IPMI ― обзор технологии

Чтобы удаленно управлять состоянием серверной платформы, системные администраторы и инженеры пользуются технологией IPMI, которая значительно упрощает им жизнь. Теперь не надо каждый раз бежать к серверу, чтобы нажать на кнопку перезагрузки ― своевременно реагировать на критические неполадки можно сидя дома в уютном кресле. В этой статье рассмотрим основные компоненты IPMI и детали работы технологии.

Что такое IPMI

Аббревиатура IPMI расшифровывается как Intelligent Platform Management Interface (интеллектуальный интерфейс управления платформой). Через IPMI можно удаленно подключиться к серверу и управлять его работой:

• Проводить мониторинг физического состояния оборудования, например, проверять температуру отдельных составляющих системы, уровни напряжения, скорость вращения вентиляторов
• Восстанавливать работоспособность сервера в автоматическом или ручном режиме (удаленная перезагрузка системы, включение/выключение питания, загрузка ISO-образов и обновление программного обеспечения)
• Управлять периферийными устройствами
• Вести журнал событий
• Хранить информацию об используемом оборудовании

Допустим, инженер перенастраивает сеть на сервере, допускает ошибку в конфигурации и теряет доступ по SSH. Как теперь «достучаться» до сервера? Можно подключиться по IPMI и поменять настройки.

IPMI хорош тем, что перечисленные выше функции доступны вне зависимости от работы процессора, BIOS или операционной системы (ОС) управляемой платформы. Например, можно удаленно перезагрузить сервер, если зависла ОС, или поискать причину выхода из строя CPU в журнале системных событий. Управлять можно даже выключенным сервером ― достаточно того, что сервер подключен к электрической сети.

После того как сервер смонтировали и подключили к сети, инженеры Selectel настраивают BIOS и IPMI. Дальше можно выйти из шумной серверной и продолжить настраивать оборудование удаленно. Как только первоначальная настройка закончена, клиенты Selectel могут управлять работой выделенных серверов и серверов произвольной конфигурации через IPMI.

Историческая справка

Первую версию спецификации IPMI v1.0 разработали совместно компании Intel, Dell, NEC и Hewlett-Packard в 1998 году. На практике обнаружились уязвимости и недостатки, которые исправили в последующих версиях IPMI v1.5 и v2.0.

Спецификация IPMI стандартизирует интерфейс общения, а не конкретную реализацию в «железе», поэтому IPMI не требует использования специальных запатентованных устройств и определенных микроконтроллеров. Производители, придерживаясь спецификаций, разрабатывают собственное оборудование IPMI, встроенное в серверные платформы:

Производитель	Технология на основе IPMI
Cisco	Cisco IMC (Integrated Management Controller)
DELL	iDRAC (Integrated Dell Remote Access Card)
HP	iLO (Integrated Lights-Out)
IBM	IMM (Integrated Management Module)
Lenovo	IMM (Integrated Management Module)
Supermicro	SIM (Supermicro Intelligent Management)

Компании устанавливают свои цены на предоставляемую технологию. Если стоимость реализации IPMI увеличивается, цена аренды сервера растет, так как напрямую зависит от стоимости расходников.

Решения производителей отличаются между собой:

• Наглядностью информации о состоянии оборудования
• Уникальным набором приложений для восстановления работоспособности сервера, если отказали какие-либо комплектующие
• Возможностью собирать статистику по всем комплектующим сервера, в том числе подключенным через карты расширения PCI, NVM и т.д.
• Использование технологии не только в серверном оборудовании, но и с обычными компьютерами через платы расширения PCI-Express

На деле для комфортной работы с удаленной консолью и своевременного оповещения о проблемах достаточно базового функционала IPMI.

Хотя производители предоставляют измененный и доработанный IPMI, реализация его архитектуры остается схожей. Разберемся, из чего состоит технология, опираясь на официальную спецификацию компании Intel.

Базовые компоненты любого IPMI

Контроллеры управления

В центре архитектуры — «мозг» IPMI, микроконтроллер BMC (Baseboard Management Controller). Через него как раз и происходит удаленное управление сервером. По сути, BMC ― это отдельный компьютер со своим программным обеспечением и сетевым интерфейсом, который распаивают на материнской плате или подключают как плату расширения по шине PCI management bus.

BMC питается от дежурного напряжения материнской платы, то есть работает всегда, вне зависимости от состояния сервера.

