多協議波長標簽交換技術
2019-11-03 10:15:12
供稿：網友
北京郵電大學 紀越峰
隨著Ｉｎｔｅｒｎｅｔ業務的高速增長，ＷＤＭ光網的飛速發展以及實時業務和多媒體應用的增加，在網絡帶寬、服務質量（ＱｏＳ）、可擴展性及對新業務的適應性方面對現有的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ路由技術提出了極大的挑戰。ＩＰ技術如何與光網相結合、如何賦予光網一定的智能性、如何提供保證的ＱｏＳ服務等問題已擺在人們面前。由多協議標記交換ＭＰＬＳＭｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｌａｂｅｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ引伸出的多協議波長標簽交換ＭＰＬｍＳ Ｍｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｌａｍｂｄａ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，簡寫ＭＰＬｍＳ技術以其誘人的技術特征、充滿活力的驅動力量和良好的發展潛力正為業界所注目。
一、多協議標簽交換（ＭＰＬＳ）技術
ＭＰＬＳ是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ核心網絡路由／轉發技術最為關鍵的一個發展環節，ＭＰＬＳ提供了第三層（Ｌ３）路由控制和第二層（Ｌ２）交換轉發的無縫綜合，結合了兩者的優點，試圖解決影響Ｉｎｔｅｒｎｅｔ發展的許多復雜問題，如網絡帶寬、轉發性能、可擴展性、多廠商互操作性、流量工程（Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、ＱｏＳ、ＶＰＮ等，圖１給出了ＭＰＬＳ的基本結構。
ＭＰＬＳ采用集成模型，解決了以往重疊模型的許多固有問題，并具有多廠商的互操作性且可以運行于任何鏈路層技術之上。ＭＰＬＳ不同于傳統ＩＰ網絡基于最長地址匹配路由查找和逐跳的分組轉發方式，而是與ＡＴＭ類似，采用固定長度、易于處理的標簽代表分組頭，通過對標簽的查找處理進行分組的轉發。ＭＰＬＳ將ＩＰ業務移植到面向連接的ＡＴＭ或幀中繼基礎設施上。實現的方法是將路由選擇平面與轉發平面分開，創建一個標簽交換平面，借助于３２位標簽為每一個數據分組指定通過網絡的合適路由。ＭＰＬＳ網絡采用標準的第三層分組處理方式進行路由控制，采用標準的第二層標簽交換方式進行分組轉發。
二、ＭＰＬＳ向光網進軍
由于傳統的ＩＰ網絡只能提供盡力而為的服務，不具有ＱｏＳ和流量管理能力，但ＩＰ網絡簡單靈活，極具智能性，并且成本低廉。現有的光纖骨干網采用ＷＤＭ技術，能夠提供巨大的帶寬容量，但目前基本上還多為點到點的應用，在很大程度上還沒有形成一個真正的網絡拓樸結構，并且幾乎不具備智能性。未來的網絡發展趨勢則是將這兩種不同的網絡結構進行無縫的融合，充分利用光纖網絡的巨大帶寬和ＩＰ組網的智能性，真正的實現適合于數據業務傳輸的智能化光纖傳送網絡，其典型特征之一是由目前的統計業務波長光通道向更加動態的分組／標簽交換發展。在這種情況下，ＭＰＬｍＳ應運而生。
ＭＰＬｍＳ是傳統電ＭＰＬＳ在光域上的擴展，它直接采用第一層（光波長級）的交換來處理第三層的ＩＰ路由轉發，將標簽與ＷＤＭ波長信道關聯起來，其分立波長或光纖信道類似于標簽，并通過ＭＰＬｍＳ信令來指配光信道。從而大大簡化了網絡的層次結構，并具有更強大的業務管理、流量工程、ＱｏＳ保證的功能。ＭＰＬｍＳ是構建新型網絡的管理控制平臺，通過它可將ＩＰ等各種業務無縫的接入到具有巨大帶寬的光纖網絡上來，是構建未來新型網絡的有效方法。
