如何修改新仙剑等级:AdvancedTCA Fabric 接口详览

2005-10-13
作者：Jeff Munch   凌华科技
Fabric 接口是PICMG 3.0 AdvancedTCA架构中主要的数据传输，可以承载高达2.1TB/s的资料吞吐量。PICMG 3.0规范中定义了Fabric 接口的电气连接特性，但是却没有规定具体的传输协议。这些传输协议在后续的3.0规范子集中得到了明确的定义。目前为止已经有4个3.0子规范被最终通过，它们是：3.1以太网和光纤信道传输 (Ethernet and Fibre Channel Transport)；3.2 InfiniBand传输；3.3星型传输 (StarFabric Transport)；3.4 PCI Express传输；PICMG 3.5 串行快速I/O传输 (Serial Rapid I/O Transport)正在制定中。这些3.0规范子集所定义的传输协议提供的传输的灵活性带来的直接好处就是易用性。ATCA产品的集成使用者在享受这种易用性的同时，需要留意平台中单板使用的传输协议。了解ATCA Fabric接口构架体系是充分利用ATCA架构所能提供高达2.1Tb/s带宽的保证。
在制定PICMG3.0规范的过程中一个费时费力的工作是对承载数据传输的连接器的选择。虽然对连接器的特性需求已经被大家很好的理解，但是规范制定小组希望在现今市场中的性价比较好的连接器中做选择。经过数月的介绍调查，并最终以正式的投票表决方式确定了3.0规范的连接器――ZD。此连接器的制造商是Tyco Electronic Packaging Corporation (Tyco) 和 ERNI Group of Companies (ERNI)。ZD连接器是针对满足高速差分信号而设计的，针脚外观视图是两根差分信号针位于一锹状屏蔽层内。

ZD 配对连接器
ZD连接器的一对具有锹状屏蔽层的差分针脚有效减小了标准针脚以及针穴互连的相互影响。PICMG的仿真结果表明ZD可以完全满足3.125GHz 信号传输，甚至将来可以把信号频率提得更高。另外值得说明的是1个ATCA单板可以依照其连接（双星型或全网状）需求使用1到5个ZD连接器。
ATCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低压差分信号, Low Voltage Differential Signaling )差分对 ( differential pairs) 基础之上，电气特性需求是建立在3.125GHz SERDES 信号基础之上。数据编码使用8b/10b 编码机制 , 并指定交流电信号对接以防止直流电逻辑层面上的数据传输的干扰。ATCA中两个板子的最小连接单元称作通路(channel)，一个通路(channel) 由4个埠 (port) 组成，每个埠(port) 又由两对差分信号(differential pair) 组成，构成了ATCA Fabric 接口的最小连接单元。端口的两对差分信号被映像成一收一发的传输模式。下图描绘了一个差分对、一个埠、以及一个通路的针脚分布：

ATCA Fabric 接口 差分对(differential pair)、埠(port)、通路(channel)的ZD 针脚映像
在典型的编码机制下，一个埠可支持5Gb/s全双工的数据传输速率，也就是一个通路支持20GB/s全双工的数据传输。
ATCA 规范制定各个单板之间有一个通路连接，当3.0规范最初制定时，通路被认为只是支持单一的传输协议如以太网。在这种架构中通路只是最小的连接单位。随着PICMG 3.1的演进，规范制定组织开始讨论在一个通路中使用多种传输协议的可能性，最终大家统一最小的连接单元是端口(port) 而不是通路 (channel) ，此项决定允许PICMG 3.1 组织把光纤信道连接加入到定义以太网连接的章节中。PICMG 3.1规范是一个很好的范例描述一个信道中的端口如何被使用来支持不同的传输协议。下表描述了一个信道中的4个端口在PICMG3.1定义的诸多协议中如何展现支持不同的传输协议配置。

PICMG3.0 以太及光纤信道传输
由上表可见，一个PICMG3.1构架的机箱可支持9中不同的配置模式，可为各种应用提供定制Fabric 接口通路的选择。在上面的范例中，PICMG 3.1在一个通路中混合光纤信道和以太网口。AdvancedTCA规范还允许迥异的协议共存于一个通路中，超越了PICMG 3.1规范所定义的内容。AdvancedTCA支持OEM自定协议，允许在一个通路中除了PICMG 3.x协议之外，可以混合其它多种OEM协议。下面的例子描述了在一个通路中4个端口分别用于支持PICMG 3.1, PICMG3.2 和 一个 OEM 协议。

