高性能多協(xié)議信息處理平臺設(shè)計*

郭戰(zhàn)旭

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

ATCA規(guī)范創(chuàng)建了一種優(yōu)化的新型板卡和機箱外形規(guī)格。近幾年，隨著ATCA架構(gòu)應(yīng)用的不斷多元化，標準ATCA機框并不能涵蓋所有的應(yīng)用領(lǐng)域。在某些特殊的應(yīng)用場合中如國防軍事行業(yè)，需對標準機箱做適當(dāng)修改，以滿足個性化應(yīng)用的需求。因此，通過借鑒ATCA標準，結(jié)合軍用信息設(shè)備的特殊性，修改了部分安全性設(shè)計和兼容性設(shè)計，開發(fā)設(shè)計了一種自主知識產(chǎn)權(quán)、代碼完全國產(chǎn)可控的高性能綜合信息平臺。

1 ATCA概述

1.1 ATCA標準

Advanced Telecom Computing Architecture（ATCA）是一種先進的電信計算平臺，是一種基于模塊化結(jié)構(gòu)的硬件構(gòu)架，具有強大的可兼容性和豐富的可擴展性。ATCA又被稱作PICMG3.x，是由PCI工業(yè)計算機制造商組織（PICMG）制定的規(guī)范。它由PICMG2.x演進而來，但在2.X基礎(chǔ)上進行了較大改動。在PICMG3.0規(guī)范中，數(shù)據(jù)互聯(lián)、機框管理、機械結(jié)構(gòu)、電源和機箱散熱是核心內(nèi)容。這一系列新標準的制定能夠幫助電信設(shè)備制造商滿足運營商日益苛刻的要求，包括硬件的可靠性、可擴展性、I/O帶寬以及增強的互操作性和可管理性[1]。

1.2 ATCA平臺構(gòu)成

ATCA平臺由機框、刀片式板卡、背板、電源分配系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和機框管理系統(tǒng)構(gòu)成，可分為機箱子系統(tǒng)和刀片子系統(tǒng)兩類。機箱子系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)機箱、背板、配電單元、風(fēng)扇單元和機箱管理板組成，提供箱級的結(jié)構(gòu)、連接、供電和散熱等能力。刀片子系統(tǒng)按功能可以包含交換功能、服務(wù)器功能等其他業(yè)務(wù)處理功能，按位置分為前插單板和后插單板。前插單板是通常所說的ATCA單板，可分成核心交換板和節(jié)點業(yè)務(wù)板兩大類。交換板通過背板總線實現(xiàn)與各節(jié)點模塊之間的數(shù)據(jù)交換。后插單板是后端轉(zhuǎn)換模塊RTM（Rear Transition Modules，尾部轉(zhuǎn)換組件），為前板提供擴展接口[2]。

1.3 ATCA特點

ATCA的特點[3]是點到點通信，鏈路結(jié)構(gòu)有Star、FullMesh和Dual Star三種，支持可擴展的多協(xié)議接口，每板卡200 W的功率預(yù)算和大型8U×280 mm×1.2板卡外形規(guī)格，可達到電信系統(tǒng)要求5個9的可靠度。

2 高性能多協(xié)議信息處理平臺介紹

2.1 平臺設(shè)計背景

高性能多協(xié)議信息處理平臺（下文簡稱HMIP平臺）通過借鑒ATCA標準修改了部分安全性設(shè)計和兼容性設(shè)計，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)、代碼完全國產(chǎn)可控的信息安全專用平臺，以支持萬兆及以上性能。平臺為軍用信息安全設(shè)備量身打造，開放平臺標準，提供統(tǒng)一的機箱、背板、電源、散熱、電磁防護、平臺管理板、平臺操作面板和接口協(xié)議規(guī)范，支持各單位按各自產(chǎn)品需求研制多種類型加解密板、網(wǎng)絡(luò)接入板、CPU板，以快速形成各類信息安全產(chǎn)品，可部署于國防信息建設(shè)領(lǐng)域，有力支撐國防信息化建設(shè)。

