GMPLS的關鍵技術(1)

2019-11-05 01:07:58

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供稿：網友

1 引言

隨著Internet和光纖技術的迅猛發展，ip和光網絡技術的相互融合必將成為未來網絡發展的重要趨勢。如何解決IP層與光層的融合，GMPLS提供了一個良好的思路。GMPLS繼續了幾乎所有MPLS的特性和協議，是MPLS向光網絡的擴展，它可以用統一的控制平面來治理多種不同技術組建的網絡，從而為簡化網絡結構、降低網絡治理成本和優化網絡性能提供了重要保證。

2 多協議標簽交換（MPLS）技術的回顧

MPLS是GMPLS的基礎，它是定位于2.5層的網絡技術，為IP層與鏈路層的交互提供了一個統一的操作平臺，具有很強的適應性和靈活性，能支持現有網絡層和鏈路層的各種協議（比如對網絡層支持IPv4、IPv6、IPX、AppleTalk等，對鏈路層支持FR、ATM、PPP等）。MPLS是一種能夠大幅度提高路由轉發速度的技術，它的體系結構分為兩個獨立的組件，即轉發組件（也叫數據層面）和控制組件（也叫控制層面）。轉發組件使用標簽交換機維護的標簽轉發數據庫，根據分組攜帶的標簽執行數據分組的轉發任務。控制組件負責在一組互聯的交換機之間建立和維護標簽轉發信息。

MPLS的簡單工作原理是：當數據分組到達MPLS網絡云的入口LSR（標簽交換機），入口LSR通過分析數據分組的信息頭來決定該分組屬于哪個FEC（轉發等價類，即FEC使一些具有某些共性的數據流集合，這些數據在轉發過程中被LSR以相同的方式進行處理），然后查找LIB（標簽信息庫），將一個與該FEC相關聯的標簽加在數據分組前。在后繼的LSR中，不需要再查找IP分組頭，只需要根據數據分組的標簽來查找LIB，即可決定其轉發出口，在轉發前將新的標簽取代舊的標簽，然后轉發到下一個LSR 。當數據分組到達出口LSR 時，出口LSR將Label從數據分組中去掉，又按照傳統的IP轉發方式對數據分組進行轉發。其中，所有與FEC綁定的標簽分發和LSP的建立都是由LDP（標簽分發協議）來完成。

3 GMPLS的要害技術

為了能適應未來智能光網絡動態地提供網絡資源和傳送信令的要求，我們需要對傳統的MPLS進行擴展和更新。GMPLS正是MPLS向光網絡擴展的產物，它在支持傳統的分組交換、時分交換、波長交換和光纖交換的同時，還對原有的路由協議、信令協議作了修改和擴展。

目前，IP層與光傳送層的融合主要有重疊模型和集成模型兩個方向，GMPLS應同時支持這兩種模型。

重疊模型又稱客戶—服務器模型，即光層網絡作為服務器，IP網絡層做為客戶層，兩者具有獨立的控制平面。具體地說，一個在核心光網絡；而另一個在客戶層，集中體現在用戶—網絡接口(UNI)處，兩者之間不交換路由信息，獨立選路，具有獨立的拓撲結構。核心光網絡作為服務器，為網絡邊緣的客戶提供波長業務。它的優點是光網絡與IP網絡可以獨立地發展；缺點是網絡擴展性能差，存在Ｎ2問題。另外，兩個層面存在兩套不同的地址空間，需要復雜的地址解析。

集成模型又稱對等模型或混合模型，它的基本特點是光傳送層的控制智能被轉移到IP層，由IP層來實施端到端的控制。此時，光傳送網和IP網形成一個集成的網絡，統一的控制平面維護單一的拓撲，光交換機和IP路由器可以自由地交換所有信息并運行同樣的選路和信令協議，實現一體化的治理和流量工程。但它的缺點也是明顯的，就是必須在光層和IP層交互大量的狀態和控制信息。

3.1 GMPLS的標簽和標簽交換路徑

GMPLS為了能控制光網絡，它不僅要支持傳統的分組交換，而且還要支持時分交換、波長交換和光纖交換，這就決定了GMPLS與MPLS有很大的不同，主要表現在以下幾個方面：