К BMC можно подключить дополнительные контроллеры управления (Management Controllers, MCs), чтобы расширить возможности базового управления. Например, в то время как основная система управляется функциями BMC, MCs подключаются для мониторинга различных подсистем: резервных источников питания, RAID-накопителей, периферийных устройств.

MCs поставляются самостоятельными платами, отдельными от центрального BMC, поэтому их также называют Satellite Controllers. Дополнительных контроллеров может быть несколько, а вот центральный BMC — один.

К BMC контроллеры подключаются через интерфейс IPMB (Intelligent Platform Management Bus ― шина интеллектуального управления платформой). IPMB ― это шина на основе I2C (Inter-Integrated Circuit), по которой BMC перенаправляет команды управления к различным частям архитектуры:

• Общается с дополнительными контроллерами (MCs)
• Считывает данные сенсоров (Sensors)
• Обращается к энергонезависимому хранилищу (Non-Volatile Storage)

Архитектура IPMI реализована так, что удаленный администратор не имеет прямого доступа к компонентам системы. Например, чтобы получить данные с сенсоров, удаленный администратор посылает команду на BMC, а BMC в свою очередь обращается к сенсорам.

Кроме передачи команд на BMC можно настроить автоматическое выполнение действий контроллером с помощью следующих механизмов:

PEF (Platform Event Filtering)	BMC хранит таблицу событий с информацией о том, на какие события реагировать и какие действия предпринять. Когда BMC получает сообщение о событии, он сравнивает данные с таблицей и выбирает, как реагировать на событие. Реакция включает такие действия, как выключение, перезагрузка системы, формирование оповещения
Watchdog Timer	Таймер настраивается на выполнение действия по истечении заданного промежутка времени. Действия включают в себя выключение, перезагрузку сервера, прерывание процессов. Если в качестве таймаута задать значение 0, действие будет выполнено сразу же. В зависимости от реализации Watchdog может опрашивать систему о состоянии раз в заданный временной интервал. Если система не отвечает (например, при зависании), инициируется действие
Firmware Firewall	Некоторые действия BMC, реализуемые в отдельно стоящем сервере, могут нарушить работу модульных платформ (например, блейд-сервера). Чтобы предотвратить возможные проблемы, файрвол позволяет BMC блокировать настройки, команды IPMI и операции записи, поступающие через системный интерфейс. Файервол также содержит набор команд, через которые можно узнать, какие команды и функции управления доступны для конкретной платформы

Энергонезависимое хранилище

Энергонезависимое хранилище остается доступным даже при сбое CPU сервера, например, через локальную сеть; состоит из трех областей:

• System Event Log (SEL) ― журнал системных событий
• Sensor Data Record (SDR) Repository ― репозиторий, хранящий данные о сенсорах
• Field Replaceable Units (FRUs) Info ― инвентарная информация о модулях системы

Модули системы генерируют (Event Generator) или получают (Event receiver) события. MCs выступают в качестве генераторов событий, а BMC в архитектуре может выполнять обе роли. BMC получает сообщения о событиях по системному интерфейсу и IPMB, затем регистрирует их в System Event Log (SEL).

К реализации SEL есть обязательные требования:

• SEL хранит в памяти не меньше 16 событий
• К информации, хранящейся в SEL, можно получить доступ вне зависимости от доступа к BMC и состояния управляемой платформы

Команды IPMI допускают чтение и удаление SEL. Поскольку память SEL ограничена, периодически журнал надо проверять и очищать, чтобы записывались новые события. В настройках BMC можно сконфигурировать автоочистку SEL. Автоочистка на различных платформах происходит по-разному — стирая старые записи, чтобы заполнить новые, или очищая всю историю.

Сообщение о событии несет в себе информацию из областей SDR Repository и FRU Info.

Записи SDR — это данные о типах и количестве сенсоров, их возможности генерировать события, типы показаний. SDR также содержат записи о количестве и типах устройств, подключенных к IPMB. Записи SDR хранятся в области памяти, которая называется SDR Repository (Sensor Data Records Repository).

Записи FRU содержат информацию о серийных номерах и моделях деталей различных модулей системы — процессора, платы памяти, платы ввода-вывода, контроллерах управления.

Информация FRU может предоставляться через MC (командами IPMI) либо через доступ к чипам энергонезависимой памяти SEEPROM (Serial Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), подключенным по шине Private Management Bus. По этой шине контроллеры общаются через низкоуровневые I2C-команды с устройствами, которые не поддерживают IPMI-команды.

