基于atca的交換單元設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于ATCA的交換單元設(shè)計(jì)</p><p>　　[摘 要]ATCA的交換單元設(shè)計(jì)是電信工程的重要環(huán)節(jié)。本文將從ATCA的概述、交換結(jié)構(gòu)及共享緩存ATM基本交換單元等方面進(jìn)行研究。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]ATCA；交換單元；設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類號(hào)：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）33-

2、0337-01 </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　ATCA是電信工程的核心技術(shù)。近年來，隨著電信工程的不斷壯大，我國(guó)ATCA的交換單元技術(shù)也在不斷完善，但依然存在一些問題和不足需要改進(jìn)。因此，在科技不斷發(fā)展的趨勢(shì)下，我們要加大對(duì)基于ATCA的交換單元設(shè)計(jì)的探討。 </p><p>　　二、ATCA的概述 &l

3、t;/p><p>　　ATCA的主要目標(biāo)是為電信級(jí)電信應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，并使之支持多種電信級(jí)特性。除此之外，這種體系結(jié)構(gòu)還可以提供更多選擇和多層解決方案堆疊的組件間的相互操作能力，從而滿足了根據(jù)開放標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的電信及網(wǎng)絡(luò)組件的需要。 </p><p><b>　　三、技術(shù)方法介紹 </b></p><p>　　有很多種實(shí)現(xiàn)性高的可用性服務(wù)

4、技術(shù)，其中主要包括主/從型熱備份技術(shù)、不對(duì)稱式主/主型熱備份技術(shù)和對(duì)稱式主/主型熱備份技術(shù)。主/從型熱備份技術(shù)的各個(gè)服務(wù)任務(wù)的狀態(tài)都是定期保存到某些穩(wěn)定的共享存儲(chǔ)介質(zhì)中或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)的熱備份組件的。當(dāng)服務(wù)失效時(shí)，熱備份的系統(tǒng)設(shè)備就可以根據(jù)所得到系統(tǒng)最近的或當(dāng)前狀態(tài)信息接管系統(tǒng)服務(wù)。不對(duì)稱式主/主型熱備份技術(shù)比主/從型熱備份技術(shù)更加有效的提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和可服務(wù)性。對(duì)稱式主/主型熱備份技術(shù)通常由兩個(gè)或多個(gè)運(yùn)行相同服務(wù)的設(shè)備

5、協(xié)同工作來保障系統(tǒng)提供連續(xù)服務(wù)能力。 </p><p><b>　　四、交換結(jié)構(gòu) </b></p><p><b>　　1、時(shí)分交換結(jié)構(gòu) </b></p><p>　?。?）共享總線交換結(jié)構(gòu) </p><p>　　共享總線交換結(jié)構(gòu)采用時(shí)分背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，總線容量為單個(gè)端口容量的Ⅳ倍（Ⅳ為交換系

6、統(tǒng)端口數(shù)目）以提供足夠帶寬。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各節(jié)點(diǎn)之間具有相對(duì)的獨(dú)立性，但其可擴(kuò)展性受背板總線速率所限，當(dāng)背板總線可靠性不佳或某個(gè)端口上出現(xiàn)超長(zhǎng)分組時(shí)，可能導(dǎo)致整個(gè)交換體系的崩潰。 </p><p>　?。?）共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu) </p><p>　　共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu)通過復(fù)用器對(duì)各輸入端口數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，通過解復(fù)用器對(duì)共享內(nèi)存中各隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，共享內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，控制器協(xié)調(diào)

7、讀寫操作并提供各隊(duì)列的狀態(tài)信息。共享內(nèi)存交換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，但其交換性能取決于共享內(nèi)存的存取速率，可擴(kuò)展性和可靠性較差。 </p><p><b>　　2、空分交換結(jié)構(gòu) </b></p><p>　?。?）單級(jí)交換結(jié)構(gòu) </p><p>　　Crossbar是一種嚴(yán)格非阻塞的單級(jí)交換結(jié)構(gòu)，可通過輸入輸出之間交叉點(diǎn)的閉合，同時(shí)提供多條數(shù)據(jù)通路。Cr