· MPLS的標簽空間非常大，而波長和時分信道非常有限。

· MPLS的LSP能夠被分配連續值的帶寬，而光信道和時分信道只能被分配有限個離散值的帶寬。

· 假如兩節點之間有多條并行光纖，GMPLS還必須支持光纖交換。

3.1.1 GMPLS的標簽

為了支持電路交換（主要是SDH）和光交換（包括LSC和FSC），GMPLS設計了專用的標簽格式，標簽應該支持對光纖、波帶、波長甚至時隙的標識。以CR-LDP的TLV格式為例，其標簽項中應包含LPT、LSP-ENC、G-PID和鏈路標識4個字段。其中，LPT字段是指鏈路保護類型，LSP-ENC字段指LSP編碼類型，定義了OC-n（SONET）、STS-n（SDH）、GigE、10GigE、DS1～DS4、E1～E4、J3、J4、VT以及光波長、波帶等類型。G-PID字段是通用凈荷標識，表示LSP運載的凈荷類型，使用標準的以太網凈荷類型，由入節點設置，供出節點使用，中間節點僅進行透明傳送。鏈路標識字段標識收到標簽請求的鏈路，僅在鄰接的節點間具有本地效力。標簽的長度和格式根據不同的應用環境也會不同。比如在波長標簽交換應用中，端口/波長標簽為32bit，表示使用的光纖或端口或波長，與傳統標簽不同的是沒有實驗比特、標簽棧底和TTL等域，但它與傳統標簽一樣，僅在鄰接節點間具有本地效力。標簽值可以通過人工指配或由協議動態決定。

3.1.2 GMPLS的層次化標簽交換路徑

為了支持光網絡，GMPLS需要引入新的概念——層次化標簽交換路徑。層次化的含義是針對LSP的復用能力而言的，復用能力越強的LSP層次越高。如圖1所示，LSP1、LSP2、LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套關系。LSP1在最低層，它的始端和終端設備是具有分組交換能力的網絡接口（主要的設備是路由器）；LSP1和其他具有分組傳輸能力的LSP可以聚合到LSP2中，LSP2處在第二層，它的始端和終端設備是具有時隙交換能力的網絡接口，主要種類有SDH/SONET、TDM或ADM接口；同樣，LSP2可以和其他的具有時隙傳輸能力的LSP又可以聚合到LSP3中，LSP3的始端和終端設備（光交叉連接設備，OXC）在具有波長交換能力的網絡中；LSP4在具有光纖交換能力的網絡中，處于最高層。

LSP（標簽交換路徑）分層后，帶來的好處是顯而易見的。首先，通過不同層次間的路由匯聚，可以非常節約地使用波長和時隙信道，從而解決波長和時隙信道非常有限的問題；其次，解決了光信道和時分信道只能被分配有限個離散值帶寬的問題。比如，在不采用分層LSP之前，穿過光網絡100Mbit/s的LSP都需要一個單獨的、非常大的離散值帶寬（例如2Gbit/s）。采用了分層結構后，每個波長信道都成為了一條聚合路由，大量的LSP可以共享一條2Gbit/s的光信道。

3.1.3 層次化LSP的建立

這一部分我們將解釋層次化LSP的建立過程，假定LSP1是一條支持500Mbit/s分組傳輸的線路，LSP2是一條STS-12c的SDH線路，LSP3是一條OC-192線路，LSP4是支持WDM的線路。

下面的討論是基于GMPLS中定義的擴展后的RSVP-TE信令。原版的RSVP使用兩種信令，一種是PATH消息，它是發端向收端發送的請求信息，主要包含對業務流描述和分類的參數。另一種是RESV信息，它包含描述接收端預留的資源參數。為了支持MPLS，需要在RESV信息中加入標簽對象，它的簡單工作原理是：當一個LSR要為一個RSVP流發送RESV信息時，它會產生一個新的標簽，將它寫入轉發表的入標簽欄和要發送的RSVP信息中。上游鄰近的LSR收到此信息后，會將RESV信息中的標簽寫入轉發表的出標簽欄，同時產生一個新的標簽，并把它寫入轉發表的入標簽欄和要發送的RSVP信息中，然后此信息被傳送到上游鄰近的LSR。當RESV信息到達發端時，一條保證QoS的LSP就建立了。

層次化LSP的建立過程如下：

（1）一個關于要建立LSP1的路徑請求報文（Path1）在R0產生，此報文被轉發至R1（一個分組交換網的邊緣節點）。

（2）R1收到此報文后，就會觸發要建立LSP2（R1到R7）的路徑請求報文（Path2）產生，此報文被轉發至S2，這種過程一直持續到LSP4的路徑請求報文（Path4）產生。