Практическое применение

Допустим, клиент жалуется на зависания сервера, но в логах операционной системы всё в порядке. Смотрим SEL ― видим ошибки по одной из планок оперативной памяти с указанием информации о слоте, в котором она находится. Меняем ― сервер начинает работать как часы.

Выше мы разобрали основные модули архитектуры IPMI. Теперь обратимся к структуре передаваемых команд и посмотрим, по каким интерфейсам происходит удаленное подключение.

Структура IPMI-команд

IPMI передает сообщения в формате запрос-ответ. Запросы — это команды. Команды инициируют действия и устанавливают значения. Формат запрос-ответ делает возможным одновременное общение нескольких контроллеров по одной шине.

Сообщения IPMI содержат базовый набор полей, единый для всех команд:

• Network Function (NetFn) присваивает команде значение кластера, к которому команда относится (команды шасси, событий, хранилища и т. д.)
• Поле Request/Response Identifier нужно, чтобы различать запросы и ответы
• Requester’s ID — информация об источнике сообщения. Например, для IPMB эта информация содержит LUN (Logical Unit Number) устройства
• Responder’s ID адресует запрос к желаемому ответчику
• Command — уникальные в рамках Network Function команды
• Data — дополнительные параметры (например, данные, возвращаемые в ответе)

Кроме того, в ответе всегда передается Completion Code, который сообщает результат выполнения команды. Если в ходе выполнения запроса произошла ошибка, будет отправлен ненулевой код, соответствующий событию.

Каналы, по которым передаются сообщения, можно разделить на три категории с соответствующими интерфейсами:

• BMC ― MCs, Sensors, Storage (IPMB)
• BMC ― управляемая платформа (System Interface)
• BMC ― удаленный администратор (LAN, Serial Interface)

В этой модели BMC можно воспринимать как коммутатор, который связывает между собой интерфейсы системы (в терминологии спецификации ― Bridging):

• Serial ↔ IPMB
• Serial ↔ System Interface
• LAN ↔ IPMB
• LAN ↔ System Interface
• Serial ↔ PCI Management Bus
• LAN ↔ PCI Management Bus
• Другие комбинации, в том числе Serial ↔ LAN

При доставке через разные интерфейсы архитектуры базовый набор полей дополняется номерами каналов и фреймами. Например, протокол IPMB добавляет адресные поля и поля для проверки целостности передаваемых данных, а LAN инкапсулирует команды IPMI в UDP/IP пакеты.

Интерфейсы удаленного доступа

В начальной версии IPMI удаленная консоль подключалась к модулю BMC через последовательный интерфейс (Serial Interface). Спецификация IPMI v2.0 базируется на использовании сетевого интерфейса (LAN Interface).

Интерфейс LAN предоставляется через выделенный сетевой порт BMC со своим IP-адресом. При передаче через LAN сообщения IPMI проходят несколько этапов инкапсуляции:

• Сообщения IPMI формируются в пакеты IPMI Session (позже в статье мы подробнее рассмотрим формирование IPMI Session)
• Пакеты IPMI Session инкапсулируются по протоколу RMCP (Remote Management Control Protocol)
• RMCP-пакеты формируются в UDP datagrams
• Добавляются фреймы Ethernet

Последовательный интерфейс для подключения удаленной консоли к BMC уже не используется, однако он нужен для реализации двух функций:

• Serial Port Sharing
• Serial-over-LAN (SoL)

Serial Port Sharing ― это возможность использовать общий последовательный коннектор между последовательными контроллерами BMC и управляемой системы. Обычно Serial Port Sharing используется для реализации BIOS Console Redirection, то есть перенаправления BIOS-консоли на модуль BMC.

Serial-over-LAN нужен для взаимодействия с компонентами системы, которые понимают только последовательный интерфейс общения. Еще можно из консоли сервера посылать команды напрямую к устройствам сервера (чипам, картам, дискам и так далее). SoL реализован так, чтобы работать совместно с функцией Serial Port Sharing.

Сеанс и аутентификация

Для LAN и последовательного интерфейса началу передачи IPMI-сообщений предшествует установление сеанса, в ходе которого формируются пакеты данных IPMI Session.