一个通路中包含多种ATCA子规范
必须了解一个概念―只有两个单板之间的Fabric接口互联才是所谓的通路。需要支持多种协议的应用要嘛得选择针对每个槽位分割协议，要嘛就把多种协议混合在一个通路中。对于Fabric 接口，一个重要的组件是电子钥匙(Electronic Keying)，ATCA标准针对Fabric接口定义了电气特性要求，以便于单板上运行的以太网，InfiniBand，星型结构(StarFabric)，PCI Express 或者其它OEM协议都可以在电气上做到兼容。也就是说所有协议使用的电压等级都是相同的，这样的话当一个以太网单板插入机箱时，如果以太网口的另一端跑的是一个OEM 协议时，这块单板不会损坏。电子钥匙的职能是当已经确认端口的两端是相互兼容的协议时，才允许端口的资料流通。
AdvancedTCA Fabric 接口是针对为下一代计算平台提供相应流量带宽而设计的架构。全网状连结( full mesh) 的AdvancedTCA 机箱可以提供3.125GHz 信号 在 8b/10b 编码模式下高达2.1Tb/s的数据传输。同时能够在一个通路中的多个端口中支持多种不同的传输协议，使得应用架构设计者可以针对应用的特定需求自行定制数据传输方式。加之电子钥匙使得两端中具有兼容协议的端口能开启并匹配工作，ATCA子系列规范定义了端口可以使用的传输协议。AdvancedTCA的使用者需要对单板上所使用的Fabric 接口需求给予额外关注以确保当电源开关打开时，整个系统能够工作。了解Fabric接口是成功购买及使用AdvancedTCA的关键。
基于ATCA架构的IPTV CDN应用
2005-11-02
CND简介
CDN 的英文全称是Content Delivery Network，即互联网内容发布网络。一种新型的网络构建方式，它是为能在传统的ＩＰ网发布宽带丰富媒体而特别优化的网络覆盖层；而从广义的角度，CDN代表了一种基于质量与秩序的网络服务模式。简单地说，内容发布网（CDN）是一个经策略性部署的整体系统，包括分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向和内容管理４个要件，而内容管理和全局的网络流量管理（traffic management）是ＣＤＮ的核心所在。通过用户就近性和服务器负载的判断，ＣＤＮ确保内容以一种极为高效的方式为用户的请求提供服务。总的来说，内容服务基于缓存服务器，也称作代理缓存（Surrogate），它位于网络的边缘，距用户仅有"一跳"（single hop）之遥。同时，代理缓存是内容提供商源服务器（通常位于ＣＤＮ服务提供商的数据中心）的一个透明镜像。这样的架构使得CDN服务提供商能够代表他们客户，即内容供应商，向最终用户提供尽可能好的体验，而这些用户是不能容忍请求响应时间有任何延迟的。与目前现有的其他内容发布模式相比较，CDN强调了网络在内容发布中的重要性。通过引入主动的内容管理层的和全局负载均衡，CDNＮ从根本上区别于传统的内容发布模式。在传统的内容发布模式中，内容的发布由ICP的应用服务器完成，而网络只表现为一个透明的数据传输通道，这种透明性表现在网络的质量保证仅仅停留在数据包的层面，而不能根据内容对象的不同区分服务质量。
CDS:内容分发服务器,负责内容分发,直接向用户提供数据通常以,以负荷分担形式工作;
MS: 管理服务器,完成用户及系统管理,负荷均衡等功能.通常以热备方式工作;

基于ATCA 架构的IPTV CDN中心
用ATCA单板实现内容分发服务器和管理服务器
用ATCA架构搭建电信运营级CDN中心

凌华ATCA硬件平台解决方案 　 硬件配置 功能
Chassis ADLINK aTCA-8406 或 aTCA-8410，Intel MPCH0001 CDS 内容分发服务器，内容管理服务器平台
SBC 1 ADLINK aTCA-6890 计算单板，外配 PMC 形式的FC接口板 CDS 内容分发服务器
SBC 2 ADLINK aTCA-6890 计算单板 内容管理服务器平台
ADLINK aTCA-6890 产品请参考相关凌华产品型录或直接咨询凌华MCG事业部；Intel MPCH0001 请参考Intel相关资料
 
应用评价:
计算性能
实现CDS和MS的ATCA计算刀片一般采用最新的双Xeon或四Xeon设计.计算性能完全和单台主流服务器性能媲美.整个系统实现高密度的并行计算,单个系统最大支持16个并行刀片[包含数据交换刀片。
网络性能
·刀片网口芯片全部为千兆配置
·刀片外置网口兼容光电配置
·内部互联架构在ATCA特有的Base Channel 和Fabric Channel之上,最大实现内部2.4TB数据交换
·Fabric Channel可承载Ethernet, FC, Infiniband, Star Fabric and PCI Express
·与类似于IP内部交换相似,可借助于Fabric Channel 和FC交换刀片实现FC内部交换以及FC接口的统一化
外置接口
·ATCA架构标准化的I/O接口: PMC,PTMC,AMC
·便于实现E1,ATM,FC,Ethernet等各种电信网络接入
系统特性
·天生的Carrier Grade 体系架构设计
·高可靠度,高可用性,高扩展性
·模块化架构设计的管理接口便于用户实现本地及远程管理和升级
经济特性
·全球业界主流标准设计
·良好的Ecosystem, 高性价比
·模块化设计, 加快产品推向市场速度
前景展望
在以Intel, Motorola, ADLINK, Rittal, Schroff等为代表的PICMG ATCA产业联盟的大力推动下 ,国内主流的TEM厂家 华为，中兴，UTStarcom, Alcatel已经开始尝试用ATCA构架其核心设备和主流应用，特别是在诸如3G, IPTV领域已经实现初步实现商业部署。不仅如此运营商也十分青睐的ATCA构建的设备和应用，其电信级的设计，模块化开放式的标准构架，必将对电信网络行业硬件设备的产业化进程起至关重要的作用。
标准化、模块化建构电信未来2005-10-13
作者：刘冬冬   凌华科技
电信行业的竞争日趋激烈，这中间不仅有政府力量逐渐退出、市场自由竞争加剧的原因，更有电信业务从语音服务为主向数据业务为主转化的缘故。如何才能有效降低成本、快速开发并导入新的电信增值业务已经成为每个电信运营商不得不面临的问题，而解决这个问题一个有效的方法就是采用标准化、模块化的电信设备。    采用标准化、模块化的电信设备带来的利益是显而易见的：
降低成本。标准化、模块化的设备很容易实现大规模生产，而大规模生产带来的生产成本的降低可以反映到电信运营商建构电信平台成本支出的降低上；同时，标准化、模块化则意味电信运营商可以从不同的设备提供商处购买相同的产品，而这也将会大大降低其采购成本。
快速的进入市场时间。由于标准化和模块化，电信设备开发商很容易找到需要的模块和系统，而板卡和系统开发商都有自己擅长的专业领域，这样一来，新的电信设备的开发周期便大大缩短，新的电信增值业务推出的周期也相应缩短。电信运营商不仅获得了宝贵的市场进入时间，更可以利用专业分工实现利润最大化。
国际PICMG3.0协会主席、凌华科技CTO Jeff Munch先生指出：电信设备标准化、模块化这一趋势已经显现出来，按照电信设备5－7年的循环周期，电信设备标准化的高峰应该为期不远了，而对于旧设备包袱很小的中国来说，这正是一次直接采用最新的平台架构，缩短和欧美技术差距的绝佳时机！
易管理。基于PICMG2.9规范，使得系统可以实现自我侦错、自我config等管理功能，降低了系统的管理维护成本。
较短的开发周期，由于CompactPCI具有和PCI总线相同的电气性能，使得设备开发商可以采用基于PCI的解决方案，并得到业界标准的操作系统和设备开发商的支持，大大降低了设备开发的周期。
在国际PICMG协会的大力推动下，CompactPCI得到全球数百家硬件设备厂商和软件厂商的支持，在电信和电信增值领域得到了广泛的应用，具体如下表所示：