（3）Path4到達O5時，O5會沿原路回送Resv信息，當Resv信息到達O3時，LSP4就成功建立了，此時，Path3報文可以由LSP4傳至O5，然后由O5轉發到S6，S6沿原路徑向S2發出標簽映射消息，LSP3隨后被建立。此過程一直重復到LSP1被成功建立。
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隨著Internet和光纖技術的迅猛發展，IP和光網絡技術的相互融合必將成為未來網絡發展的重要趨勢。如何解決IP層與光層的融合，GMPLS提供了一個良好的思路。GMPLS繼續了幾乎所有MPLS的特性和協議，是MPLS向光網絡的擴展，它可以用統一的控制平面來治理多種不同技術組建的網絡，從而為簡化網絡結構、降低網絡治理成本和優化網絡性能提供了重要保證。

2 多協議標簽交換（MPLS）技術的回顧

MPLS是GMPLS的基礎，它是定位于2.5層的網絡技術，為IP層與鏈路層的交互提供了一個統一的操作平臺，具有很強的適應性和靈活性，能支持現有網絡層和鏈路層的各種協議（比如對網絡層支持IPv4、IPv6、IPX、AppleTalk等，對鏈路層支持FR、ATM、PPP等）。MPLS是一種能夠大幅度提高路由轉發速度的技術，它的體系結構分為兩個獨立的組件，即轉發組件（也叫數據層面）和控制組件（也叫控制層面）。轉發組件使用標簽交換機維護的標簽轉發數據庫，根據分組攜帶的標簽執行數據分組的轉發任務。控制組件負責在一組互聯的交換機之間建立和維護標簽轉發信息。

MPLS的簡單工作原理是：當數據分組到達MPLS網絡云的入口LSR（標簽交換機），入口LSR通過分析數據分組的信息頭來決定該分組屬于哪個FEC（轉發等價類，即FEC使一些具有某些共性的數據流集合，這些數據在轉發過程中被LSR以相同的方式進行處理），然后查找LIB（標簽信息庫），將一個與該FEC相關聯的標簽加在數據分組前。在后繼的LSR中，不需要再查找IP分組頭，只需要根據數據分組的標簽來查找LIB，即可決定其轉發出口，在轉發前將新的標簽取代舊的標簽，然后轉發到下一個LSR 。當數據分組到達出口LSR 時，出口LSR將Label從數據分組中去掉，又按照傳統的IP轉發方式對數據分組進行轉發。其中，所有與FEC綁定的標簽分發和LSP的建立都是由LDP（標簽分發協議）來完成。

3 GMPLS的要害技術

為了能適應未來智能光網絡動態地提供網絡資源和傳送信令的要求，我們需要對傳統的MPLS進行擴展和更新。GMPLS正是MPLS向光網絡擴展的產物，它在支持傳統的分組交換、時分交換、波長交換和光纖交換的同時，還對原有的路由協議、信令協議作了修改和擴展。

目前，IP層與光傳送層的融合主要有重疊模型和集成模型兩個方向，GMPLS應同時支持這兩種模型。

重疊模型又稱客戶—服務器模型，即光層網絡作為服務器，IP網絡層做為客戶層，兩者具有獨立的控制平面。具體地說，一個在核心光網絡；而另一個在客戶層，集中體現在用戶—網絡接口(UNI)處，兩者之間不交換路由信息，獨立選路，具有獨立的拓撲結構。核心光網絡作為服務器，為網絡邊緣的客戶提供波長業務。它的優點是光網絡與IP網絡可以獨立地發展；缺點是網絡擴展性能差，存在Ｎ2問題。另外，兩個層面存在兩套不同的地址空間，需要復雜的地址解析。

集成模型又稱對等模型或混合模型，它的基本特點是光傳送層的控制智能被轉移到IP層，由IP層來實施端到端的控制。此時，光傳送網和IP網形成一個集成的網絡，統一的控制平面維護單一的拓撲，光交換機和IP路由器可以自由地交換所有信息并運行同樣的選路和信令協議，實現一體化的治理和流量工程。但它的缺點也是明顯的，就是必須在光層和IP層交互大量的狀態和控制信息。

3.1 GMPLS的標簽和標簽交換路徑

GMPLS為了能控制光網絡，它不僅要支持傳統的分組交換，而且還要支持時分交換、波長交換和光纖交換，這就決定了GMPLS與MPLS有很大的不同，主要表現在以下幾個方面：

