基于ATCA的交换单元设计.doc

1、基于 ATCA 的交换单元设计摘 要ATCA 的交换单元设计是电信工程的重要环节。本文将从ATCA 的概述、交换结构及共享缓存 ATM 基本交换单元等方面进行研究。 关键词ATCA；交换单元；设计 中图分类号：TH162 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）33-0337-01 一、前言 ATCA 是电信工程的核心技术。近年来，随着电信工程的不断壮大，我国 ATCA 的交换单元技术也在不断完善，但依然存在一些问题和不足需要改进。因此，在科技不断发展的趋势下，我们要加大对基于 ATCA 的交换单元设计的探讨。 二、ATCA 的概述 ATCA 的主要目标是为电信级电信应用提供标

2、准化的平台体系结构，并使之支持多种电信级特性。除此之外，这种体系结构还可以提供更多选择和多层解决方案堆叠的组件间的相互操作能力，从而满足了根据开放标准创建的电信及网络组件的需要。 三、技术方法介绍 有很多种实现性高的可用性服务技术，其中主要包括主/从型热备份技术、不对称式主/主型热备份技术和对称式主/主型热备份技术。主/从型热备份技术的各个服务任务的状态都是定期保存到某些稳定的共享存储介质中或通过网络发送给相关的热备份组件的。当服务失效时，热备份的系统设备就可以根据所得到系统最近的或当前状态信息接管系统服务。不对称式主/主型热备份技术比主/从型热备份技术更加有效的提高了系统的可靠性、可用性和可

3、服务性。对称式主/主型热备份技术通常由两个或多个运行相同服务的设备协同工作来保障系统提供连续服务能力。四、交换结构 1、时分交换结构 （1）共享总线交换结构 共享总线交换结构采用时分背板总线进行数据交换，总线容量为单个端口容量的倍（为交换系统端口数目）以提供足够带宽。这种结构的特点是实现简单，并且各节点之间具有相对的独立性，但其可扩展性受背板总线速率所限，当背板总线可靠性不佳或某个端口上出现超长分组时，可能导致整个交换体系的崩溃。 （2）共享内存交换结构 共享内存交换结构通过复用器对各输入端口数据进行调度，通过解复用器对共享内存中各队列进行调度，共享内存负责存储转发数据，控制器协调读写操作并提

4、供各队列的状态信息。共享内存交换结构简单有效，但其交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性和可靠性较差。2、空分交换结构 （1）单级交换结构 Crossbar 是一种严格非阻塞的单级交换结构，可通过输入输出之间交叉点的闭合，同时提供多条数据通路。Crossbar 交换结构的优点在于所有输入输出之间都存在独立的交换通道，因此该结构本质上是非阻塞的，并能够方便地实现组播。但 Crossbar 的交换速率由调度器的调度效率决定，同时 Crossbar 交换结构的可扩展性比较差，增加一个端口就可导致交叉点的指数增长。 （2）多级交换结构 多级交换结构通过多个小的交换单元互连构造出一个大型的、容量可扩

5、展的交换网络。多级结构能够容纳非常多的输入输出端口，虽然其内部控制比较复杂，但各小交换单元的实现可以采用现有的成熟技术。多级交换结构之间的不同取决于各交换单元之间的互连形式，典型的多级交换结构有 Banyan 网络、Clos 网络和多平面交换结构。 五、交换单元实现方案 下面介绍基于 ATCA 规范的多平面 Clos 交换结构的交换单元的硬件设计方案。 交换单元支持 8 个业务槽位，每个业务单元最大 10Gbps 的交换容量。交换功能由位于业务单元上的交换接入模块（sA）和位于交换单元上的交换矩阵模块（SF）共同配合实现，二者之间采用 MSM 结构的 CloS 型多平面互连。 输入方向，交换接

