification with the use of standard Ethernet connectivity between boards across the backplane. The PICMG 2.16 CompactPCI Packet Switching Backplane specification was adopted in Sept 2001. This provided the first open architecture for a multi server chassis. The Second generation of Ketris would be developed at Intel as an architecture for the telecommunications industry to support the build out of IP base telecom services and in particular the LTE (Long Term Evolution) Cellular Network build out. PICMG followed with this larger and more feature rich AdvancedTCA specification, targeting the telecom industry's need for a high availability and dense computing platform with extended product life (10+ years). While AdvancedTCA system and boards typically sell for higher prices than blade servers, the operating cost (manpower to manage and maintain) are dramatically lower, where operating cost often dwarf the acquisition cost for traditional servers. AdvancedTCA promote them for telecommunications customers, however in the real world implementation in Internet Data Centers where thermal as well as other maintenance and operating cost had become prohibitively expensive, this blade server architecture with remote automated provisioning, health and performance monitoring and management would be a significantly less expensive operating cost. The first commercialized blade server architecture was invented by Christopher Hipp and David Kirkeby, and their patent was assigned to Houston based RLX Technologies. RLX, which consisted primarily of former Compaq Computer Corporation employees, including Hipp and Kirkeby, shipped its first commercial blade server in 2001. RLX was acquired by Hewlett Packard in 2005. The name blade server appeared when a card included the processor, memory, I/O and non volatile program storage (flash memory or small hard disk(s)). This allowed manufacturers to package a complete server, with its operating system and applications, on a single card/board/blade. These blades could then operate independently within a common chassis, doing the work of multiple separate server boxes more efficiently. In addition to the most obvious benefit of this packaging (less space consumption), additional efficiency benefits have become clear in power, cooling, management, and networking due to the pooling or sharing of common infrastructure to support the entire chassis, rather than providing each of these on a per server box basis. In 2011, research firm IDC identified the major players in the blade market as HP, IBM, Cisco, and Dell. Other companies selling blade servers include Supermicro, Hitachi.

Модели лезвия

Известными брендами на рынке блейд-серверов являются Supermicro, Cisco Systems, HPE, Dell и IBM, хотя последняя продала свой бизнес x86 серверов компании Lenovo в 2014 году, после продажи своей линейки потребительских ПК компании Lenovo в 2005 году. В 2009 году Cisco представила блейды в своей линейке продуктов Unified Computing System, состоящей из шасси высотой 6U, вмещающих до 8 блейд-серверов в каждом шасси. В ее состав входил сильно модифицированный коммутатор Nexus 5K, переименованный в fabric interconnect, и программное обеспечение для управления всей системой. Первоначальная линейка HP состояла из двух моделей шасси: c3000, вмещающий до 8 блейд-серверов ProLiant половинной высоты (также доступных в форм-факторе tower), и c7000 (10U), вмещающий до 16 блейд-серверов ProLiant половинной высоты. Продукт Dell, M1000e, представляет собой модульный корпус 10U и вмещает до 16 блейд-серверов PowerEdge половинной высоты или 32 блейда четвертной высоты.