· MPLS的標簽空間非常大，而波長和時分信道非常有限。

· MPLS的LSP能夠被分配連續值的帶寬，而光信道和時分信道只能被分配有限個離散值的帶寬。

· 假如兩節點之間有多條并行光纖，GMPLS還必須支持光纖交換。

3.1.1 GMPLS的標簽

為了支持電路交換（主要是SDH）和光交換（包括LSC和FSC），GMPLS設計了專用的標簽格式，標簽應該支持對光纖、波帶、波長甚至時隙的標識。以CR-LDP的TLV格式為例，其標簽項中應包含LPT、LSP-ENC、G-PID和鏈路標識4個字段。其中，LPT字段是指鏈路保護類型，LSP-ENC字段指LSP編碼類型，定義了OC-n（SONET）、STS-n（SDH）、GigE、10GigE、DS1～DS4、E1～E4、J3、J4、VT以及光波長、波帶等類型。G-PID字段是通用凈荷標識，表示LSP運載的凈荷類型，使用標準的以太網凈荷類型，由入節點設置，供出節點使用，中間節點僅進行透明傳送。鏈路標識字段標識收到標簽請求的鏈路，僅在鄰接的節點間具有本地效力。標簽的長度和格式根據不同的應用環境也會不同。比如在波長標簽交換應用中，端口/波長標簽為32bit，表示使用的光纖或端口或波長，與傳統標簽不同的是沒有實驗比特、標簽棧底和TTL等域，但它與傳統標簽一樣，僅在鄰接節點間具有本地效力。標簽值可以通過人工指配或由協議動態決定。

3.1.2 GMPLS的層次化標簽交換路徑

為了支持光網絡，GMPLS需要引入新的概念——層次化標簽交換路徑。層次化的含義是針對LSP的復用能力而言的，復用能力越強的LSP層次越高。如圖1所示，LSP1、LSP2、LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套關系。LSP1在最低層，它的始端和終端設備是具有分組交換能力的網絡接口（主要的設備是路由器）；LSP1和其他具有分組傳輸能力的LSP可以聚合到LSP2中，LSP2處在第二層，它的始端和終端設備是具有時隙交換能力的網絡接口，主要種類有SDH/SONET、TDM或ADM接口；同樣，LSP2可以和其他的具有時隙傳輸能力的LSP又可以聚合到LSP3中，LSP3的始端和終端設備（光交叉連接設備，OXC）在具有波長交換能力的網絡中；LSP4在具有光纖交換能力的網絡中，處于最高層。

LSP（標簽交換路徑）分層后，帶來的好處是顯而易見的。首先，通過不同層次間的路由匯聚，可以非常節約地使用波長和時隙信道，從而解決波長和時隙信道非常有限的問題；其次，解決了光信道和時分信道只能被分配有限個離散值帶寬的問題。比如，在不采用分層LSP之前，穿過光網絡100Mbit/s的LSP都需要一個單獨的、非常大的離散值帶寬（例如2Gbit/s）。采用了分層結構后，每個波長信道都成為了一條聚合路由，大量的LSP可以共享一條2Gbit/s的光信道。

3.1.3 層次化LSP的建立

這一部分我們將解釋層次化LSP的建立過程，假定LSP1是一條支持500Mbit/s分組傳輸的線路，LSP2是一條STS-12c的SDH線路，LSP3是一條OC-192線路，LSP4是支持WDM的線路。

下面的討論是基于GMPLS中定義的擴展后的RSVP-TE信令。原版的RSVP使用兩種信令，一種是PATH消息，它是發端向收端發送的請求信息，主要包含對業務流描述和分類的參數。另一種是RESV信息，它包含描述接收端預留的資源參數。為了支持MPLS，需要在RESV信息中加入標簽對象，它的簡單工作原理是：當一個LSR要為一個RSVP流發送RESV信息時，它會產生一個新的標簽，將它寫入轉發表的入標簽欄和要發送的RSVP信息中。上游鄰近的LSR收到此信息后，會將RESV信息中的標簽寫入轉發表的出標簽欄，同時產生一個新的標簽，并把它寫入轉發表的入標簽欄和要發送的RSVP信息中，然后此信息被傳送到上游鄰近的LSR。當RESV信息到達發端時，一條保證QoS的LSP就建立了。

層次化LSP的建立過程如下：

（1）一個關于要建立LSP1的路徑請求報文（Path1）在R0產生，此報文被轉發至R1（一個分組交換網的邊緣節點）。

（2）R1收到此報文后，就會觸發要建立LSP2（R1到R7）的路徑請求報文（Path2）產生，此報文被轉發至S2，這種過程一直持續到LSP4的路徑請求報文（Path4）產生。

（3）Path4到達O5時，O5會沿原路回送Resv信息，當Resv信息到達O3時，LSP4就成功建立了，此時，Path3報文可以由LSP4傳至O5，然后由O5轉發到S6，S6沿原路徑向S2發出標簽映射消息，LSP3隨后被建立。此過程一直重復到LSP1被成功建立。

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