一種基於hpi模型的熱插拔處理方法
2023-05-10 07:44:26 1
專利名稱：一種基於hpi模型的熱插拔處理方法
技術領域：
本發明涉及計算機熱插拔技術領域，特別是在電信領域的高可用ATCA電信伺服器中的一種在熱插拔處理策略的設計與實現技術，具體地說，本發明設計了一種以HPI模型為基礎的新的熱插拔處理方法。
背景技術：
隨著計算機技術的快速發展，網絡用戶對電信系統可用性提出了更高的要求——具有提供連續服務的能力；這種能力要求系統的年宕機時間不得超過30秒。為了滿足這種需求提高服務的高可用性，在不關閉系統，不切斷電源的情況下取出和更換損壞的風扇、電源、硬碟和內存等系統組件成為電信領域關注的一種技術；這就是所謂的熱插拔技術。熱插拔技術包括熱拔出和熱插入。
Windows和Linux作業系統中都對USB、Ieee1394、PCI設備和網路設備有了較好的熱插拔處理。
Linux中熱插拔的設計是分為三層的首先是驅動層，為了配置一個熱插拔設備，它必須首先被創建並註冊到內核中；這項任務通常由相關的設備驅動完成。這些設備的驅動為了支持熱插拔都進行了相應的改動。其次是中間層的熱切換處理程序，這是熱插拔技術的重點。最上層，Linux的熱插拔子系統藉助shell和系統用戶進行交互。
Linux中熱切換處理程序的處理分為以下幾步檢測系統總線上設備的變化和熱插拔狀態；
處理設備的插入或拔出事件；通知作業系統加載或卸載相應設備的驅動。
Windows系統中(以Windows2000為例)熱插拔系統可以分為兩層驅動層和熱切換處理層。在Windows2000中為了支持熱插拔在內核中集成了熱插拔工具集(Hot Swap Kit，簡稱HSK由Pigeon Point Systems and Auriga開發)。HSK完成了類似於Linux中熱切換處理和命令交互層的功能。
HSK的處理機制可以簡要概述為以下幾點確認系統總線上設備的數目和熱插拔狀態；在硬體為了支持熱插拔增加了熱插拔控制狀態寄存器(HS_CSR)；捕獲並處理電信號或者處理拔出操作請求；通知作業系統系統總線上設備的變化；作業系統根據相應變化加載或者卸載相應設備的驅動；預留了API便於其它程序進行熱插拔狀態查詢。
Windows和Linux中的熱插拔處理機制基本相同，然而都是只解決了設備的拔出和插入問題。對於拔出操作或插入操作對系統的影響考慮的遠遠不夠，然而這些影響對提供高可用服務的系統來說是至關重要的。
HPI模型是2002年9月份服務可用性論壇發布的HPI規範中提到的，它主要是通過統一的抽象機制來對伺服器硬體進行統一的管理，從而對上層應用和中間件屏蔽硬體差異；提高電信系統的可靠性和服務的高可用性。
發明內容
本發明的目的在於克服現有熱插拔技術在拔出操作或插入操作時對系統的影響，提供一種熱插拔處理策略並將之高效實現，使系統能在運行中更換損壞的組件進而使用戶能夠得到不間斷的系統服務。
為了實現上述發明目的，採用的技術方案如下一種基於HPI模型的熱插拔處理方法，包括熱插入和熱移出，所述處理方法包括邏輯域分隔機制及熱插拔處理機制；所述邏輯域分隔機制將熱插拔組件抽象為實體以資源的方式進行邏輯上的分組管理，資源再進行分組以域的方式管理，當熱拔出時，所述邏輯域分隔機制對域對象和資源對象的訪問加以控制，保證了組件的移出不影響系統服務的可用性；熱插拔處理機制與邏輯域分隔機制交互，實現對邏輯域的初始化，使系統組件處於不同的邏輯域中，並負責對熱插入和熱移出過程中組件的狀態進行控制，保證了組件的插入和移出不影響系統服務的可用性。
