高性能多協議信息處理平臺設計*

郭戰旭

（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規范創建了一種優化的新型板卡和機箱外形規格。近幾年，隨著ATCA架構應用的不斷多元化，標準ATCA機框并不能涵蓋所有的應用領域。在某些特殊的應用場合中如國防軍事行業，需對標準機箱做適當修改，以滿足個性化應用的需求。因此，通過借鑒ATCA標準，結合軍用信息設備的特殊性，修改了部分安全性設計和兼容性設計，開發設計了一種自主知識產權、代碼完全國產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構的硬件構架，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工業計算機制造商組織（PICMG）制定的規范。它由PICMG2.x演進而來，但在2.X基礎上進行了較大改動。在PICMG3.0規范中，數據互聯、機框管理、機械結構、電源和機箱散熱是核心內容。這一系列新標準的制定能夠幫助電信設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平臺構成

ATCA平臺由機框、刀片式板卡、背板、電源分配系統、散熱系統和機框管理系統構成，可分為機箱子系統和刀片子系統兩類。機箱子系統由結構機箱、背板、配電單元、風扇單元和機箱管理板組成，提供箱級的結構、連接、供電和散熱等能力。刀片子系統按功能可以包含交換功能、服務器功能等其他業務處理功能，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點業務板兩大類。交換板通過背板總線實現與各節點模塊之間的數據交換。后插單板是后端轉換模塊RTM（Rear Transition Modules，尾部轉換組件），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，鏈路結構有Star、FullMesh和Dual Star三種，支持可擴展的多協議接口，每板卡200 W的功率預算和大型8U×280 mm×1.2板卡外形規格，可達到電信系統要求5個9的可靠度。

2 高性能多協議信息處理平臺介紹

2.1 平臺設計背景

高性能多協議信息處理平臺（下文簡稱HMIP平臺）通過借鑒ATCA標準修改了部分安全性設計和兼容性設計，形成了自主知識產權、代碼完全國產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備量身打造，開放平臺標準，提供統一的機箱、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議規范，支持各單位按各自產品需求研制多種類型加解密板、網絡接入板、CPU板，以快速形成各類信息安全產品，可部署于國防信息建設領域，有力支撐國防信息化建設。

2.2 平臺適用范圍

為保證通信信息安全，目前在信息安全領域廣泛部署了SDH設備、IP設備、以太網設備以及XML/SSL設備等。這些設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，適合在一個統一的硬件平臺上實現。平臺以萬兆級設備為目標，不同接入要求的平臺基本采取同一架構實現，保證硬件子模塊、代碼的最大復用度。

2.3 平臺與ATCA比較

HMIP平臺借鑒了ATCA標準，但在結構、電源和機架管理等方面進行了優化，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 高性能多協議信息處理平臺設計

3.1 機框設計

HMIP平臺為19英寸標準上架設備，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——左側的管理區和右邊分為四層擴展槽的處理區。處理區的每個擴展槽都支持熱拔插；最下兩層是數據交換板，是系統的核心模塊，實現平臺數據的交換功能，可以對外出接口；上兩層為接口板，可以對外出接口。管理區分為上下兩部分，上部為前出接口，下部為設備管理區。上部具有網口、認證接口、注入接口、銷毀按鈕和LED燈等接口，下部為設備管理出線區，具有LCD等接口。HMIP平臺機框如圖1所示。

圖1 平臺機

3.2 平臺邏輯設計

基于平臺的設備在邏輯上劃分為7個功能組件：背板、數據交換板、接口板、設備管理板、前出線板、電源模塊和風扇模塊。平臺基于模塊化的思想設計，模塊之間的接口和數據交互方式盡量統一，最大限度地復用軟件和硬件，減少了重復開發的工作量，加快了設備型號的推出效率，可根據不同產品的功能和性能，選擇合適的模塊構成產品。

3.3 平臺管理設計

HMIP平臺提供集中式設備管理功能，主要是針對硬件的相關管理服務。設備管理功能包括監控、控制和保證平臺內各個板卡和模塊的正常工作。設備管理功能監控整個平臺的基本工作狀態，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位等恢復操作。

設備管理單元具體實現如下功能：硬件板卡在位識別、類型識別和授權信息管理；系統運行狀態和各板卡狀態（溫度、風扇、電源）的檢測；設備操作記錄；設備各板卡上電、復位管理；各板卡的自動化生產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 平臺熱設計

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

根據整機熱功耗分配和散熱設計，采用熱仿真軟件建立模型，如圖2所示。

仿真分析環境溫度取50 ℃，選擇出風口溫度點離底面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域，前部區域由于暫未布設器件，流速場顯得均勻。風速流量如圖3所示。

3.5 電磁兼容設計

相對于民用電子產品，軍工裝備產品對電磁兼容性設計要求更嚴格。通常，民用電子設備的電磁兼容要求只需要滿足民用標準GB9254《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》和GB/T17618《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》即可。如果是軍工裝備產品，則還需要滿足GJB151B-2013軍用設備和分系統的電磁發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、接地和隔離等技術進行多種抑制電磁輻射處理，充分利用新材料、新技術有效抑制電磁輻射泄漏。平臺殼體結構采用拼接技術，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。通過特殊的屏蔽結構，使用電磁密封襯墊，使接口板與封閉殼體形成完整的導體，實現整體殼體的屏蔽功能。同時，為了滿足平臺設備的散熱效果，同時保證屏蔽效能，在箱體內散熱孔進/出風口增加特殊材料的導電波導窗。另外，在機箱右兩側使用蜂窩波導板；電源風扇處加蜂窩波導板來屏蔽，上蓋加屏蔽簧片；插拔結構件上裝有屏蔽簧片。

圖2 平臺熱仿真建模

圖3 熱仿真風速分布場

通過采取以上措施，基于該平臺的系列產品在第三方軍用標準EMC實驗室測試數據，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 國產化設計

HMIP平臺的國產化率較高，包括結構和接口協議的國產化和主要零部件的國產化兩方面。

結構和接口協議的國產化。HMIP通過借鑒ATCA的優點，結合國內信息安全設備的特點進行了改造。保留ATCA在數據和管理平面的高速和易于管理的串行總線結構和單星結構，修改了不利于信息安全的全交換結構，采取分區交換或點對點方式，擴展了子卡局部互聯和機箱管理方式。HMIP的設備管理軟件、生產自檢和維護軟件都由國內團隊自行完成，且不依托于操作系統，沒有不可知代碼。

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

基于上述平臺，在較短時間內研制了高性能、高安全、國產化率高的幾款信息安全產品，包括10GSDH安全設備、萬兆IP安全設備和萬兆以太網安全設備。

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 語

近年來，ATCA架構廣泛應用于電信系統中。但是，隨著該架構應用的多元化，個性化的需求愈來愈強烈。通過借鑒ATCA標準，結合軍用信息設備的特殊性，修改了部分安全性設計和兼容性設計，開發設計了一種自主知識產權、代碼完全國產可控的高性能綜合信息平臺。基于該平臺，在較短時間內成功研制了幾款10G級別的信息安全設備，大大縮短了此類產品的研發周期。