GMPLS 的關(guān)鍵技術(shù)

2019-11-04 11:01:05

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　王斌　丁煒
北京郵電大學(xué)寬帶通信網(wǎng)實驗室

　　摘要 GMPLS是MPLS向光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的產(chǎn)物，能支持分組交換、時分交換、波長交換和光纖交換。本文先對MPLS做了回顧，然后對GMPLS的標(biāo)簽、層次化LSP、路由與尋址、信令和鏈路治理等方面一一加以分析，最后對GMPLS的意義提出了一些尚待解決的問題。

1 引言

　　隨著Internet和光纖技術(shù)的迅猛發(fā)展，ip和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合必將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(xù)了幾乎所有MPLS的特性和協(xié)議，是MPLS向光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，它可以用統(tǒng)一的控制平面來治理多種不同技術(shù)組建的網(wǎng)絡(luò)，從而為簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、降低網(wǎng)絡(luò)治理成本和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能提供了重要保證。

2 多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）技術(shù)的回顧

　　 MPLS是GMPLS的基礎(chǔ)，它是定位于2.5層的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為IP層與鏈路層的交互提供了一個統(tǒng)一的操作平臺，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，能支持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層的各種協(xié)議（比如對網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)速度的技術(shù)，它的體系結(jié)構(gòu)分為兩個獨(dú)立的組件，即轉(zhuǎn)發(fā)組件（也叫數(shù)據(jù)層面）和控制組件（也叫控制層面）。轉(zhuǎn)發(fā)組件使用標(biāo)簽交換機(jī)維護(hù)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)分組攜帶的標(biāo)簽執(zhí)行數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。控制組件負(fù)責(zé)在一組互聯(lián)的交換機(jī)之間建立和維護(hù)標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)信息。

　　 MPLS的簡單工作原理是：當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)MPLS網(wǎng)絡(luò)云的入口LSR（標(biāo)簽交換機(jī)），入口LSR通過分析數(shù)據(jù)分組的信息頭來決定該分組屬于哪個FEC（轉(zhuǎn)發(fā)等價類，即FEC使一些具有某些共性的數(shù)據(jù)流集合，這些數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中被LSR以相同的方式進(jìn)行處理），然后查找LIB（標(biāo)簽信息庫），將一個與該FEC相關(guān)聯(lián)的標(biāo)簽加在數(shù)據(jù)分組前。在后繼的LSR中，不需要再查找IP分組頭，只需要根據(jù)數(shù)據(jù)分組的標(biāo)簽來查找LIB，即可決定其轉(zhuǎn)發(fā)出口，在轉(zhuǎn)發(fā)前將新的標(biāo)簽取代舊的標(biāo)簽，然后轉(zhuǎn)發(fā)到下一個LSR 。當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)出口LSR 時，出口LSR將Label從數(shù)據(jù)分組中去掉，又按照傳統(tǒng)的IP轉(zhuǎn)發(fā)方式對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。其中，所有與FEC綁定的標(biāo)簽分發(fā)和LSP的建立都是由LDP（標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議）來完成。

3 GMPLS的要害技術(shù)

　　為了能適應(yīng)未來智能光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)地提供網(wǎng)絡(luò)資源和傳送信令的要求，我們需要對傳統(tǒng)的MPLS進(jìn)行擴(kuò)展和更新。GMPLS正是MPLS向光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的產(chǎn)物，它在支持傳統(tǒng)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(xié)議、信令協(xié)議作了修改和擴(kuò)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(yīng)同時支持這兩種模型。

