開(kāi)放的通信平臺(tái)架構(gòu)

　　——規(guī)范、核心技術(shù)及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用趨勢(shì)的分析研究

　　鄭華

　　廣西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師廣西南寧530003

　　摘要：傳統(tǒng)的電信設(shè)備制造商都是在各自私有的軟/硬件平臺(tái)架構(gòu)基礎(chǔ)之上，進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研制。以ATCA(先進(jìn)的電信計(jì)算架構(gòu))、CGL(承載級(jí)嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))以及SAForum(業(yè)務(wù)可用性論壇)中間件為主導(dǎo)的開(kāi)放的通信平臺(tái)架構(gòu)，要消除傳統(tǒng)的私有架構(gòu)所存在的諸多弊端，通過(guò)屏蔽差異性、提煉通用性、預(yù)留擴(kuò)展性、建立標(biāo)準(zhǔn)性、提高可靠性等措施，引領(lǐng)通訊產(chǎn)業(yè)走向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)設(shè)備及業(yè)務(wù)的互通、融合，提倡創(chuàng)新，鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)，最大化產(chǎn)業(yè)的總體資源利用率。本文從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、核心技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等方面，對(duì)開(kāi)放的通信平臺(tái)進(jìn)行論述。

　　關(guān)鍵字：先進(jìn)的電信計(jì)算架構(gòu)ATCA;智能平臺(tái)管理接口IPMI;承載級(jí)操作系統(tǒng)CGL;業(yè)務(wù)可用性論壇SAForum

　　一、引言

　　傳統(tǒng)的電信產(chǎn)品是基于私有平臺(tái)架構(gòu)基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)完成的。采用這種私有架構(gòu)的各家電信設(shè)備制造商，通常都要自主完成底層硬件設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)移植、私有中間層的開(kāi)發(fā)、上層應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)等所有的工作。采用了這種私有平臺(tái)架構(gòu)設(shè)備來(lái)運(yùn)營(yíng)自身業(yè)務(wù)的電信運(yùn)營(yíng)商，如果中途需要更換設(shè)備，他們就必須基于新的設(shè)備商提供的私有應(yīng)用程序編程接口來(lái)移植自己的上層業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件。由于當(dāng)前電信運(yùn)營(yíng)商的應(yīng)用程序越來(lái)越復(fù)雜，這種移植過(guò)程不但要運(yùn)營(yíng)商投入大量的物力和人力，還要為移植過(guò)程承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn);此外，對(duì)于那些采購(gòu)了多家公司私有架構(gòu)設(shè)備的大的運(yùn)營(yíng)商，如何在業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在各家設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互通、融合、統(tǒng)一管理、也非常困難。因此，在通信領(lǐng)域就出現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，電信運(yùn)營(yíng)商一旦選擇了一家電信設(shè)備制造商，就會(huì)被動(dòng)地形成對(duì)該設(shè)備制造商的長(zhǎng)期依賴性，長(zhǎng)期選購(gòu)他們的設(shè)備和服務(wù)。這種格局一方面不利于電信運(yùn)營(yíng)商降低產(chǎn)品采購(gòu)成本，另一方面也不利于中小型電信設(shè)備制造商進(jìn)入該產(chǎn)業(yè)鏈，打破壟斷，參與競(jìng)爭(zhēng)。封閉的電信架構(gòu)不但增加了電信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，同時(shí)也不利于新技術(shù)和新應(yīng)用的推廣。

