Вполне возможно, что вскоре, сохранив свой вид, шасси и платы CompactPCI будут передавать совершенно иной трафик.

Oператоры и провайдеры услуг первого уровня всегда требовали надежности на уровне «пяти девяток» (99,999%) для своих систем коммутации и вычислительных решений. Вот почему массовые ПК так долго не могли занять достойное место в конвергентных решениях с жесткими требованиями к операционной среде.

B начале 1994 г. RuggedPCI была задумана специалистами компании Ziatech (теперь входящей в состав Intel) как способ создания относительно недорогого, высоко эффективного, надежного и легко модернизируемого аппаратного обеспечения с открытой архитектурой для сетей с коммутацией каналов и пакетов. Новая шина, вскоре переименованная в CompactPCI, представляет собой микросхему PCI, размещаемую на соединителях и платах в евростиле. В соответствии со стандартами группы производителей промышленных компьютеров на базе PCI (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, PICMG), эти платы с «горячей» заменой, как представлялось, должны были удовлетворить требования телекоммуникационных компаний к быстрому техническому обслуживанию. Среди характеристик cPCI, ориентированных на поддержку конвергенции, — источники питания на 48 В, благодаря которым микросхема совместима с другим оборудованием телефонной станции; большинство поставщиков технологии cPCI на 48 В предлагают двойные или даже тройные конфигурации источников питания с избыточностью N+1. Кроме того, в спецификации cPCI была принята разработанная Форумом корпоративной компьютерной телефонии (Enterprise Computer Telephony Forum, ECTF) шина H.110 CT для плат ввода/вывода. H.110 предоставляет внутреннюю магистраль шасси для цифровой телефонии с мультиплексированием с разделением по времени, поддерживающим 4096 временных периодов.

На ратификацию всех этих спецификаций ушло несколько лет. Теперь, когда уже можно говорить о зрелости cPCI, становится очевидным, что данная технология имеет несколько существенных ограничений.

ПРОБЛЕМЫ cPCI

Прежде чем CompactPCI начали активно внедрять в телекоммуникационной отрасли, в медицине, в промышленности и в оборонном секторе, с 1981 г. основной платформой для телекоммуникационных систем старшего класса и других вычислительных систем реального времени служила Versa Module Europa (VME). Появившаяся еще в 1981 г., VME поддерживает огромное число протоколов и применяется очень широко. Она представляет собой незамкнутую, гибкую шину объединительной панели с 32-разрядным каналом передачи данных и, как и CompactPCI, создана на основе надежного стандарта Eurocard.

Но, в отличие от PCI, VME имеет достаточно эффективную схему прерываний, благодаря чему на объединительной панели (backplane) можно разместить 21 посадочное место. Между тем всего лишь год назад APW Electronic Solutions представила свою объединительную панель StealthBridge с поддержкой 21 платы cPCI и полным комплектом монтируемых на задней панели переходных плат ввода/вывода, что дает два или даже больше дополнительных слота на систему. Это существенный выигрыш, учитывая, что два слота предоставляют восемь дополнительных линий T1, или 256 полнодуплексных телефонных каналов.

Кроме того, в крупномасштабной системе cPCI с несколькими платами центрального процессора один слот — System Slot — должен поддерживать такие функции, как генерация синхроимпульсов, обработка прерываний и арбитраж шины, т. е. отказ System Slot может привести к остановке всей системы. А у каждого модуля шасси должны иметься совместимые с операционной системой драйверы для работы с контроллером Slot One. Это значит, что вам понадобятся специфичные для ОС драйверы, что может существенно усложнить разработку продуктов. С аппаратной точки зрения одним из возможных вариантов может стать перенос этих функций на другую подключаемую плату или переходный модуль, размещаемый на задней панели, и обеспечение их избыточности. В дальнейшем потребуется стандартизировать и адаптировать драйверы ко множеству платформ операционных систем.

Стандартные подсистемы cPCI взаимодействуют через единый интерфейс шины cPCI. Это тоже критичная к ошибке точка, поэтому вся система становится неработоспособной, если контроллер интерфейса на одной подсистеме «захватывает» шину. Кроме того, если штырек погнется во время «горячей» замены микросхемы, то на плате может произойти короткое замыкание, и вся система выйдет из строя. Сама по себе шина PCI — это зона особого риска.