通過分析目前的網絡構架可以發現，許多廠商現在完成的主要工作都集中在如何為ＷＤＭ網絡定義出一個低層協議，以便為高層協議（ＩＰ，ＡＴＭ，甚至是ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ）提供一個"電路交換"業務。這種方法將在ＩＰ層和光纖之間引入另一個網絡級的"接入層"，增加了網絡管理和操作的成本。隨著光網絡設備價格的降低和普遍使用以及光分組交換技術的出現和發展，預示著一個能帶來更多收益的交互網絡離我們已越來越近，因此有必要提出一種新的數據網絡與光網絡進行交互融合的方案。而利用ＭＰＬｍＳ來構建網絡，其最大的好處在于它可以覆蓋光網絡拓撲未來演進的整個范圍，從電路交換到分組交換、到混合粒度的交換等。
三、多協議波長交換 （ＭＰＬｍＳ）網絡的基本原理
ＭＰＬｍＳ把ＭＰＬＳ標簽交換的基本概念應用到了光域，采用光波長作為交換的標簽，將第三層路由轉發與第一層（光層）的光交換進行了無縫融合，利用波長來尋找路由，并標識所建立的光通路，為上層業務提供快速的波長交換通道。光網絡節點被看做是ＭＰＬＳ設備，ＭＰＬｍＳ光網絡的邊緣采用標簽棧，它將更小的電ＭＰＬＳ設備節點的ＬＳＰ整合進更大的波長ＬＳＰ中。ＭＰＬｍＳ域的中間節點在數據傳輸過程中不再運行任何電的標簽處理，并且只有有限個標簽處理操作在光域上實現。利用這些功能，波長標簽方案將ＭＰＬＳ的控制平面粘貼到光波長路由交換機／光交叉連接設備的上層，并將它看做是具有ＭＰＬＳ能力的節點，即光波長交換路由器（Ｏ－ＬＳＲ）節點。實際上最初ＭＰＬＳ的標簽交換的目的是運行第二層的快速轉發來處理第三層的數據流，人們延伸了這種想法，波長標簽在本質上是運行第一層（如光層）轉發來處理第三層的數據流。尤其是在ＭＰＬｍＳ標簽和ＷＤＭ波長通道之間，允許使用ＭＰＬｍＳ信令來建立光路徑通道。例如，一個在對等ＭＰＬＳ Ｏ－ＬＳＲ之間的端到端的光路徑等價于一個粗粒度的ＬＳＰ，稱為波長 ＬＳＰ等。通過這個方案，網絡的層次結構得以進一步簡化，波長標簽交換使路由過程更易于實現，并可以利用已建成且在運行的光網絡的一切特性，如波長通道的選路和安排，波長匯聚，通道恢復和保護等。
一旦ＬＳＰ通路的波長ＬＳＲ隊列建立以后，在數據傳輸過程中，外部標簽的查找和處理過程就不再進行。通過ＭＰＬｍＳ網絡，可以始終確保光通道的提供和保護。因為Ｏ－ＬＳＲ節點已經分配了ＩＰ地址，所以此時光域也不需要一個單獨的地址和地址解析。
目前的ＬＤＰ協議中包含了幾種不同的消息格式：例如確認、ｈｅｌｌｏ、初始化、激活、地址、地址撤銷、標簽映射、標簽請求、標簽請求終止、標簽撤銷和標簽釋放等。Ｏ－ＬＳＲ節點可以利用這些已有的消息及其在光域的擴展形式來建立、保持和拆除波長ＬＳＰ通道，并經由合適的本地接口來控制ＯＸＣ的設置（如交叉連接矩陣的關系表）。
四、ＭＰＬｍＳ網絡的交換粒度
在ＭＰＬｍＳ網絡中，網絡的邊緣是ＩＰ路由器構成的ＩＰ子網，網絡核心由光交叉連接設備（ＯＸＣ）來建構。在交換多通道ＷＤＭ光網絡中采用光交叉連接ＯＸＣ，引入了很多新的優點，能夠支持快速的和更加靈活的ＩＰ業務提供。為了達到這樣的目的，關鍵是能夠提供自動建立和拆除通過光網絡路徑（光通道）的能力，并能夠為ＩＰ服務提供平衡這種能力的手段。因此，有必要建立所需的支持協議和機制。
五、光ＭＰＬｍＳ與 電ＭＰＬＳ異同淺析
由ＯＸＣ構建的光ＭＰＬｍＳ網絡與傳統的電ＭＰＬＳ網絡有所不同，在考慮網絡的體系結構時應該注意到這些差異。
