ATCA通用技术平台的设计及其在GEPON中的应用

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1ATCA架构的特点
    ATCA（AdvancedTelecommunicationsComputingArchitecture，高级电信计算架构）由PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)于2002年底发布,能够为下一代融合通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。PICMG充分考虑了电信行业的要求及特点，ATCA的特征如下。
    (1)在结构上ATCA与CPCI、VME一样，都遵循成熟的IEC60297标准。
    (2)采用先进的PointtoPointSwitched Fabric 结构，支持多种高速串行通信技术。
    (3)ATCA板卡可以支持电信设备大容量、高密度的要求。其板卡面积约为CPCI板卡面积的2.5倍，而且板卡宽度也加大到1.2"（比CPCI宽0.4"），这使得单张板卡容纳多颗CPU成为可能，使得CPU大功率散热成为可能，使得大容量RAM成为可能。
    (4)ATCA允许每一张板卡的功耗高达200W，并可以有效地为其散热，整个ATCA机架的散热能力高达3kW。开发工程师可以放心地选用高性能大功耗的CPU。
    (5)ATCA拥有先进的、完善的系统管理功能，开发工程师可以非常方便地对每一张板卡以及机架内部环境进行监控。而且ATCA可以支持多个系统控制器以冗余方式工作，极大地保证了系统管理的安全可靠性。
    上述特征说明符合PICMG3.0/3.1规范的ATCA平台十分适合构建高带宽的数据通信网络设备。
    2ATCA核心通用技术平台的设计
    上海未来宽带研究中心开发的B-STARATCA核心通用技术平台系统由软件平台系统和硬件平台系统两部分组成。
    硬件部分—ATCADragonBoard，提供了符合ATCA标准的Hub板和Node板的功能，包括符合PT5MC和PrPMC的插卡连接器。在该硬件平台上可开发不同的业务系统。
    软件部分—ATCA通用技术支撑软件平台，提供包括操作系统封装、通用协议/业务集成、通用嵌入式网管平台、通用驱动封装平台等子功能，目标是给基于该平台之上开发的系统提供操作系统层面、通用协议/业务层面、嵌入式网管层面、驱动接口层面的可移植性、可裁减性、可扩充性、可配置性以及可兼容性等软件支撑，从而提高新产品研发质量和效率，降低研发投入和风险，缩短上市时间。
    (1)硬件原理

图1

    ATCA硬件原理如图1所示。硬件平台主要由8个功能模块组成，分别为CPU模块、交换模块、IPMC模块、PTMC/PrPMC子卡、存储模块、电源模块、接口模块、复位和时钟模块。
    CPU模块由核心CPU，bootflash,kernelflash，DDR内存，CPLD以及调试/输出综合管理接口组成。
    交换模块是数据流交换和路由的核心部分，数据和控制对象汇聚在交换模块。交换芯片的8个端口被配置为1000BASE-X模式，别的端口被配置为SGMII模式。CPU通过PCI和SMI总线管理交换芯片和收发芯片。在调试的时候，EEPROM用来配置交换芯片。
    IPMI(智能平台管理接口)是ATCA架构最具特色的部分。基于IPMI的ATCA管理，包括对电源的管理、电子钥匙和机架内温度的监控。系统管理是通过机框管理控制器（ShMC）执行的。ShMC负责完成对ACTA系统中的现场置换单元(FieldReplaceableUnit,FRU)如单板、电源、风扇、温度传感器的管理。ShMC能够读取当前FRU的状态，也可以命令FRU进入不同的电源状态。
    系统管理架构的实体承载是基于I2C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。之所以要求双IPMB总线是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。双IPMB总线可同时被使用以加倍传输频宽，但设计者必须考虑万一其中一条IPMB总线失灵所带来的冲击。IPMController是刀片上实现基于IPMI管理功能的载体。IPMController必须实现标准的智能管理平台接口命令，为其他系统管理特性提供硬件接口，如Hot-Swap控制、LED灯控制、电源协商和温度监控等。
    本交换板使用33/66MHz32位的PCI总线支持PT5MC/PrPMC子卡。CPLD可以自动配置33MHz或66MHz的时钟。PTMC模块可以通过PTID接口识别，它能通过PTEN信号被使能。CPLD可以单独复位每一个PTMC子卡，PT5MC子卡接口包括两个10/100/1000BASE-T端口、CT总线、串行接口等。CT总线采用菊花链拓扑结构。
    存储模块包括硬盘和CF卡。CF卡主要用做程序和用户数据备份。硬盘采用SATA硬盘，用作批量数据存储，例如语音记录、数字电视节目等。CF使用IDE模式，它是通信系统中一种通用的模式。
    系统共设计+12V、+5V、+3.3V、+2.5V、+1.8V和+1.2V等几路电源，分别给CPU、交换芯片、收发器芯片等其它部分供电。
    外部接口主要用在前面面板和与背板的连接上。前面面板包括一个RS-232调试接口，一个10/100BASE-TX接口，一个用于综合管理的10/100BASE-TX接口以及4个指示的LED。
    在Hub/Node板和背板之间有几个接口，分别是Hub/Nodeboard和背板之间的Zone1接口，Hubboard和Backplane之间的Zone2接口以及Nodeboard和Backplane之间的Zone2接口。
    (2)软件总体框架
    基于ATCA硬件架构的通用软件平台，目的是将数据产品中软件部分共用的技术，诸如操作系统、嵌入式网络管理维护、支撑协议、基本业务等部分统一开发，结合ATCA硬件架构的标准化、模块化特性，实现一个开放的、通用的软硬件平台。该平台要求具备良好的可移植性、可裁减性、可扩充性、可配置性以及兼容性等特征。
    本软件平台系统的体系结构综合了路由器、交换机、接入设备的软件体系结构，对基本的、核心的、通用的协议/业务功能进行了整合，同时提取了网管、操作系统、驱动接口等方面的共性，进行了通用性、平台化的设计。基于该系统设计要满足的平台性、通用性等特点，在设计时，重点考虑了各个子系统之间接口的统一；各功能模块流程实现机制的融合统一；功能模块之间接口的清晰化、合理化；版本文件结构体系的统一；系统配置管理接口的通用性；以及适应不同CPU和设备体系结构的技术处理等特点。B-STARATCA核心通用技术平台系统架构如图2所示。