В более дорогих системах отказоустойчивость может быть достигнута за счет использования избыточных шин cPCI, но количество слотов ограничено шириной шасси. Кроме того, шина PCI (в разделяемой архитектуре) имеет теоретическую пропускную способность 533 Мбит/с при всего пяти слотах на шине с тактовой частотой 66 МГц, что намного меньше пропускной способности, к примеру, последних предлагаемых версий Ethernet.

Со временем шина H.110 (всего с 4096 базовыми временными интервалами) стала казаться довольно анемичной. Достаточно напомнить, что современная крупномасштабная система может использовать в десятки раз больше временных интервалов. Безусловно, необходимы более совершенная распределенная технология обработки и улучшенные схемы взаимодействия между модулями.

ИЗБАВЛЕНИЕ ОТ НЕДОСТАТКОВ

Упомянутые ограничения стали стимулами к реализации серьезных проектов в области исследований и разработок, в результате чего оборудование Compact PCI может серьезно измениться. Вполне возможно, что вскоре шасси и платы CompactPCI внешне будут выглядеть без изменений, но трафик данных, передаваемый по сигнальным трассам на объединительной панели, больше не будет соответствовать сигнальным характеристикам PCI.

Коротко говоря, — это CompactPCI без PCI. Конечно, обратная совместимость с платами cPCI H.110 в течение какого-то времени будет поддерживаться, поэтому унаследованные системы не останутся без применения.

Эти новые методы принимают разные формы (см. врезку «Варианты реализации объединительной панели», где представлены спецификации PICMG 2.13, 2.16 и 2.17).

Так называемые «объединительные панели с коммутацией пакетов» стали первой из новых технологий, реализованных в конструктиве CompactPCI. Объединительные панели с коммутацией пакетов созданы на основе недорогой, хорошо известной сетевой технологии. Поскольку пока у Ethernet пропускная способность больше, чем у шины PCI, многие производители решили создавать «локальную сеть в одном модуле» и подключать к ней платы в соответствии со спецификацией PICMG 2.16.

Через два года шина PCI должна позволить применять усовершенствованные «последовательные и псевдопоследовательные коммутирующие структуры», такие, как InfiniBand, разрабатываемая целым рядом компаний: Compaq, Dell, HP, IBM, Intel, Microsoft и Sun Microsystems. Называемая «законным наследником» будущих компьютерных архитектур, InfiniBand должна дать миру серверов столь необходимый толчок к развитию в таких областях, как пропускная способность и отказоустойчивость. В отличие от PCI каналы InfiniBand могут простираться за пределы модуля, позволяя создавать гибкие сетевые соединения, легко масштабируемые и при этом отказоустойчивые.

INFINIBAND

Мы встретились с Кевином Диэрлингом, вице-президентом по маркетингу продуктов компании Mellanox Technologies, попытавшейся связать InfiniBand будущего с PCI прошлого. Технология InfiniBridge от Mellanox была реализована в январе прошлого года.

Плата с микросхемой InfiniBridge выглядит как стандартная плата PCI (версия cPCI сейчас разрабатывается), и, конечно, она взаимодействует с микросхемой унаследованной шины PCI. Но InfiniBridge может поддерживать каналы на 10 Гбит/с по медным кабелям протяженностью до 17 м. Канал на 10 Гбит/с состоит из четырех каналов на 2,5 Гбит/с, где используется так называемый метод «чередование байтов» — первый байт данных посылается по первой витой паре, второй — по следующей и т. д. Это напоминает мультиплексирование с разделением по времени, за исключением того, что байты разделяются по каналам параллельно, а не последовательно.

«Насколько нам известно, мы — единственная компания, которая может передавать данные со скоростью 10 Гбит/с по медному кабелю, что в десять раз дешевле, чем эквивалентная волоконная технология на 10 Гбит/с», — заметил Диэрлинг.