所述邏輯域分隔機制把系統組件劃分為多個邏輯域，並在建立邏輯域的同時為每個一級邏輯區域——域建立了域參照表，為二級邏輯區域——資源建立了資源出席表；域參照表記錄與自身有聯繫的域，並控制對域對象的訪問；資源出席表則記錄域中的所有資源，並控制對資源對象的訪問。
所述邏輯域分隔機制將系統的冗餘組件作為獨立的簡單邏輯域。
冗餘組件可以是板級的冗餘，也可以是熱插拔組件的冗餘。
本發明所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，當組件熱移出時，所述熱插拔處理機制將該組件實體對應的資源移出資源出席表，然後刷新資源出席表，使得所有與該實體的交互終止運行；接著，把含有移出組件的冗餘的簡單邏輯域描述信息加入到該組件的域參照表中，使得其它組件仍然可以訪問到移出組件對應的實體。
所述熱插拔處理機制對熱插入和熱移出過程中組件的狀態控制包括將狀態分為不存在狀態、插入掛起狀態、激活狀態、拔出掛起狀態、非激活狀態；所述不存在狀態可轉換到插入掛起狀態，插入掛起狀態可轉換到激活狀態，激活狀態可轉換到拔出掛起狀態，拔出掛起狀態可轉換到非激活狀態，所述插入掛起狀態、激活狀態、拔出掛起狀態、非激活狀態均可轉換到不存在狀態。
所述熱插拔處理機制的熱插入過程包括加載驅動及用戶層熱插拔控制；所述加載驅動當新插入一個組件後，設備驅動程序的中斷服務程序接受到信號後掃描整個CompactPCI總線，掃描完畢通過內核函數request_module調用call_usermodehelper與用戶空間進行交互，內核函數request_module把arg[1]初始化成將要加載模塊的名字，然後利用/sbin/modprobe和配置文件/etc/modprobe.conf來確定將要加載模塊的詳細信息；所述用戶層熱插拔控制通過Addresource命令調用函數ResourceAdd將插入組件所對應的FRU實體加入到域中，ResourceAdd函數加入新實體的操作執行完畢後，會自動調用Rptflush函數來刷新建立邏輯域時所維護的的資源出席表，最後執行命令hotplug—active，該命令會調用ResourceActive函數激活新的實體使之在域中處於活躍狀態，正常提供服務。
所述熱插拔處理機制的熱移出過程先定位移出組件所對應的邏輯模型所處的邏輯域；並執行Inactive指令鈍化改組件，終止其它組件與其產生的會話；然後將資源移出所處的邏輯域，即從域所維護的資源出席表中剔除該組件；再刷新資源出席表，使所有與該組件所對應實體的交互都終止運行；最後將該組件的冗餘組件所在的邏輯域信息加入該組件所在域維護的域參照表中，使得其它應用可以通過層次域訪問的模式訪問到該組件。
本發明藉助HPI模型對ATCA硬體的邏輯抽象，把ATCA伺服器系統成功劃分了多個邏輯域。並在建立邏輯域時需要將ATCA伺服器的冗餘組件單獨作為獨立的簡單域。冗餘的組件可以是板級的冗餘，也可以是熱插拔組件的冗餘。主要包括兩部分，一是邏輯域分隔機制；二是熱插拔處理。本發明的熱插拔方法對於提高電信伺服器的高可用性有重要的意義，本發明以不停止系統運行為宗旨，將損壞的系統組件移出系統進行修復，並在組件修復完成後將其動態的加入系統。整個過程中保證系統服務不中斷，系統的可用性得以增強。
本發明能夠不停止處於運行狀態的系統，對目標系統組件進行熱插入和熱移出，降低系統的宕機時間，提高系統的可靠性，使之能高效、穩定地運行於電信服務平臺，滿足高可用的運行環境需求。
圖1為熱插拔整體框架圖；圖2為邏輯隔離結構圖；圖3為熱插拔狀態遷移圖；圖4為熱插入處理流程圖；圖5為熱移出處理流程圖。
具體實施例方式
