AdvancedTCA：从规范、技术重点，到应用趋势

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AdvancedTCA规范


先进电信运算架构(Advanced Telecommunications Computing Architecture, 简称AdvancedTCA, ATCA)为PCI Industrial Computers Manufacturing Group(PICMG)制定的新规格，也称PICMG 3.x规范。


它是一项业界倡导的标准，旨在为运营商级电信解决方案创建一种优化的新型板卡(刀片式)和机箱(机框)外形规格。ATCA旨在通过为多种标准交换架构(包括以太网和PCI Express架构)提供支持，满足下一代通信应用的要求，并为制造商提供满足苛刻用户要求的诸多功能。ATCA提供动态空间，以实现新一代模块化、高性能且经济适用的电信解决方案。除了高达2.4TB/秒增强架构可扩展性外，ATCA还支持可扩展的多协议接口，每板卡200W的功率预算以及大型8U×280mm×1.2 板卡外形规格。


AdvancedTCA技术重点


一、背板(backplane)的弹性


背板拓扑(backplane topology)决定背板中刀片系统的连结模式。AdvancedTCA提供更有结构性的接口选项，让客户能运用AdvancedTCA整合各种网络元素。AdvancedTCA亦提供充裕的弹性，将Base与Fabric接口整合在背板上。这种设计让电信设备制造商能扩充其设计方案，以便容纳新的使用者与用途的需求，透过各种业界标准接口来提供传输频宽更高的连结埠。


AdvancedTCA支持各种拓扑：

• 星状拓扑(star topology)支持简单、低成本的设计；
  
  
• 在电信基础建设中，网状拓扑(mesh topology)提供最高的频宽、配线灵活性、以及可靠度；
  
  
• 衍生型双星状拓扑(dual-star topology)，内含两组星状接口，用来提供系统冗余性(redundancy)，或是处理不同种类的数据流或工作负载；
  
  
• 两组双星拓扑，在机壳中支持4组交换机板，在机板之间提供更多的传输频宽；
  
  
• PICMG 亦针对光纤信道、InfiniBand、以及PCI Express/ Advanced Switching为AdvancedTCA制定许多附属规格。
  
  

二、灵活的交换机制


随着市场对无线与有线服务的需求持续成长，电信产业认识到需要跳脱专利型或部份开放性型架构的桎梏，以便获得更多的选择空间。AdvancedTCA针对新一代网络元素提供充裕的扩充性与空间，支持多种交换协议与接口。


数据传输的接口为研发业者在特殊应用方面提供各种选择，其中包括PCI Express架构的Advanced Switching (AS)。这种多点型Peer-to-Peer交换接口技术让针对专利型背板架构进行标准化，除了针对任何通讯协议进行数据封装(encapsulation)之外，亦提供多元化的QoS服务质量与高可用度。


AdvancedTCA支持各种业界标准全双工接口，其中包括：

• 运用XAUI支持10G Ethernet；
  
  
• 运用1000BASE-BX支持4组1Gbps连结槽；
  
  
• 运用1000BASE-BX与2组 2Gbps光纤信道接口支持2组1Gbps连结槽；
  
  
• 4组PCI Express/Advanced Switching；
  
  
• 4组InfiniBand架构；
  
  
• 2组光纤信道。
  
  

此外，AdvancedTCA提供一套机箱层级的管理机制，采纳业界标准的智能型平台管理接口 (Intelligent Platform. Management Interface)，能运用智能型平台管理总线建置成放射状或总线型拓扑。更新版的连结埠互连提供一套特殊用途的接口，包括10组差分式讯号对。其信道针对各种应用提供刀片系统等应用中常见的通讯接口。这个信道提供刀片系统之间的通讯，并支持错误回复与丛集之间的应用。这套功能是其它架构上看不到的技术，能延伸AdvancedTCA的支持应用范筹。


机板之间的传输带宽是任何平台的重要核心：带宽越高，系统的性能也就越优异。AdvancedTCA在刀片系统之间提供极高的传输带宽：

a)Base接口带宽每个连结埠为1Gbps，并提供充裕的升级空间，支持未来的控制面应用。

b)AdvancedTCA支持各种组态选项，其中包括系统能支持每连结端口2Gbps、4Gbps、8Gbps、以及10Gbps传输带宽的系统，满足新一代接口的带宽。[img=400 align=right border=0,230 src=]http://www.txrjy.com/[/img]