而在电信领域之外，在交通运输系统、军事应用、量测仪器、自动化设备等领域，CompactPCI的应用也正呈现加速成长的趋势。据国际知名研究机构IMS对全世界各地主要的单板嵌入式计算机购买者的调查数据显示，在所有受访者中有42.9%的人表示于2006年以前采用cPCI单板计算机。而凌华科技CompactPCI产品销售额成倍增长这一事实也充分印证了同样的市场趋势。
AdvancedTCA——下一代电信网络应用的新宠
据全球著名的行业组织UMTS论坛称，全球使用3G/UMTS标准的WCDMA用户数量已经超过1000万，而且这一数量还在迅速增长。在3G应用中，数据业务被推向了一个全新的层面，而这对于底层的计算平台也提出了更高的要求——更为强大的计算性能、更为强大的数据传输能力、与强大计算性能相配套的散热性能和更为强大的系统管理能力。
设计新一代计算平台标准的重任又落到了PICMG身上。2001年底，PICMG协会用户组织一个专门的委员会起草满足高吞吐量、高可靠性的新一代计算机平台标准——AdvancedTCA（先进的通讯计算机架构）、也即PICMG3.X标准。在预先制定的SOW（State of Work）中，是这样描述PICMG3.0规范（PICMG3.X的主规范）的：“PICMG3.0标准是为下一代融合通讯及数据网络应用提供一个高性价比的、基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件架构，同时以模块架构的形式呈现以支持符合现代传输需求的科技或应用，在核心标准中定义机械结构、散热管理。电源分配和系统管理。PICMG3.0规范的特色是专著于电信运营级需求‘可靠性、可用性、使用性（RAS）’的应用，同时附带目的则为加速在高可靠度资料中心（HA Data Center）对此技术的应用，是规范的目标更清楚针对那些未被现存CompactPCI标准规范或专属架构满足的应用，PICMG3.0及其辅助规范将带给这样的应用市场一个良好的解决方案。”
经过1年的辛勤劳作，AdvancedTCA即PICMG3.X规范于2002年底如期推出。和CompactPCI相比，ATCA有如下不同：

从上表中我们可以看出，AdvancedTCA在多个方面的指标有了大幅度的提升：
首先，空间扩大和电源提供能力的加强为系统数据处理能力的大幅度提升提供了可能。强大的电源提供能力使得采用更高频次的处理器，AdvancedTCA可以支持主频高达3.0MHz的Xeon处理器，而空间的扩大一方面为散热性能的改进提供了余地，另一方面在同一块背板上可以使用更多的板卡。
其次，数据传输能力得到巨大提升。在采用全网状连接的AdvancedTCA机箱中最高数据传输能力可以达到2.4Tb/s，完全消除了带宽不足给电信应用带来的障碍。
第三，基于IPMI（智能平台管理接口），AdvancedTCA系统的管理性能有了大幅度的提高。通过ShMC（机框管理控制器），系统管理子系统可以对机箱内的单板、电源、风扇、温度传感器等现场置换单元（Field Replaceable Units，FRUs）进行智能调节和管理，而管理子系统的实体承载采用双IPMB总线，可以确保一条总线失效的情况下系统管理的仍可以稳定进行。
最后，AdvancedTCA增加专门针对电信应用的时钟总线（Clock Bus）、更新总线（Update Bus）和测试总线（Test bus）。专门的时钟总线可以满足电信级应用对时钟的需求；更新总线可以为高可靠的冗余背板（HA redundant Board）提供物理同步时钟；测试总线则可以为注入DLSLAM之类的特殊需求提供电信测试总线。
在PICMG的大力推动下，越来越多的厂商开始投入到AdvancedTCA产品的研发和生产过程中，而兼容性测试也在PICMG协会的大力推动下正在不同的会员之间展开。据IMS调查数据显示，AdvancedTCA标准正在被越来越多的电信设备开发商和电信运营商接受。可以预见的是，在下一代电信网络中，AdvancedTCA将会得到广泛的认可和应用。而就目前的情况来看，在未来相当长时间内，CompactPCI将会和AdvancedTCA相互补充，共同促进电信行业乃至信息产业的发展。