InfiniBridge не меняет структуру транспортировки сигналов в объединительной панели, поскольку они передаются через кабели и соединители. «Мы создали архитектуры, в которых сигналы проходят через соединители на объединительной панели, — подчеркнул Диэрлинг, — но добавить кабели довольно легко, и панель при этом не будет отличаться никакими специальными характеристиками. Конкурирующие волоконные технологии, на самом деле, предназначены для сетей большой протяженности. Они не подходят для центров обработки данных или центров связи, где необходимо создать лишь соединения между платами и шасси и не требуется соединений через городскую сеть. Именно в этом случае и пригодятся наши решения».

Еще одна новая технология Mellanox называется InfiniPCI.

«Микросхемы InfiniPCI позволяют отображать семантику PCI (память, циклы ввода/вывода и циклы конфигурации) на семантику InfiniBand, — подчеркнул Диэрлинг, — и в то же время выполнять обратное отображение. Все это осуществляется прозрачным образом для операционной системы, драйверов устройств и даже для BIOS. Это значит, что мы можем загружать Linux и Windows 2000 через структуру InfiniBand так, что загрузочный диск будет расположен на противоположной стороне структуры InfiniBand на иной машине, но программное обеспечение на этой стороне станет «считать», что оно имеет дело с локальным мостом между платами PCI на объединительной панели или на системной плате. Таким образом, пользователи могут работать с имеющимся программным обеспечением, одновременно используя возможности InfiniBand».

«В будущем по мере того, как InfiniBand станет встраиваться во все основные операционные системы, пользователи смогут модернизировать программное обеспечение, в результате чего характеристики производительности и взаимосвязи между устройствами ввода/вывода и центральными процессорами резко изменятся, — считает Диэрлинг. — Но уже сейчас вы можете развертывать эту технологию без каких-либо изменений в своем ПО. Если приложению не хватает посадочных мест, то достаточно подключить другое шасси, просто установив плату на каждой машине, что позволит получить скрытое соединение InfiniBand на 10 Гбит/с между модулями PCI».

Вне зависимости от того, какие таинственные сигналы передаются по скрытому оборудованию CompactPCI, в ближайшие несколько лет PCI/cPCI будут применяться повсюду. В настоящее время серьезные усилия направлены на то, чтобы сделать будущие усовершенствования в cPCI совместимыми с более старыми микросхемами PCI. К примеру, компания Flextel даже создает систему (netVision 5000 MultiService Platform), благодаря которой платы CompactPCI, PCI и ISA смогут мирно соседствовать друг с другом в одном и том же шасси.

«PCI/cPCI впереди ждет долгая жизнь, — уверен Диэрлинг. — Некоторые особенности нашей технологии InfiniPCI помогут продлить жизнь PCI, а также преодолеть ряд ограничений, характерных для шасси PCI и cPCI. В перспективе мы планируем разработку новых дополнительных устройств для поддержки PCI по мере перехода на новые коммутирующие структуры».

cPCI В НОВОЙ СЕТИ

По мере того как движение к конвергенции продолжает набирать темп, все возрастающая ресурсоемкость приложений может стать серьезным испытанием для CompactPCI.

Компания Force Computers, возможно, самый крупный в мире производитель аппаратного обеспечения cPCI, называет четыре основных приложения для конвергентных сетей, при развертывании которых будут использоваться платформы CompactPCI.

Шлюз сигнализации (Signaling Gateway, SG). SG преобразует SS7 в SS7/IP (SIGTRAN) и передает сообщение на MGC для обработки звонков.

Контроллер шлюза между средами передачи/агент вызовов (Media Gateway Controller/Call Agent, MGC). MGC отвечает за регистрацию и управление ресурсами MG, поддержку и обработку всех звонков.

Шлюз между средами передачи (Media Gateway, MG). MG отображает и транскодирует трафик между сетью IP-телефонии и ТФоП. Им управляет MGC. MG бывают следующих типов: магистральные шлюзы, шлюзы доступа и шлюзы для небольшого офиса/домашнего офиса (SOHO).

Привратники (Gatekeepers, GK) и посредники/серверы переадресации (Proxy/Redirect Server). Они отвечают за регистрацию, определение прав доступа, служат для контроля состояния шлюзов и терминалов, а также выполняют преобразование адресов и могут поддерживать и обрабатывать звонки.