图2

    操作系统层包括跨平台封装层、Vxworks实时操作系统、MontaVistaLinuxCGE3.1电信级操作系统和Windows操作系统。通过对Vxworks、MontaVista Linux CGE3.1、Windows操作系统提供的系统调用实现封装成跨平台支撑子系统。本层是与业务无关的支撑系统，主要目的为上层业务实现提供基本的商用操作系统封装和基本的操作系统原语，诸如：进程、定时器、内存、异常、操作系统适配、文件、消息队列等。
    本层能对核心资源和系统服务的使用和调用状况进行必要的跟踪和记录；能完全屏蔽硬件特性，使应用层与硬件无关；能彻底封装第三方的实时操作系统的核心资源和系统服务，为上层应用程序提供一个统一的、可移植的软件平台。
    服务层的目的是涵盖通用的宽带和窄带相关的协议模块和业务模块，主要包括二层业务协议（如VlAN协议、STP生成树协议、QoS服务质量），三层业务协议（如IGMP、PIMDM/SM组播路由协议）以及其他开发商提供的中间件。中间件可用于集成现有中间件，并同时可开发出模块化的中间件以及同这些协议/业务模块相关的业务控制、业务备份和倒换模块等。
    应用层是对嵌入式网络管理实现与维护，包括的内容有：可基于终端命令行模式的网管，可基于SNMP的网管，可基于WebHTTP的网管，其他开发商开发的网管软件等。它可以实现通用的网管平台封装层，实现对下层的二三层功能业务及协议的配置接口、通信接口、事件接口的统一封装。
    硬件接口封装层提供OpenIPMI实现。具体包括两大部分：一部分是可以深入到Linux内核的设备驱动程序;另一部分是用于精确提取IPMI以及可用于任何操作系统的用户级信息库。
    ATCA核心技术实验室(上海未来宽研究中心)提供业务与控制统一管理的智能系统管理（ISM）、单板的IPMC实用解决方案、业务板（或主控板）的热备份解决方案、数据通信的标准协议栈等。
    3ATCA平台在GEPON中的应用
    GEPON（吉比特无源光网络）是链路层的以太网和物理层的PON技术的完美结合，其接入网络具备无源光网络结构的独特优势以及以太网的低成本优势。
    GEPON由OLT（光线路终端）、ONU（光网络单元）以及ODN（光分配网络）等单元构成。按照数据通信网络分层概念，GEPON产品属于接入网范畴。作为接入网局端设备的OLT通常部署在中心或小区机房内，实现GEPON接入到城域网的功能。OLT系统包含三个功能模块，分别是主控交换模块、EPON接口模块和机框管理模块。其中，EPON接口模块由ATCA载板、OLT子板以及相关软件组成。ATCA载板提供符合ATCA标准要求的机械、电气、硬件管理设计，同时支持4个PT5MC扣板槽位。OLT子卡实现了IEEE802.3ahOLT侧的功能，通过连接载板的PT5MC插槽，实现供电、与载板的PCI连接以及上行的GE网络连接。4个OLT子板扣插在载板上作为EPON接口板，实现GEPON的业务功能。OLT子卡可以对外提供至少4个PON接口，与用户侧ONU终端通过光纤连接，提供高速率、高性能、高QoS的GEPON光纤接入，可以实现语音、视频、数据多种业务的TriplePlay服务。EPON接入模块同时承担OLT系统分布式管理维护功能，并通过与ONU之间的OAM通道，对ONU进行远程管理。另外，机框管理模块也符合ATCA3.0标准，该模块的选择需要与机框，尤其是背板的选择相结合，标准需要保持一致。