本發明中熱插拔的處理需要作業系統和用戶層的熱插拔處理程序協作完成。作業系統主要負責在系統中插入新設備時加載對應的驅動；在卸載損壞組件時用戶層的熱切換處理程序會通知內核卸載對應的驅動。熱插拔處理程序首先要進行邏輯域的初始化，使系統組件處於不同的邏輯域中；然後要負責對熱插入和熱移出過程中組件的狀態進行控制，對系統應用的可用性進行維護；最終實現熱插拔提高電信系統的可用性。
本發明所設計的熱插拔技術，其功能特點可以細分為如下幾個方面(1)邏輯域分隔熱插拔技術要求進行熱插拔操作的組件與系統其它組件不能有太多的交互。否則熱插拔操作可能會影響系統服務的可用性。基於此本發明對ATCA伺服器系統進行了邏輯上的隔離。邏輯域分隔為熱移出奠定了基礎。
(2)動態加載熱插拔技術可以在不停止系統的情況下，將新的組件加入系統並使之正常運作。
(3)動態卸載熱插拔技術也可以在不停止系統的情況下，將損壞的並且硬體上支持熱插拔的系統組件移出系統。在移出過程中維護服務的可用性。
(4)應用的遷移應用的遷移，在熱插拔處理過程中是重要的一環。每一個組件的移出都會對系統服務產生或多或少的影響，這就需要採取一定的策略對可能產生的影響進行處理。
下面結合附圖，對本發明的具體實施做進一步的詳細描述。
附圖1展示了熱插拔機制的體系結構和主要組成部分。分為三個層次支持熱插拔的驅動層、熱插拔處理層、命令交互終端。其中，驅動層幫助應用程式實現對熱插拔組件的管理，熱插拔處理層負責對熱插拔狀態遷移的控制和組件的切換，命令交互終端則提供系統用戶和熱切換處理程序的交互管理。
下面將針對各個關鍵組成部分進行對本發明的熱插拔處理機制進行詳細的介紹。
本發明的熱插拔處理機制是以HPI模型對硬體的管理為基礎，將熱插拔組件抽象為實體以資源的方式進行邏輯上的分組管理。資源也可以再進行分組以域的方式管理。邏輯上的分隔為熱插拔處理奠定了良好的基礎。本發明中的熱插拔機制遵循了HPI規範中定義的完全熱插拔模型，完全熱插拔模型的採用對提高系統的服務的可用性有重要意義。
附圖2給出了對ATCA伺服器進行邏輯隔離的示意圖。這些邏輯上的分區和ATCA硬體有對應關係(在HPI-to-AdvancedTCA Mapping Specification中對如何建立二者的映射有詳細的說明)。這種邏輯上的組件分隔主要是對組件的交互進行控制，以便於方便的拔出組件。其次建立邏輯域的同時為每個一級邏輯區域——域建立了域參照表，為二級邏輯區域——資源建立了資源出席表。域參照表記錄與自身有聯繫的域，資源出席表則記錄域中的所有資源；它們分別對域對象和資源對象的訪問加以控制。這兩個表的建立為拔出損壞的組件並進行快速的組件切換奠定了基礎。
在ATCA伺服器中一般把一個可熱插拔的現場可替換單元(現場可替換單元可用來代之熱插拔的系統組件，即每一個可熱插拔的系統組件都可以看作是一個現場替換單元，又稱FRU)抽象為一個資源；當系統中的組件發生故障後，依據實體路徑快速的定位到該實體所處的資源。定位到損壞的組件後，只需要將該實體對應的資源移出資源出席表，然後刷新資源出席表，這樣所有與該實體的交互都會終止(因為資源是可以熱插拔的，而實體則不能，所以為了提供可靠的服務直接進行資源的熱插拔)。接著，把含有損壞組件的冗餘的簡單域描述信息——加入損壞組件的域參照表中，這樣其它組件仍然可以訪問到相應的實體。組件的切換對上層應用來說是透明的。圖2是對這一過程的詳細描述；由於ATCA伺服器本身基於冗餘的架構進行設計，一般把冗餘的組件分隔為一個獨立的簡單域(如圖2所示，資源2的冗餘組件處於一個簡單域中)。當資源2發生故障被移出資源出席表後，同時會將域B加入到域A的域參照表中，這樣系統對資源2的訪問仍可繼續，從而保證了損壞組件的移出不影響系統服務的可用性。當然並非所有的系統組件都有冗餘，但是這些沒有冗餘的組件一般是對系統服務影響很小或者不易發生故障的設備。同時為了保證系統的可用性對於這種例外採用了板級冗餘的方式(即在構建系統時，用一到兩個單板作為冗餘板)，進而採用單板的熱插拔來保證系統服務的高可用性。
