GMPLS與自動交換光網絡

2019-11-04 11:01:34

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供稿：網友

　　周田華，張德琨

桂林電子工業學院通信與信息工程系

　　摘要 GMPLS（通用多協議標簽交換）是MPLS技術向光網絡發展的產物。它有效地實現了ip和WDM光網絡的無縫融合，很好的滿足了自動交換光網絡控制面的需要。本文主要研究了GMPLS的接口類型、通用標簽的特點以及GMPLS在ASON中的應用。

一、什么是GMPLS？

　　 GMPLS（通用多協議標簽交換）是IETF提出的可用于光層的一種通用多協議標簽交換技術，為了實現IP與WDM的無縫結合，GMPLS對MPLS標簽進行了擴展，使得標簽不但可以用來標記傳統的數據包，還可以標記TDM時隙、波長、波長組、光纖等；為了充分利用WDM光網絡的資源，滿足未來一些新業務的開展（如VPN、光波長租用等），實現光網絡的智能化，GMPLS還對信令和路由協議進行了修改和補充；為了解決光網絡中各種鏈路的治理問題，GMPLS設計了一個全新的鏈路治理協議LMP；為了保障光網絡運營的可靠，GMPLS還對光網絡的保護和恢復機制進行了改進。

二、 GMPLS技術

1、接口類型

　　 MPLS通過在IP包頭添加32bit的"shim"標簽，可使原來面向無連接的IP傳輸具有了面向連接的特性，極大加快了IP包的轉發速度。GMPLS則對標簽進行了更大的擴展，將TDM時隙、光波長、光纖等也用標簽進行統一標記，使得GMPLS不但可以支持IP數據包和ATM信元，而且可以支持面向話音的TDM網絡和提供大容量傳輸帶寬的WDM光網絡，從而實現了IP數據交換、TDM電路交換（主要是SDH）和WDM光交換的歸一化標記。

GMPLS定義了五種接口類型來實現以上的歸一化標記，分別是：

　　 (1)分組交換接口PSC（Packet Switch Capable）：進行分組交換。通過識別分組邊界，根據分組頭部的信息轉發分組。例如MPLS的標簽交換路由器LSR基于"shim"標簽轉發數據；

　　 (2)第二層交換接口L2SC（Layer2 Switch Capable）：進行信元交換。通過識別信元的邊界，根據信元頭部的信息轉發信元。例如ATM LSR則基于ATM的VPI/VCI轉發信元；

　　 (3)時隙交換接口TDMC（Time Division Multiplexing Capable）：根據TDM時隙進行業務轉發。典型如SDH的DXC設備的電接口，可根據時隙交換SDH幀；

　　 (4)波長交換接口LSC（Lambda Switch Capable）：根據承載業務的光波長或光波段轉發業務。例如OXC設備是一種基于光波長級別的設備，可以基于光波長作出轉發決定。更進一步還可以基于光波段作出轉發決定。光波段交換是光波長交換的進一步擴展，它將一系列連續的光波長當作一個交換單元。使用光波段交換可以有效減少單波長交換所帶來的波形失真，減少設備的光開關數量，還可以使光波長之間的間隔減?。?

　　 (5)光纖交換接口FSC（Fiber Switch Capable）：根據業務（光纖）在物理空間中的實際位置對其轉發。例如OXC設備可對一根或多根光纖進行連接操作。

以上GMPLS五種接口類型的關系如圖1所示。

GMPLS與自動交換光網絡（圖一）

圖1 GMPLS接口關系

2、GMPLS標簽

　　與以上接口相對應，GMPLS定義了分組交換標簽（對應PSC和L2SC）、電路交換標簽（對應TDMC）和光交換標簽（對應LSC和FSC）。其中，分組交換標簽與傳統MPLS標簽相同，本文不再描述。而電路交換標簽和光交換標簽為GMPLS新定義，包括請求標簽、通用標簽、建議標簽以及設定標簽。

(1)請求標簽

請求標簽用于LSP路徑的建立，由LSP上游節點發出，向下游節點申請建立LSP的資源。與MPLS相同，GMPLS的LSP建立過程也是由上游節點向目的端發出"標記請求消息"、目的端返回"標簽影射消息"。所不同的是，"標簽請求消息"中需要增加對所要建立的LSP的說明，包括LSP類型（PSC、TDMC等）、載荷類型等。其格式如圖2所示。

