通信信息安全论文：开放的通信平台架构

　　摘要：传统的电信设备制造商都是在各自私有的软/硬件平台架构基础之上，进行产品的开发、研制。以ATCA(先进的电信计算架构)、CGL(承载级嵌入式Linux实时操作系统)以及SAForum(业务可用性论坛)中间件为主导的开放的通信平台架构，要消除传统的私有架构所存在的诸多弊端，通过屏蔽差异性、提炼通用性、预留扩展性、建立标准性、提高可靠性等措施，引领通讯产业走向模块化、标准化，促进设备及业务的互通、融合，提倡创新，鼓励竞争，最大化产业的总体资源利用率。本文从标准规范、核心技术以及产业应用未来发展趋势等方面，对开放的通信平台进行论述。

　　关键字：先进的电信计算架构ATCA;智能平台管理接口IPMI;承载级操作系统CGL;业务可用性论坛SAForum

　　一、引言

　　传统的电信产品是基于私有平台架构基础之上开发完成的。采用这种私有架构的各家电信设备制造商，通常都要自主完成底层硬件设计、操作系统移植、私有中间层的开发、上层应用软件的开发等所有的工作。采用了这种私有平台架构设备来运营自身业务的电信运营商，如果中途需要更换设备，他们就必须基于新的设备商提供的私有应用程序编程接口来移植自己的上层业务应用软件。由于当前电信运营商的应用程序越来越复杂，这种移植过程不但要运营商投入大量的物力和人力，还要为移植过程承担很大的风险;此外，对于那些采购了多家公司私有架构设备的大的运营商，如何在业务运营过程中，在各家设备之间实现互通、融合、统一管理、也非常困难。因此，在通信领域就出现了一种奇怪的现象，电信运营商一旦选择了一家电信设备制造商，就会被动地形成对该设备制造商的长期依赖性，长期选购他们的设备和服务。这种格局一方面不利于电信运营商降低产品采购成本，另一方面也不利于中小型电信设备制造商进入该产业链，打破垄断，参与竞争。封闭的电信架构不但增加了电信运营商的运营维护成本，同时也不利于新技术和新应用的推广。

　　针对上述情况，近几年出现了一种基于标准化、模块化思想，开放的通讯平台架构，这种通讯平台体系架构在底层采用开放的硬件平台，一般为基于PICMG2.x或PICMG3.x的CompactPCI或ATCA平台，在该硬件开放平台之上采用的是电信级Linux操作系统，操作系统上面是为电信中的一些通用需求开发的满足高可靠性的中间件，这些中间件标准规范，诸如HPI、AIS和SMS等，由专门的组织SAForum来负责统一制定。这种开放架构平台的推广和应用带来很多好处，比如：平台的开源性特点，只要符合标准规范的各厂家设备都能有效地兼容，这样大大促进服务运营商的选择面，降低采购成本、库存成本、运营支出及管理成本;另一方面，可供选择的大量的模块化、标准化的满足电信级高可靠性要求的商用组件，也简化了新服务的开发，缩短了产品导入市场的时间，降低了产品研制的风险，节约了项目研制的成本。

　　标准化、模块化的、开放的通讯平台架构必将对电信市场未来的发展产生深远的影响，引领一场全新的技术革命。

　　二、相关标准和技术规范

　　1、PICMG3.x系列规范

　　PICMG3.x规范是PICMG组织于2002年底发布的，针对下一代融合通讯及数据网络应用提供的一个高性价比的、基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的高级电信计算架构(ATCA)规范。

　　 PICMG3.0AdvancedTCA基本规范

　　 PICMG3.1AdvancedTCA以太网/光纤通道

　　 PICMG3.2AdvancedTCAInfiniBand

　　 PICMG3.3AdvancedTCAStarFabric

　　 PICMG3.4AdvancedTCAPCIExpress

　　 PICMG3.5AdvancedTCARapidIO

　　该规范为电信行业提供了一种开放式标准硬件平台，使电信设备制造商(TEM)能够将其技术资源从开发专有硬件转而用于更快地开发新一代应用和服务。

　　(1)IPMI(智能平台管理接口)规范

　　IPMI是一个开放的标准硬件管理接口规范，ATCA在其硬件系统管理中采用了扩展的IPMI规范对整个机框内的各种硬件资源进行监控，包括对电源的管理、电子钥匙(E-Keying)和机架内温度的自动调节等。IPMI规格范是由Intel、Dell、HP、NEC等多家公司提出，目前广泛采用的是IPMIv1.5，最高版本是IPMIv2.0。