１．在一個光傳送網絡（ＯＴＮ）內，ＯＸＣ交換光通道實施數據包的轉發，但帶寬的粒度差別很大，一個ＯＸＣ的交換粒度要比ＩＰ路由器的大許多。此外路由器必須對每個數據包的分組頭進行檢查，以獲得所需的路由信息，即使ＬＳＰ建立后，入口邊緣路由器ＬＥＲ仍舊需要檢查分組并作業務分類和ＦＥＣ／標簽綁定映射工作，而ＯＸＣ則不然，ＯＸＣ基于每一個光通道進行操作，不需要等價的ＩＰ數據包路由計算和標簽映射操作（包括光標簽交換）。從入口ＬＥＲ進入光ＬＳＰ通道的業務通過ＯＸＣ交換到出口光通道。此光通道可以運載任何業務類型和速率的用戶負荷，并且通過ＯＸＣ透明地傳輸。
２．在路徑建立拆除的頻率和連接持續的時間二者有所差別。在一個ＯＸＣ網絡中，由于光連接的高帶寬特點，頻繁的拆除、建立會影響大量的業務傳送，所以總是期望它們能夠持續一段較長的時間。
３．當運載ＩＰ業務的帶寬增加到超過１０Ｇｂｉｔ／ｓ時，將希望在光通道水平的粒度上（經由ＯＸＣ）進行更多的帶寬選路和處理過程，而不是在ＩＰ的水平上（經由路由器）。
４．建立一個ＬＳＰ與在光層建立一個光連接所需要消耗的資源也是不同的。當一個ＬＳＰ建立時，唯一的資源消耗是用來標定此標簽映射所需的存儲空間。而當一個光連接建立時，此連接的全部容量就會從網絡可用容量中減掉。對應于到來的數據包，需要確定是否值得為此業務建立一條連接，而如果沒有一個預先的經驗和可靠的可用業務量，一個高容量的連接未必能夠建立。
六、ＭＰＬｍＳ網絡中的波長路由器
在ＭＰＬｍＳ網絡中，波長路由器的地位舉足輕重。在基于ＭＰＬｍＳ的光波長標記交換網絡中的波長路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于與速率較低的網絡進行業務接入，同時電子處理功能模塊完成ＭＰＬｍＳ中較復雜的標記處理功能，而核心路由器利用光互聯和波長變換技術實現波長標記交換、和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地管理和分配網絡資源，并能較有效地實現業務管理及網絡的保護、恢復。
波長路由器的構成按實現技術可分為軟件系統和硬件系統兩大部分。軟件包括：傳輸協議（ＴＣＰ／ＩＰ，ＵＤＰ／ＩＰ），路由協議（內部：ＯＳＰＦ，ＩＳ－ＩＳ，ＲＩＰ，ＥＧＰ；外部：ＢＧＰ），信令協議和管理協議（ＳＮＭＰ，Ｔｅｌｎｅｔ，ＭＩＢ Ⅱ）；硬件包括：交換機構（多個交換卡），轉發處理器，路由處理器，物理線路接口卡（其上有各種適合不同媒質類型的接口和緩存存儲器（包括信息包緩存和路由緩存）。硬件系統在軟件系統的配置驅動下完成數據包的路由交換功能。
基于ＭＰＬｍＳ的波長路由器中的交換機構由光交叉連接設備ＯＸＣ構成，路由處理由ＩＰ路由器完成，分組處理由打包／拆包處理器來進行，同時這幾個部件都基于ＭＰＬｍＳ的標簽交換控制的硬件管理下。
由于波長選路所需的時間較長，而ＭＰＬｍＳ采用波長作為標簽，所以可將光交叉連接設備視為標簽交換路由器進行網絡控制和管理，從而極大的降低了選路的復雜性和所需要的時間。ＭＰＬｍＳ利用ＩＰ選路協議來發現拓樸，并對現有的ＯＳＰＦ，ＩＳ－ＩＳ等進行擴展來交換計算ＬＳＰ時所需要的鏈路狀態拓樸、資源可用信息和策略信息，利用ＬＤＰ，ＲＳＶＰ等信令協議及其擴展為ＬＳＰ通過網絡保留資源或規定相應的顯式通道。為將ＭＰＬｍＳ選路協議和信令協議與光交換機相適配構造波長路由器，必須對ＭＰＬｍＳ作相應的擴展和修改：建立新的鏈路管理協議（ＬＭＰ）處理光網絡的鏈路管理，擴展適配的ＯＳＰＦ／ＩＳ－ＩＳ協議來公告可用的光網絡資源，擴展適配的ＲＳＶＰ來提供光網絡所必須的流量工程能力，使得ＬＳＰ可以在整個光核心網絡上實現顯式標記。
七、ＭＰＬｍＳ面臨的關鍵技術問題
實現ＭＰＬｍＳ系統和網絡需要解決以下關鍵問題：
１． ＭＰＬｍＳ光標簽分配算法與格式。與ＩＰ網絡不同，光網絡波長通道數量十分有限，所以必須精心設計ＭＰＬｍＳ標簽分配算法以合理利用資源。此外要提出新的光標簽的格式以滿足不同帶寬粒度需求，以及用于光網絡ＭＰＬｍＳ的ＬＤＰ消息類型和格式。
