开发基于ATCA标准平台的宽带远程接入服务器

随著电信工业又一个新需求浪潮的到来，设备制造商正在寻求新的方法来加快上市时间， 降低研发和生产成本，并通过产品的成功升级来保护技术投资。制定硬件和软件的标准依然是一个达到这些目地的成功之道，它有利于利用有限资源来构建产品的多样化，以寻求最大化企业的利益和竞争力。"应用支持平台"配备了最新的硬件和软件标准，正成为一个被广泛应用的系统，有助于满足这些商业需求。这一新的开发方法能够成功地应用于宽带远程接入服务器(BRAS)。 在DSL 论坛系统规范TR59 里列出了对BRAS 的需求，用以支持有服务品质(QoS) 保证的IP 服务。BRAS 被定义为一个在区域边缘或接入网的设备，提供网络和应用服务。它提供可灵活增加的业务服务，同时用户管理是由一个单一的管理网络来完成而不需要采用用户和服务提供者一对一的方式。（如图1） 图1 在接入侧，BRAS 为范围广泛的业务提供了一个汇聚点。 它包括传统的基于ATM 的服务和新的更多的基于IP的服务。这包括支持ATM 网点对点传输协议和以太网点对点传输协议，以及基于相应2层传输的直接IP服务。 网络服务提供商（NSP）和应用服务提供商(ASP) 的连接需要支持较为广泛的高宽带连接。例如，在物理层里，这可能是从传统的DS1/E1到DS3/E3， SONET 或SDH 的OC3C/STM1 到OC48c/STM16 以及 10/100/1000 以太网（比如主机寄存或托管服务）。在第2层，或数据链路层，它必须支持广泛的选项。它包括ATM（用于和现有系统兼容），以太网，POS 和帧中继。 关键的汇聚功能主要在IP输送层进行。根据注册的服务不同，这些功能包括简单的IP传送，但经常需要做的是终结端对端协议会话，多播，流量协商，网络地址转换功能，鉴权和加密。涵盖了直接传送数据到IP和基于网络的虚拟私有网。对这些功能的一个关键点是提供服务质量保证。 因特网工程工作小组（IETF）的差分服务规划（DiffSev）和利用差别式服务代码点（DSCP）能够提供这种保证。它不能定义绝对意义上的QoS，但能够相对地给出流量的优先级机制。在接入侧，特别是在独立的用户群内，这几乎相当于QoS能力。这些功能最初能被IPv4支持，但今后必将被IPv6支持。 由于这些服务是以IP基础为主，BRAS 必须具有基本的IP路由工能。这和边缘路由器很相似。包括支持开放系统最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP），以及流量工程功能。当流量逐渐汇聚到高速上行链路，连接到NSP和ASP时，多协议标记交换技术（MPLS）能同时提供流量工程特性，并结合BGP4，提供供应商开通的VPN。另一点也必须注意，通过使用可路由的2层协议比如2层隧道协议（L2TP）汇聚也可能在PPP层工作。在这种情况下，BRAS将作为一个L2TP的接入集中器。 有很多基于标准的技术可用来研发BRAS以达到上面描述的广泛功能。先进电信计算平台（AdvancedTCA，简称ATCA）标准在这些基于标准的技术中处于核心位置。PCI工业计算机制造商协会（PICMG）制定了ATCA。PICMG3.x ATCA标准提供了一个灵活的硬件平台。它被设计用于满足电信工业的要求。其它的选择包括以基于交换以太网的PICMG 2.16和CompactTCA 规范。 PICMG 3.0 基本规划包括电源要求和机械标准，如带有支持热插拔风扇的多路-48V 电源。智能平台管理接口用来管理这些基本硬件功能。8U 的单板尺寸提供了140 平方英寸面积并允许支持200瓦功耗。这远远超出以往任何标准规范。当ATCA 和一定范围内的网络互连规范结合，ATCA 为新一代电信设备提供了一个强有力 的框架。把这些功能组装在14 槽19 英寸或16 槽23 英寸12U/13U 外型尺寸的机架中，再加上对网络设备构件系统规范（NEBS）和国际相应规范的兼容，就能全面满足电信业的需求。 从交换网角度来看，ATCA定义了广泛的选择。在基于IPMI的底层的刀片管理功能之外，PICMG3.0定义了一个基本的双星型千兆以太网交换结构。假设两个刀片作为一个传统的备份对执行网络交换和核心机箱控制功能。每个槽位1G的带宽，用于控制平面和机箱管理功能已经足够，但明显对于需要一个OC48（并有可能在将来是OC192或10GE）的上行链路的BRAS来说是不够的。为了解决这个需求，PICMG已经定义了一个数据交换网用于支持广泛的负荷能力。和基本交换网类似，数据交换网可以支持一个双星型的配置，但同时也支持网状互连的结构，也就是说每一个刀片直接和所有的刀片有连接。虽然这可能从带宽和吞吐量上看有吸引人的地方，但这种结构也使控制功能复杂化了，由于每个刀片从本质看都变成了一个交换刀片从而提高了每个刀片的成本。由于这些原因，双星型交换结构普遍作为首选方案。数据交换网的选择范围包括：PICMG3.1支持千兆以太网和光纤通道，PICMG3.2 Infiniband,PICMG3.3 StartFabric,PICMG3.4 PCI Express和PICMG3.5 RAPID IO.