　　重疊模型又稱客戶—服務(wù)器模型，即光層網(wǎng)絡(luò)作為服務(wù)器，IP網(wǎng)絡(luò)層做為客戶層，兩者具有獨(dú)立的控制平面。具體地說，一個在核心光網(wǎng)絡(luò)；而另一個在客戶層，集中體現(xiàn)在用戶—網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)處，兩者之間不交換路由信息，獨(dú)立選路，具有獨(dú)立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。核心光網(wǎng)絡(luò)作為服務(wù)器，為網(wǎng)絡(luò)邊緣的客戶提供波長業(yè)務(wù)。它的優(yōu)點是光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立地發(fā)展；缺點是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(fù)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(zhuǎn)移到IP層，由IP層來實施端到端的控制。此時，光傳送網(wǎng)和IP網(wǎng)形成一個集成的網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一的控制平面維護(hù)單一的拓?fù)洌饨粨Q機(jī)和IP路由器可以自由地交換所有信息并運(yùn)行同樣的選路和信令協(xié)議，實現(xiàn)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(tài)和控制信息。

3.1 GMPLS的標(biāo)簽和標(biāo)簽交換路徑

　　 GMPLS為了能控制光網(wǎng)絡(luò)，它不僅要支持傳統(tǒng)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(xiàn)在以下幾個方面：

　　 · MPLS的標(biāo)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(xù)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(jié)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(biāo)簽

　　為了支持電路交換（主要是SDH）和光交換（包括LSC和FSC），GMPLS設(shè)計了專用的標(biāo)簽格式，標(biāo)簽應(yīng)該支持對光纖、波帶、波長甚至?xí)r隙的標(biāo)識。以CR-LDP的TLV格式為例，其標(biāo)簽項中應(yīng)包含LPT、LSP-ENC、G-PID和鏈路標(biāo)識4個字段。其中，LPT字段是指鏈路保護(hù)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(biāo)識，表示LSP運(yùn)載的凈荷類型，使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)凈荷類型，由入節(jié)點設(shè)置，供出節(jié)點使用，中間節(jié)點僅進(jìn)行透明傳送。鏈路標(biāo)識字段標(biāo)識收到標(biāo)簽請求的鏈路，僅在鄰接的節(jié)點間具有本地效力。標(biāo)簽的長度和格式根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境也會不同。比如在波長標(biāo)簽交換應(yīng)用中，端口/波長標(biāo)簽為32bit，表示使用的光纖或端口或波長，與傳統(tǒng)標(biāo)簽不同的是沒有實驗比特、標(biāo)簽棧底和TTL等域，但它與傳統(tǒng)標(biāo)簽一樣，僅在鄰接節(jié)點間具有本地效力。標(biāo)簽值可以通過人工指配或由協(xié)議動態(tài)決定。

3.1.2 GMPLS的層次化標(biāo)簽交換路徑

　　為了支持光網(wǎng)絡(luò)，GMPLS需要引入新的概念——層次化標(biāo)簽交換路徑。層次化的含義是針對LSP的復(fù)用能力而言的，復(fù)用能力越強(qiáng)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(guān)系。LSP1在最低層，它的始端和終端設(shè)備是具有分組交換能力的網(wǎng)絡(luò)接口（主要的設(shè)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(shè)備是具有時隙交換能力的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備（光交叉連接設(shè)備，OXC）在具有波長交換能力的網(wǎng)絡(luò)中；LSP4在具有光纖交換能力的網(wǎng)絡(luò)中，處于最高層。

　　 LSP（標(biāo)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(jié)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(wǎng)絡(luò)100Mbit/s的LSP都需要一個單獨(dú)的、非常大的離散值帶寬（例如2Gbit/s）。采用了分層結(jié)構(gòu)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?shù)木€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(kuò)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(fā)端向收端發(fā)送的請求信息，主要包含對業(yè)務(wù)流描述和分類的參數(shù)。另一種是RESV信息，它包含描述接收端預(yù)留的資源參數(shù)。為了支持MPLS，需要在RESV信息中加入標(biāo)簽對象，它的簡單工作原理是：當(dāng)一個LSR要為一個RSVP流發(fā)送RESV信息時，它會產(chǎn)生一個新的標(biāo)簽，將它寫入轉(zhuǎn)發(fā)表的入標(biāo)簽欄和要發(fā)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(biāo)簽寫入轉(zhuǎn)發(fā)表的出標(biāo)簽欄，同時產(chǎn)生一個新的標(biāo)簽，并把它寫入轉(zhuǎn)發(fā)表的入標(biāo)簽欄和要發(fā)送的RSVP信息中，然后此信息被傳送到上游鄰近的LSR。當(dāng)RESV信息到達(dá)發(fā)端時，一條保證QoS的LSP就建立了。