附圖3給出了熱切換的狀態轉換示意圖。通過該示意圖，可以看到本發明中熱插拔策略所支持的五個遷移狀態和可能的遷移關係。
不存在不存在狀態實際上是一個虛擬的狀態，它表示某一資源已經不在當前邏輯域中。處於這一狀態的資源是指現場可替換單元(FRU)物理上被插入之前的狀態或者它已經被從系統的資源出席表中移出。支持完全熱插拔模型的資源可以從非激活態(INACTIVE)遷移到這一狀態，但是如果產生意外拔出的話，資源可以從任意狀態(插入掛起、激活、拔出掛起)轉換到這一狀態。當資源熱插拔狀態遷移到不存在狀態時會發布HS STATE NOT_PRESENT熱插拔事件。這一事件可以說明正常的遷移或者意外的遷移。正常遷移時事件級別為Information_normal。當與FRU相關的資源失效後，所有的域都會發現FRU的「不存在」狀態，並報告一個遷移到不存在狀態的事件。如果資源隨後被恢復，系統將會偵測到FRU，並報告另一個遷移事件(從不存在到當前的熱插拔狀態)。
插入掛起當一個支持完全熱插拔的資源在物理上被插入系統中並且在邏輯上被添加到某個域中可管理後就稱之進入熱插拔插入掛起狀態。這一狀態表明，有新的設備加入系統並進行了邏輯上的處理。當進入插入掛起狀態後，相應資源發布HS_STATE_INS_PENDING事件。物理上當設備進入插槽後產生該事件。當系統控制臺接受到該事件後，系統管理員在通過FRU給該資源加電前可以查看該資源的能力。在這一狀態FRU可以執行上電和復位操作。
激活激活態表示資源是域中一個活躍的成員。當FRU完成硬體連接過程後，相關的資源進入激活狀態。但是這並不意味FRU在軟體層是激活的，這僅表明FRU在系統中已經上電且處於活躍態，不能隨意拔掉，還需要進行軟體上的激活操作。當進入激活狀態後，資源會發布產HS_STATE_ACTIVE事件。
拔出掛起拔出掛起狀態表示系統資源請求拔出與之相關的FRU，一般在按下熱插拔按鈕後進入拔出掛起狀態。同時產生熱插拔事件HS_STATE_EXT_PENDING。當受到這一事件後HPI用戶可以卸載驅動，重新分配處理器或者卸載文件系統(斷開軟體連接)；然後下電斷開物理連接將資源拔出。
非激活態非激活態表示支持完全熱插拔的資源在系統中是不活躍的，並且它已經完成了拔出處理。當一個FRU實現硬體上的斷開後，它在邏輯上和電氣特性方面是和平臺隔離的，但是從物理上看它仍在系統平臺內，所以相關的域中仍然存在該資源。當資源的熱插拔狀態遷移到非激活態後會產生事件HS_STATE_INACTIVE。
附圖4給出了熱插拔過程中熱插入的執行流程圖。事實上，這是熱插拔處理程控制支持熱插拔的組件加入系統的實現過程。
首先是驅動層，這一般由ATCA硬體設備供應商負責實現，每個設備供應商都會為自己的硬體提供良好的驅動程序加以支持，只需對其進行適當的編譯即可。當向ATCA伺服器插入一個FRU實體後，新的實體插入後會發出電信號，設備驅動程序的中斷服務程序接受到信號後開始執行；中斷服務程序掃描整個CompactPCI總線，讀取熱切換寄存器，清除相應狀態，並根據設備的INS/EXT狀態位建立設備變更清單，通知熱切換處理線程。熱切換處理線程讀取設備變更清單，會發現有剛插入的設備，然後通知作業系統重新掃描CompactPCI總線，掃描完畢作業系統會通過內核函數request_module調用call_usermodehelper與用戶空間進行交互。這個函數會把arg[1]初始化成將要加載模塊的名字，然後利用/sbin/modprobe和配置文件/etc/modprobe.conf來確定將要加載模塊的詳細信息。驅動模塊加載完畢後移交給用戶空間的熱切換處理程序進行其餘的操作。