三、提高平台密度


由于密度决定冗余度，以及在固定的空间中能安装多少组件，因此密度是核心网络元素的关键因素。密度的定义是考虑散热、耗电率、以及冷却等因素后，每个机箱中安装刀片型系统的数量以及每组机架(frame)的机箱数量。AdvancedTCA在全尺吋机箱中能支持14组刀片型系统与两组交换器，提供一套较大尺吋的规格与优异的散热效率，支持大量的扩充卡，并使前置与后置I/O无须接线以避免缆线阻挡散热气流，如图2所示。 PICMG 3.09规格将Rear Transition Module (RTM)的配置工作留给工程师负责。


现今许多厂商推出的新型10U机壳，在平台密度上达到一项新的里程碑。这种配置在一个双星型背板环境中可容纳24颗处理器，并能在标准19吋rack中安装两组交换器，每个机架能安装4组机箱。这种高密度的组态配合AdvancedTCA规格，让每个机架能安装96颗处理器，每个刀片系统能支持200瓦以下的耗电率。即使应用本身并不需要机箱/机架，10U解决方案所提供的机架空间能安装1至3个机箱，机架剩余的空间可用来安装外接式储存装置或作为布线之用。10U架构的弹性受到许多服务供货商的欢迎，能有效满足许多应用的需求。


四、扩充性


电信设备制造商可轻易将刀片型系统扩充至机箱中，藉此容纳更多的传输流量与支持各种新服务，并融入AdvancedTCA支持多重通讯协议的弹性，让系统能应用在多种网络环境。例如，最初可建置一组网络元素，透过小型、低成本的4插槽AdvancedTCA机架来满足现有的需求。为了服务更多的用户，加工机壳可升级至14插槽或16插槽的组态，并重复使用原先安装在4插槽系统中的AdvancedTCA刀片型系统与机架管理模块。


五、综合型应用的处理效率


AdvancedTCA支持各种先进I/O与运算功能，让它能支持综合型计算与通信应用，这类系统采用高效能、完全可编程、内建英特尔Internet Exchange Architecture架构的英特尔网络处理器。这套架构适用于各种综合型应用，其中包括IP软件型交换器、VoIP路由器、以及第二代与第三代基地台控制器。AdvancedTCA能支持各种网络元素，因此能协助电信设备制造商降低研发的时间与成本。


图2.AdvancedTCA规划的前方与后方I/O连结接口，可消除布线的障碍，并创造出由下至上的散热气流环境


六、Mezzanines


AdvancedTCA刀片型系统可安装符合业界标准的mezzanines，能轻易升级至新处理器、内存、I/O、以及管理处理器模块。支持的规格包括PCI Mezzanine Card(PMC)以及新型Advanced Mezzanine Card(AMC)模块。AMC的优点包括IPMI指令以支持先进管理功能、优于PMC的温度容许范围、以及热插拔能力。AdvancedTCA支持的mezzanine规格能容纳4组PMC插槽以及8组AMC热插拔接口。


七、管理功能


业界标准的智能型平台管理接口(IPMI v1.5)为AdvancedTCA管理功能的基础。这项规格是一套开放性标准，提供充裕的互通性，让不同厂商的各种机壳与散热风扇、刀片型系统、交换器、以及管理解决方案都能并存运作。这些解决方案不仅遵循标准规格，且经过彻底的测试与互通性检验，AdvancedTCA Interoperability Workshops (AIW)每年会进行两次这项检验。


AdvancedTCA的规格已针对电信环境的需求逐渐发展成型，并纳入许多功能，其中包括冗余性、错误返馈、以及同步管理AdvancedTCA机箱管理模块之间的关键信息。


八、可靠性


AdvancedTCA规格的一项主要目标就是降低平均故障修复时间(MTTR)以及提高平均故障间隔(MTBF)。许多专有架构要求在背板配置有源部件，因此会提高现场维修的成本。在AdvancedTCA架构中，背板并没有安装任何有源部件。此外，所有部件都能在现场进行热插拔安装，架构亦能在所有层级提供冗余性的配置模式。


为增进功率管理的效率，AdvancedTCA规格规范了机箱的输入功率、额定电压(voltage feeds)、以及其它变量，规范热插拔型可现场更换单元(Field Replaceable Unit, FRU)装置的规格，降低因背板故障导致数据毁损的可能性。AdvancedTCA规格支持冗余性的Shelf FRU，让单一装置的故障不会漫延至整个机壳。


九、服务能力


AdvancedTCA 能支持所有关键组件，例如像风扇、交换模块、管理模型、以及FRU，都能从前方面板进行控制。大多数ATCA机箱厂商皆建置可由前方安装的风扇，以配合业界普遍的应用习惯。AdvancedTCA机壳采用模块化的设计、冗余性/热插拔的风扇槽，避免机箱内组件因风扇故障而全面停摆。