Установление сеанса ― это аутентификация конкретного пользователя. Сеанс должен быть активирован перед началом передачи IPMI-сообщений по следующему алгоритму:

1. Удаленная консоль запрашивает данные по аутентификации у BMC
2. BMC посылает ответ о поддерживаемых типах аутентификации (none, password, алгоритмы MD2 и MD5 и т.д.)
3. Удаленная консоль посылает команду о выбранном типе аутентификации и отправляет логин пользователя
4. Если пользователь имеет привилегии доступа к каналу, BMC посылает ответ, содержащий ID сеанса. Благодаря назначению ID, несколько сеансов могут работать одновременно на одном канале (согласно требованиям спецификации ― не менее четырех одновременных сессий)
5. Удаленная консоль посылает запрос активации сеанса. Запрос содержит ID сеанса и аутентификационную информацию (имя пользователя, пароль, ключи ― зависит от выбранного типа аутентификации)
6. BMC верифицирует информацию о пользователе, утверждает ID сеанса и посылает ответ об активации

Сеансы автоматически прерываются, если в течение заданного интервала не выполняется никаких действий или если соединение разорвано.

Доступ к BMC можно заблокировать, отправив одновременно множество запросов об активации сеанса, тогда все ресурсы будут использоваться для отслеживания сессий, требующих активации. Чтобы предотвратить возможную атаку, в реализации BMC рекомендуется применять алгоритм LRU (Last Recently Used). Алгоритм утверждает ID сеанса для наиболее раннего запроса активации сеанса. Например, удаленная консоль запускается через браузер в noVNC-сессии. Если открыть несколько вкладок с запущенными сессиями, текстовый ввод будет доступен в наиболее ранней открытой вкладке.

Когда IPMI становится недоступен

IPMI помогает восстановить работоспособность сервера при его сбое. Однако может случиться так, что становится недоступна система удаленного управления. Сбои в работе IPMI можно разделить на четыре категории:

• На уровне сети. «Битые» порты, нерабочее оборудование, дефект кабеля, плохо обжатая витая пара
• На уровне ПО. Баг системы, зависание модуля BMC, необходимость обновить прошивку модуля
• На уровне «железа». Перегрев, выход из строя критичных комплектующих (память, процессор), дефекты архитектуры системы
• На уровне питания. Отключение питания BMC или проблемы с блоком питания сервера

Перечисленные факторы влияют как на работу IPMI, так и на сам сервер. Модуль BMC ― это независимый от сервера чип, и отказ данного микроконтроллера говорит об отказе сервера в 90% случаев.

IPMI на практике

Управлять сервером по IPMI можно через веб-браузер, утилиты, предоставляемые производителями, и утилиты с открытым исходным кодом.

Веб-интерфейс у каждой реализации IPMI свой, но принцип доступа остается одинаковым:

1. Ввести в адресную строку IP-адрес порта BMC
2. Ввести логин и пароль. Иногда эта информация указана непосредственно на оборудовании

В Selectel мы работаем с IPMI-модулями компаний Intel, Asus и Supermicro. В качестве примера посмотрим на веб-интерфейс Supermicro:

Возможности веб-интерфейса также реализованы в графической утилите Supermicro IPMIView:

Чтобы управлять оборудованием через Linux-консоль, устанавливается соответствующая утилита (например, Ipmitool для локального и удаленного управления или IPMICFG для локального). Далее при помощи консольных команд добавляется IPMI-устройство и конфигурируется BMC.

Клиентам Selectel доступен IPMI для выделенных серверов и серверов произвольной конфигурации. IPMI реализован в виде KVM-консоли, которая запускается в noVNC-сессии через панель управления. Для этого в карточке с информацией о сервере надо нажать на значок консоли в правом верхнем углу:

Консоль открывается в браузере и подстраивается под размер экрана. При желании консоль можно использовать даже через телефон или планшет.

Сессия прерывается, если выйти из панели.

Заключение

IPMI ― это полностью автономный компонент серверной платформы, который не зависит ни от операционной системы, ни от BIOS, ни от CPU сервера.

Благодаря IPMI, затраты на обслуживание серверных систем сокращаются, а жизнь системных администраторов становится проще. Нет необходимости постоянного присутствия рядом с оборудованием ― его работа контролируется удаленно по сети.

В этой статье мы рассмотрели основные компоненты IPMI. Однако детали технологии обширны. Талантливые разработчики, опираясь на спецификацию, могут создавать свое IPMI-оборудование и open-source инструменты, попутно устраняя недостатки текущей спецификации и открывая новые возможности удаленного управления.
 
Материалы, использованные в статье:

Спецификация IPMI v2.0
Официальная документация Supermicro