2.2 平臺適用范圍

為保證通信信息安全，目前在信息安全領(lǐng)域廣泛部署了SDH設(shè)備、IP設(shè)備、以太網(wǎng)設(shè)備以及XML/SSL設(shè)備等。這些設(shè)備的用途雖然不盡相同，但在硬件平臺和L2-L7層處理流程需求上有一定的共性，適合在一個統(tǒng)一的硬件平臺上實現(xiàn)。平臺以萬兆級設(shè)備為目標，不同接入要求的平臺基本采取同一架構(gòu)實現(xiàn)，保證硬件子模塊、代碼的最大復(fù)用度。

2.3 平臺與ATCA比較

HMIP平臺借鑒了ATCA標準，但在結(jié)構(gòu)、電源和機架管理等方面進行了優(yōu)化，提高了平臺的安全性，具體差異如表1所示。

表1 HMIP與ATCA比較表

3 高性能多協(xié)議信息處理平臺設(shè)計

3.1 機框設(shè)計

HMIP平臺為19英寸標準上架設(shè)備，高度4U，深550 mm，具備5個可拔插的擴展槽。平臺前部有蓋鎖，打開前蓋后，面板分為兩個區(qū)——左側(cè)的管理區(qū)和右邊分為四層擴展槽的處理區(qū)。處理區(qū)的每個擴展槽都支持熱拔插；最下兩層是數(shù)據(jù)交換板，是系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的交換功能，可以對外出接口；上兩層為接口板，可以對外出接口。管理區(qū)分為上下兩部分，上部為前出接口，下部為設(shè)備管理區(qū)。上部具有網(wǎng)口、認證接口、注入接口、銷毀按鈕和LED燈等接口，下部為設(shè)備管理出線區(qū)，具有LCD等接口。HMIP平臺機框如圖1所示。

圖1 平臺機

3.2 平臺邏輯設(shè)計

基于平臺的設(shè)備在邏輯上劃分為7個功能組件：背板、數(shù)據(jù)交換板、接口板、設(shè)備管理板、前出線板、電源模塊和風(fēng)扇模塊。平臺基于模塊化的思想設(shè)計，模塊之間的接口和數(shù)據(jù)交互方式盡量統(tǒng)一，最大限度地復(fù)用軟件和硬件，減少了重復(fù)開發(fā)的工作量，加快了設(shè)備型號的推出效率，可根據(jù)不同產(chǎn)品的功能和性能，選擇合適的模塊構(gòu)成產(chǎn)品。

3.3 平臺管理設(shè)計

HMIP平臺提供集中式設(shè)備管理功能，主要是針對硬件的相關(guān)管理服務(wù)。設(shè)備管理功能包括監(jiān)控、控制和保證平臺內(nèi)各個板卡和模塊的正常工作。設(shè)備管理功能監(jiān)控整個平臺的基本工作狀態(tài)，報告異常情況，并采用必要的處理措施，如對單板重新上電或者復(fù)位等恢復(fù)操作。

設(shè)備管理單元具體實現(xiàn)如下功能：硬件板卡在位識別、類型識別和授權(quán)信息管理；系統(tǒng)運行狀態(tài)和各板卡狀態(tài)（溫度、風(fēng)扇、電源）的檢測；設(shè)備操作記錄；設(shè)備各板卡上電、復(fù)位管理；各板卡的自動化生產(chǎn)檢測和維修故障快速定位；JTAG鏈管理；硬件板卡可編程芯片的自動加載管理；LCD簡單信息的顯示。

3.4 平臺熱設(shè)計

按照整機功耗800 W進行散熱設(shè)計，機箱采用左側(cè)進風(fēng)、右側(cè)出風(fēng)的橫向風(fēng)道設(shè)計方案，右側(cè)面為兩層風(fēng)扇，風(fēng)扇模塊支持熱拔插。散熱方案設(shè)計如下：采用8個80 mm×80 mm×25.4 mm風(fēng)扇和1個120×120×25.4風(fēng)扇。整機前部總風(fēng)量要求為：800×0.38=304 CFM，每個風(fēng)扇為304/8=38 CFM；整機后部區(qū)域需要做合理的流量分配，確保空氣基本從電源內(nèi)部通過。設(shè)計中，在后部區(qū)域，電源入風(fēng)位置的防塵網(wǎng)開孔，其他位置封閉，保證氣流從電源模塊通過。

根據(jù)整機熱功耗分配和散熱設(shè)計，采用熱仿真軟件建立模型，如圖2所示。

仿真分析環(huán)境溫度取50 ℃，選擇出風(fēng)口溫度點離底面32 mm高的截面的流速情況。可以看出，后部主要流量能夠通過電源區(qū)域，前部區(qū)域由于暫未布設(shè)器件，流速場顯得均勻。風(fēng)速流量如圖3所示。