其中一些规范有能力为每个槽位提供10Gbps的数据传送能力，全机框能提供240/280GB/s的交换能力。 ATCA交换网络的规范仍然在发展和标准化，以满足除了原有的吞吐能力的其他需求，比如内部的流量管理功能，队列和线头堵塞功能。在一个以数据包为基础的环境中，传送10Gbps的数据流量一般需要两倍的超速运行，或者说每个槽位20GB/S，才能最大化利用统计复用。ATCA的规范制定者预先提供了空闲的背板接口针用于支持增加的功能。这就允许开发者使用ATCA去实现离架式的应用，或者采用支持部分或全部的前述功能的私有芯片组。 ATCA规范同时提供了前端和后端接入连接方式。后端接入是通过后传输板来支持，在不需要的情况下也可以去掉。在这种模块上可能需要支持层1的接口处理。在需要的时候，特别的接口功能可以通过传统的PCI子卡（PMC）来支持，这样最小化了载板和子卡的开发。PICMG正在开发先进子卡规范（AMC）。它比现有的子卡多提供了30%的元件空间和100%的供电能力。AMC是热插拔的模块，最多在ATCA的刀片上可以支持8个。 BRAS需要高度灵活的接口能力。这种广泛的功能需求很适于网络处理器技术。使用同一个卡采用合适的编程就可以达到批量效益。 BRAS的一个主要挑战就是处理2层及以上的协议，这时IP的流量管理变得严格了。除了基本的信元和包处理功能，使用适当的队列管理的流量监管和整形以及丢弃功能都变得严格起来。接入侧需要同时在用户设备和BRAS实现流量管理，我们假设BRAS的下行流连接到NSP和ASP。（如图2） 图2 在接入侧，目前DSL层是基于ATM上的端对端协议(PPPOA)，未来将是以太网上的端对端协议（PPPOE）的封装。ATM 虚通道是AAL5的PVC支持UBR,UBR+和VBR-rt类的服务。在当前的应用中，流量管理纯粹在ATM层执行。对以IP为主的应用层而言，除非使用多个ATM 虚通道并进行相应的映射，否则所有的服务将会被同等对待。而每个BRAS的物理连接可以包括上万个子流。 当流量管理转移到IP层并使用差别服务的功能时，QoS保证能够支持到每一个流。然而，必须指出层2的传输，目前主要还是基于ATM，必须支持足够的带宽以及相关的参数，比如延时和滞后，才能有效支持IP流量管理。 当全IP的机制被引入后，比如PPPOE，这些问题将会发生变化。一个基本的假设必须是以太网为所有的应用提供足够的带宽，假如多个PPP会话同时工作，它们的总带宽需求能够支持IP QoS管理。 在网络侧，NSP和ASP的连接是高度汇聚的。这些连接可以使用传统的IP转发机制，并使用差别代码服务点（DSCP）实现流量管理。另一种方法是，DSCP可以映射到MPLS的标记交换路径（LSP）上去。在这些情况下，队列管理和排序都需要使用加权随机早期检测（WRED）等算法。假如需要将数据流映射到使用MPLS标记栈RFC2547bis VPN上时算法可能更为复杂。对于在PPP层汇聚的情况，L2TP是必需的，并由 IP封装起来。映射PPP会话到L2TP可以通过使用层2的隧道服务器（L2TS）或者通过使用RADIUS服务器（远程鉴别拨号用户服务器）。 这套复杂的数据平面功能需要一套完整的控制面的功能相配合。首先一个需求是提供一个完整的电信级平台，它能满足服务提供商们5个9的可靠性。SAF(服务可用性论坛)正是集中关注于这个领域，并且已经在为中间件软件开发全面的规范，这些中间件将令应用软件可以在平台间移植。目前的开发模式依赖于私有应用程序接口并且经常有不一致的高可用性模型，与之相比，在这方面标准化的重要优势就是能够令大量的高层应用得以发展，并只需要更少的集成工作。 在底层，硬件平台接口（HPI）规范为基础硬件部件提供了标准的访问机制。在许多方面它是对CPCI和ATCA的IPMI功能的补充。 更有意思的是SAF的应用程序接口规范(AIS)，它提供标准的机制以达到运营商所要求的服务可用性等级。这个将要发表的规范包括对逻辑服务组的支持（一般称之为群集管理）消息服务（用于支持分布式系统），锁定服务，同步检测点服务（用于复制高可用性应用的信息），事件服务（处理失效和可用性管理以提供高可用性模型和切换选项）。纵观所有的这些标准都是一个仍在发展的管理规范，它们力图提供对相应信息的一致的访问。 基于CPCI和ATCA的平台加上SAF的应用就构成了应用支持平台的核心。这套标准的硬件和软件服务现在能够被应用于BRAS的开发。 对于大多数电信设备来说，一个关键的需求是可扩展性，BRAS 也不例外。 为了满足这个要求，在不增加太多的额外负荷的条件下，控制面的模型需要尽可能采用分布式。在主要是基于IP 层提供服务的情况下，BRAS 体现为一个路由设备。它至少需要IGP 协议（诸如OSPF开放最短路径优先协议），很有可能还需要外部网关协议（EGP），BGP4，如果NSP 和ASP 网络是在不同的区域的话。另外，为了满足QoS 的需要，在IP 层里需要支持流量工程。通过使用非透明