mcb3dbd06 磁力链接:ATCA应用打造新一代电信基础架构

2005-11-28
作者 刘洪
众所周知，今天的电信行业竞争日趋激烈，其中不仅表现在政府力量的逐渐淡出，市场自由竞争的加剧，而且电信业务从语音服务为主向数据业务为主转化也是其重要的原因。如何才能有效地降低成本、加快新业务的开发并引入新的电信增值业务，已经成为每个电信运营商不得不考虑和解决的问题，经验告诉我们，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。这里，我们将从新一代电信增值服务的角度来探讨ATCA（AdvancedTCA，Advanced Telecom Computing Architecture，先进电信运算架构）在新一代电信网络中的作用、技术先进性和应用前景。
NGN趋势锐不可当    在电信行业，确保系统正常运行至关重要，一个重要的衡量指标就是：99.999%的高可用性。随着电信市场的不断开放，竞争、分工与合作成为运营商不得不谨慎考虑的问题。运营商在选择平台设备时，越来越注重平台的开放性。新一代网络（NGN，Next Generation Network）的优势就是可提供基于标准、开放性的高可用平台来提供丰富的业务。图1所示为今天的网络架构。

图1 今天的网络架构
新一代网络未来趋势是，电信、网络、宽带、移动、无线等各个不同产业划分各有其专精的领域，也各有其专业技术知识。然而，基于各个产业的独立与唯一性，在大架构不变的情况下，通过网关的连接，即可成为各产业之间网络连接的桥梁。宽带、移动、无线电信设备、服务运营商面临着迫在眉睫的考验，他们必须适应变化的需求，更快速地将服务推向市场。
因此，构建一个开放性、透明化的标准电信平台来沟通各个专有的架构规格，让所有的增值服务连成一片，已经成为电信服务运营商在市场扩张中的制胜法宝。而ATCA恰恰可以根据需求，本着容易结合语音与数据的特性，建设开放性的电信等级的宽带网络架构，不但适合整合传统语音网络及IP数据网络，还会逐渐取代传统商用服务器在电信应用中的地位。它可以应用于各种控制系统、无线网络控制系统、软交换、多媒体IP网关器、远程访问、SS7网关、信号传送端点系统、CTI、IP电话、VoIP、WAN/MAN跨接连线、光纤交换解决方案、统一消息、计费系统、地址服务、Internet存取服务等。不仅可以降低网络建设及运行维护成本，而且能快速提供新的增值服务，抢占新的市场，满足用户不断变化的需求。
采用标准化、模块化的电信设备带来的利益是显而易见的。首选是降低成本，标准化、模块化的设备很容易实现大规模生产，所降低的生产成本可以实现电信运营商构建电信平台成本支出的降低；同时，标准化、模块化意味着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。
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，新的电信设备的开发周期将大大缩短，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进入市场时间，更可以利用专业分工实现利润的最大化。
国际PICMG3.0协会主席、凌华科技CTO Jeff Munch先生认为：新一代网络的电信设备标准化、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即将开始，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。现在，ATCA已从小范围的应用走向大家都普遍认可，2006年ATCA将会得到大规模的应用。
电信网络平台正转向ATCA架构
近两年来，新一代电信网络成为了最热门的话题之一，而在电信设备标准化、模块化的趋势中，最受人们关注的技术就是ATCA。从去年由中国计算机行业协会PICMG/P.R.C与凌华科技集团共同主办的中国第三届PICMG技术年会到今年在上海举行的第四届技术年会，都把ATCA作为了一个重要的议题。作为新一代的开放式工业标准，ATCA在2002年推出后，就受到了业界瞩目。在英特尔、摩托罗拉、凌华科技等公司的大力推进下，目前已经逐渐被业界接受。许多主要的电信设备制造商已经采用ATCA设计新产品。
