GMPLS的關鍵技術

2019-11-04 11:01:27

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供稿：網友

　　王斌　丁煒
北京郵電大學寬帶通信網實驗室

　　摘要 GMPLS是MPLS向光網絡擴展的產物，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。

　　如圖2所示，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。

3.2 路由與尋址

　　 GMPLS將網絡劃分為兩個層次：分組交換層（PSC）和非分組交換層。非分組交換層還可以細分，非凡是當TDM與光交換由不同設備完成時，進一步細分是非常必要的。例如，圖1中有4個網絡云分別是：PSC Cloud（分組交換網絡云）、TDM Cloud（時分交換網絡云）、LSC Cloud（波長交換網絡云）和FSC Cloud（光纖交換網絡云），4個網絡云可以被看成4個的自治系統。每個自治系統又可以分成多個路由域，每個路由域可以運行不同的內部路由協議（GMPLS定義了兩種擴展的IGP協議：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），各自治系統間的路由信息交換可由邊緣路由器上運行域間路由協議來實現（如BGP4）。

　　在傳統的路由網絡中，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，規定網絡有權將部分LSP作為鏈路，并在路由域內進行通告。為此，GMPLS還設計了一個復雜的鏈路治理協議（LMP），它是GMPLS體系中一個非常重要的組成部分。

　　 GMPLS規定了兩種尋址方式：顯式路由和逐跳路由。顯式路由類似于源路由技術，在入口處指定路徑中的每個節點；而逐跳路由則是由中間的每個節點自行決定下一個出口節點。很顯然，逐跳路由模式要求中間的每個節點擁有全路由，它對設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絡設備的要求，GMPLS指定顯式路由（包括寬松型和嚴格型）作為設備必須具備的能力，將逐跳路由作為可選能力。

3.3 鏈路的綁定和無編號鏈路

　　隨著新的業務不斷增多，未來網絡的兩個交換設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擔。為了解決這個問題，GMPLS采用了兩種機制，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數據庫的大小，降低了維護開銷；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展相應的路由協議。

3.4 GMPLS的信令

　　為了適應光網絡，GMPLS在繼續MPLS信令的基礎上，對原有的協議進行了擴展。這些更新和擴展主要包括：

　　（1）與MPLS-TE的信令過程相同，GMPLS的LSP建立過程也是由上游節點向目的端發出“標簽請求消息”和目的端返回“標簽映射消息”。所不同的是，“標記請求消息”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方式等。

　　（2）為了達到優化的目的，上游節點可以向下游節點推薦建議標簽（下游可以不采納建議標簽）。建議標簽可以大大減少在收發端建立雙向LSP的時間，減少信息傳輸的延遲時間。

　　（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、鏈路的保護與恢復、資源要求（如時延和抖動）。雙向LSP的上行數據通路和下行數據通路采用統一信令消息，這樣可以減少LSP的建立時間和網絡上傳輸建立LSP的信令開銷。雙向LSP的兩個端點都有權發起LSP的建立過程，假如雙方被分配同一資源（如端口號），就會發生標簽競爭，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制，故障通告的機制采用通告消息來通告故障的鄰近節點處理故障，這樣就可以防止一些中間節點處理這些通告消息，避免故障點的狀態被改變。通告消息已經被加入到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議（LMP）來治理兩節點間的鏈路，其內容包括控制信道治理、鏈路屬性關聯、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

　　控制信道是實現兩相鄰節點控制平面功能（如信令、路由和治理信息）的重要基礎。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（與數據信道相隔離）來處理兩節點間眾多的獨立或綁定的鏈路。

　　控制信道配置好后，就開始使用一個“Hello”協議來建立和維護兩節點之間的連接。“Hello”協議分為協商階段和保持階段，協商階段可以對一些基本參數進行協商；保持階段進行“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 鏈路屬性關聯

　　交換鏈路屬性可以動態改變鏈路的特性，增加鏈路、改變鏈路保護機制、改變端口標識符等。

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程，在“Hello”協議協商階段會商討是否啟用此規程。鏈路連通性驗證規程主要用于驗證數據鏈路的連通性，也可以在RSVP-TE和CR-LDP信令中用來交換鏈路的標識。驗證數據鏈路的連通性可以通過發送Ping類的測試消息逐一驗證，測試信息是通過數據鏈路傳輸的。

3.5.4 故障隔離/定位

　　故障定位對于網絡運營非常重要。快速的故障定位是實現快速自愈和快速人為響應的前提。

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

4 結束語

　　通過上面的討論，我認為MPLS擴展到GMPLS，將會對未來的交換構架和控制起到重要作用。基于GMPLS的統一控制平面會增加網絡的智能性，使得相互連接的網絡單元更好地工作。所有的網絡單元在GMPLS的控制下，對等地協同工作，動態地建立跨越不同類型網絡的標簽交換路徑，從而節省高昂的網管維護費用，為在短時間內供給高帶寬和新的增值服務提供了保障。當然，使GMPLS真正成為互聯網的統一控制平面所要走的路還很長，有很多信令和路由協議有待于不斷地修改和完善，以適應不同技術的要求。

參考文獻

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