8、ossbar交換結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于所有輸入輸出之間都存在獨(dú)立的交換通道，因此該結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是非阻塞的，并能夠方便地實(shí)現(xiàn)組播。但Crossbar的交換速率由調(diào)度器的調(diào)度效率決定，同時(shí)Crossbar交換結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性比較差，增加一個(gè)端口就可導(dǎo)致交叉點(diǎn)的指數(shù)增長(zhǎng)。 </p><p>　?。?）多級(jí)交換結(jié)構(gòu) </p><p>　　多級(jí)交換結(jié)構(gòu)通過多個(gè)小的交換單元互連構(gòu)造出一個(gè)大型的、容量可擴(kuò)展的交換網(wǎng)

9、絡(luò)。多級(jí)結(jié)構(gòu)能夠容納非常多的輸入輸出端口，雖然其內(nèi)部控制比較復(fù)雜，但各小交換單元的實(shí)現(xiàn)可以采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。多級(jí)交換結(jié)構(gòu)之間的不同取決于各交換單元之間的互連形式，典型的多級(jí)交換結(jié)構(gòu)有Banyan網(wǎng)絡(luò)、Clos網(wǎng)絡(luò)和多平面交換結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　五、交換單元實(shí)現(xiàn)方案 </p><p>　　下面介紹基于ATCA規(guī)范的多平面Clos交換結(jié)構(gòu)的交換單元的硬件設(shè)計(jì)方案。 </p&g

10、t;<p>　　交換單元支持8個(gè)業(yè)務(wù)槽位，每個(gè)業(yè)務(wù)單元最大10Gbps的交換容量。交換功能由位于業(yè)務(wù)單元上的交換接入模塊（sA）和位于交換單元上的交換矩陣模塊（SF）共同配合實(shí)現(xiàn)，二者之間采用MSM結(jié)構(gòu)的CloS型多平面互連。 </p><p>　　輸入方向，交換接入模塊最重要的組成部分是虛擬輸出隊(duì)列（VOQ）和隊(duì)列管理器（Queue Controller）。VOQ的作用是防止在輸入端口產(chǎn)生隊(duì)頭（H

11、OL）阻塞。隊(duì)列管理器負(fù)責(zé)管理VOQ，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)向位于輸出端口的輸出調(diào)度器發(fā)送信息請(qǐng)求輸出帶寬，同時(shí)，接收來自輸出調(diào)度器返回的令牌，并根據(jù)令牌信息將得到令牌的VOQ中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為定長(zhǎng)信元發(fā)送給交換單元。 </p><p>　　輸出方向，交換接入模塊包括輸出隊(duì)列和輸出調(diào)度器。輸出隊(duì)列用來緩存出口的數(shù)據(jù)包。輸出調(diào)度器根據(jù)調(diào)度算法和收到的入口方向的隊(duì)列狀態(tài)信息發(fā)放令牌，分配輸出端口的帶寬。同時(shí)，出口方向的交換接入

12、模塊負(fù)責(zé)將定長(zhǎng)信元進(jìn)行重組。 </p><p>　　交換矩陣模塊（SF）采用Crossbar結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)信元交換，當(dāng)收到從交換接入發(fā)送來的定長(zhǎng)信元后，將其交換到目的端口。 </p><p>　　交換單元及業(yè)務(wù)單元采用上述的交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①調(diào)度算法采用了分配輸出端口帶寬給參與競(jìng)爭(zhēng)的輸人端口的思想，節(jié)省了數(shù)據(jù)交換之前的仲裁時(shí)間；②調(diào)度算法是完全基于流的調(diào)度，能夠根據(jù)流的

13、屬性不同，來提供區(qū)別的服務(wù)；③系統(tǒng)端口數(shù)的擴(kuò)展可以通過增加業(yè)務(wù)單元的數(shù)量實(shí)現(xiàn)，交換容量的擴(kuò)展可以通過增加交換平面的數(shù)量實(shí)現(xiàn)，而不用進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)規(guī)劃。 </p><p>　　六、交換單元硬件設(shè)計(jì) </p><p><b>　　1、硬件構(gòu)成 </b></p><p>　　交換單元實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)單元之間的數(shù)據(jù)交換以及主控單元與各業(yè)務(wù)單元之間的控制信息交