ATCA又称为PICMG3.x，是由PCI工业计算机制造商组织（PICMG）于2001年底制定的满足高吞吐量、高可靠性的新一代计算平台标准，也是该组织有史以来最大的规范项目，共有100多家公司参与其中。它由以前的PICMG2.x演进而来，但又有了根本性的变化。ATCA规范考虑到电信运营商不断增长的需求，采用了全新的设计；特别是这一新标准有助于电信设备制造商满足运营商日益苛刻的要求，包括硬件可靠性、高可用性、可扩展性和I/O带宽，以及增强的可管理性和互操作性。ATCA支持基于数据包的多种交换背板，包括以太网、Star Fabric、光纤通道、InfiniBand和PCIExpress等背板规范。该系列规范体现了高速互连技术、新一代处理器、增强可靠性、可管理性和可服务性方面的最新趋势。

图2 典型的ATCA机箱
ATCA的另一个重要特点是集中系统管理，具有基于智能平台管理接口（IPMI）1.5和每节点双IPMI/IPMB连接的集中冗余平台管理能力，可以通过冗余机箱管理控制器、连接每个刀片式服务器的冗余电源插槽，以及交换机拓朴结构本身所支持的内部冗余特性。相对于CompactPCI，ATCA具有更多的优势，首先，扩大了空间和加强了电源提供能力，为系统数据处理能力的大幅度提升提供了可能。其次，数据传输能力得到巨大提升，在采用全网状连接的ATCA机箱的最高数据传输能力可达2.4Tbps，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），ATCA系统的管理性能有了大幅度的提高；利用ShMC（机架管理控制器）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、更新总线和测试总线。分别满足电信级应用对时钟的需求、为高可靠的冗余背板提供物理同步时钟，以及为注入DLSLAM之类的特殊需求提供电信测试总线。
由于ATCA代表着一种全开放、可互操作的电信工业标准。它是专门用于电信领域的、具有广泛价值链支持的多种机箱尺寸与配置的重复利用而设计的，可以满足接入、边缘和服务器市场的广泛需求。电信设备制造商可以采用来自第三方厂商的可互操作和成熟的商业化（COTS）软硬件组件，从而为设备厂商缩短了开发时间；同时，采用开放性的平台后，设备厂商可以将工作重心从硬件开发转向为服务提供商设计多样化的中间件和软件，真正体现出设备厂商之间的差异化，以提供更多的增值服务。
更重要的是，基于开放性的电信架构为运营商带来了非常灵活的业务特性，有助于运营商快速地开发和增加新的业务，而且可使运营商系统集成的时间缩短一半以上，降低开发成本可达40%。这些正是一些电信运营商率先在其3G网的核心网中采用ATCA架构的意义所在。
ATCA应用渐入佳境
全球著名的行业组织UMTS论坛的调查表明，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应用方面，数据业务已推进到一个全新的层面，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。
起草ATCA亦即PICMG3.X标准之初，在预先制定的SOW（State of Work）中，就对PICMG3.0规范（PICMG3.X的主规范）进行了这样的描述：“PICMG3.0标准是为新一代融合电信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’的应用，同时附带的目的则为加速在高可靠性数据中心（HA Data Center）对该技术的应用，是规范的目标更清楚针对那些未被现有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。
ATCA与IMS
今年6月，英特尔公司推出了其第二代专为IMS（IP多媒体子系统）优化的ATCA产品，新产品包括三款刀片和相关技术，能够帮助制造商和服务提供商构建更加灵活、可扩展的IMS设备和服务。IMS是工业标准组织定义的3G伙伴关系项目，也是新一代服务和集成服务平台的战略焦点。它主要包括CSCF、MGCF、MGW、MRFC、MRFP、BGCF、SCS和AS。其成功的关键在于任何接入——无线、有线、VoIP、数据、多媒体——应用、网络层和后台系统之间标准化的接口、任何接入都采用同样标准化、集成化和模块化的结构。IMS会聚网络将把所有形式的接入融合在一起，并以单一的服务形式提供。业界领导者一直在与PICMG标准组织合作，开发满足通信工业要求的基于开放标准的模块化平台架构，包括开放的源操作系统、基于标准的服务架构，以及传输和平台独立的商业模型。
