采用先进的通信计算架构，设计云计算时代的传输系统

采用先进的通信计算架构设计云计算时代的传输系统

上海电子有限公司李红英

摘要：云计算技术推进了电信网、计算机网和有线电视网在物理层和业务层的融合，融合后的网络将面临业务终端和业务流量的爆发式增长，新一代传输系统（PTN）的设计必须满足三网融合后的业务需求。本文从的最新技术规范（,MicroTCA, -S）出发，面向云计算时代的高速数据传输要求，提出新一代传输系统（PTN）的设计方案。

关键词：云计算、三网融合、ATCA、MicroTCA、CPCI-S。

在技术日新月异的今天，云计算已经成为一种潮流和趋势,而且会长久存在和发展下去，它将改变我们使用电脑和网络的方式，信息存储和程序运行的方式也将发生重大改变。在这样的发展变化中，个人电脑的功能将逐渐弱化，演变为信息服务终端；与之对应，服务器的功能将逐渐强化，演变为虚拟化的计算资源；大量的数据和文件将不会再在本地存储、成为我们的包袱，云存储将使它们更安全、让我们使用更方便；我们对网络的依赖度会越来越高，它们连接的将不再是冰冷的设备和枯燥的数据，它们连接的将是五彩缤纷世界和丰富多彩的生活。

云计算所带来的这些变化，也为“三网融合”注入了新的发展活力。电信网、广播电视网、互联网在向下一代网络的演进过程中，在技术层面上将趋于一致，在业务层面上也将相互融合，IaaS、PaaS、SaaS将成为它们共同采用的构建模式和服务模式，采用云计算技术可以更好地实现三种网络的互联互通和资源共享。

云计算与三网融合的推进，促使业务终端数量和业务数据流量产生了爆发式的增长，对接入网、传输网和交换网都提出了新的发展要求。原有的电信网是以话音业务为主，上下行数据流量都很少；原有的计算机互联网是以数据业务为主，下行数据量较大，上行数据量较少；原有的广播电视网基本上是单向网络，以视频业务为主，只有相对固定的下行数据传输要求，没有或者只有少量的上行数据传输要求。在云计算时代，三网融合以后，上下行数据流量都发生了较大的增长，在空间和时间上的流量分布不均的情况将更为严重，网络传输带宽将成为影响服务质量的主要因素。原来分配给每个用户或每个终端的几百K、几兆的带宽已远远不够，每个用户或每个终端至少需要几十兆、几百兆的带宽；接入网、核心网和骨干网的传输带宽也同样需要几十倍、几百倍、几千倍地增长。为了满足多种客户终端的接入要求，新一代的传输系统必须能够实现多种接入方式，既要支持传统的同轴电缆、双绞线接入方式，又要支持无线和光线接入方式，不同的接入方式要通过网桥或网关转换为IP数据包，在汇聚层和核心层实现基于IP的统一服务模式。为了获得更好的客户体验，新一代传输网还要实现任何时间、任何地点、任何方式的服务要求，必须能够根据业务数据类型对传输带宽进行动态管理，根据流量变化进行弹性扩展，根据客户分布进行快速部署。发生网络拥塞、线路故障或设备故障时，必须能够快速诊断、自动恢复。这些都对新一代传输系统的设计提出了更高的要求。

国际工业计算机协会（）组织众多工业计算机厂商、电信设备厂商、电子元器件厂商联合开发的工业计算机和电信设备的技术规范ATCA、MicroTCA和CPCI-S，可以作为下一代传输系统的设计方案。

ATCA技术规范发布于2002年，是第三代工业计算机标准，比较适合应用于构建新一代传输系统的核心层和骨干网设备。ATCA系统包括高速数据交换模块(FabricBlade)、高速数据通信接口(LineCard)和高速数据通信背板（Backplane）。ATCA系统的交换模块可以支持10G、40G的数据链路互连，支持二层交换和三层交换，支持虚通道、虚路由，实现上下行数据的汇聚、分发和交叉连接。在交换模块上还会提供2-4个40G、160G的高速通信接口，实现与核心网设备的互连。ATCA系统的LineCard可以提供4-16个10G、40G的高速数据通信接口，每个系统可配置1-15块LineCard。通过这些高速数据通信接口实现与汇聚层设备和其他骨干网设备的连接。LineCard可以直接提供这些高速通信接口，也可以通过高级夹层卡AMC间接提供这些高速数据接口。每块LineCard可承载1-8块AMC，每块AMC提供1-4个10G、40G的电口或光口，每个AMC都可以独立拔插，通过这样的方式可以根据应用进行灵活配置和弹性扩展。ATCA系统的高速通信背板可以为每个模块提供15个40G的Fabric高速数据链路,以STAR、DUAL-STAR或FULL-MESH方式将各个模块连接在一起。

图1，ATCA系统结构

MicroTCA技术规范发布于2006年，与ATCA有非常密切的关系。它把ATCA系统的高级夹层卡（AMC）独立出来，单独构成小体积、高密度的高性能通信计算平台，比较适合于构建新一代传输系统的接入层和汇聚层设备。与ATCA系统不同，AMC直接插在MicroTCA系统的背板上，直接承担LineCard的功能，提供千兆或万兆的数据通信接口，分别与接入层设备和骨干网设备连接。在MicroTCA系统中，由MCH模块对AMC模块进行管理，通过MCH模块对AMC接入的数据链路进行汇聚和交叉连接。MicroTCA的高速通信背板可以为每个AMC模块提供2个千兆Fabric通道、2个10GFat Pipe通道，以STAR、DUAL-STAR或FULL-MESH方式将各个AMC模块连接在一起。