GMPLS與自動交換光網絡（圖二）

圖2 GMPLS請求標簽

　　 LSP Enc. Type：其數值用來指示LSP類型。例如，當LSP=1時，表示LSP是分組傳輸，而LSP=5時，表示是SDH，而LSP=9，則對應光纖；

Reserved：保留。必須設為全"0"，接收時忽略其數值；

G-PID：16 bits，用于指示LSP承載的載荷類型。例如，G-PID＝14，表示是字節同步映射的SDH E1載荷；G-PID＝17，表示比特同步映射的SDH DS1/T1載荷；G-PID＝32，表示數字包封幀。

(2)通用標簽

通用標簽是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP傳輸的業務的情況。通用標簽的格式與傳輸所用的具體技術有關，電路交換和光交換所用的標簽不同。SDH電路交換標簽格式如圖3所示。

GMPLS與自動交換光網絡（圖三）

圖3 SDH電路交換標簽

　　其中：S用于指示SDH/SONET的信號速率等級。S＝N即表示STM-N/STS-N信號；U用于指示在一個STM-1中的某個特定虛容器VC。U只對SDH有效，對于SONET，U的數值應忽略。U＝1指示一個VC-4，U=2~4都表示VC-3；K參數與U一樣，也僅對SDH有效。K參數用于表示一個VC-4的特定分支，K=1表示VC-4中只有一個C-4容器，K=2~4表示VC-4包含TUG-3；L用于指示TUG-3、VC-3或STS-1 SPE的是否還有分支。L=1表示TUG-3/VC-3/STS-1 SPE無法再分。L=2~8表示在相應高階信號中的某個特定的TUG-2/VT組。M用于指示TUG-2/VT的分支。M=1表示TUG-2/VT不能再分，只包含一個VC-2/VT-6。M=2~3表示相應高階VT組中的某個特定的VT-3。M=4~6表示相應高階TUG-2/VT組中的某個特定的VC-12/VT-2，而M=7~10表示相應高階TUG-2/VT組中的某個特定的VC-11/VT-1.5。M=0則表示VC-4, VC-3 or STS-1 SPE。例如，S>0，U=1，K=1，L=0，M=0表示STM-1的VC-4。

　　對于OXC設備來說，一次交換一組連續的光波長可以有效地減少單個光波長的波形失真，提高業務的傳輸質量。這種光波長組的交換可用光波段交換標簽來表示，其標簽格式如圖4所示。

GMPLS與自動交換光網絡（圖四）

圖4 光波段交換標簽

Waveband Id：用于識別某個光波段，其數值由發送端OXC設備設定；

Start Label：用于表示組成光波段的最短光波長的數值；

End Label：用于表示組成光波段的最長光波長的數值；

(3)建議標簽

　　傳統MPLS配置LSP是沿反方向進行的，上游節點必須等待下游節點的反饋標簽來確定LSP的具體路徑。這種反向配置LSP的方式不適于光鏈路，因為OXC設備需要通過光開關的切換來改變光連接，反向配置會造成很大時延。因此，GMPLS引入建議標簽來快速建立光連接。

　　建議標簽由預備建立LSP通道的上游節點發出，告知下游節點建立這個LSP通道所希望的標簽類型。這就可以讓上游節點無需獲得下游節點的反饋映射標簽確認，而先對硬件設備進行配置，從而大大減少建立LSP通道所需的時間，同時也減少了LSP建立的控制開銷。例如，OXC設備中使用光開關進行光波長交換，由于光開關的切換需要一定時間，可通過建議標簽讓光開關提前動作而不必等待反饋信息。這種提前配置LSP的方式對那些需要快速建立LSP的設備尤其重要，例如在光網絡保護時，假如一條保護LSP通道不能及時建立，就會導致光網絡出現嚴重故障。

當然，既然是一種建議標簽，LSP通道的能否最終建立還需由下游節點反饋的"標簽影射消息"確定。假如下游節點發現本節點的可用資源可以滿足建議標簽的請求，則LSP可按上游節點的要求建立起來。反之，只要下游節點反饋回不同于建議標簽信息的"標簽影射消息"，則上游節點必須根據該"標簽影射消息"的內容重新配置LSP通道，這樣反而造成需要更多的時間建立LSP。不過，由于GMPLS可以采用在節點之間定時分發標簽的方式，讓網絡上的每個節點都能實時地知道全網拓撲資源的使用情況，從而讓每個欲建立LSP通道的上游節點對下游節點的資源使用情況了然于胸，從而在分發建議標簽時做到有的放矢。因此，利用建議標簽提前建立LSP通道的方式是完全可行的，且建議標簽可采用與請求標簽類似的格式。

