一名架构师，懂点硬件知识不过分吧？

news/2024/11/23 2:43:47/

大家好，我是飘渺。

很多架构师都是从软件开发成长起来的，大家在软件领域都有很深的造诣，大部分人对硬件接触的很少。而成为架构师后需要频繁的跟人 、硬件 、软件 、网络打交道，

本篇文章就给大家带来服务器硬件方面的相关知识，主要包括服务器、CPU、内存、磁盘、网卡。当然如果此文对你有所帮助，请点击下方卡片给我加个关注哟。

服务器

根据服务器的外形和使用场景我们将服务器分为以下四种：

  • 塔式服务器

    cb3f87f10a6dcbde050e2959cdc08348.png塔式服务器类似于台式机，主要适用于没有机房机架的公司，一般存放于中小办公环境。

  • 机架式服务器ba75debc6017a23cccaaa1c737857a70.png机架式服务器需要放置在标准机柜中，多存放于数据中心。

  • 刀片服务器

    95086eaf760c073a080c1c1c91ef70b3.png刀片服务器为了提供更高的密度，它比机架式服务器更节省空间，同时，散热问题也更突出，往往要在机箱内装上大型强力风扇来散热，一般应用于大型的数据中心或者需要大规模计算的领域。

  • 高密度服务器

f17b3d4cbe5fe108a447ba885af84742.png高密度服务器是为了实现更高的空间利用率。

主板架构

服务器的机箱只是外壳，核心架构还是主板。

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这个图是Intel典型的主板芯片组架构：

服务器的主板有个统一的中央芯片组（Intel C600），芯片组可以连接多个CPU（E5-2400/2600），CPU之间通过QPI快速通道进行连接，CPU与内存插槽，PCIE插槽之间连接，芯片组还与低速的外设进行连接（USB、网卡、SATA等）。

服务器选型考虑因素

做服务选型主要基于以下几个方面：

  • 限制条件：操作系统OS、客户喜好及预算、应用系统的编程语言

  • 部署规模：如果规模较大，需要考虑空间占用问题，可考虑刀片或高密度服务器

  • 扩展性：内存数量、磁盘数量、PCI插槽数量

  • 稳定性

    • OS：UNIX > Linux > Windows

    • 硬件：小型机 > x86服务器

  • 物理机、虚拟机、容器

    • 计算特点的考虑：是要将一个大的计算能力进行分割，灵活分配，还是有一个很大的课题要用多台机器联合计算

    • IO特点的考虑：吞吐率与IOPS多大？虚拟机能否承受？

服务器厂商

  • 国内的服务器厂商主要有：曙光、华为、浪潮、H3C、联想、长城等

  • 国外的服务器厂商主要有：Dell、HP、IBM

CPU

CPU作为服务器的核心固件，我们主要通过以下几个概念来了解：

  • Socket Socket俗称多少路，就是一个服务器主板上可以安装几个物理CPU

  • Core 一个物理CPU实际可以有几个内核（Core），比如我们经常听到的32核64核、128核等等

  • 超线程 如果一个内核可以同时运行2个线程我们就称这个CPU具有超线程能力，反之则不具备超线程能力

  • 频率 也叫主频，这个越高越好

  • 内存通道 每个CPU能支撑的最大内存数，Intel最新的能支持6个

  • 内存带宽、内存规格 CPU支持什么规格的内存，支持的频率范围是多少

以上的这些概念数据可以通过CPU的产品规格书中进行详细了解。在服务器上可以通过 lscpu 命令查看cpu信息

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上图服务器CPU显示有72个，是因为有2个Socket，每个Socket有18核而每核可以同时运行2个线程，通过 2 x 18 x 2 = 72 得到。