图2，MicroTCA系统结构

CPCI-S技术规范发布于2011年，虽然是在第二代工业计算机标准CPCI的基础上开发的，但是在功能、性能和可靠性上已超越了MicroTCA。CPCI-S的体系结构与MicroTCA类似，不同之处在于，在系统内部的数据通信链路主要采用PCI-E，可以采用资源丰富的基于PCI技术开发的软硬件资源，不仅可以适配最新开发的千兆、万兆、40G的高速数据通信接口，还可以适配早期开发的各种低速数据通信接口，包括T1、E1、CATV、VOIP、SDH、PDH等等，可以更好地满足混合模式的接入和传输要求。另外，由于CPCI-S沿用了高密度针孔连接器，在可靠性设计上可以对恶劣环境有更好的适应能力，未来将取代MicroTCA，成为接入层和汇聚层的主流设备。

图3，CPCI-S系统结构

ATCA、MicroTCA和CPCI-S都采用了先进的通信计算架构，将计算机技术与通信技术结合在一起，采用通用CPU和对系统配置和管理，采用网络通信专用处理器对高速数据通信链路的数据进行线速处理，实现基于IP的统一服务，并且能够按业务类型对流量和带宽使用情况进行实时监控，根据网络状况和使用情况进行动态调整，发生网络拥塞或设备故障时可根据预先设定的规则实现迂回转发，确保良好的网络传输服务质量，确保良好的客户体验。

表1，ATCA、MicroTCA、CPCI-S性能

ATCA、MicroTCA和CPCI-S都采用了模块化的体系结构，可以根据不同的业务类型配置不同的数据处理模块和数据通信模块、根据不同的业务规模增减模块数量，实现快速部署和动态扩展。ATCA、MicroTCA和CPCI-S都是开放的、标准的，可以实现不同厂家的软硬件模块的兼容，在构建系统时可以获得更多厂家的支持，构建性价比更高的、更适合应用的新一代传输系统。ATCA、MicroTCA和CPCI-S都是行业通用的技术标准，具有较长的产品生命周期，具有更好的横向兼容性和纵向兼容性。在进行三网融合的改造时、在向云计算架构的迁移时，采用ATCA、MicroTCA和CPCI-S高性能通信计算平台可以最大限度地利用已建成的基础设施和计划构建的基础设施，避免重复建设、避免资源浪费。在未来的应用中，也可以根据业务发展和技术演进，对运行中的传输网络随时进行动态扩展和升级维护。

图4，ATCA、MicroTCA和CPCI-S在下一代传输网的应用

下面结合三网融合后的视频业务和数据业务说明采用ATCA、MicroTCA和CPCI-S构建下一代传输网的方法。

如前面所述，云计算技术使业务终端变得越来越简单、服务器变得越来越复杂，各种应用对网络的依赖程度也越来越高。虚拟机和云存储的大量应用，将促使数据流量大幅增长，这些大幅增长的数据需要在服务器与服务器之间、服务器与客户端之间进行高速传输。

对于以高清视频点播为主的视频业务来说，采用三网融合和云计算技术以后，业务功能将更加集中：前端服务器群构成视频编码和数据压缩云服务系统，存储服务器群构成视频文件存储云服务系统，流媒体服务器群构成视频内容分发和播放云服务系统。采用ATCA技术构成的高性能刀片式服务器，可以在视频业务的各种云服务系统中对大量业务数据进行并行处理，同时还可以提供1G、10G、40G的高速通信接口，通过骨干网传输设备与其他云服务系统连接在一起，构成弹性可扩展的服务器云。采用ATCA、MicroTCA和CPCI-S技术构成的接入网、汇聚网和骨干网传输设备，可以为每个客户端提供10-50兆的带宽（未来可能会发展到100兆或1000兆），可以为接入网和汇聚网的每个接口提供1G或10G的高速通信链路，可以为骨干网和核心网的每个接口提供40G或160G的高速通信链路，可以在这些高速通信链路中建立虚拟专网、虚连接和虚路由，从而实现搞好的视频业务服务质量和更好的客户体验。

对于以企业综合业务为主的数据业务来说，采用三网融合和云计算技术以后，业务数据的构成将更为复杂。原来的业务数据是由独立的语音信息流、独立的数据信息流和独立的视频信息流构成的，而且是以语音信息流为主，信息流量分布较为均匀，只需要为每个业务节点分配几十K到几百K的数据带宽就可以满足应用要求。现在的业务数据正在向融合的IP多媒体信息流演进，数据信息和视频信息将成为未来的IP多媒体业务数据的主要成分，信息流量的时域和区域分布也极不均匀，经常出现因突发业务产生的超大信息流，从而给接入网和传输系统带来很大的压力。采用ATCA、MicroTCA和CPCI-S构建下一代传输网，可以更好地适应这些变化：在客户端提供百兆/千兆数据接口，支持有线、无线、光线多种接入模式；在接入网和交换设备之间提供千兆/万兆/40G的数据通信接口，可根据客户端位置变化、客户端数量变化和IP多媒体业务数据的内容变化对数据链路的带宽进行动态调整，以虚拟网、虚连接、虚路由的方式对企业综合业务提供高优先级、高可靠性的服务保证。

目前，在国内和国外，已经有相关厂家采用ATCA、MicroTCA技术开发了视频服务器、视频传输设备、GPON、DWDM、WiMAX和WLAN系统，采用CPCI-S的传输设备和接入设备的开发也正在进行中，由它们构建的下一代传输网将以更加卓越的性能呈现在我们的面前，为我们提供更好、更丰富的数据通信服务。

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