熱切換處理程序中的守護進程會發現新加入的FRU實體，並向系統控制臺發送消息告訴系統管理員有新的實體加入系統。系統管理員等待作業系統加載驅動完畢後，通過Addresource命令調用函數ResourceAdd將FRU實體加入到某個域中(域的選擇可以依據管理員自身的習慣，因為系統初始化時域的劃分也完全由系統管理員決定)。ResourceAdd函數加入新實體的操作執行完畢後，會自動調用Rptflush函數來刷新建立邏輯域時所維護的的資源出席表(RPT表)。最後系統管理員在系統控制臺執行命令hotplug—active，該命令會調用ResourceActive函數激活新的實體使之在域中處於活躍狀態，正常提供服務。
附圖5給出了熱插拔過程中熱拔出的執行流程圖，事實上，這是熱插拔處理程控制支持熱插拔的組件移出系統的實現過程。
首先仍然是驅動層，在這裡主要描述熱切換程序的移出處理過程。要對組件進行熱移出，需要根據實體路徑來定位在邏輯域中組件的相應位置。詳細過程如圖5所示，可以簡要概括為以下幾點定位組件對應的邏輯模型所處的邏輯域；執行Inactive指令鈍化改組件，終止其它組件與其產生的會話；將資源移出所處的邏輯域；即從域所維護的資源出席表中剔除該組件；刷新資源出席表；卸載驅動，從物理上拔出組件；將該組件的備份組件所在的邏輯域信息加入該組件所在域維護的域參照表中；這樣上層的應用就可以通過層次域訪問的模式訪問到該組件。這一過程維護了系統服務的可用性；重新加載驅動；保證備份組件正常工作。
權利要求
1.一種基於HPI模型的熱插拔處理方法，包括熱插入和熱移出，其特徵在於所述處理方法包括邏輯域分隔機制及熱插拔處理機制；所述邏輯域分隔機制將熱插拔組件抽象為實體以資源的方式進行邏輯上的分組管理，資源再進行分組以域的方式管理，當熱拔出時，所述邏輯域分隔機制對域對象和資源對象的訪問加以控制，保證了組件的移出不影響系統服務的可用性；熱插拔處理機制與邏輯域分隔機制交互，實現對邏輯域的初始化，使系統組件處於不同的邏輯域中，並負責對熱插入和熱移出過程中組件的狀態進行控制，保證了組件的插入和移出不影響系統服務的可用性。
2.根據權利要求1所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於所述邏輯域分隔機制把系統組件劃分為多個邏輯域，並在建立邏輯域的同時為每個一級邏輯區域——域建立了域參照表，為二級邏輯區域——資源建立了資源出席表；域參照表記錄與自身有聯繫的域，並控制對域對象的訪問；資源出席表則記錄域中的所有資源，並控制對資源對象的訪問。
3.根據權利要求2所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於所述邏輯域分隔機制將系統的冗餘組件作為獨立的簡單邏輯域。
4.根據權利要求3所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於冗餘組件可以是板級的冗餘，也可以是熱插拔組件的冗餘。