AdvancedTCA 提供两种机制，避免刀片型系统、机板、与其它机箱层级组件被?入至错误的插槽，或接错连结器。第一种保护机制称为electronic keying (E-keying)。E-Keying会将储存在Chassis Data Module (CDM) shelf FRU装置中的机壳组态数据，和机板的IPMI控制器的数据进行比对。当机板被?入至shelf固定架时，IPMI控制器就会启动，并辨识机板分析是否要启动该机板。此外，AdvancedTCA会指定4种机械对准针脚，以确保机板是否正确地插入，藉此排除针脚错置的可能性。


十、中间件的弹性


管理中间件能提供各种服务，协助监视与管理系统组件，藉此提升服务的可用度。AdvancedTCA支持各种业界标准接口，其中包括SA论坛的硬件平台接口(HPI)，能用来整合各种COTS中间件解决方案。电信设备制造商可运用HPI搭配自己的高可用度中间件，藉此降低研发与测试时间，加速进行硬件修改与升级。


十一、TDM支持


虽然业界已全面转移至IP型网络，但现今大多数电信基础建设设备仍是采用分时多任务(Time Division Multiplexed, TDM)、跨机壳同步频率等技术，新一代的通讯架构仍须满足这些需求。


AdvancedTCA提供充裕的弹性，能支持传统型与新一代的网络元素。TDM同步频率可透过ATCA规格完全支持，厂商可运用模块化的方案进行建置。AdvancedTCA需要3组同步频率讯号对，在所有背板上建置出冗余机制，但厂商可视实际需要选择是否采用。


促使业界采纳AdvancedTCA的趋势


服务供货商纷纷寻求低成本且高灵活性的方法来整合各种服务，其中包括一键通(Push-to-Talk)与视频占播，运用可扩充的标准化平台转移至新一代网络环境。最近兴起的新一代多重服务网络，促使电信设备制造商必须为其顾客提供更具弹性的解决方案。


下列趋势促使业者采用AdvancedTCA：

• 业界运用电信级操作系统与标准中间件接口，转移至标准化的平台；
  
  
• 为了降低开发成本并缩短产品上市周期，电信设备制造商正建置各种多用型平台，用来整合计算与通讯应用；
  
  
• 运用AdvancedTCA平台让电信设备制造商不须分心在研发硬件上，可专心为服务供货商提供各种加值型软件与服务。
  
  

AdvancedTCA为电信设备制造商带来各项优势

1、开放性标准创造出更多的选择


为达到充裕的弹性以便支持各种新服务，电信产业需要一套真正支持整个产业的开放性解决方案架构。除了AdvancedTCA之外，电信设备厂商亦可选择市面上其它刀片型系统架构。但某些架构本身并不是以开放工业标准做为开发基础，而是以企业服务器为基础并融入专利型设计，顾客能选择的厂商与系统组件相当有限，因此它们无法实现供应链竞争以及开放性系统模式所带来的创新利益。


根据Yankee Group(2003年2月)的资料指出，精通于提供服务商等级解决方案的电信设备制造业者在采购AdvancedTCA后，可获得以下的好处：

• 降低85%的硬件研发人事成本；
  
  
• 降低40%的整体产品开发成本；
  
  
• 硬件升级方案的上市周期平均缩短3至5个月；
  
  
• 新款刀片型系统的上市周期缩短3至9个月；
  
  
• 新款电信级系统的上市周期缩短12至18个月；
  
  
• 简化的成本结构；
  
  
• 产品设计方面获得更高的弹性；
  
  
• 能事先预测产品的研发周期；
  
  
• 完整的开发工具。
  
  
• 开放性标准
  
  

PICMG中超过100家电信设备制造商协助开发AdvancedTCA规格。除了针对高度可扩展性与可管理性的刀片型服务器与系统层级组件制定相关规格外，AdvancedTCA亦针对模块化通讯平台推动各项多重厂商电信产业的计划，其中包括：

• 针对AS SIG的PCI Express架构开发Advanced Switching(AS)；
  
  
• 支持IEEE 802.3ab SIG 拟定的10G Ethernet 以太网络技术；
  
  
• 开放源码开发实验室推出的电信级操作系统；
  
  
• Service Availability*Forum (SA Forum)论坛提供的高可用性中间件接口。
  
  

