高性能多协议信息处理平台设计*

郭战旭

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

ATCA规范创建了一种优化的新型板卡和机箱外形规格。近几年，随着ATCA架构应用的不断多元化，标准ATCA机框并不能涵盖所有的应用领域。在某些特殊的应用场合中如国防军事行业，需对标准机箱做适当修改，以满足个性化应用的需求。因此，通过借鉴ATCA标准，结合军用信息设备的特殊性，修改了部分安全性设计和兼容性设计，开发设计了一种自主知识产权、代码完全国产可控的高性能综合信息平台。

1 ATCA概述

1.1 ATCA标准

Advanced Telecom Computing Architecture（ATCA）是一种先进的电信计算平台，是一种基于模块化结构的硬件构架，具有强大的可兼容性和丰富的可扩展性。ATCA又被称作PICMG3.x，是由PCI工业计算机制造商组织（PICMG）制定的规范。它由PICMG2.x演进而来，但在2.X基础上进行了较大改动。在PICMG3.0规范中，数据互联、机框管理、机械结构、电源和机箱散热是核心内容。这一系列新标准的制定能够帮助电信设备制造商满足运营商日益苛刻的要求，包括硬件的可靠性、可扩展性、I/O带宽以及增强的互操作性和可管理性[1]。

1.2 ATCA平台构成

ATCA平台由机框、刀片式板卡、背板、电源分配系统、散热系统和机框管理系统构成，可分为机箱子系统和刀片子系统两类。机箱子系统由结构机箱、背板、配电单元、风扇单元和机箱管理板组成，提供箱级的结构、连接、供电和散热等能力。刀片子系统按功能可以包含交换功能、服务器功能等其他业务处理功能，按位置分为前插单板和后插单板。前插单板是通常所说的ATCA单板，可分成核心交换板和节点业务板两大类。交换板通过背板总线实现与各节点模块之间的数据交换。后插单板是后端转换模块RTM（Rear Transition Modules，尾部转换组件），为前板提供扩展接口[2]。

1.3 ATCA特点

ATCA的特点[3]是点到点通信，链路结构有Star、FullMesh和Dual Star三种，支持可扩展的多协议接口，每板卡200 W的功率预算和大型8U×280 mm×1.2板卡外形规格，可达到电信系统要求5个9的可靠度。

2 高性能多协议信息处理平台介绍

2.1 平台设计背景

高性能多协议信息处理平台（下文简称HMIP平台）通过借鉴ATCA标准修改了部分安全性设计和兼容性设计，形成了自主知识产权、代码完全国产可控的信息安全专用平台，以支持万兆及以上性能。平台为军用信息安全设备量身打造，开放平台标准，提供统一的机箱、背板、电源、散热、电磁防护、平台管理板、平台操作面板和接口协议规范，支持各单位按各自产品需求研制多种类型加解密板、网络接入板、CPU板，以快速形成各类信息安全产品，可部署于国防信息建设领域，有力支撑国防信息化建设。

2.2 平台适用范围

为保证通信信息安全，目前在信息安全领域广泛部署了SDH设备、IP设备、以太网设备以及XML/SSL设备等。这些设备的用途虽然不尽相同，但在硬件平台和L2-L7层处理流程需求上有一定的共性，适合在一个统一的硬件平台上实现。平台以万兆级设备为目标，不同接入要求的平台基本采取同一架构实现，保证硬件子模块、代码的最大复用度。

2.3 平台与ATCA比较

HMIP平台借鉴了ATCA标准，但在结构、电源和机架管理等方面进行了优化，提高了平台的安全性，具体差异如表1所示。

表1 HMIP与ATCA比较表

3 高性能多协议信息处理平台设计

3.1 机框设计

HMIP平台为19英寸标准上架设备，高度4U，深550 mm，具备5个可拔插的扩展槽。平台前部有盖锁，打开前盖后，面板分为两个区——左侧的管理区和右边分为四层扩展槽的处理区。处理区的每个扩展槽都支持热拔插；最下两层是数据交换板，是系统的核心模块，实现平台数据的交换功能，可以对外出接口；上两层为接口板，可以对外出接口。管理区分为上下两部分，上部为前出接口，下部为设备管理区。上部具有网口、认证接口、注入接口、销毁按钮和LED灯等接口，下部为设备管理出线区，具有LCD等接口。HMIP平台机框如图1所示。

图1 平台机

3.2 平台逻辑设计

基于平台的设备在逻辑上划分为7个功能组件：背板、数据交换板、接口板、设备管理板、前出线板、电源模块和风扇模块。平台基于模块化的思想设计，模块之间的接口和数据交互方式尽量统一，最大限度地复用软件和硬件，减少了重复开发的工作量，加快了设备型号的推出效率，可根据不同产品的功能和性能，选择合适的模块构成产品。