　　如圖2所示，層次化LSP的建立過程如下：

　　（1）一個關(guān)于要建立LSP1的路徑請求報文（Path1）在R0產(chǎn)生，此報文被轉(zhuǎn)發(fā)至R1（一個分組交換網(wǎng)的邊緣節(jié)點）。

　　（2）R1收到此報文后，就會觸發(fā)要建立LSP2（R1到R7）的路徑請求報文（Path2）產(chǎn)生，此報文被轉(zhuǎn)發(fā)至S2，這種過程一直持續(xù)到LSP4的路徑請求報文（Path4）產(chǎn)生。

　　（3）Path4到達(dá)O5時，O5會沿原路回送Resv信息，當(dāng)Resv信息到達(dá)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(zhuǎn)發(fā)到S6，S6沿原路徑向S2發(fā)出標(biāo)簽映射消息，LSP3隨后被建立。此過程一直重復(fù)到LSP1被成功建立。

3.2 路由與尋址

　　 GMPLS將網(wǎng)絡(luò)劃分為兩個層次：分組交換層（PSC）和非分組交換層。非分組交換層還可以細(xì)分，非凡是當(dāng)TDM與光交換由不同設(shè)備完成時，進(jìn)一步細(xì)分是非常必要的。例如，圖1中有4個網(wǎng)絡(luò)云分別是：PSC Cloud（分組交換網(wǎng)絡(luò)云）、TDM Cloud（時分交換網(wǎng)絡(luò)云）、LSC Cloud（波長交換網(wǎng)絡(luò)云）和FSC Cloud（光纖交換網(wǎng)絡(luò)云），4個網(wǎng)絡(luò)云可以被看成4個的自治系統(tǒng)。每個自治系統(tǒng)又可以分成多個路由域，每個路由域可以運(yùn)行不同的內(nèi)部路由協(xié)議（GMPLS定義了兩種擴(kuò)展的IGP協(xié)議：OSPF-TE和ISIS-TE）。每一個非分組交換層可以自成為一個AS（自治系統(tǒng)），各自治系統(tǒng)間的路由信息交換可由邊緣路由器上運(yùn)行域間路由協(xié)議來實現(xiàn)（如BGP4）。

　　在傳統(tǒng)的路由網(wǎng)絡(luò)中，兩個IGP的鄰居之間必須用物理鏈路直接相連，否則二者不能成為鄰居。GMPLS重新定義鏈路概念，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)有權(quán)將部分LSP作為鏈路，并在路由域內(nèi)進(jìn)行通告。為此，GMPLS還設(shè)計了一個復(fù)雜的鏈路治理協(xié)議（LMP），它是GMPLS體系中一個非常重要的組成部分。

　　 GMPLS規(guī)定了兩種尋址方式：顯式路由和逐跳路由。顯式路由類似于源路由技術(shù)，在入口處指定路徑中的每個節(jié)點；而逐跳路由則是由中間的每個節(jié)點自行決定下一個出口節(jié)點。很顯然，逐跳路由模式要求中間的每個節(jié)點擁有全路由，它對設(shè)備路由處理能力的要求是非常高的。所以為了降低對傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求，GMPLS指定顯式路由（包括寬松型和嚴(yán)格型）作為設(shè)備必須具備的能力，將逐跳路由作為可選能力。