　　(2)CarrierGradeLinux(电信级Linux操作系统)标准

　　电信级Linux操作系统(CarrierGradeLinux(CGL)是由开放源代码发展实验室发布的电信级Linux标准，其中明确规定了符合电信级客户需求的操作系统和应用特性，包括系统可靠性、系统可用性、技术标准符合性、平台特性、调试和优化工具、系统性能、硬件兼容性、内核性能、可升级性、安全访问控制机制、保密和完整性机制、用户层完整性检测、日志安全性和保密性、信息完整性和来源可确认性、系统日志和事件日志机制等诸多方面。

　　CGL是由众多从事ATCA开发与规范制定的同类公司和开发商开发而成，可确保其与硬件平台的紧密集成与支持。经过对Linux内核的优化处理，Carrier-GradeLinux既保留了Linux的灵活性，又支持WatchDog、应用监控、系统日志、主备用硬盘和流量监控等功能，充分满足作为电信级系统的高可用性和稳定性要求。CGL由开放源代码开发实验室(OSDL)的电信级Linux工作组提供支持。

　　(3)SAForum中间件接口规范

　　SA论坛是一个由业内领先的通信和计算公司组成的联盟，该联盟利用符合标准规范的商用组件为基础，来创建高可用性的网络基础设施产品、系统和服务的生态系统。为实现这一目标，SA论坛制定和发布了高可用性和管理软件接口规范，同时推动这些规范的采用并提供相应的便利措施。

　　该论坛目前已经发布了三类规范：

　　①HPI硬件平台接口：把硬件和管理中间件分开，使它们相互独立。HPI规范在底层上为基础硬件部件提供了标准的访问机制。

　　②AIS应用接口规范：定义了服务可用性论坛中间件和服务应用程序之间的接口。AIS规范提供标准的机制以达到运营商所要求的服务可用性等级，包括对逻辑服务组的支持、消息服务、锁定服务、同步检测点服务、事件服务等。

　　③SMS接口规范：基于SNMP接口来实现分布式监控和访问控制，实现对AIS和HPI的管理功能,也可支持AIS服务和HPI的事件和错误异常报告。SMS接口系统采用分布式的管理模式和工具，方便实现系统管理基础架构。

　　三、核心技术

　　1、灵活的交换机制

　　PICMG3.0规范中定义了交换接口的电气连接特性，并在后续的3.x系列规范中明确定义了这些交换接口的传输协议，如下描述：

　　 PICMG3.1以太网和光纤信道传输;

　　 PICMG3.2InfiniBand传输;

　　 PICMG3..3星型传输;

　　 PICMG3.4PCIExpress传输;

　　 PICMG3.5串行快速I/O传输。

　　AdvancedTCA支持各种业界标准全双工接口，其中包括：

　　运用XAUI支持10GEthernet;

　　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PCIExpress/AdvancedSwitching;

　　 4组InfiniBand架构;

　　 2组光纤信道。

　　2、机框技术

　　ATCA的机框主要包括以下部分：正面插槽、后插板、电源输入模块、背板、机箱管理模块、散热系统。

　　在PICMG3.x规范里ATCA机箱的设计须符合下列标准：

　　具有-48VDC余电源输入

　　᠑8; 具有冗余的风扇散热系统

　　 双冗余机架管理模块CMM

　　 板卡与背板要有导引机制

　　 每槽要具有150W～200W的散热能力

　　 等等

　　3、电源分配、散热技术

　　为顺应核心芯片技术的飞速发展而对功耗提出的更苛刻的要求，ATCA将单板最高功耗提高到200瓦，并为此引入-48V双冗余电源模块用以消除电源供给异常所引发的单点故障，并要求各刀片自己配置滤波和变压模块。

　　由于PICMG3.0规范将单板功耗上限提升到最高200瓦，这样一个有16个200瓦单板机框功耗就达到3200瓦，一个机架里如果有三个机框，则其总体功耗就将达到了10K瓦。如何解决散热问题，ATCA标准规范中为此制定了3种机箱散热系统设计方式：