ATCA恰恰是实现IMS会聚网络的适用技术。其基于先进标准的HA（高可用性）框架有助于实现冗余、机架管理和其他技术，为严格的“5个9”系统运行时间的最大化提供了保证。ATCA的每个插槽可提供200W的功率输出，这就可以使用高性能的处理器和进行充分的冷却。ATCA具有提供高计算密度的能力，可使用主机媒体处理（HMP）或DSP刀片处理诸如声音和视频的媒体，实现丰富的媒体内容和代码转换。在视频编码和RTP加速方面，利用采用DSP技术或先进夹层卡（AdvancedMC或AMC）技术的丰富的专用ATCA刀片可提供丰富的媒体环境所需的处理能力。此外，当需要SS7或其他PSTN信令时，ATCA处理板还可以进行定制，为现有的网络提供连通性；ATCA支持刀片存储结构或作为基础及扩展结构接口；还可将控制和用户数据分开，满足IMS所需的多达四个单独的网络结构的接口要求。
ATCA和IPTV
IPTV是一种IP多媒体服务，是IMS的具体体现，在亚洲的需求增长迅速。IPTV是一种依赖于严格的QoS传送属性的接入诊断服务。它建立在开放标准之上，需要部署在可靠、耐用的平台上，ATCA正是实现IPTV的倍受关注的平台。IPTV主要的服务要求包括：每个用户都有个人视频流（VoD），需要300Kbps到4Mbps之间的速率；必需的外部硬盘阵列需要TB级的视频存储；支持流行内容所需的硬盘高速缓存，在4Mbps速率、1GB高速缓存条件下每秒可存储2000个用户，8GB刀片可存储一部电影；服务退化不能持续超过10分钟。在IPTV与IMS平台的共享方面，需要经济而启动灵活和可升级平台；主机服务器和DSP刀片的组合，以实现格式转换、带宽适应、现场报道捕获；大型存储器配置需要支持流行内容的高速缓存；存储选择需要支持多合一（如硬盘+光碟机）的要求，包括随机访问、电视遥控偏好的用户；网络的划分支持管理、内容接入（iSCSI）和会话流。
ATCA对现在和未来通信与计算融合的演进的推动主要体现在两个方面。演进之一是在应用层——计算数据中心。ATCA平台可以涵盖3G IMS、MCU、CDN和视频forward & Switch等电信级高密度服务器。以其开放的架构、广泛的生态系统、计算能力和高性价比，以及高密度、快速部署、维护方便、模块化易于扩容、灵活多样的计算技术优势吸引了运营商的瞩目。
目前，ATCA在计算方面的演进热点是IPTV CDN。CDN即互联网内容发布网络（Content Delivery Network），其硬件架构最初是单台服务器集群，随着运营商对IPTV的重视，其运营级的稳定可靠性成了不得不考虑的因素。包括华为、中兴、思华在内的几个IPTV领军者都不约而同地把CDN构架在ATCA之上，并已在国内部署了相当多的试验局。
演进之二是在应用层以下——通信-电信网络设备，ATCA平台可覆盖2G-BSC/3G-RNC、NGN、光传输、LAN交换路由器等产业化电信级网络通信平台。其优势在于采用开放的标准、丰富的生态系统、具有成本效益、可加速产品上市时间。其应用热点是是无线接入基站控制器子系统、接入网WiMax基站及GPON/EPON，以及IMS。它不仅为移动用户提供基于IP的多媒体业务，还可以向固定用户提供业务。这些IMS内的核心设备之间的信令协议都是构建在IP网络基础之上提供媒体服务的通用软件模块化接口。架构起这些核心设备的恰恰是运营级的电信服务器。ATCA与生俱来的电信设备级模块化架构很好地满足了IMS的硬件平台需求，深受设备商和运营商的喜爱。
为了支持上述的演进，一些在ATCA方面领先的厂商纷纷推出了各种新产品。凌华科技基于ATCA的高性能单板计算机ADLINK ATCA－6890，以及在6U机架的ATCA子系统基础上推出的10U的ATCA子系统，利用以可立即商用化硬件与软件模块使电信系统厂商有可以在新一代网络设备中迅速采用ATCA系统。凌华科技的PXI-9820高速数据采集卡也已应用于无线局域网基频发射模块测试系统，为包括芯片设计、系统生产在内的WLAN厂商迎接巨大的市场商机，同时降低庞大的研发设计验证和生产测试设备成本做出了贡献。以高速数据采集卡为核心开发的成本低廉、功能灵活且适于大量复制的WLAN发射模块实时误差向量幅度测试系统，解决了厂商开发新一代产品时无法使用原有昂贵的测试设备而另外花费巨资购置新设备的问题，同时明显缩短了开发周期，使研发人员和产品线都可使用和升级至新一代产品的测试设备。相同的概念也可以用于液晶电视、机顶盒、通信产业等方方面面。只要采用规格适当的数据采集卡，就可以开发出成本令人满意的检测系统。