5.根據權利要求2或3或4所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於當組件熱移出時，所述熱插拔處理機制將該組件實體對應的資源移出資源出席表，然後刷新資源出席表，使得所有與該實體的交互終止運行；接著，把含有移出組件的冗餘的簡單邏輯域描述信息加入到該組件的域參照表中，使得其它組件仍然可以訪問到移出組件對應的實體。
6.根據權利要求1所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於所述熱插拔處理機制對熱插入和熱移出過程中組件的狀態控制包括將狀態分為不存在狀態、插入掛起狀態、激活狀態、拔出掛起狀態、非激活狀態；所述不存在狀態可轉換到插入掛起狀態，插入掛起狀態可轉換到激活狀態，激活狀態可轉換到拔出掛起狀態，拔出掛起狀態可轉換到非激活狀態，所述插入掛起狀態、激活狀態、拔出掛起狀態、非激活狀態均可轉換到不存在狀態。
7.根據權利要求1所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於所述熱插拔處理機制的熱插入過程包括加載驅動及用戶層熱插拔控制；所述加載驅動當新插入一個組件後，設備驅動程序的中斷服務程序接受到信號後掃描整個CompactPCI總線，掃描完畢通過內核函數request_module調用call_usermodehelper與用戶空間進行交互，內核函數request_module把arg[1]初始化成將要加載模塊的名字，然後利用/sbin/modprobe和配置文件/etc/modprobe.conf來確定將要加載模塊的詳細信息；所述用戶層熱插拔控制通過Addresource命令調用函數ResourceAdd將插入組件所對應的FRU實體加入到域中，ResourceAdd函數加入新實體的操作執行完畢後，會自動調用Rptflush函數來刷新建立邏輯域時所維護的的資源出席表，最後執行命令hotplug-active，該命令會調用ResourceActive函數激活新的實體使之在域中處於活躍狀態，正常提供服務。
8.根據權利要求11所述的基於HPI模型的熱插拔處理方法，其特徵在於所述熱插拔處理機制的熱移出過程先定位移出組件所對應的邏輯模型所處的邏輯域；並執行Inactive指令鈍化改組件，終止其它組件與其產生的會話；然後將資源移出所處的邏輯域，即從域所維護的資源出席表中剔除該組件；再刷新資源出席表，使所有與該組件所對應實體的交互都終止運行；最後將該組件的冗餘組件所在的邏輯域信息加入該組件所在域維護的域參照表中，使得其它應用可以通過層次域訪問的模式訪問到該組件。
全文摘要
本發明提供一種基於HPI模型的熱插拔處理方法，包括熱插入和熱移出，所述處理方法包括邏輯域分隔機制及熱插拔處理機制；所述邏輯域分隔機制將熱插拔組件抽象為實體以資源的方式進行邏輯上的分組管理，資源再進行分組以域的方式管理，當熱拔出時，所述邏輯域分隔機制對域對象和資源對象的訪問加以控制，保證了組件的移出不影響系統服務的可用性；熱插拔處理機制與邏輯域分隔機制交互，實現對邏輯域的初始化，使系統組件處於不同的邏輯域中，並負責對熱插入和熱移出過程中組件的狀態進行控制，保證了組件的插入和移出不影響系統服務的可用性。本發明有效地克服了熱插拔過程對系統穩定性的影響。
文檔編號G06F9/46GK101013380SQ20071002673
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月5日 優先權日2007年2月5日
發明者劉發貴, 範志強, 吳慶波 申請人:華南理工大學, 廣東美泰科技有限公司