    基于ATCA平台的GEPON系统拥有更完善的性能。它能够支持MLDsnooping（组播）和IGMPsnooping（报文控制），支持ONU用户侧以太网端口（OUI）单端口多组播功能；能够管理IPTV用户权限以及支持带内外方式的设备；能够配置设备，查找设备的故障；支持设备的性能和管理的功能，并能通过CLI方式配置系统，通过SNMP方式管理系统，及时产生告警并上报，支持日志记录并上报以及在线升级功能等。
    ATCA平台在GEPON系统的应用中有着明显的优势。
    (1)由前面ATCA的特征我们可以看出，ATCA采用PICMG3.0/3.x标准，具有较高的兼容性、可移植性和可扩展性。其核心规范3.0定义了ATCA平台的结构、电源、散热、互联、系统管理部分，辅助规范3.1定义了在核心规范中互联的以太网及光纤传输方式，符合PICMG3.0/3.1规范的ATCA平台十分适合构建高带宽的数据通信网络设备、因此是一个支撑OLT产品开发的开放的通用电信架构平台。
    (2)ATCA高速以太网互联标准将宽带接入提升到吉比特级。它定义了板卡之间通过Gigabit以太网互连的背板标准，称为BaseChannel通道，通过不同的Option选项，可以实现GE、2GE、4GE甚至10GE的背板以太网交换通道。而按照一块GEPON接口板卡接入128个用户，业务并发率20％的情况下，接口板与交换板之间的数据传输通道需要将近900Mbit/s带宽；如果端口密度提高一倍，则板间数据通道带宽将达到1.8 Gbit/s。因此只有采用支持ATCA3.1 option1甚至option2的平台架构，才能保证OLT设备的巨大带宽需求。ATCA高速以太网互联标准使得基于ATCA平台构建OLT设备成为可能。
    (3)ATCA缩短了OLT设备研制周期。在开始一个全新的OLT产品的研制时，开发人员无需一切从头开始，通过在众多模块化的标准组件中进行选择，从而快速构建一个稳定可靠的产品开发平台架构。并在此基础上聚焦于GEPON业务功能的开发，缩短整个OLT产品的研制时间，争取更大的市场机会。同时ATCA平台本身对高可用性的支持，包括严格的机械电气工艺控制，核心交换板、机框管理模块、电源、风扇等关键部件的冗余设计，单板热插板的支持等，为OLT产品的电信级应用提供了充分保证，也大大降低了设备运维的成本。
    上述基于ATCA架构的GEPON系统开发完成后，利用其对上海市长宁区古北新区住宅宽带网络系统进行了组网设计，使其能平滑接入3Tnet的骨干网，能满足高速宽带接入，互动电视接入，各种流媒体服务接入的传输要求。网内用户平均接入速率可达41Mbit/s，能够收看116套包括高清晰度电视在内的直播节目和2000套视频点播节目，并开展了“E健康”、“E娱乐”、“E教育”、“E展示”等业务，为“三网融合”提供了一种可行的解决方案。
    4结束语
    ATCA通用平台以其良好的可移植性、可裁减性、可扩充性、可配置性以及兼容性等特征为通信产业链注入了巨大活力。在基于ATCA标准的模块化电信基础架构平台上，通信设备制造商可以快速推出具有自身特色的电信级产品，紧跟市场需求，灵活地为运营商提供客户化服务。而将ATCA平台应用于其中的GEPON系统，则以更高的性能提供了一个具有低成本、高带宽、多业务、高可靠性的接入承载网络解决方案，能够实现高速数据、视频、语音业务的统一接入功能，满足了人们对带宽日益增长的需求，将成为下一代主要的宽带接入技术。