　　 具有前方进气风扇与后方排气风扇的组合散热系统

　　 只有前方进气风扇的散热系统

　　 只有后方排气风扇的散热系统

　　4、可靠性、高可用性硬件设计

　　在不降低平均故障修复时间(MTTR)和不提高平均故障间隔(MTBF)的前提下，AdvancedTCA背板没有安装任何有源部件，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(voltagefeeds)、以及其它变量，规范热插拔型可现场更换单元(FieldReplaceableUnit,FRU)装置的规格，降低因背板故障导致数据毁损的可能性。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还支持冗余性的ShelfFRU，让单一装置的故障不会漫延至整个机壳。

　　AdvancedTCA提供保护机制——ElectronicKeying(E-keying)。E-Keying会将储存在ShelfManager中的FRU配置数据，和对应FRU的IPMI控制器的数据进行比对。当FRU被插入至机架时，该FRU的IPMI控制器就会启动，同ShelfManager进行通讯，确定是否正常上电启动该FRU，并打开对应的背板连接器。

　　AdvancedTCA还指定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。同时，为满足电信级应用对时钟的需求、AdvancedTCA为高可靠的冗余背板提供物理同步时钟,以及为特殊需求提供电信测试总线。

　　5、集中系统管理

　　基于ATCA架构的开放平台可提供特色的集中系统管理功能，基于智能平台管理接口(IPMI)、硬件平台接口(HPI)、以及SNMP等协议，采用系统管理(SM)、机架管理控制器(ShMC)、智能平台管理控制器(IPMC)三级管理体系，如下图(2)所示。系统管理(SM)是整个ATCA架构中最高层的管理实体，它负责管理一个或更多ATCA机框，可基于TCP/IP协议通过LAN连接到多个ATCA的机架管理控制器，也可用选择拨号连接作为紧急情况下的连接手段;机架管理控制器(ShMC)的主要职责是管理和监视其所在机框内的单板、电源、风扇、温度传感器等现场置换单元，进行智能调节和管理;智能平台管理控制器(IPMC)是刀片和智能FRU上管理功能的具体实现者，刀片和智能FRU上的IPMC通常由一个独立的控制模块来实现，它通过两条双冗余的IPMB总线与ShMC进行物理通信，并基于IPMI1.5规范与ShMC进行交互，提供对本地FRU资源的管理和维护，采用这种双IPMB总线方式，可以确保一条总线失效的情况下系统管理的仍可以稳定进行，保障系统的高可用性和高可靠性。

　　6、服务可用性中间件

　　服务可用性(SA)中间件位于硬件及操作系统之上，业务应用软件之下，将保障系统高可靠运行的通用、共性的技术以及管理功能抽象出来，以可配置、可管理、可裁减、方便移植的形式实现，并对外发布标准接口。电信设备厂商以及业务提供厂商可以基于中间件之上进行自身核心功能的后续开发。

　　四、开放通信平台的应用发展趋势

　　1、大规模商用势在必行

　　ATCA、CGL、SAForum代表着一种全开放的、可互操作的、标准化的电信标准体系架构，可以支持接入层、汇聚层、核心层各种设备的开发、研制。采用了开放性的平台后，设备厂商可以将工作重心从硬件开发转向为服务提供商设计多样化的中间件和软件，真正体现出设备厂商之间的差异化，推动了各种新业务的快速部署、运行，可提供更多的增值服务。

　　2、互操作性、兼容性任重道远

　　虽然ATCA的规范标准已经通过，CGL和SA中间件也制定了各自的标准、规范，并发布了相应的产品，但是，开放平台的大规模应用目前还处于起步发展阶段。首先，开放通信平台的标准化工作还需要进一步完善和推广，这需要更广阔的产业链资源支持，吸引更多的公司、机构投入其中，共同推动完成。另外，当前ATCA各产品、组件之间还存在很多在兼容性、互操作性方面的问题，制约了大规模的商用推广，这也需要逐步解决、完善。为此，开放通讯平台和商业组件供应商及相关组织共同成立了全球性组织——通信平台贸易联盟(CP-TA)，旨在通过采用互操作性认证、市场联盟合作等方式，来加速部署基于开放规范的通信平台。相信随着相关工作的逐步展开，可以预期，在未来的电信设备中，以ATCA、CGL、SAForum所打造的开放的通信平台架构，必将取代传统的电信架构成为运营商的新宠，促进着电信行业乃至整个信息产业的发展。

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