6、入模块最重要的组成部分是虚拟输出队列（VOQ）和队列管理器（Queue Controller） 。VOQ 的作用是防止在输入端口产生队头（HOL）阻塞。队列管理器负责管理 VOQ，并根据当前状态向位于输出端口的输出调度器发送信息请求输出带宽，同时，接收来自输出调度器返回的令牌，并根据令牌信息将得到令牌的 VOQ 中的数据包转换为定长信元发送给交换单元。 输出方向，交换接入模块包括输出队列和输出调度器。输出队列用来缓存出口的数据包。输出调度器根据调度算法和收到的入口方向的队列状态信息发放令牌，分配输出端口的带宽。同时，出口方向的交换接入模块负责将定长信元进行重组。 交换矩阵模块（SF）采用 Cr

7、ossbar 结构，实现定长信元交换，当收到从交换接入发送来的定长信元后，将其交换到目的端口。 交换单元及业务单元采用上述的交换结构进行设计，具有以下几个特点：调度算法采用了分配输出端口带宽给参与竞争的输人端口的思想，节省了数据交换之前的仲裁时间；调度算法是完全基于流的调度，能够根据流的属性不同，来提供区别的服务；系统端口数的扩展可以通过增加业务单元的数量实现，交换容量的扩展可以通过增加交换平面的数量实现，而不用进行重新的设计规划。 六、交换单元硬件设计 1、硬件构成 交换单元实现各业务单元之间的数据交换以及主控单元与各业务单元之间的控制信息交换功能。一般而言，交换单元硬件主要由 CPU 模块

8、、交换矩阵模块、以太网交换模块、IPM 控制器以及电源模块构成。 CPU 模块实现板级模块的初始化以及与主控单元的通信等功能。 交换矩阵模块与业务单元上的交换接入模块配合，实现各业务单元之间的业务数据交换功能。以太网交换模块完成宽带路由器中基本接口的交换，完成主控单元对业务单元的控制或路由信息的更新等功能。 IPM 控制器实现与主控单元的连接，接受主控单元的控制与管理，根据主控单元的指令进行操作。 电源模块负责将-48V 电源转换成各单元所需的电压，如 5V、3.3V、2.5V 和 1.8V 等。 2、PCB 设计要点 由于交换单元的端口速率非常高，在 PCB 布线时，通过对高速信号的预仿真，

9、采用以下方式进行设计： （1）PCB 基材选用标准的 FR-4，线宽采用 6mil 带状线，单端线阻抗控制为 50 欧姆，阻抗控制为 95 欧姆，同时控制差分线长度（包括交换单元、业务单元、背板及背板连接器的总长度）不超过 35inchs； （2）差分线对在同一层中完成，并使用最少过孔，接收和发送差分对安排在不同层布线，差分线对不匹配长度不超过 40mil； （3）通过去除不用层上的焊盘来提高过孔的阻抗特性； （4）选用专用高速背板连接器，满足可控阻抗要求。 3、硬件测试 通过对示波器上眼图的分析，可以得到码间串扰和噪声对系统传输性能的影响不大。利用 2 块业务单元的 POS 接口，通过 Sp

10、irent 测试仪进行测试。测试仪通过 POS 接口与业务单元连接，产生测试包，经交换单元后转发给另一块业务单元，比较收发数据可以看到，测试仪收发数据包相等，无丢失或错误包。 4、本文实现的交换单元现已应用到宽带路由交换机中并通过测试。基于 ATCA 规范的多平面 Clos 交换结构具有以下几个优点： （1）每条连接均为直接的点到点数据路径，采用 LVDS（低压差分信号）来实现更高的数据速率，具有良好的电特性，不仅比总线体系结构具有更高的频率和带宽，而且免除了并行总线结构的多条连接，减少信号线，使得连接器尺寸也减小； （2）多平面的多级交换结构互连还能动态提高系统可靠性，这是因为它能使关键数据绕过有缺陷的路径； （3）多级交换使设计师能随着要求的改变轻松地调整互连，可把新的交换元件与新的 I/0 元件一同安装，这样系统就能在自身发展时保持互连灵活性，提高扩展能力。 七、结束语 由上文可知，基于 ATCA 的交换单元设计涉及到诸多问题，在后期的ATCA 交换单元设计中，我们要根据实际情况，采用合理的方案，确保工程的发展。 参考文献 1童进.数据产品中各类交换结构的实现J.电子产品世界，2012（20）：6-7.