厂商

  • 国外的CPU厂商主要有：Intel、AMD

  • 国内的CPU厂商主要有：龙芯、兆芯、飞腾、海光、申威、华为等

主流产品介绍

Intel系列

Intel现在主推的是“Intel至强可扩展”系列，在这个系列下又分为四档：铂金、金、银、铜，每档下面又有不同的型号

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AMD系列

AMD系列主要用到的是霄龙系列，霄龙系列CPU核数很高，下面我们看看几款具体的产品

型号CPU核心数线程数量最大加速时钟频率基准时钟频率默认TDP/TDP
霄龙774264128高达3.4GHZ2.25GHZ225W
霄龙770264128高达3.35GHZ2GHZ200W
霄龙7702P64128高达3.4GHZ2GHZ200W
霄龙76424896高达3.35GHZ2.3GHZ225W
霄龙75524896高达3.3GHZ2.2GHZ200W
霄龙75423264高达3.4GHZ2.9GHZ225W

华为鲲鹏系列

鲲鹏916（低功耗级）

  • 32核/2.4GHz/16nm/75W

  • 4通道DDR4控制器

  • PCIe 3.0 ，10GE

  • 支持2路互联

鲲鹏920-3326/4826（极致效能型）

  • 32/48核/2.6GHz/7nm/120/150W

  • 8通道DDR4控制器

  • PCIe 4.0 ，100GE,CCIX

  • 支持2/4路互联

鲲鹏920-3326/4826（极致性能级）

  • 64核/2.6GHz/7nm/180W

  • 8通道DDR4控制器

  • PCIe 4.0 ，100GE,CCIX

  • 支持2/4路互联

主流CPU型号性能横向对比

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通过上图大家可以看到国产CPU与国外CPU之间的差距，性能基本只有Intel中档CPU性能的一半左右，国产CPU还有很长的路要走。

NUMA

NUMA 即 Non-Uiform Memory Access（非一致性内存访问），结合我们之前讲述的主板架构，两颗CPU之间有一个通道，每个CPU与各自的内存通道进行直连，可以通过下图直观看出。

75900476a9612cf6c061e768fa7f042d.png

CPU0 访问 左边的内存通道速度很快，CPU1访问右边的内存通道也很快，当CPU1要访问左边的内存通道必须要借助CPU0的帮忙，需要先通过QPI总线找到CPU0，再来访问左边的内存通道，这就产生了额外的开销，访问左边内存通道的开销相当于直连访问右边通道开销的3倍。

所以对于计算密集型任务我们需要尽量避免这种跨CPU的内存访问，这就是NUMA的问题，非一致性指的是访问本地和跨CPU访问的代价差别不一致

我们可以通过指令 numactl -s 查看numa的信息

a2838920436200a71cf98c85624d5447.png

可以使用指令numactl --cpunodebind=0 --membind=0 command 指定进程使用的numa节点和内存

如上就是让 command 指令只使用cpu0 ，和内存0，这就使得进程指令在运行的时候使用的CPU和内存在同一侧，达到计算性能速度最大化的效果。

内存

内存大家平时工作中接触的都比较多，对于内存我们主要通过以下几个方面来了解：

  • 内存规格 DDR3、DDR4，目前主流已经是DDR4

  • 内存大小 2G、4G、8G、16G、32G

  • 内存频率 1333MHz, 1600MHz, 1866MHz、2133MHz, 2400MHz , 2666MHz

  • 带宽 即CPU对内存实际读写数据的速度，DDR4 2400内存的带宽为30GB/s左右

  • 通道 一个CPU可以连接多个内存，CPU上的内存通道数指的是CPU能并发访问直连多少个内存。4通道表示CPU可以同时访问与之直连的4根内存，这样就能达到带宽翻四倍的效果。在4通道模式下读取1G的数据进内存，最终数据会分布在4根内存上而不是一根内存，这就实现了速度的翻4倍；每颗CPU对自己的内存控制器直连的内存访问速度较快，要访问另一颗CPU连接的内存时，需要通过QPI总线，开销为本地内存的3倍。