基于AdvancedTCA的高性能单板计算机ADLINK ATCA－6890
开发基于ATCA标准平台的宽带远程接入服务器
2005-07-20
John Fryer
摩托罗拉嵌入通信计算部
随著电信工业又一个新需求浪潮的到来，设备制造商正在寻求新的方法来加快上市时间， 降低研发和生产成本，并通过产品的成功升级来保护技术投资。制定硬件和软件的标准依然是一个达到这些目地的成功之道，它有利于利用有限资源来构建产品的多样化，以寻求最大化企业的利益和竞争力。"应用支持平台"配备了最新的硬件和软件标准，正成为一个被广泛应用的系统，有助于满足这些商业需求。这一新的开发方法能够成功地应用于宽带远程接入服务器(BRAS)。
在DSL 论坛系统规范TR59 里列出了对BRAS 的需求，用以支持有服务品质(QoS) 保证的IP 服务。BRAS 被定义为一个在区域边缘或接入网的设备，提供网络和应用服务。它提供可灵活增加的业务服务，同时用户管理是由一个单一的管理网络来完成而不需要采用用户和服务提供者一对一的方式。（如图1）

图1
在接入侧，BRAS 为范围广泛的业务提供了一个汇聚点。 它包括传统的基于ATM 的服务和新的更多的基于IP的服务。这包括支持ATM 网点对点传输协议和以太网点对点传输协议，以及基于相应2层传输的直接IP服务。
网络服务提供商（NSP）和应用服务提供商(ASP) 的连接需要支持较为广泛的高宽带连接。例如，在物理层里，这可能是从传统的DS1/E1到DS3/E3， SONET 或SDH 的OC3C/STM1 到OC48c/STM16 以及 10/100/1000 以太网（比如主机寄存或托管服务）。在第2层，或数据链路层，它必须支持广泛的选项。它包括ATM（用于和现有系统兼容），以太网，POS 和帧中继。
关键的汇聚功能主要在IP输送层进行。根据注册的服务不同，这些功能包括简单的IP传送，但经常需要做的是终结端对端协议会话，多播，流量协商，网络地址转换功能，鉴权和加密。涵盖了直接传送数据到IP和基于网络的虚拟私有网。对这些功能的一个关键点是提供服务质量保证。 因特网工程工作小组（IETF）的差分服务规划（DiffSev）和利用差别式服务代码点（DSCP）能够提供这种保证。它不能定义绝对意义上的QoS，但能够相对地给出流量的优先级机制。在接入侧，特别是在独立的用户群内，这几乎相当于QoS能力。这些功能最初能被IPv4支持，但今后必将被IPv6支持。
由于这些服务是以IP基础为主，BRAS 必须具有基本的IP路由工能。这和边缘路由器很相似。包括支持开放系统最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP），以及流量工程功能。当流量逐渐汇聚到高速上行链路，连接到NSP和ASP时，多协议标记交换技术（MPLS）能同时提供流量工程特性，并结合BGP4，提供供应商开通的VPN。另一点也必须注意，通过使用可路由的2层协议比如2层隧道协议（L2TP）汇聚也可能在PPP层工作。在这种情况下，BRAS将作为一个L2TP的接入集中器。
有很多基于标准的技术可用来研发BRAS以达到上面描述的广泛功能。先进电信计算平台（AdvancedTCA，简称ATCA）标准在这些基于标准的技术中处于核心位置。PCI工业计算机制造商协会（PICMG）制定了ATCA。PICMG3.x ATCA标准提供了一个灵活的硬件平台。它被设计用于满足电信工业的要求。其它的选择包括以基于交换以太网的PICMG 2.16和CompactTCA 规范。
PICMG 3.0 基本规划包括电源要求和机械标准，如带有支持热插拔风扇的多路-48V 电源。智能平台管理接口用来管理这些基本硬件功能。8U 的单板尺寸提供了140 平方英寸面积并允许支持200瓦功耗。这远远超出以往任何标准规范。当ATCA 和一定范围内的网络互连规范结合，ATCA 为新一代电信设备提供了一个强有力 的框架。把这些功能组装在14 槽19 英寸或16 槽23 英寸12U/13U 外型尺寸的机架中，再加上对网络设备构件系统规范（NEBS）和国际相应规范的兼容，就能全面满足电信业的需求。
从交换网角度来看，ATCA定义了广泛的选择。在基于IPMI的底层的刀片管理功能之外，PICMG3.0定义了一个基本的双星型千兆以太网交换结构。假设两个刀片作为一个传统的备份对执行网络交换和核心机箱控制功能。每个槽位1G的带宽，用于控制平面和机箱管理功能已经足够，但明显对于需要一个OC48（并有可能在将来是OC192或10GE）的上行链路的BRAS来说是不够的。为了解决这个需求，PICMG已经定义了一个数据交换网用于支持广泛的负荷能力。和基本交换网类似，数据交换网可以支持一个双星型的配置，但同时也支持网状互连的结构，也就是说每一个刀片直接和所有的刀片有连接。虽然这可能从带宽和吞吐量上看有吸引人的地方，但这种结构也使控制功能复杂化了，由于每个刀片从本质看都变成了一个交换刀片从而提高了每个刀片的成本。由于这些原因，双星型交换结构普遍作为首选方案。数据交换网的选择范围包括：PICMG3.1支持千兆以太网和光纤通道，PICMG3.2 Infiniband,PICMG3.3 StartFabric,PICMG3.4 PCI Express和PICMG3.5 RAPID IO.其中一些规范有能力为每个槽位提供10Gbps的数据传送能力，全机框能提供240/280GB/s的交换能力。
ATCA交换网络的规范仍然在发展和标准化，以满足除了原有的吞吐能力的其他需求，比如内部的流量管理功能，队列和线头堵塞功能。在一个以数据包为基础的环境中，传送10Gbps的数据流量一般需要两倍的超速运行，或者说每个槽位20GB/S，才能最大化利用统计复用。ATCA的规范制定者预先提供了空闲的背板接口针用于支持增加的功能。这就允许开发者使用ATCA去实现离架式的应用，或者采用支持部分或全部的前述功能的私有芯片组。
ATCA规范同时提供了前端和后端接入连接方式。后端接入是通过后传输板来支持，在不需要的情况下也可以去掉。在这种模块上可能需要支持层1的接口处理。在需要的时候，特别的接口功能可以通过传统的PCI子卡（PMC）来支持，这样最小化了载板和子卡的开发。PICMG正在开发先进子卡规范（AMC）。它比现有的子卡多提供了30%的元件空间和100%的供电能力。AMC是热插拔的模块，最多在ATCA的刀片上可以支持8个。
BRAS需要高度灵活的接口能力。这种广泛的功能需求很适于网络处理器技术。使用同一个卡采用合适的编程就可以达到批量效益。
BRAS的一个主要挑战就是处理2层及以上的协议，这时IP的流量管理变得严格了。除了基本的信元和包处理功能，使用适当的队列管理的流量监管和整形以及丢弃功能都变得严格起来。接入侧需要同时在用户设备和BRAS实现流量管理，我们假设BRAS的下行流连接到NSP和ASP。（如图2）