(4)設定標簽

　　設定標簽用于限制下游節點選擇標簽的范圍，這在光網絡中非常重要。首先，某種類型的光設備只能傳輸和接收某一波段范圍內的光波長，例如某個光端機只能接收C波段光波長，而另一個則能在C+L波段中接收光波長；其次，有些接口沒有波長轉換能力，要求在幾段鏈路上甚至整條LSP上只能使用相同的波長；第三，為了減少波長轉換時對信號波形的影響，設備一次只能處理有限個光波長；第四，一條鏈路兩端的設備支持的光波長的數目和范圍都不盡相同。

　　設定標簽可以和請求標簽同時發出，它可以將建立某個LSP所需的標簽類型限制一定范圍內，下游節點根據設定標簽中的信息有選擇地接收標簽，否則下游節點就必須接收所有符合要求的標簽，從而造成LSP建立時間大大增加。設定標簽的格式如圖5所示。

GMPLS與自動交換光網絡（圖五）

圖5 GMPLS設定標簽

Reserved：保留字節；

Label Type：希望下游節點接收的通用標簽的類別；

Action："0"表示希望接收以下子通道定義的標簽；"1"不希望接收以下子通道定義的標簽；

Subchannel：子通道標簽的類型。子通道標簽的格式與通用標簽的格式相同，本處不再復述。

三、GMPLS在ASON控制平面中的應用

1.控制平面功能

　　 GMPLS在ASON中的應用主要集中在ASON控制平面，而控制面的最基本的功能包括：

·資源發現功能：提供一種能自動發現網絡中可使用資源的能力；

·路由控制功能：提供路由能力、拓撲發現能力和流量工程能力；

·連接治理功能：利用前面所提到的功能來為不同業務提供端到端連接服務的能力。

　　連接治理可分為連接的建立、刪除、修改和查詢等幾種不同的操作。連接建立操作答應用戶通過UNI建立一條端到端的連接，即LSP；連接刪除操作答應用戶刪除不再需要的LSP；連接修改操作答應用戶改變現有LSP的屬性，可以在不影響現有LSP正常運行的情況下對LSP中不適合的屬性值進行改動；連接查詢操作答應用戶獲得LSP的屬性值。

　　此外由于光網絡對生存性有著越來越高的要求，所以還要求控制平面具備良好的連接保護與恢復功能。

2.控制平面服務

　　控制面的引入使得光網絡在多廠商環境下可以提供傳統網絡難以提供的服務。這些服務包括端到端連接的提供、自動流量工程、網狀網的保護與恢復和光虛擬專用網（OVPN）等。

　　端到端的連接是控制平面所能提供的一項最基本的服務?？刂泼娴囊胧沟貌僮魅藛T所要做的只是確定連接所需的參數，并通過圖形用戶接口（GUI）方式或命令行的方式把這些參數傳到輸入節點中去，輸入節點在接到用戶傳遞過來的連接參數后，就能自動決定整條通路的路徑并利用信令自動建立起一條端到端的通路，從而大幅度地縮短連接建立所需時間。此外用戶還能夠通過UNI接口向光網絡提出建立實時性連接的請求，這就是按需帶寬請求（bandwidth on demand）服務。這種按需帶寬請求的能力尤其適用于具備業務突發性特點的IP網絡。除了上述這些服務外，OVPN也是一種給用戶以極大靈活性的服務，它的出現使用戶可以全權治理屬于自己的那部分網絡。但OVPN實質上是一個邏輯網絡，它的引入一方面使用戶可以治理自己的網絡，另外一方面也向用戶屏蔽掉了網絡的實際情況。這就在大大降低運營商運營治理的復雜程度的同時又兼顧了安全性方面的需要。OVPN無疑將是未來很有前途的一種服務。