有别于某些架构，AdvancedTCA规格是公开发表且免支付权利金的技术标准。这套规格的简介已刊载于www.picmg.org。厂商在支付象征性的少许费用后即可加入成会员并获得完整的规格数据。由40多家厂商合作制定的设计指南已刊载于：http://www.intel.com/technology/atca/index.htm。这套指南协助研发业者深入了解这套架构，在充份掌握AdvancedTCA的各种架构组件、背景、以及设计方法后，规划出最佳的设计策略。

2、可重复使用的优势


PICMG组织成立一个名为Classification Working Group的工作小组。参与的厂商正汇整出一个分类表，让电信设备制造商能运用AdvancedTCA组件开发多种网络元素，并让他们能维持与提升产品的特色。图1显示AdvancedTCA组件可根据实际需求进行重新调整。


AdvancedTCA支持多重背板配置(backplane configurations)，以及超过24种机壳组态，包括5至14个插槽。支持各种可重复使用的组件，其中包括刀片型与mezzanine系统，让研发业者能在各种不同的规格与组态下配置可重新调整组态的标准型机架。不论是什么厂商提供的平台，每套网络元素都适用相同规格标准的机壳。此外，每个网络元素中的刀片系统都能执行与其它网络元素相同的功能。例如，Radio Network Controller(RNC)控制器的控制与信号架(control and signal shelf)可和Serving GPRS Support Node(SGSN)使用相同的硬件。



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主要电信公司采用英特尔架构模块化通信平台


英特尔公司于2004年6月美国芝加哥举行的SUPERCOMM展会上宣布，华为技术有限公司和韩国电信正在开发面向有线和无线网络基础设施的英特尔架构模块化通信解决方案。这一声明进一步扩大了正在从昂贵的专有系统移植到标准平台的电信设备制造商(TEM)和服务提供商的阵营，以通过更为经济的价格推出全新服务，同时缩短投资回报时间。这些制造商和提供商所构建的通信设备使消费者能够享有从基本电话连接到即按即聊等最新无线趋势的全面服务。据相关新闻报道，英特尔还宣布推出下一代电信级英特尔架构服务器，作为其服务通信领域的又一重要举措。


英特尔架构平台和组件作为“构建模块”，能够支持电信行业提供广泛的高性能解决方案，以满足日益增长的带宽需求。英特尔平台包括高级电信计算体系结构(AdvancedTCA)系统和电信级机架安装式服务器(RMS)。


华为技术有限公司看到了这一平台的优势，并围绕模块化通信平台和AdvancedTCA开发出长期的平台战略。华为技术有限公司副总裁兼首席技术官Wei Ai表示：“我们坚信，模块化平台技术标准是加快产品上市的关键，对于华为及我们的客户都有着重要价值。为此，我们正采用基于电信级Linux和AdvancedTCA等标准、并运行英特尔计算和网络处理器的设备来开发下一代基础设施平台，预计将于2004年下半年推出。”


韩国电信是全球领先的高速互联网服务提供商之一。在其最新的试验计划中，他们采用基于商业化AdvancedTCA的系统组件开发下一代服务平台，从而显著减少了开发时间和所需资源。这些新应用和媒体服务器平台设计用于支持一整套韩国电信服务，如多媒体呼叫方ID、彩铃和视频会议等。


韩国电信副总裁Lee Sang-hong表示：“我们的IP多媒体服务试验采用英特尔架构AdvancedTCA平台，这使我们能够将多家一流供应商提供的元件快速集成到一款电信级解决方案中。两年前，类似大小的平台和服务工作需要10个开发人员用12个多月的时间来完成。而在新项目中，通过采用基于标准的方法，我们以更少的开发人员将所需开发时间缩短了50%。此外，我们还期望通过重复使用这一平台体系结构部署多项新服务，将运营成本减少一半。”


而在9月于韩国釜山举行的亚洲电信展上，英特尔公司又宣布上海贝尔阿尔卡特公司正在为其移动应用服务平台开发基于英特尔架构的模块化通信解决方案。

上海贝尔阿尔卡特的解决方案是全球第一套在单一ATCA平台中集成的多种移动业务，充分证明了该模块化平台的出色可扩展性和集成灵活性。这些创新移动应用，如彩信、即时短消息、一键通(Push-To-Talk)和WAP网关等，都无缝集成在了采用英特尔处理器的单一ATCA平台中。这使ASB能够帮助其客户快速提供创收型服务，从而显著增强他们的竞争力。通过使用这些高度可扩展的、高性能英特尔架构标准刀片式电信服务器，运行成本得到了显著降低。