图2
在接入侧，目前DSL层是基于ATM上的端对端协议(PPPOA)，未来将是以太网上的端对端协议（PPPOE）的封装。ATM 虚通道是AAL5的PVC支持UBR,UBR+和VBR-rt类的服务。在当前的应用中，流量管理纯粹在ATM层执行。对以IP为主的应用层而言，除非使用多个ATM 虚通道并进行相应的映射，否则所有的服务将会被同等对待。而每个BRAS的物理连接可以包括上万个子流。
当流量管理转移到IP层并使用差别服务的功能时，QoS保证能够支持到每一个流。然而，必须指出层2的传输，目前主要还是基于ATM，必须支持足够的带宽以及相关的参数，比如延时和滞后，才能有效支持IP流量管理。
当全IP的机制被引入后，比如PPPOE，这些问题将会发生变化。一个基本的假设必须是以太网为所有的应用提供足够的带宽，假如多个PPP会话同时工作，它们的总带宽需求能够支持IP QoS管理。
在网络侧，NSP和ASP的连接是高度汇聚的。这些连接可以使用传统的IP转发机制，并使用差别代码服务点（DSCP）实现流量管理。另一种方法是，DSCP可以映射到MPLS的标记交换路径（LSP）上去。在这些情况下，队列管理和排序都需要使用加权随机早期检测（WRED）等算法。假如需要将数据流映射到使用MPLS标记栈RFC2547bis VPN上时算法可能更为复杂。对于在PPP层汇聚的情况，L2TP是必需的，并由 IP封装起来。映射PPP会话到L2TP可以通过使用层2的隧道服务器（L2TS）或者通过使用RADIUS服务器（远程鉴别拨号用户服务器）。
这套复杂的数据平面功能需要一套完整的控制面的功能相配合。首先一个需求是提供一个完整的电信级平台，它能满足服务提供商们5个9的可靠性。SAF(服务可用性论坛)正是集中关注于这个领域，并且已经在为中间件软件开发全面的规范，这些中间件将令应用软件可以在平台间移植。目前的开发模式依赖于私有应用程序接口并且经常有不一致的高可用性模型，与之相比，在这方面标准化的重要优势就是能够令大量的高层应用得以发展，并只需要更少的集成工作。
在底层，硬件平台接口（HPI）规范为基础硬件部件提供了标准的访问机制。在许多方面它是对CPCI和ATCA的IPMI功能的补充。
更有意思的是SAF的应用程序接口规范(AIS)，它提供标准的机制以达到运营商所要求的服务可用性等级。这个将要发表的规范包括对逻辑服务组的支持（一般称之为群集管理）消息服务（用于支持分布式系统），锁定服务，同步检测点服务（用于复制高可用性应用的信息），事件服务（处理失效和可用性管理以提供高可用性模型和切换选项）。纵观所有的这些标准都是一个仍在发展的管理规范，它们力图提供对相应信息的一致的访问。
基于CPCI和ATCA的平台加上SAF的应用就构成了应用支持平台的核心。这套标准的硬件和软件服务现在能够被应用于BRAS的开发。
对于大多数电信设备来说，一个关键的需求是可扩展性，BRAS 也不例外。 为了满足这个要求，在不增加太多的额外负荷的条件下，控制面的模型需要尽可能采用分布式。在主要是基于IP 层提供服务的情况下，BRAS 体现为一个路由设备。它至少需要IGP 协议（诸如OSPF开放最短路径优先协议），很有可能还需要外部网关协议（EGP），BGP4，如果NSP 和ASP 网络是在不同的区域的话。另外，为了满足QoS 的需要，在IP 层里需要支持流量工程。通过使用非透明的链路状态公告（LSA）,IGP路由设备间可以交换信息。从这些信息可以建立流量工程拓扑结构。BGP4和MPLS支持对等机制虽然前者是一种不同类型的协议（采用距离向量  而不是链路状态 ）而后者是一个信令协议。
为了达到可扩展性，BRAS的接口卡必须执行尽可能多的处理，下面的例子使用了ATCA的结构。由网络处理器提供的数据平面功能必须由通用处理器来补充控制面的功能。尤其是，层2和层3信令、管理和控制面终结功能必须在接口卡上执行。以采用IP为例，基本的存活检测和路由信息交换必须在接口卡上执行。从这些进程收集的路由信息必须通过分布式消息系统转发到系统控制功能块，一般分布在系统控制或交换刀片上。这种分布式消息系统是通过前面提到的双星型千兆基本交换网运行，并兼容SAF规范。系统控制和交换卡是路由数据库的集中库。基于这个信息，转发信息库（FIB）将被创建，它描述了：基于IGP和EGP的路由信息得出的到任何位置的最佳路由。FIB也可以是分布式的，全部或者部分位于到接口卡上。本地可以进行路由判决而不需要连续访问中央数据库。很多或全部FIB的路由将被编程到硬件中去。网络处理器和控制平面的硬件/软件接口边界由网络处理器论坛CSIX规范和IETF FORCES工作组定义。控制面的信息由网络处理器用于转发数据流。（见图3）