２． 光網絡拓撲發現機制。ＭＰＬｍＳ需要光網絡設備自動獲取并跟蹤網絡拓撲結構，傳統的ＩＰ路由協議ＯＳＰＦ、ＩＳ－ＩＳ沒有考慮光網絡鏈路的波長資源與光通道的模擬參數（帶寬、延時、損耗、色散等），有必要根據上述特點改進路由與拓撲發現算法。
３．支持ＭＰＬｍＳ的有關協議的擴展。要將ＭＰＬＳ的概念真正的引入光層，實現ＭＰＬｍＳ，必須對原有的路由協議和信令協議，如ＯＳＰＦ、ＩＳ－ＩＳ、ＲＳＶＰ、ＬＤＰ、ＣＲ－ＬＤＰ等進行一定的擴展以適應于光域的特性。
４． 業務整合。網絡邊緣節點引入業務整合機制能夠提高波長帶寬利用率，但會增大業務的延時，需要有新的業務適配算法綜合考慮帶寬使用率、隊列大小、優先級、光通道建立時間以及業務的ＱｏＳ參數，優化業務適配粒度使之滿足波長帶寬傳輸需求。
５． ＭＰＬｍＳ流量工程。ＭＰＬＳ的流量工程同樣可以應用在光網絡中，通過建立波長通路，針對網絡實時狀況重選路由和實現擁塞控制，以優化網絡結構，尤其對ＩＰ光網絡的綜合自愈有重大意義。
６． ＲＷＡ（選路與波長指配）算法。傳統的ＲＷＡ算法比較適合于相對靜態的光網絡，采用ＭＰＬｍＳ技術后波長分配的需求產生形式與頻率都不可預測，對ＲＷＡ的時間要求十分嚴格，傳統算法多數無法勝任。
７．光網絡的性能監測與智能化管理。在ＭＰＬｍＳ光網絡中，為實現具有智能化的管理功能，需要得到有關波長通道的詳細信息，并把這些信息有效地送往各個網絡控制實體和相應的網絡單元。
８． ＭＰＬＳ／ＭＰＬｍＳ綜合自愈。傳統光網絡的光復用段保護倒換與光通道保護倒換技術為光網絡提供快速、高效的自愈能力，ＩＰ網絡的ＭＰＬＳ自愈的特點則是帶寬利用率高、抗多重故障能力強、設備成本低。采用ＭＰＬｍＳ技術后可以綜合兩者優點，但在具體實現時如何避免多層網絡自愈的功能重疊、協調機制與動作沖突引起的誤操作，仍是要探討的問題。
八、ＧＭＰＬＳ在光域上的擴展
目前已有公司提出了ＧＭＰＬＳ技術，ＧＭＰＬＳ的體系結構擴展了ＭＰＬＳ，將時分系統和空間交換系統包含進來，并對ＧＭＰＬＳ在光域的應用進行了相應擴展。ＧＭＰＬＳ的焦點在于如何實現這些不同層次之間的控制平面的協調作用，因為它們每一個層次都可以使用完全不同的數據或轉發平面。這里涵蓋了控制平面的信令和路由部分。
ＧＭＰＬＳ體系結構涵蓋了為多個交換層次建立一個一致的控制平面所需要的主要構建模塊。它可以應用于不同的模式：如重疊模型，擴展模型也稱集成模型。進一步的，每一鄰接的層次間都共同工作于不同的方式下，ＧＭＰＬＳ的體系結構的引入使得不同的廠商和運營者進行某種程度上的聯合成為可能。ＧＭＰＬＳ中的ＬＳＲ或這些ＬＳＲ上的接口可以細分為若干等級：分組交換能力（ＰＳＣ）接口、時分復用能力（ＴＤＭ）接口、波長交換能力（ＬＳＣ）接口和光纖交換能力（ＦＳＣ）接口。
由于采用了ＷＤＭ技術，使得在兩個直接相鄰的節點間擁有了非常大數目的平行鏈路，這樣多的鏈路在原有的ＩＰ或ＭＰＬＳ控制平面是沒有預料到的，必需對這種控制平面作一些適應性修改。因此為了減少所需要分發的大量的鏈路狀態路由信息，引入了鏈路捆綁的概念。同時為了自動并快速的對鏈路實行操作管理，引入了鏈路管理協議（ＬＭＰ），它運行于鄰接節點之間的數據平面上，用于鏈路提供和故障隔離。
綜上所述，人們可以利用ＭＰＬｍＳ作為ＩＰ和ＷＤＭ之間結合的中間橋梁構建新型網絡的管理層面。針對以上這些問題，目前國際上的一些研究機構與標準化組織都在積極努力，不斷推進實現進程。為此我們不能僅僅是拭目以待，更重要的是早日開展有針對性的研究工作與示范工程，當下一代光傳送網--智能光網絡（ＩＯＮ）的夢想成真之時，我們也應該占有一席之地。