　　針對(duì)上述情況，近幾年出現(xiàn)了一種基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化思想，開(kāi)放的通訊平臺(tái)架構(gòu)，這種通訊平臺(tái)體系架構(gòu)在底層采用開(kāi)放的硬件平臺(tái)，一般為基于PICMG2.x或PICMG3.x的CompactPCI或ATCA平臺(tái)，在該硬件開(kāi)放平臺(tái)之上采用的是電信級(jí)Linux操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)上面是為電信中的一些通用需求開(kāi)發(fā)的滿足高可靠性的中間件，這些中間件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，諸如HPI、AIS和SMS等，由專門(mén)的組織SAForum來(lái)負(fù)責(zé)統(tǒng)一制定。這種開(kāi)放架構(gòu)平臺(tái)的推廣和應(yīng)用帶來(lái)很多好處，比如：平臺(tái)的開(kāi)源性特點(diǎn)，只要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的各廠家設(shè)備都能有效地兼容，這樣大大促進(jìn)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的選擇面，降低采購(gòu)成本、庫(kù)存成本、運(yùn)營(yíng)支出及管理成本;另一方面，可供選擇的大量的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的滿足電信級(jí)高可靠性要求的商用組件，也簡(jiǎn)化了新服務(wù)的開(kāi)發(fā)，縮短了產(chǎn)品導(dǎo)入市場(chǎng)的時(shí)間，降低了產(chǎn)品研制的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了項(xiàng)目研制的成本。

　　標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的、開(kāi)放的通訊平臺(tái)架構(gòu)必將對(duì)電信市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，引領(lǐng)一場(chǎng)全新的技術(shù)革命。

　　二、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范

　　1、PICMG3.x系列規(guī)范

　　PICMG3.x規(guī)范是PICMG組織于2002年底發(fā)布的，針對(duì)下一代融合通訊及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供的一個(gè)高性價(jià)比的、基于模塊化結(jié)構(gòu)的、兼容的、并可擴(kuò)展的高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu)(ATCA)規(guī)范。

　　 PICMG3.0AdvancedTCA基本規(guī)范

　　 PICMG3.1AdvancedTCA以太網(wǎng)/光纖通道

　　 PICMG3.2AdvancedTCAInfiniBand

　　 PICMG3.3AdvancedTCAStarFabric

　　 PICMG3.4AdvancedTCAPCIExpress

　　 PICMG3.5AdvancedTCARapidIO

　　該規(guī)范為電信行業(yè)提供了一種開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺(tái)，使電信設(shè)備制造商(TEM)能夠?qū)⑵浼夹g(shù)資源從開(kāi)發(fā)專有硬件轉(zhuǎn)而用于更快地開(kāi)發(fā)新一代應(yīng)用和服務(wù)。

　　(1)IPMI(智能平臺(tái)管理接口)規(guī)范

　　IPMI是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)硬件管理接口規(guī)范，ATCA在其硬件系統(tǒng)管理中采用了擴(kuò)展的IPMI規(guī)范對(duì)整個(gè)機(jī)框內(nèi)的各種硬件資源進(jìn)行監(jiān)控，包括對(duì)電源的管理、電子鑰匙(E-Keying)和機(jī)架內(nèi)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)等。IPMI規(guī)格范是由Intel、Dell、HP、NEC等多家公司提出，目前廣泛采用的是IPMIv1.5，最高版本是IPMIv2.0。

　　(2)CarrierGradeLinux(電信級(jí)Linux操作系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)

　　電信級(jí)Linux操作系統(tǒng)(CarrierGradeLinux(CGL)是由開(kāi)放源代碼發(fā)展實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的電信級(jí)Linux標(biāo)準(zhǔn)，其中明確規(guī)定了符合電信級(jí)客戶需求的操作系統(tǒng)和應(yīng)用特性，包括系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)可用性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)符合性、平臺(tái)特性、調(diào)試和優(yōu)化工具、系統(tǒng)性能、硬件兼容性、內(nèi)核性能、可升級(jí)性、安全訪問(wèn)控制機(jī)制、保密和完整性機(jī)制、用戶層完整性檢測(cè)、日志安全性和保密性、信息完整性和來(lái)源可確認(rèn)性、系統(tǒng)日志和事件日志機(jī)制等諸多方面。