3.3 鏈路的綁定和無編號鏈路

　　隨著新的業(yè)務(wù)不斷增多，未來網(wǎng)絡(luò)的兩個交換設(shè)備之間可能有上百條光纖，每條光纖上又有上百條波長通路。為每一條光纖、每一條波長通路和每一條時隙通路都分配一個IP地址是不可能的，因為這樣會大大減少IP地址空間和加重治理負(fù)擔(dān)。為了解決這個問題，GMPLS采用了兩種機(jī)制，即鏈路綁定和無編號鏈路。鏈路綁定的具體做法是提取并行鏈路的一些共性，并將這些共性作為一條綁定鏈路的屬性，它的好處是大大減少了鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的大小，降低了維護(hù)開銷；無編號鏈路是為了減少IP地址的使用而提出的，具體做法是用一個二元組［Router ID，Link Number］來表示鏈路的地址。其中，鏈路號的通告需要擴(kuò)展相應(yīng)的路由協(xié)議。

3.4 GMPLS的信令

　　為了適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)，GMPLS在繼續(xù)MPLS信令的基礎(chǔ)上，對原有的協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展。這些更新和擴(kuò)展主要包括：

　　（1）與MPLS-TE的信令過程相同，GMPLS的LSP建立過程也是由上游節(jié)點向目的端發(fā)出“標(biāo)簽請求消息”和目的端返回“標(biāo)簽映射消息”。所不同的是，“標(biāo)記請求消息”中需要增加對所要建立的LSP的說明，包括LSP類型（PSC/TDM/LSC/ FSC）、載荷類型和鏈路保護(hù)方式等。

　　（2）為了達(dá)到優(yōu)化的目的，上游節(jié)點可以向下游節(jié)點推薦建議標(biāo)簽（下游可以不采納建議標(biāo)簽）。建議標(biāo)簽可以大大減少在收發(fā)端建立雙向LSP的時間，減少信息傳輸?shù)难舆t時間。

　　（3）支持雙向LSP是GMPLS信令的一個重要特征。雙向LSP在每一方向上都有相同的流量工程要求，包括生存期、鏈路的保護(hù)與恢復(fù)、資源要求（如時延和抖動）。雙向LSP的上行數(shù)據(jù)通路和下行數(shù)據(jù)通路采用統(tǒng)一信令消息，這樣可以減少LSP的建立時間和網(wǎng)絡(luò)上傳輸建立LSP的信令開銷。雙向LSP的兩個端點都有權(quán)發(fā)起LSP的建立過程，假如雙方被分配同一資源（如端口號），就會發(fā)生標(biāo)簽競爭，如何處理這一沖突，GMPLS建議采用比較雙方Node ID大小的方式，較高的ID號的請求輕易滿足。

　　（4）為了快速處理故障，GMPLS采用了故障通告的機(jī)制，故障通告的機(jī)制采用通告消息來通告故障的鄰近節(jié)點處理故障，這樣就可以防止一些中間節(jié)點處理這些通告消息，避免故障點的狀態(tài)被改變。通告消息已經(jīng)被加入到RSVP-TE中，它不會替換RSVP中已存在的錯誤通告信息。

3.5 鏈路治理

　　 GMPLS定義專門的鏈路治理協(xié)議（LMP）來治理兩節(jié)點間的鏈路，其內(nèi)容包括控制信道治理、鏈路屬性關(guān)聯(lián)、鏈路連接性驗證和故障隔離/定位。其中后兩項為可選項。

3.5.1 控制信道治理

　　控制信道是實現(xiàn)兩相鄰節(jié)點控制平面功能（如信令、路由和治理信息）的重要基礎(chǔ)。為了保證控制信道的可靠性，GMPLS建立了專門的雙向控制信道（與數(shù)據(jù)信道相隔離）來處理兩節(jié)點間眾多的獨(dú)立或綁定的鏈路。