图3
BRAS的流量工程能力采用类似的方法来处理。非透明LSA路由信息被送入流量工程数据库 (TED)，胜于保存在链路状态数据库  (LSDB)。这个数据库被用于流量控制计算，并支持差分服务映射 和 MPLS 隧道。在MPLS情况下，TED信息被带约束的最短路径优先算法(CSPF)引擎使用，用于计算网络最佳路由，并由资源路由协议-流量工程（RSVP-TE）建立标签。CSPF计算和MPLS信令可以既可以在核心集中处理，也可以作为本地处理分布到接口卡。这将是设计上的一个选择――考虑计算量的需求和接口卡上处理器、内存的成本。
除了基本的路由功能设置外，还有一些信息必须由BRAS分发。它涵盖了系统级的功能：包分类和信息过滤。在这种网络模式中一个关键的因素是：制定和分发处理信息的策略。这常常是非常广泛的需求，在以上提到的一些应用中将需要RADIUS能力。基于标准的技术（如AdvancedTCA）的一个关键优势是：通用的刀片服务器可以作为附加选项，用在边缘数据处理和系统控制处理。通过配置变化，用户可以先建立一个功能全面的小系统，再随时根据需要扩容。在这种情况下，基于标准软硬件平台的应用支持平台其优势是显而易见的。
以上BRAS的概念描述已经在DSL接入文章中引用了。然而我们很容易发现这是一种新的服务，例如：音频/视频广播服务，结合了视频点播、交互式游戏和基于网络的安全特性，并伴随着支持传统语音服务以及最好的Internet接入，由BRAS支持的特性将覆盖到接入技术的各个方面，包括无线接入、wi-fi和wimax。为了迎合降低成本目标，应对市场先机压力和保护设备更新投资的需求，采用基于标准软硬件的应用支持平台正成为一个逐渐取代传统专有平台的经济做法。
作者简介
John Fryer目前是Motorola嵌入通讯计算平台部的市场总监。先前是NetPlane Systems的副总裁。
ATCA及其在B3G移动通信系统设计中的应用2005-07-20
马静
清华大学电子工程系 无线与移动通信研究中心
【摘要】
本文介绍了先进的通信计算机架构——ATCA的组成和工作原理，提出了将其应用于未来通信系统——B3G移动通信系统的构想和系统设计，并且对于ATCA的发展提出了一些有价值的建议。ATCA以专注于电信运营级需求“可靠性、可用性、适用性（RAS）”的应用为特色，特别支持满足电信业飞速发展的高速率串行数据流的需求，因此是B3G移动通信系统之首选。
【关键词】
ATCA，B3G，PICMG3.x，IPMB，QoS，
1 ATCA（PICMG3.x系列规范）
PICMG 3.0标准是为下一代融合通讯及数据网络应用提供一个高性价比的，基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件构架 ,同时以模块结构的形式呈现以支持符合现代传输需求的科技或应用。其特色是专注于电信运营级需求"可靠性、可用性、适用性（RAS）"的应用，同时附带目的则为加速在高可靠度资料中心(HA Data Center)对此技术的采用。
下面简要介绍ATCA比较PICMG 2.x系列规范的发展和优势。
1.1 机箱及单板规格扩大
PICMG 3.0委员会在考虑单板尺寸能支持下一代元器件对物理和散热的需求的同时，机箱空间能和板子能达到最大限度的配合和利用。比较PICMG 2.x系列所定义的标准6U x 160mm x 8" pitch板卡，ATCA充分考虑了前、后板的进深范围以供大量电缆束绑空间，定义了更大机箱容量和板卡尺寸并继承了后面板拓展IO优势，规范前板8U x 280mm，进深1.2" pitch，选配后板8U x 70mm深。基于1.2" pitch，19" EIA机框可以支持14槽，而600mm ETSI的机框可以支持16槽。
1.2 冗余高功率电源
为顺应核心芯片技术的飞速发展从而对功耗更苛刻的要求，ATCA将单板最高功耗从PICMG 2.x的50瓦提高到 200瓦。于是给单板引入直流低点压（3.3V，60A）变得不可行， ATCA通过Zone 1引入-48V双冗余电源，要求各板自己配置滤波和变压模块。电源联接头的针脚包括用来确定PICMG3.0单板正确插入位置的调整针,以及电源管理针脚。
1.3 系统管理
系统管理是通过机框管理控制器（ShMC）执行的，它负责完成对ACTA系统中的FRU（Field Replaceable Units，如单板、电源、风扇、温度传感器）的管理，对他们进行监测和错误汇报，同时提供电子锁功能。系统管理架构的实体承载是基于（具备数据和时钟的双串行信号线）接口的IPMB(智能平台管理总线)。ATCA规范制定要求2个IPMB总线，分别冠以IPMB-A和IPMB-B，两条总线合一称之为IPMB-0。IPMB可以以双总线或双星型配置方式实现，为了保证系统管理子系统的可靠性。IPMB总线被用作联接ShMC与ATCA单板和ATCA机架中FRU的桥梁。
1.4 传输系统
在数据传输上，ATCA彻底摒弃了传统共享PCI总线的并行传输模式（带宽共享），通过引入点到点的高速串行数据流和先进的交换结构，每个设备都拥有专用连接，从而提供了更高的带宽和更加灵活的拓扑结构，并支持不同通路同时传输。
AdvancedTCA PICMG 3.0 规范涵盖多种数据传输：提供系统管理、控制层面、数据层面的连接。各自的电气联结和数据传输的拓扑结构因基于特定传输的需求而不尽相同。ATCA的所有传输模式都是构架在高可靠度的系统之上，故不会因为单点故障而导致传输的瘫痪。多传输模式的选择使得控制和数据传输分离, 而每种传输类型又可被区分为单个独立的传输。