　　CGL是由眾多從事ATCA開(kāi)發(fā)與規(guī)范制定的同類公司和開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)而成，可確保其與硬件平臺(tái)的緊密集成與支持。經(jīng)過(guò)對(duì)Linux內(nèi)核的優(yōu)化處理，Carrier-GradeLinux既保留了Linux的靈活性，又支持WatchDog、應(yīng)用監(jiān)控、系統(tǒng)日志、主備用硬盤(pán)和流量監(jiān)控等功能，充分滿足作為電信級(jí)系統(tǒng)的高可用性和穩(wěn)定性要求。CGL由開(kāi)放源代碼開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室(OSDL)的電信級(jí)Linux工作組提供支持。

　　(3)SAForum中間件接口規(guī)范

　　SA論壇是一個(gè)由業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的通信和計(jì)算公司組成的聯(lián)盟，該聯(lián)盟利用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的商用組件為基礎(chǔ)，來(lái)創(chuàng)建高可用性的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，SA論壇制定和發(fā)布了高可用性和管理軟件接口規(guī)范，同時(shí)推動(dòng)這些規(guī)范的采用并提供相應(yīng)的便利措施。

　　該論壇目前已經(jīng)發(fā)布了三類規(guī)范：

　�、貶PI硬件平臺(tái)接口：把硬件和管理中間件分開(kāi)，使它們相互獨(dú)立。HPI規(guī)范在底層上為基礎(chǔ)硬件部件提供了標(biāo)準(zhǔn)的訪問(wèn)機(jī)制。

　�、贏IS應(yīng)用接口規(guī)范：定義了服務(wù)可用性論壇中間件和服務(wù)應(yīng)用程序之間的接口。AIS規(guī)范提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制以達(dá)到運(yùn)營(yíng)商所要求的服務(wù)可用性等級(jí)，包括對(duì)邏輯服務(wù)組的支持、消息服務(wù)、鎖定服務(wù)、同步檢測(cè)點(diǎn)服務(wù)、事件服務(wù)等。

　�、跾MS接口規(guī)范：基于SNMP接口來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控和訪問(wèn)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)AIS和HPI的管理功能,也可支持AIS服務(wù)和HPI的事件和錯(cuò)誤異常報(bào)告。SMS接口系統(tǒng)采用分布式的管理模式和工具，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　三、核心技術(shù)

　　1、靈活的交換機(jī)制

　　PICMG3.0規(guī)范中定義了交換接口的電氣連接特性，并在后續(xù)的3.x系列規(guī)范中明確定義了這些交換接口的傳輸協(xié)議，如下描述：

　　 PICMG3.1以太網(wǎng)和光纖信道傳輸;

　　 PICMG3.2InfiniBand傳輸;

　　 PICMG3..3星型傳輸;

　　 PICMG3.4PCIExpress傳輸;

　　 PICMG3.5串行快速I(mǎi)/O傳輸。

　　AdvancedTCA支持各種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)全雙工接口，其中包括：

　　 運(yùn)用XAUI支持10GEthernet;

　　 運(yùn)用1000BASE-BX支持4組1Gbps連結(jié)槽;

　　 運(yùn)用1000BASE-BX與2組2Gbps光纖信道接口支持2組1Gbps連結(jié)槽;

　　 4組PCIExpress/AdvancedSwitching;

　　 4組InfiniBand架構(gòu);

　　 2組光纖信道。

　　2、機(jī)框技術(shù)

　　ATCA的機(jī)框主要包括以下部分：正面插槽、后插板、電源輸入模塊、背板、機(jī)箱管理模塊、散熱系統(tǒng)。

　　在PICMG3.x規(guī)范里ATCA機(jī)箱的設(shè)計(jì)須符合下列標(biāo)準(zhǔn)：

　　 具有-48VDC余電源輸入

　　᠑8; 具有冗余的風(fēng)扇散熱系統(tǒng)

　　 雙冗余機(jī)架管理模塊CMM

　　 板卡與背板要有導(dǎo)引機(jī)制

　　 每槽要具有150W～200W的散熱能力

　　 等等

　　3、電源分配、散熱技術(shù)