　　控制信道配置好后，就開始使用一個“Hello”協(xié)議來建立和維護(hù)兩節(jié)點之間的連接。“Hello”協(xié)議分為協(xié)商階段和保持階段，協(xié)商階段可以對一些基本參數(shù)進(jìn)行協(xié)商；保持階段進(jìn)行“Hello”信息的傳遞。GMPLS通過控制信道接口來治理和配置控制信道（每個控制信道接口可以包含多個控制信道），完成使用哪一個控制信道來傳輸信息。控制信道可以采用顯式配置，也可以采用自動配置。

3.5.2 鏈路屬性關(guān)聯(lián)

　　交換鏈路屬性可以動態(tài)改變鏈路的特性，增加鏈路、改變鏈路保護(hù)機(jī)制、改變端口標(biāo)識符等。

3.5.3 鏈路連通性的驗證

　　鏈路連通性驗證是一個可選的規(guī)程，在“Hello”協(xié)議協(xié)商階段會商討是否啟用此規(guī)程。鏈路連通性驗證規(guī)程主要用于驗證數(shù)據(jù)鏈路的連通性，也可以在RSVP-TE和CR-LDP信令中用來交換鏈路的標(biāo)識。驗證數(shù)據(jù)鏈路的連通性可以通過發(fā)送Ping類的測試消息逐一驗證，測試信息是通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)摹?

3.5.4 故障隔離/定位

　　故障定位對于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營非常重要。快速的故障定位是實現(xiàn)快速自愈和快速人為響應(yīng)的前提。

　　故障隔離/定位也是在“Hello”協(xié)議協(xié)商階段決定是否啟用此規(guī)程，故障定位分為兩個階段：故障檢測和故障通告。對于光網(wǎng)絡(luò)而言，故障檢測應(yīng)在光層完成，這里距故障點最近。假如數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障，所有下游節(jié)點的電源治理系統(tǒng)就會探測到光信號的丟失，并指示故障的發(fā)生。下游節(jié)點立即向它的上游相鄰節(jié)點發(fā)送一個信道故障告警信號，上游節(jié)點收到此告警信號后馬上檢測該LSP相應(yīng)的輸入和輸出端口是否有故障，再向下游節(jié)點返回一個信息，從而對故障點進(jìn)行具體的定位。

4 結(jié)束語

　　通過上面的討論，我認(rèn)為MPLS擴(kuò)展到GMPLS，將會對未來的交換構(gòu)架和控制起到重要作用。基于GMPLS的統(tǒng)一控制平面會增加網(wǎng)絡(luò)的智能性，使得相互連接的網(wǎng)絡(luò)單元更好地工作。所有的網(wǎng)絡(luò)單元在GMPLS的控制下，對等地協(xié)同工作，動態(tài)地建立跨越不同類型網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽交換路徑，從而節(jié)省高昂的網(wǎng)管維護(hù)費(fèi)用，為在短時間內(nèi)供給高帶寬和新的增值服務(wù)提供了保障。當(dāng)然，使GMPLS真正成為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一控制平面所要走的路還很長，有很多信令和路由協(xié)議有待于不斷地修改和完善，以適應(yīng)不同技術(shù)的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］ Lang J P，ｅｔａｌ . Link Management PRotocol，Internet draft . Mar 2001

［2］ Kompella K, ｅｔａｌ . LSP Hierarchy with MPLS TE，Internet draft . Mar 2001

［3］ Ashwood-Smith P . ｅｔａｌ . Generalized MPLS - Signaling Functional Description， Internet draft . Apr 2001

［4］ Banerjee A，ｅｔａｌ . Generalized multiprotocol label switching: an overview of routing and management enhan- 　　 cements . IEEE Commun Mag，Jan 2001

［5］ Banerjee A，ｅｔａｌ . Generalized multiprotocol label switching: an overview of signaling enhancements and re- 　　 covery techniques . IEEE Commun Mag，July 2001

上一篇：在MPLS上做文章

下一篇：電信級MPLS VPN的關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)