了解内存信息

主要通过以下三个命令全面了解内存信息

  • 我们可以通过 dmidecode -t memory | more 指令查看内存信息，效果如下：

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  • 可以使用 dmidecode -t memory | grep Size 指令查看内存大小并判断内存是否正常工作

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将内存插入主板时一般需要对称插入，通过上图我们可以看到下面有根内存不工作(非对称)。

  • 可以通过 free 指令查看内存容量

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系统剩余内存 available 是我们最关心的一个值，不要被free列唬住了。

磁盘

对于磁盘我们主要通过吞吐率和IOPS两个指标来对其衡量

吞吐率/吞吐量：单位时间内读写的数据量

  • 机械硬盘：约100MB/s – 200MB/s；

  • 普通固态硬盘：200MB/s - 500MB/s；

  • PCIE固态硬盘（直连CPU）：900MB/s - 3GB/s

IOPS：每秒IO操作的次数

  • 机械硬盘：100-200

  • 普通固态硬盘：30000-50000

  • PCIE固态硬盘（直连CPU）：数十万

为什么很多性能比较慢的服务在软件层面进行优化收益很小，而更换一块固态硬盘就能解决所有问题，问题就在这里。

普通固态硬盘的吞吐率大概为机械硬盘的2~3倍，而IOPS确达到了机械硬盘的250~300倍。

IOPS和数据吞吐量适用于不同的场合：

在随机读写频繁的应用中，如OLTP(Online Transaction Processing)，IOPS是关键衡量指标。

对于大量顺序读写的应用，则更关注吞吐量指标。

读取10000个1KB文件，用时10秒  Throught(吞吐量)=1MB/s ，IOPS=1000  追求IOPS 读取1个10MB文件，用时0.2秒  Throught(吞吐量)=50MB/s, IOPS=5  追求吞吐量

网卡

网卡，又称网络适配器或网络接口卡，英文名为Network Interface Card。在网络中，如果有一台计算机没有网卡，那么这台计算机将不能和其他计算机通信，它将得不到服务器所提供的任何服务了。当然如果没有网卡，就称不上服务器了，所以说网卡是服务器必备的设备，就像普通PC（个人电脑）要配处理器一样。

我们也可以也通过以下几个维度来了解下网卡：

网卡速度规格100M、1G、10G、25G

网卡接口类型RJ45（电、短距离）、光纤（光、长距离）

网卡绑定模式

多网卡绑定一方面能够提高网络吞吐量，另一方面也可以增强网络高可用。从软件的角度来看，多网卡绑定实际上只需要提供一个额外的bond驱动程序即可，通过该虚拟网卡驱动程序可以将实际多块网卡屏蔽，对TCP/IP协议层而言只存在一个Bond网卡。Linux主要有7种绑定模式：

  • broadcast (广播策略：data is transmitted over all ports)
    这种模式的特点是一个报文会复制两份往bond下的两个接口分别发送出去。当有对端交换机失效，我们感觉不到任何丢包。

  • round-robin (轮询策略：data is transmitted over all ports in turn)
    该模式下，链路处于负载均衡状态，数据以轮询方式向每条链路发送报文，基于per packet方式发送。即每条链路各一个数据包，这模式好处在于增加了带宽，同时支持容错能力，当有链路出问题，会把流量切换到正常的链路上。

  • active-backup (主备策略：one port or link is used while others are kept as a backup)
    在该模式下，一个端口处于主状态，一个处于备状态，所有流量都在主链路上发出和接收，备链路不会有任何流量。当主端口down掉时，备端口接管主状态。

  • loadbalance (适配器传输负载均衡：with active Tx load balancing and BPF-based Tx portselectors)
    在该模式下，通过源和目标mac做hash因子来做xor算法来选择链路，这样就使得到达特定对端的流量总是从同一个接口上发出。

  • lacp (动态链路聚合：implements the 802.3ad Link Aggregation Control Protocol)
    在该模式下，操作系统和交换机都会创建一个聚合组，在同一聚合组下的网口共享同样的速率和双工设定。

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