3.控制平面協議

　　為完成ASON控制平面的上述功能，我們必須使用一系列的公共協議。在這些公共協議中，GMPLS占據了非常重要的位置。GMPLS從功能平面對MPLS進行了擴展以便能支持基于非分組交換接口的通信系統。GMPLS首先定義了前面描述的幾種通用標記，使用這些通用標記可以在非分組交換的LSR之間建立起LSP。這些非分組交換的LSR可以是SDH／SONET的ADM，也可以是數字交叉連接器，還可以是密集波分復用系統，或者是光交叉連接器。這些通用標記對象包括通用標記請求、通用標記、顯式標記控制和保護標記。通用標記可以用來表示時隙、波長、波長頻帶和空分復用位置。此外GMPLS還為實現非分組交換的LSP定義了新的功能，包括上游建議標記、標記組以及雙向LSP的建立。這些功能是MPLS所不具備的。雙向LSP的建立有助于縮短連接的建立時間和在出現故障時加速保護與恢復的實現。雙向LSP對于電路交換類型的網絡尤其重要。

4.信令協議

　　信令協議也是ASON控制平面中的一個重要問題。它主要是被用來完成連接操作任務的。具體來說，它要完成LSP的建立、刪除、修改和查詢等。當前存在兩種廣泛使用的信令協議，一種是基于受限路由的標記分發協議CR－LDP；另一種是基于流量工程擴展的資源預留協議RSVP－TE。這兩種協議都能承載GMPLS協議中定義的所有對象，但由于這兩種協議存在多方面的差異，所以在具體實現方面還有諸多不同。IETF設有兩個不同的工作小組來具體進行這兩個方面的工作。

5.路由協議的流量工程擴展

控制平面中不僅包含信令功能，還包括諸如路由和自動拓撲發現等功能，因此除了信令協議之外還需要其它的協議來完成ASON控制平面中的其它功能。我們知道路由協議主要起著傳遞信令消息和拓撲資源消息的作用，但傳統路由協議的一個很大不足就是它本身不支持流量工程。流量工程這個概念對于分組交換網絡和電路交換網絡具有不同的含義。一般來說，流量工程的總目標是要達到網絡資源及其使用最大化的目的。對分組交換網絡而言，這個目標就具體化為使丟包率和時延最小而輸出最大；對電路交換網絡而言，流量工程目標就具體化為使資源利用率和通道可靠性最高。

　　這里主要考慮電路交換網絡的流量工程，這樣其目標就轉化為在用戶請求的基礎上對最優通道的實時性選擇。這里流量工程的參數具體包括鏈路復用能力、最大與最小帶寬能力、共享風險鏈路組支持能力、保護支持能力以及流量工程矩陣等。

　具備流量工程能力的路由協議和傳統路由協議之間的主要差別在于，前者在網絡中會周期性地發送一種可選包，這種可選包內含有可用資源消息和流量工程參數信息。當網絡中的網元接收到這種可選包后，應該能使用這種包中所攜帶的信息來進行最佳路由計算。

　　因此，可以得出這樣的結論：那種具備流量工程能力的路由協議應該支持資源發現、拓撲發現和流量工程能力本身。與信令協議情況類似，當前也存在著兩種廣泛使用的經過擴展的路由協議，這就是支持流量工程的IS-IS協議和開放式最短路徑優先協議（OSPF）。同樣，在IETF也設有兩個不同的小組來進行這方面的標準化工作。

6.鏈路治理協議

　　為了在網元之間能進行對表征交叉連接的GMPLS標記的正確通信，需要在網元之間標識出正確的連接端口。這種功能是通過鏈路治理協議（LMP）來完成的。LMP除了完成網絡之間正確連接的確認之外，還具備鏈路綁定、資源信息發現與上報等功能。這些功能有助于網絡可擴展性和規模性的實現。LMP適用于任何類型的網絡，尤其是光網絡。

四、小結

　　控制面的引入使光網絡產生了巨大的變化，而GMPLS則成了實現ASON網絡控制面的最佳核心協議。它不僅提供了一種多層次的、多廠商的控制平面的互操作，還使得新類型服務成為可能。并且，由于GMPLS和ASON控制平面的出現，運營商不必再在鏈路治理方面花費巨大的人力和物力。ASON控制平面還支持網絡的自動流量工程、網絡自動拓撲發現和自動業務發現等。除此之外，ASON控制平面在GMPLS的支持下還能支持多種保護與恢復方案?？偟目磥鞧MPLS和ASON控制平面的出現是光網絡中劃時代的革命性進展。

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