图1 传输系统拓扑
1.4.1 基本接口 (Base Interface)
继承了PICMG2.16提出的交换以太网传输模式，ATCA基本接口以10/100/1000 BAST-T以太网的双星型结构提供了机框内的IP传输。两个交换板互连并与其余节点板卡和ShMC连接，节点板卡则只与两块交换板连接，每个接口需要4对差分信号提供双工传输。注意到10/100/1000 BAST-T以太网由于帧长可变，传输优先级无法被理想实现，对传输延迟无法准确估计和保证，所以不适合于传送对QoS要求很高的信息（例如：实时信息）。
1.4.2 交换接口 (Fabric Interface)
交换接口是ATCA机框中的主要数据传输接口。ATCA协议在每个板子上定义了多达15个通讯通路。这些通讯通路可以被配置成全网状拓扑结构或双星/双双星型拓扑结构。在星拓扑结构中每块板同两个/四个不同的交换板都有通路，交换板在机框中扮演交换核心的角色。在全网状拓扑结构中，每一个单板与其它任意单板都保持一个链接通路，并且都具备交换单元。下图描绘了双星型和全网状结构中的内部互链的配置。

图2 交换接口互联拓扑
PICMG 3.0针对互连做了电气和实体上的定义，PICMG3.x子规范则定义了用于通路之间的传输协议。每个channel包含8对LVDS信号，组成4个port，每port支持最高3.125GHz信号速率（依据不同规范有所差异），用8b/10b进行编码。当使用典型的编译码机制的话，一个channel可支持20Gb/sec半双工或10Gb/sec全双工传输。
一个channel可以支持以port为基本单位的多种相互兼容的传输规范，电子钥匙的使用保障了相互联接两板规范的兼容（电平等）。ATCA当前支持10G Ethernet (XAUI)/Fibre channel)（PICMG3.1）、InfiniBand (PICMG 3.2)、StarFabric (PICMG 3.3)、PCI Express (PICMG 3.4)以及Advanced Fabric Interface/S-RapidIO (PICMG 3.5)构架。目前最被看好的是PCI Express技术的发展。
1.4.3 更新通路 (Update Channel)
更新通路在两个相临的ATCA单板之间提供10对插分信号链接，由设计者自定义。更新通路特别适合于两板间无延迟要求的同步高速互连。电子钥匙保证只有在相同功能的两块单板在通路的两头时，更新通路才起作用。
1.4.4 共享时钟 (Timing Clocks)
ATCA为需要严格同步的系统提供双冗余的三对差分时钟，分别为8 kHz，19.44 MHz和用户自定义值。
2 基于ATCA平台的B3G移动通信系统设计
2.1 Beyond 3G移动通信系统简介
Beyond 3G移动通信系统（俗称第四代移动通信系统）作为未来的移动通信系统应当具备如下特点：
（1）很高的传输速率和传输质量。
B3G移动通信系统应该能够承载大量的多媒体信息， 因此要具备50～100Mbit/s的最大传输速率、非对称的上下行链路速率、地区的连续覆盖、QoS 机制、很低的比特开销等功能；
（2）灵活多样的业务功能。
B3G移动通信网络应能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝”连接，使得用户能够自由的在各种网络环境间无缝漫游， 并觉察不到业务质量上的变化， 因此新的通信系统要具备媒体转换、网间移动管理及鉴权、Ad-hoc网络（自组网）、代理等功能；
（3）开放的平台。
B3G移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络机制上具有“开放性”，使得用户能够自由的选择协议、应用和网络。让应用业务提供商（ASP）及内容提供商能够提供独立于操作的业务及内容。 使定位信息和计费信息能够在各个网络和各类应用之间共享。 改良的安全机制能够作用于广泛的功能范围；
（4）高度智能化的网络。
B3G移动通信网将是一个高度自治、自适应的网络，具有很好的重构性、可变性、自组织性等，以便于满足不同用户在不同环境下的通信需求；
（5）高度可靠的鉴权及安全机制。
B3G移动通信网将是一个基于分组数据网络， 如何保证数据的安全可靠性将直接影响到整个网络的生存力， 也会影响到用户对整个网络的信任程度。
（6）高数据速率和QoS保证。
B3G移动通信不仅是为了适应用户数的增加，更重要的是，必须要适应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质（QoS）的要求。总的来说，必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。
因此，B3G移动系统需要一套支持高数据吞吐率，高兼容性（兼容各种协议）并具备高可靠性和智能性的模块化平台，ATCA是现今业界唯一完全满足要求的选择。
2.2 项目要求
我们从事的项目是Beyond 3G蜂窝移动通信无线接入网络，其总网络拓扑结构如下所示：

图3 Beyond 3G蜂窝移动通信无线接入网络试验系统构成
系统中基站有两个CU（Computing Unit），每个处理12根天线，两个CU的多天线基带发送板之间互联，有双向各8Gbps的通信速率。每块板都需要有全局时钟输入(10MHz)以及系统时钟，用于帧起点以确定绝对时间。
板间的互联的拓扑结构和互联速率如下图所示：

图4 FDD基站下行发送板间互联要求
移动台有一个CU，处理4根天线，有4块数字基带接收板和1块数据汇聚板。每个板需要有全局时钟和系统时钟输入。此外还要求全局时钟可以平滑调整，根据下行接收计算得到的增加或减少的脉冲数来调整时钟的频率，但不能使时钟相位（占空比）发生跳变。
板间的互联的拓扑结构和互联速率如下图所示：