　　為順應(yīng)核心芯片技術(shù)的飛速發(fā)展而對(duì)功耗提出的更苛刻的要求，ATCA將單板最高功耗提高到200瓦，并為此引入-48V雙冗余電源模塊用以消除電源供給異常所引發(fā)的單點(diǎn)故障，并要求各刀片自己配置濾波和變壓模塊。

　　由于PICMG3.0規(guī)范將單板功耗上限提升到最高200瓦，這樣一個(gè)有16個(gè)200瓦單板機(jī)框功耗就達(dá)到3200瓦，一個(gè)機(jī)架里如果有三個(gè)機(jī)框，則其總體功耗就將達(dá)到了10K瓦。如何解決散熱問(wèn)題，ATCA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中為此制定了3種機(jī)箱散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式：

　　 具有前方進(jìn)氣風(fēng)扇與后方排氣風(fēng)扇的組合散熱系統(tǒng)

　　 只有前方進(jìn)氣風(fēng)扇的散熱系統(tǒng)

　　 只有后方排氣風(fēng)扇的散熱系統(tǒng)

　　4、可靠性、高可用性硬件設(shè)計(jì)

　　在不降低平均故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)和不提高平均故障間隔(MTBF)的前提下，AdvancedTCA背板沒(méi)有安裝任何有源部件，所有部件都能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱插拔安裝，架構(gòu)亦能在所有層級(jí)提供冗余性的配置模式。

　　為增進(jìn)功率管理的效率，AdvancedTCA規(guī)格規(guī)范了機(jī)箱的輸入功率、額定電壓(voltagefeeds)、以及其它變量，規(guī)范熱插拔型可現(xiàn)場(chǎng)更換單元(FieldReplaceableUnit,FRU)裝置的規(guī)格，降低因背板故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)毀損的可能性。AdvancedTCA機(jī)殼采用模塊化的設(shè)計(jì)、冗余性/熱插拔的風(fēng)扇槽，避免機(jī)箱內(nèi)組件因風(fēng)扇故障而全面停擺。AdvancedTCA還支持冗余性的ShelfFRU，讓單一裝置的故障不會(huì)漫延至整個(gè)機(jī)殼。

　　AdvancedTCA提供保護(hù)機(jī)制——ElectronicKeying(E-keying)。E-Keying會(huì)將儲(chǔ)存在ShelfManager中的FRU配置數(shù)據(jù)，和對(duì)應(yīng)FRU的IPMI控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)FRU被插入至機(jī)架時(shí)，該FRU的IPMI控制器就會(huì)啟動(dòng)，同ShelfManager進(jìn)行通訊，確定是否正常上電啟動(dòng)該FRU，并打開(kāi)對(duì)應(yīng)的背板連接器。

　　AdvancedTCA還指定4種機(jī)械對(duì)準(zhǔn)針腳，以確保機(jī)板是否正確地插入，藉此排除針腳錯(cuò)置的可能性。同時(shí)，為滿足電信級(jí)應(yīng)用對(duì)時(shí)鐘的需求、AdvancedTCA為高可靠的冗余背板提供物理同步時(shí)鐘,以及為特殊需求提供電信測(cè)試總線。