3.5 電磁兼容設(shè)計

相對于民用電子產(chǎn)品，軍工裝備產(chǎn)品對電磁兼容性設(shè)計要求更嚴格。通常，民用電子設(shè)備的電磁兼容要求只需要滿足民用標準GB9254《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》和GB/T17618《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》即可。如果是軍工裝備產(chǎn)品，則還需要滿足GJB151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁發(fā)射和敏感度要求與測量要求[4]。

本平臺自身具體運用屏蔽、濾波、吸波、接地和隔離等技術(shù)進行多種抑制電磁輻射處理，充分利用新材料、新技術(shù)有效抑制電磁輻射泄漏。平臺殼體結(jié)構(gòu)采用拼接技術(shù)，外殼選用鈑金作為殼體材料，屏蔽效果較好。在殼體前面板與可拆卸單元之間的連接縫隙處，需要做屏蔽處理。通過特殊的屏蔽結(jié)構(gòu)，使用電磁密封襯墊，使接口板與封閉殼體形成完整的導(dǎo)體，實現(xiàn)整體殼體的屏蔽功能。同時，為了滿足平臺設(shè)備的散熱效果，同時保證屏蔽效能，在箱體內(nèi)散熱孔進/出風(fēng)口增加特殊材料的導(dǎo)電波導(dǎo)窗。另外，在機箱右兩側(cè)使用蜂窩波導(dǎo)板；電源風(fēng)扇處加蜂窩波導(dǎo)板來屏蔽，上蓋加屏蔽簧片；插拔結(jié)構(gòu)件上裝有屏蔽簧片。

圖2 平臺熱仿真建模

圖3 熱仿真風(fēng)速分布場

通過采取以上措施，基于該平臺的系列產(chǎn)品在第三方軍用標準EMC實驗室測試數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示，均能滿足GJB151B-2013陸軍地面限值要求，并有較大余量，驗證了上述措施的有效性。

3.6 國產(chǎn)化設(shè)計

HMIP平臺的國產(chǎn)化率較高，包括結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議的國產(chǎn)化和主要零部件的國產(chǎn)化兩方面。

結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議的國產(chǎn)化。HMIP通過借鑒ATCA的優(yōu)點，結(jié)合國內(nèi)信息安全設(shè)備的特點進行了改造。保留ATCA在數(shù)據(jù)和管理平面的高速和易于管理的串行總線結(jié)構(gòu)和單星結(jié)構(gòu)，修改了不利于信息安全的全交換結(jié)構(gòu)，采取分區(qū)交換或點對點方式，擴展了子卡局部互聯(lián)和機箱管理方式。HMIP的設(shè)備管理軟件、生產(chǎn)自檢和維護軟件都由國內(nèi)團隊自行完成，且不依托于操作系統(tǒng)，沒有不可知代碼。

主要零部件的國產(chǎn)化。HMIP在機箱、背板、電源、嵌入式處理器、FPGA和液晶等方面都實現(xiàn)了國產(chǎn)化。主要元器件中，只有高速接插件使用德國ERNI公司產(chǎn)品。整個平臺滿足85%的國產(chǎn)化要求。

基于上述平臺，在較短時間內(nèi)研制了高性能、高安全、國產(chǎn)化率高的幾款信息安全產(chǎn)品，包括10GSDH安全設(shè)備、萬兆IP安全設(shè)備和萬兆以太網(wǎng)安全設(shè)備。

圖4 平臺RE102垂直極化測試曲線

圖5 平臺RE102水平極化測試曲線

4 結(jié) 語

近年來，ATCA架構(gòu)廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)中。但是，隨著該架構(gòu)應(yīng)用的多元化，個性化的需求愈來愈強烈。通過借鑒ATCA標準，結(jié)合軍用信息設(shè)備的特殊性，修改了部分安全性設(shè)計和兼容性設(shè)計，開發(fā)設(shè)計了一種自主知識產(chǎn)權(quán)、代碼完全國產(chǎn)可控的高性能綜合信息平臺。基于該平臺，在較短時間內(nèi)成功研制了幾款10G級別的信息安全設(shè)備，大大縮短了此類產(chǎn)品的研發(fā)周期。