14、換功能。一般而言，交換單元硬件主要由CPU模塊、交換矩陣模塊、以太網(wǎng)交換模塊、IPM控制器以及電源模塊構(gòu)成。 </p><p>　　CPU模塊實(shí)現(xiàn)板級(jí)模塊的初始化以及與主控單元的通信等功能。 </p><p>　　交換矩陣模塊與業(yè)務(wù)單元上的交換接入模塊配合，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)單元之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交換功能。以太網(wǎng)交換模塊完成寬帶路由器中基本接口的交換，完成主控單元對(duì)業(yè)務(wù)單元的控制或路由信息的更新等功能

15、。 </p><p>　　IPM控制器實(shí)現(xiàn)與主控單元的連接，接受主控單元的控制與管理，根據(jù)主控單元的指令進(jìn)行操作。 　　電源模塊負(fù)責(zé)將-48V電源轉(zhuǎn)換成各單元所需的電壓，如5V、3.3V、2.5V和1.8V等。 </p><p>　　2、PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn) </p><p>　　由于交換單元的端口速率非常高，在PCB布線時(shí)，通過對(duì)高速信號(hào)的預(yù)仿真，采用以下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)

16、： </p><p>　?。?）PCB基材選用標(biāo)準(zhǔn)的FR-4，線寬采用6mil帶狀線，單端線阻抗控制為50歐姆，阻抗控制為95歐姆，同時(shí)控制差分線長(zhǎng)度（包括交換單元、業(yè)務(wù)單元、背板及背板連接器的總長(zhǎng)度）不超過35inchs； </p><p>　?。?）差分線對(duì)在同一層中完成，并使用最少過孔，接收和發(fā)送差分對(duì)安排在不同層布線，差分線對(duì)不匹配長(zhǎng)度不超過40mil； </p>&

17、lt;p>　?。?）通過去除不用層上的焊盤來提高過孔的阻抗特性； </p><p>　?。?）選用專用高速背板連接器，滿足可控阻抗要求。 </p><p><b>　　3、硬件測(cè)試 </b></p><p>　　通過對(duì)示波器上眼圖的分析，可以得到碼間串?dāng)_和噪聲對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響不大。利用2塊業(yè)務(wù)單元的POS接口，通過Spirent測(cè)試儀

18、進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀通過POS接口與業(yè)務(wù)單元連接，產(chǎn)生測(cè)試包，經(jīng)交換單元后轉(zhuǎn)發(fā)給另一塊業(yè)務(wù)單元，比較收發(fā)數(shù)據(jù)可以看到，測(cè)試儀收發(fā)數(shù)據(jù)包相等，無丟失或錯(cuò)誤包。 </p><p>　　4、本文實(shí)現(xiàn)的交換單元現(xiàn)已應(yīng)用到寬帶路由交換機(jī)中并通過測(cè)試?；贏TCA規(guī)范的多平面Clos交換結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： </p><p>　?。?）每條連接均為直接的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)路徑，采用LVDS（低壓差分信號(hào)）來實(shí)現(xiàn)

19、更高的數(shù)據(jù)速率，具有良好的電特性，不僅比總線體系結(jié)構(gòu)具有更高的頻率和帶寬，而且免除了并行總線結(jié)構(gòu)的多條連接，減少信號(hào)線，使得連接器尺寸也減??； </p><p>　?。?）多平面的多級(jí)交換結(jié)構(gòu)互連還能動(dòng)態(tài)提高系統(tǒng)可靠性，這是因?yàn)樗苁龟P(guān)鍵數(shù)據(jù)繞過有缺陷的路徑； </p><p>　?。?）多級(jí)交換使設(shè)計(jì)師能隨著要求的改變輕松地調(diào)整互連，可把新的交換元件與新的I/0元件一同安裝，這樣系統(tǒng)就能

20、在自身發(fā)展時(shí)保持互連靈活性，提高擴(kuò)展能力。 </p><p><b>　　七、結(jié)束語 </b></p><p>　　由上文可知，基于ATCA的交換單元設(shè)計(jì)涉及到諸多問題，在后期的ATCA交換單元設(shè)計(jì)中，我們要根據(jù)實(shí)際情況，采用合理的方案，確保工程的發(fā)展。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>