　　5、集中系統(tǒng)管理

　　基于ATCA架構(gòu)的開(kāi)放平臺(tái)可提供特色的集中系統(tǒng)管理功能，基于智能平臺(tái)管理接口(IPMI)、硬件平臺(tái)接口(HPI)、以及SNMP等協(xié)議，采用系統(tǒng)管理(SM)、機(jī)架管理控制器(ShMC)、智能平臺(tái)管理控制器(IPMC)三級(jí)管理體系，如下圖(2)所示。系統(tǒng)管理(SM)是整個(gè)ATCA架構(gòu)中最高層的管理實(shí)體，它負(fù)責(zé)管理一個(gè)或更多ATCA機(jī)框，可基于TCP/IP協(xié)議通過(guò)LAN連接到多個(gè)ATCA的機(jī)架管理控制器，也可用選擇撥號(hào)連接作為緊急情況下的連接手段;機(jī)架管理控制器(ShMC)的主要職責(zé)是管理和監(jiān)視其所在機(jī)框內(nèi)的單板、電源、風(fēng)扇、溫度傳感器等現(xiàn)場(chǎng)置換單元，進(jìn)行智能調(diào)節(jié)和管理;智能平臺(tái)管理控制器(IPMC)是刀片和智能FRU上管理功能的具體實(shí)現(xiàn)者，刀片和智能FRU上的IPMC通常由一個(gè)獨(dú)立的控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)兩條雙冗余的IPMB總線與ShMC進(jìn)行物理通信，并基于IPMI1.5規(guī)范與ShMC進(jìn)行交互，提供對(duì)本地FRU資源的管理和維護(hù)，采用這種雙IPMB總線方式，可以確保一條總線失效的情況下系統(tǒng)管理的仍可以穩(wěn)定進(jìn)行，保障系統(tǒng)的高可用性和高可靠性。

　　6、服務(wù)可用性中間件

　　服務(wù)可用性(SA)中間件位于硬件及操作系統(tǒng)之上，業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件之下，將保障系統(tǒng)高可靠運(yùn)行的通用、共性的技術(shù)以及管理功能抽象出來(lái)，以可配置、可管理、可裁減、方便移植的形式實(shí)現(xiàn)，并對(duì)外發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)接口。電信設(shè)備廠商以及業(yè)務(wù)提供廠商可以基于中間件之上進(jìn)行自身核心功能的后續(xù)開(kāi)發(fā)。

　　四、開(kāi)放通信平臺(tái)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

　　1、大規(guī)模商用勢(shì)在必行

　　ATCA、CGL、SAForum代表著一種全開(kāi)放的、可互操作的、標(biāo)準(zhǔn)化的電信標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，可以支持接入層、匯聚層、核心層各種設(shè)備的開(kāi)發(fā)、研制。采用了開(kāi)放性的平臺(tái)后，設(shè)備廠商可以將工作重心從硬件開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向?yàn)榉��?wù)提供商設(shè)計(jì)多樣化的中間件和軟件，真正體現(xiàn)出設(shè)備廠商之間的差異化，推動(dòng)了各種新業(yè)務(wù)的快速部署、運(yùn)行，可提供更多的增值服務(wù)。

　　2、互操作性、兼容性任重道遠(yuǎn)

　　雖然ATCA的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)，CGL和SA中間件也制定了各自的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并發(fā)布了相應(yīng)的產(chǎn)品，但是，開(kāi)放平臺(tái)的大規(guī)模應(yīng)用目前還處于起步發(fā)展階段。首先，開(kāi)放通信平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化工作還需要進(jìn)一步完善和推廣，這需要更廣闊的產(chǎn)業(yè)鏈資源支持，吸引更多的公司、機(jī)構(gòu)投入其中，共同推動(dòng)完成。另外，當(dāng)前ATCA各產(chǎn)品、組件之間還存在很多在兼容性、互操作性方面的問(wèn)題，制約了大規(guī)模的商用推廣，這也需要逐步解決、完善。為此，開(kāi)放通訊平臺(tái)和商業(yè)組件供應(yīng)商及相關(guān)組織共同成立了全球性組織——通信平臺(tái)貿(mào)易聯(lián)盟(CP-TA)，旨在通過(guò)采用互操作性認(rèn)證、市場(chǎng)聯(lián)盟合作等方式，來(lái)加速部署基于開(kāi)放規(guī)范的通信平臺(tái)。相信隨著相關(guān)工作的逐步展開(kāi)，可以預(yù)期，在未來(lái)的電信設(shè)備中，以ATCA、CGL、SAForum所打造的開(kāi)放的通信平臺(tái)架構(gòu)，必將取代傳統(tǒng)的電信架構(gòu)成為運(yùn)營(yíng)商的新寵，促進(jìn)著電信行業(yè)乃至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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