3.3 平台管理设计

HMIP平台提供集中式设备管理功能，主要是针对硬件的相关管理服务。设备管理功能包括监控、控制和保证平台内各个板卡和模块的正常工作。设备管理功能监控整个平台的基本工作状态，报告异常情况，并采用必要的处理措施，如对单板重新上电或者复位等恢复操作。

设备管理单元具体实现如下功能：硬件板卡在位识别、类型识别和授权信息管理；系统运行状态和各板卡状态（温度、风扇、电源）的检测；设备操作记录；设备各板卡上电、复位管理；各板卡的自动化生产检测和维修故障快速定位；JTAG链管理；硬件板卡可编程芯片的自动加载管理；LCD简单信息的显示。

3.4 平台热设计

按照整机功耗800 W进行散热设计，机箱采用左侧进风、右侧出风的横向风道设计方案，右侧面为两层风扇，风扇模块支持热拔插。散热方案设计如下：采用8个80 mm×80 mm×25.4 mm风扇和1个120×120×25.4风扇。整机前部总风量要求为：800×0.38=304 CFM，每个风扇为304/8=38 CFM；整机后部区域需要做合理的流量分配，确保空气基本从电源内部通过。设计中，在后部区域，电源入风位置的防尘网开孔，其他位置封闭，保证气流从电源模块通过。

根据整机热功耗分配和散热设计，采用热仿真软件建立模型，如图2所示。

仿真分析环境温度取50 ℃，选择出风口温度点离底面32 mm高的截面的流速情况。可以看出，后部主要流量能够通过电源区域，前部区域由于暂未布设器件，流速场显得均匀。风速流量如图3所示。

3.5 电磁兼容设计

相对于民用电子产品，军工装备产品对电磁兼容性设计要求更严格。通常，民用电子设备的电磁兼容要求只需要满足民用标准GB9254《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》和GB/T17618《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》即可。如果是军工装备产品，则还需要满足GJB151B-2013军用设备和分系统的电磁发射和敏感度要求与测量要求[4]。

本平台自身具体运用屏蔽、滤波、吸波、接地和隔离等技术进行多种抑制电磁辐射处理，充分利用新材料、新技术有效抑制电磁辐射泄漏。平台壳体结构采用拼接技术，外壳选用钣金作为壳体材料，屏蔽效果较好。在壳体前面板与可拆卸单元之间的连接缝隙处，需要做屏蔽处理。通过特殊的屏蔽结构，使用电磁密封衬垫，使接口板与封闭壳体形成完整的导体，实现整体壳体的屏蔽功能。同时，为了满足平台设备的散热效果，同时保证屏蔽效能，在箱体内散热孔进/出风口增加特殊材料的导电波导窗。另外，在机箱右两侧使用蜂窝波导板；电源风扇处加蜂窝波导板来屏蔽，上盖加屏蔽簧片；插拔结构件上装有屏蔽簧片。

图2 平台热仿真建模

图3 热仿真风速分布场

通过采取以上措施，基于该平台的系列产品在第三方军用标准EMC实验室测试数据，如图4、图5所示，均能满足GJB151B-2013陆军地面限值要求，并有较大余量，验证了上述措施的有效性。

3.6 国产化设计

HMIP平台的国产化率较高，包括结构和接口协议的国产化和主要零部件的国产化两方面。

结构和接口协议的国产化。HMIP通过借鉴ATCA的优点，结合国内信息安全设备的特点进行了改造。保留ATCA在数据和管理平面的高速和易于管理的串行总线结构和单星结构，修改了不利于信息安全的全交换结构，采取分区交换或点对点方式，扩展了子卡局部互联和机箱管理方式。HMIP的设备管理软件、生产自检和维护软件都由国内团队自行完成，且不依托于操作系统，没有不可知代码。

主要零部件的国产化。HMIP在机箱、背板、电源、嵌入式处理器、FPGA和液晶等方面都实现了国产化。主要元器件中，只有高速接插件使用德国ERNI公司产品。整个平台满足85%的国产化要求。

基于上述平台，在较短时间内研制了高性能、高安全、国产化率高的几款信息安全产品，包括10GSDH安全设备、万兆IP安全设备和万兆以太网安全设备。

图4 平台RE102垂直极化测试曲线

图5 平台RE102水平极化测试曲线

4 结 语

近年来，ATCA架构广泛应用于电信系统中。但是，随着该架构应用的多元化，个性化的需求愈来愈强烈。通过借鉴ATCA标准，结合军用信息设备的特殊性，修改了部分安全性设计和兼容性设计，开发设计了一种自主知识产权、代码完全国产可控的高性能综合信息平台。基于该平台，在较短时间内成功研制了几款10G级别的信息安全设备，大大缩短了此类产品的研发周期。