图5 FDD移动台下行发送板间互联要求
2.3 ATCA作为硬件平台的设计
通过对ATCA和系统拓扑结构足够的了解后，我们认为基站和移动台系统中各有两套星形交换结构：以AD/DA预处理板为核心的数据交换结构以及一MCU为核心的控制&数据信息交换结构。综合考虑性能和代价因素，我认为采用双双星(Dual-Dual star）或者双星(Dual star)拓扑的Base & Fabric Interface就可以实现方案。
基站部分（两个CU合并在一台机箱内）：将两个CU的两块AD&DA预处理板（集成每个CU的两块AD与DA于一板之上）分别置于逻辑交换槽1、2位置，它们之间利用Fabric Interface互联并且与四块数字基带板高速相联。数字基带板是并行处理的关系，其相互之间的同步联系通过无延迟的Update Channel实现。MCU（两个CU共用）放置于逻辑交换槽3或4位置，通过双星拓扑连接到各个基带处理板。如果控制数据速率及其延迟要求不太高的话，并且可能实现将MCU模块和预处理模块集成到一块板卡上（比较困难），也可以采用双星结构，控制信号通过Base Interface互联。
移动台部分：如果能够将AD&DA处理板集成在一起，那么就可以用双星拓扑。AD/DA板和数据汇聚板分别置于逻辑槽位1和2，和位于节点槽位的基带处理板以及MCU通过Fabric Interface高速连通。如果不能够将AD&DA集成，那么就将AD与DA分别置于逻辑槽位1和2，数据汇聚板位于逻辑槽位3或4，即采用双双星结构。
对于同步时钟的要求可以轻易地通过时钟通道实现。
通过采用智能管理模块，系统的可靠性将大大增强。
如今若要达到带宽要求，只能在Fabric Interface上使用XAUI规范(PICMG 3.1)，但是以太网由它本身的缺陷限制不适合应用在高速实时数据传输领域。年底和明年初将推出的基于PCI Express的新产品，相信更能符合我们的需求。
另外，一些芯片制造商已经结合ATCA设计了相应内嵌有高速差分SERDES接口的芯片，实现交换功能的芯片，甚至交换板卡（用户只需要将自己的处理板卡附着其上），独立的管理模块以及MCU也可以买到，这就在充分发挥了ATCA优势的基础上大大简化了系统设计者花在研究如何将自己的设计与ATCA良好结合的时间，从而使得设计者能够更加专注于自己系统的设计。
3 ATCA发展探讨
毋庸置疑，ATCA是B3G通信系统硬件平台的最佳选择，然而在结合我们的项目学习和应用ATCA的过程当中，我们也对ATCA的设计发展构建出了一些想法，下面就此问题进行简要探讨。
由于目前的B3G系统设计正处于探索阶段，对于各种数据处理运算量的估计还没有定论（根据仿真结果和参数要求在调整阶段），再加上DSP, FPGA等核心芯片处理能力和功能范围的飞速拓展（更高的运算处理能力，内嵌高速差分数据接口或微处理器以实现高度功能集成），因此业务处理模块的总硬件规模需求尚难明确，即需要多少块处理板并行还是个未知数。因此，板间数据互联既需要高速率又需要灵活的可拓展性。
我们主要设计了两种互联拓扑结构——并行和菊花链，如下图所示：

图6 板间互联建议
并行：
预处理板将接收到的数据分为四份（假设现有四块业务处理板）分别发送给四块板，每块板进行并行处理。这正是我们目前准备应用的方案，因为这和ATCA数据传输通道的设计吻合：无论采用星形连接或者网状连接，每一条数据通路（两板间的连接）都只占用一个channel，而一个channel现能达到最高数据速率限制于4 x 3.125Gbps SERDES。因此，如果我们从预处理板上得到大于10Gbps的数据，则无法通过一个channel全部广播给每块业务处理板。采用这种将数据拆分，分别送给不同业务处理板处理的方案正是为了解决这个瓶颈。
然而，这就要求在做硬件平台时就固定好了要分几块处理，而且要按最保守的处理能力来设计。实际实现时如果板子处理能力强了，也不允许它执行更多的任务，因为它得不到数据。这样设计出来的硬件平台将会过于死板，与通用平台的初衷大相径庭。
解决办法当然是采用更高速的板间互联，以使每个处理板都能获得全部的数据。在这一点上如果基于现有的交换结构，只能寄希望于更高速SERDES和更高质量传输媒质的采用。
菊花链：
如图2所示，将预处理板的全部数据传送给业务处理板1，业务处理板1再将这些数据传送给业务处理板2……每块板卡得到了全部的数据，它可以选择自己需要的处理。这种连接保证了可拓展能力，即实际使用板卡数可以随时拓展，而且还可以适用于流水线作业，缺点在于排在后面的板卡在接收数据时会有一定延迟。
现在的ATCA规范并不支持这种背板结构。这需要将Fabric Interface的一些channel专用于菊花链格式链接：例如将8个channel提出，分配4个给左边板（双向）4个给右边板（双向），即每块板卡只与左右两块相邻板卡互联，并非基于交换结构。这适合于大量高速信号处理，但没有很高数据转交要求的情况。
我们的这种构想是希望在没有交换要求的情况下节省开销，减轻switch的负担。当然这只是一种构想，还有待考察研究。
参考文献：
1. Jeff Munch.  PICMG3.0规范---先进的通讯计算机架构（ATCA）
2. PICMG 3.x Short Form Specifications
3. 孙媛. 4G 通信系统关键技术初探. 电信工程技术与标准化 (2004.4).