В любом случае будущее CompactPCI разнообразно, волнующе и в чем-то непредсказуемо.

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

Попытка представить ситуацию с cPCI в целом — задача непростая.

Если вы обратитесь к обзору продуктов на сайте Web журнала Communications Convergence, то заметите появление нескольких новых объединительных панелей с коммутацией пакетов (PICMG 2.16). Идея объединительной панели Ethernet с коммутацией пакетов принадлежит компании Performance Technologies: она добавила CPC3400 — коммутатор операторского класса — к своему семейству продуктов IPnexus, ориентированному на Ethernet. Motorola Computer Group объявила о собственной архитектуре PXP примерно в то же самое время, что и PTI. (PXP — часть платформы MXP.)

Вслед за решениями PTI и Motorola были анонсированы такие продукты, как Compact Packet Switched Backplane (cPSB) с 16 слотами компании Bustronic, семейство продуктов Hi-5 Voice-over-Packet компании Continuous Computing, объединительные панели cPSB серии PS4900 Series компании Kaparel и семейство монтируемых в стойку устройств Xtreamlink компании Kontron Communications, ранее называвшейся Teknor Applicom.

Том Сазерленд, директор по маркетингу продуктов компании Kaparel, заметил: «Мы работаем с несколькими производителями аппаратного обеспечения, включая Performance Techno-logies, предлагая им для тестирования объединительные панели, и видим, что системным разработчикам необходима архитектура 2.16».

Даже Force Computers не осталась в стороне, предложив пакетную систему объединительной панели, новую Force Centellis CO 21000-12U.

Сейчас вокруг пакетных объединительных панелей царит такая неразбериха, что никто не может с уверенностью сказать, существуют ли платы, которые можно в них устанавливать. MTN5300 компании Mapletree Networks представляет собой плату CompactPCI, предназначенную для систем доступа и шлюзов операторского класса; она способна посылать сигналы Ethernet через объединительную панель или через традиционные соединители RJ-45. Система HighWire400c/M от SBE — это усовершенствованная платформа базовой обработки на основе PowerPC с двумя портами Ethernet и поддержкой cPSB.

МЕЗОНИННОЕ БЕЗУМИЕ

Вы наверняка заметили появление новых терминов в описаниях плат Compact PCI. Это связано с так называемыми «мезонинными модулями», еще один побочным продуктом быстрой эволюции PCI/CompactPCI. Больше нет необходимости разрабатывать абсолютно новые платы для реализации дополнительных функций, поскольку теперь существует множество плат cPCI, на которых предусмотрены различные «площадки» для установки дополнительных мезонинных плат. Вам нужен доступ T1/E1? Воспользуйтесь самой подходящей для этого мезонинной платой — аналогом дочерней платы. Одна из ее сторон подключена к основной несущей плате, а другая позволяет передавать/принимать сигналы ввода/вывода через переднюю панель.

Даже если поиски совершенной мезонинной платы закончились впустую, намного проще (и быстрее) создать мезонинную плату, чем новую основную транспортную плату. Вы можете «персонифицировать» свои функции ввода/вывода, настроив их в соответствии с требованиями установленного приложения.

Как и всегда в этой отрасли, выбор различных конструктивов мезонинных плат очень широк, хотя постепенно устанавливаются некоторые стандарты. В Европе для промышленных приложений управления чаще всего применяется M-Module, а новая тонкая модульная шина PC-MIP имеет электрические и логические уровни, аналогичные PCI, позволяя устанавливать компоненты по обеим сторонам модуля. Безусловный фаворит коммуникационной отрасли — PCI Mezzanine Card (PMC). Даже корпорация Sun Microsystems, которая свои платы с процессорами SPARC поставляет обычно с так называемыми модулями S-bus, недавно перешла на технологию PMC.

Как и следовало ожидать, PICMG предложила новую мезонинную спецификацию. PICMG 2.15 описывает плату PCI Telecom Mezzanine Card (PTMC). Плата PTMC на базе стандартного модуля PMC с четырьмя соединителями может поддерживать более старую 32-разрядную технологию передачи сигналов PMC, но при этом взаимодействовать с новыми 64-разрядными устройствами PCI. Таким образом, PTMC — это не альтернатива PMC, а дополнение к ней, способное поддерживать самые распространенные и стандартные для отрасли телекоммуникаций интерфейсы шины.