摩托罗拉公司也开发了低高度ATCA机箱平台，能够以具有成本效益的方法将ATCA扩展到新的应用领域。其目标应用非常广泛，在汇聚网络和3G网络方面，有用于刀片服务器和存储应用的集群、城域网/服务边沿和GGSN路由器、IMS（“三重服务和生活方式服务”）、会话边界控制器、模块化SIP和软交换、网络测试等；在主机服务方面，可用于站点服务系统、服务器负载平衡器、TCP和SSL卸载、iSCSI控制器和存储虚拟化、站点流量管理器、可升级安全和网关系统等。可以这样讲，凡是需要缩小或重新细分的ATCA应用都可以采用这个平台，如新出现的农村市场的部署，以及OEM的可升级产品计划。
这些充分显示了厂商在简化标准电信设备构建工作方面所做的不懈努力。随着这些组件厂商的增加和ATCA技术在实际应用中的日臻成熟，未来的一年将会是ATCA大行其道的一年。
未来发展不可限量
综上所述，在PICMG的大力推动下，越来越多的厂商开始投入到ATCA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。RHK咨询公司预计，到2007年ATCA的市场规模将达到37亿美元，而另一家咨询公司甚至认为这一数字应该是200亿美元。调查也显示，目前有90%的电信OEM都在开发基于ATCA的系统。目前华为、阿尔卡特、摩托罗拉、凌华科技、Force、Kontron、Portwell、RadiSys等都已推出了基于ATCA刀片组件、单板机等。今天，可为电信设备制造商带来战略优势的ATCA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。许多著名设备厂商的NGN网络中，有不少设备采用了开放性的ATCA平台。可以预期，在新的电信设备中，ATCA架构正在取代传统的电信架构成为运营商的新宠，它与cPCI相互补充，共同促进着电信行业乃至整个信息产业的发展。
ATCA是适用于充分冗余、高度可用性、双星和格网互连、独立控制和用户平面、大型服务器12U到14U机架、中央局设备、运营商环境的理想解决方案。其适用的应用包括：Telco核心网络应用；SGSN、RNC、MSC、Softswitch、媒体服务器、多业务交换、会聚包交换；视频数据转发，等等。ATCA市场正在迅速增长，体现在CPU刀片、ATCA运营商刀片、ATCA集线器刀片和机箱技术等诸多方面。目前，一些厂商还在ATCA刀片以外开发了microTCA和专有运营商卡，使ATCA的产品范围进一步扩大，为运营商提供了更加丰富的应用。

图3 未来系统的协同性能集成
总之，ATCA和MicroTCA既有又互为补充，AMC将很有可能被优化，但是我有通用元件，ATCA适用于高性能和高容量的核心网络应用，MicroTCA更适合边沿设备、企业和商业应用。总之，ATCA适用于高性能和高容量的核心网络应用，MicroTCA更适合边沿设备、企业和商业应用。ATCA和MicroTCA既有不同又互为补充。
AMC-支持ATCA标准的模块化理念
2005-11-10
作者：Jurgen Eder    SBS公司
ATCA正处于发展期，虽然第一批ATCA产品上市已经有相当长的时间了。由硬件和方案供应商组成的新的结构体系正在向全世界推广ATCA产品。
ATCA正在逐步得到重视，它为给用户设计全新的系统结构提供了理论支持。目前的ATCA产品还处于测试阶段，预计在2007年前后将带来商业效益。
当2002年，AdvancedTCA作为在通讯领域里支持开放标准的新理念进入市场时，许多人质疑它的潜在成功性。在此期间，人们几乎每星期都在阅读关于新产品进入市场以及有关ATCA的硬件、软件、系统、新联盟关系等资料，或者是由电信设备生产商（TEM）对这项新技术做出的承诺等相关报道。
当谈论AdvancedTCA时，人们应该同样牢记高级子卡(AMC)。AMC模块是支持ATCA系统的最小的插入式模块。大体上，它们与知名的PMC(PCI子卡)模块卡非常相似。因此在ATCA系统中，AMC模块需要一个载板。
也许有人会问：为什么要舍弃已非常成熟的PMC模块呢？事实上，第一批ATCA板是采用PMC模块的。这些板被用来在初期的开发阶段对ATCA理念进行测试。在那个时候，还没有AMC标准以及相关的部件和连接器。所以在市场上，当时还没有可用的AMC板。
PMC模块使用一条并行PCI总线。但是，此并行总线系统已不能满足ATCA系统的要求。通讯世界已经开始采用交换结构，AMC模块正是基于这种结构，像PCI Express、串行快速IO和其他产品一样支持数据传输。以太网则作为控制总线。
AMC模块的另一个主要优点是热插拔性能。在系统运行期间，这些AMC模块可以被从载板（机前侧）上插入或者拔出。载板本身是具有热插拔特性的，在更换AMC时，它可以保持插入状态。从尺寸上来说，最小规格的系统（73.4 x 173 mm）最多容纳8个AMC模块。AMC另一个主要的优势是可以应用更多功能强大（更快速）的部件，这是因为AMC规范允许更高的功耗。
PMC AMC
规格 单宽或双宽 单宽或双宽 全高
单宽或双宽 半高
尺寸 74mm×149mm
板后高度最高1.9mm 73.4mm×181.5mm(173可用)
板后高度最高2.6mm
连接器 无屏蔽 P1386 屏蔽的不同部件（20个双接口）
内部连接 PCI:32/33；64/33；32/66；64/66；
以太网 1千兆以太网，光纤通道，PCI-Express，IBX，XAUI，10千兆以太网
带宽 PCI：1-4Gbits/sec
以太网：1Gbits/sec 1至 >N×10 Gbits/sec
管理 无 IPMI
热插拔 无 有
电源 7.5W
12W（PrPMC） 25W（单宽，半高）
50W（单宽，全高）
60W（双宽，全高）
PMC和AMC模块的比较
系统管理
ATCA系统支持与热插拔相关的多种结构协议。这意味着，热插拔过程需要被密切监控。
举例来说，假定ATCA系统用来支持PCI Express结构，一个基于快速I/O的AMC模块插在载卡上。此时，其对功率的要求可能超过载卡功耗分配（200W）而导致系统崩溃。这是有害的，无论如何需要阻止其发生。
因此，我们需要保持系统最大的灵活性。基于这个原因，ATCA-AMC系统结构包括一个基于智能平台管理接口（IPMI）的完全自主管理基本架构。这意味着，对AMC模块和载卡的执行，使用一个管理结构使配置数据的内部交换变得非常简单。这个载卡，借助架构管理器，首先需要检验的是AMC卡在系统中是否可被接受。也就是说，载卡需要获得如下的信息：功耗分配、要求的通讯协议和其它参数。下图是ATCA系统管理基本架构的图示。

以下是在插入过程中所涉及到的AMC热插拔主要步骤：
· 载卡通过一个输入信号检测到一个AMC模块将要被插入。此时，模块的功能还不清楚，因此只有模块管理控制器是加电的（确保#信号）。
· 模块激活位于前面板上的蓝色LED，并读取已经分配的地址。之后，MMC给载卡IPMI控制器（IPMC）发送一个IPMI信息，表明热插拔已经发生。
· 热插拔交换一旦被激活，模块就发送一条信息给载卡，信息是"模块热插拔处理关闭。"
· 反过来，载卡向模块发送信息"设置模块LED状态命令"，蓝色模块LED开始闪亮。操作员被告知插入的模块可能被系统配置。
· 载卡等待从架构管理控制器上获得指令，是否实施配置。
· 载卡接到配置模块的指令后，征询模块有关其功耗需求和其它参数（E-Keying）。这条信息被局部存储器（FRU）上MMC读取，并被发送到载卡IPMC上。从载卡IPMC上被发送到架构管理器上。
· 只有架构管理器已经确认并批准模块的功耗要求之后，载卡才能够继续配置。如果功耗要求不在载卡系统功耗预算之内，架构管理器拒绝此模块，配置过程终止。
· 载卡IPMC翻译模块的E-Keying数据并对模块和载卡的传输协议是否兼容进行核实。这确保PCI Express和PCI Express相配，而不是和串行快速IO或任何其它协议相配。
· 当已经建立模块与载卡的兼容，IPMC发送一条信息到MMC，信息名称为"设置模块LED状态命令"。之后，模块关闭模块LED，载卡将有效载荷功耗应用于此模块。模块就已经集成到系统并能执行其功能。
功耗与制冷
正如人们期待的那样，和PMC相比，AMC规范允许更高功耗分配。尽管如此，人们必须非常小心的配置处理器AMC，因为新的处理器、芯片、内存甚至是板载电源会快速消耗电源功率。制冷很快就会成为问题。ATCA系统的热管理和AMC模块是最为重要的。
SBS采取可焊接存储策略，而不是采用插入式存储模块。插入式存储模块需要一个连接器，连接器放置在气流通道的中间，给空气流通造成了障碍。这导致气流碰撞并产生空气垫。连接器后面的部件得不到很好地冷却。另一方面，可焊接的部件对震荡和振动是不敏感的，模块的MTBF较高。Telum ASLP10就具有很高的可靠性。
其它技术
同AdvancedTCA一样，另一个有趣的规格MicroTCA也在开发中。它与AdvancedTCA的主要区别是：AMC模块直接插在背板上而不是插到载卡。系统机箱较小，MicroTCA主要使用在ATCA系统太大、或不需要完全ATCA功能的应用中。
现有的规格允许插入两个垂直成叠的单宽度AMC或者一个双高单宽AMC。其它的同类模块可以水平地插入一个19英寸系统，同时人们也在探讨更小规格的产品。
总结
AMC模块满足ATCA系统的一个重要要求。这些模块使工程师们可以通过简单升级通道来构建非常强大的系统。每次升级，载卡不需要重新改造。这样可以更好地使用现有架构，使系统生命周期延长，并降低成本。