Как заметил Ричард Сомес, директор по стандартам Force Computers и вице-президент PICMG по технологии, PICMG 2.15 усовершенствует Compact PCI как конфигурируемую пользователями платформу для контроллеров ввода/вывода, ориентированных на телекоммуникации и передачу данных в мезонинном конструктиве.

Упомянутая ранее шина HighWire400c/M компании SBE содержит две площадки для модулей PTMC, а MEN D3 компании MEN Micro представляет собой одноплатный компьютер 6U CompactPCI с одним слотом и выпускается в трех стандартных конфигурациях, позволяющих устанавливать три разных типа мезонинных плат ввода/вывода: M-Module I/O, PC-MIP I/O или PMC I/O. Эта плата может иметь три M-Module, три PC-MIP или две мезонинные площадки PMC (последняя модель, D3C, пользуется популярностью у разработчиков конвергентных систем).

Ричард Григонис — старший научный редактор журнала Communications Convergence. С ним можно связаться по адресу rgrigonis@cmp.com.

Варианты реализации объединительной панели

PICMG 2.13 — не столько новая объединительная панель, сколько попытка обеспечить автоматическое, отказоустойчивое восстановление после сбоев для стандартных многопроцессорных систем PCI/CompactPCI. В этом случае реализуется «классический» сценарий, где функции «основной» процессорной платы на пассивной объединительной панели передаются «горячему» или «синхронизированному» резерву. Но архитектура шины PCI изначально не была рассчитана на автоматическое восстановление после сбоя, и сама по себе она может стать критичным к ошибкам компонентом. Спецификация PICMG 2.13 должна быть ратифицирована в ближайшее время.

PICMG 2.16 — это не что иное, как реализация идеи «локальной сети в одном модуле», где все коммуникационные или ресурсные платы в системе CompactPCI представляют собой вычислительные «ультраплоские модули», взаимодействующие друг с другом через объединительную панель не посредством сигналов PCI, а с помощью пакетов Ethernet. Это позволяет добиться лучшей масштабируемости, более высокой плотности и готовности. Подобная идея известна как встроенная системная сеть (Embedded System Area Network, ESAN) или (в соответствии с терминологией PICMG) компактная объединительная панель с коммутацией пакетов (Compact Packet-Switching Backplane, cPSB). Первоначально она была предложена компанией Performance Technologies. Данная спецификация ратифицирована в сентябре 2001 г.

PICMG 2.17 — попытка объединить PCI и другие технологии с одной из новых коммутируемых структур, получивших название StarFabric, разработка компании StarGen. В то время как подключение унаследованных коммуникационных плат к объединительным панелям Ethernet чревато необходимостью решать вопросы, связанные с задержкой, PICMG 2.17 позволит бесконфликтно передавать H.110 и другой трафик TDM в вашей системе через StarFabric. PICMG 2.17 может дополнить PICMG 2.16. Если надо создать систему на базе PICMG 2.16, то добавление технологии PICMG 2.17 заполняет одну из «дыр» PICMG 2.16, а именно обеспечивает устойчивую обработку трафика TDM. PICMG 2.17 находится на начальной стадии разработки.

По общему мнению InfiniBand станет окончательным победителем среди усовершенствованных коммутирующих структур. Ее поддерживают все ведущие компании, но пока создано очень мало продуктов, и, возможно, пройдет еще пара лет, прежде чем это решение будет широко применяться.

PCI-X — усовершенствованная PCI, 64-разрядная шина с тактовой частотой 133 МГц, которая позволяет довести скорость передачи до 1 Гбайт/с и более. Ее используют в серверах для удовлетворения спроса на пропускную способность со стороны плат Gigabit Ethernet и Ultra3 SCSI.

Arapahoe Intel поддерживает InfiniBand при взаимодействии модулей с высокой пропускной способностью, но отдает предпочтение Arapahoe (3GIO) в качестве альтернативы локальной шины PCI при взаимодействии микросхем.