基于GMPLS的IP over WDM

2019-11-03 09:09:00

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供稿：网友

曾智龙
中国电子科技集团公司第三十四研究所

　　摘要 GMPLS（通用多协议标记交换)是MPLS技术向光网络发展的产物。它有效地实现了ip和WDM光网络的无缝结合，是IP over WDM发展的一种趋势。本文主要介绍了GMPLS通用标记的特点及实现形式，LSP（标记交换路径）技术，以及链路管理协议LMP的特点及实现方法。

　　关键词 GMPLS LSP LMP

　　随着互联网技术的迅速发展，数据业务逐渐成为网络的主流。而传统IP over ATM over SDH over DWDM的结构方式却日益成为制约数据业务快速发展的障碍，迫切需要开发新技术来解决这一问题。

　　MPLS（多协议标记交换）已被证明是一种非常适合于在电网络中传输数据业务的技术。MPLS采用流量工程技术，可以满足业务对服务质量的要求，而受限路由技术和快速重选路由则可实现快速保护和恢复。所以，使用MPLS技术完全可使未来的传输网络跨过ATM和SDH两层，直接实现IP over WDM。显然，这种IP via MPLS over WDM的网络将是一个操作更简单、最适合数据业务传输的网络。

　　然而，MPLS毕竟是一种处于网络层和链路层之间的技术，要让MPLS跨过链路层而直接作用于WDM光层，就必须对其进行修改和补充。在此情况下，标准化组织IETF适时地推出了可用于光层的通用多协议标记交换（GMPLS，Generalized MultiPRotocol Label Switching）技术。

　　为了适应IP over WDM的需要，GMPLS对MPLS标记进行了扩展，使其可对分组、时隙、波长、波长组、光纤等进行统一标记；为了充分利用WDM光网络的资源，GMPLS对LSP（Label Switched Path，标记交换路径）进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议（LMP，Link Management Protocol）。下面就对GMPLS的这些特点加以说明。

1 通用标记

　　传统的MPLS通过在IP分组头添加32bit的“shim”标记，可使原来面向无连接的IP传输具有了面向连接的特性。GMPLS则对标记进行了更大的扩展，将TDM时隙、波长、光纤等也用标记进行统一标记，使得GMPLS不但可以支持分组和ATM信元，而且可支持TDM电网络和WDM光网络。GMPLS定义了五种接口类型来实现各类业务的统一，分别是：分组交换接口（PSC，Packet Switch Capable）、第二层交换接口（L2SC，Layer2 Switch Capable）、时隙交换接口（TDMC，Time Division Multiplexing Capable）、波长交换接口（LSC，Lambda Switch Capable）、光纤交换接口（FSC，Fiber Switch Capable）。

　　与这五种接口相对应，GMPLS定义了分组交换标记（对应PSC和L2SC）、电路交换标记（对应TDMC）和光交换标记（对应LSC和FSC）。其中，分组交换标记与传统MPLS标记相同，本文不再复述。而电路交换标记和光交换标记为GMPLS新定义，包括请求标记、通用标记、建议标记以及设定标记。

1.1 请求标记

　　请求标记用于LSP路径的建立，由LSP上游节点发出，向下游节点申请建立LSP的资源。申请时，请求标记应包含对所要建立的LSP的说明，包括LSP类型（PSC、TDMC等）、载荷类型等。请求标记格式如图1所示。

　　LSP Enc. Type用于表示LSP的类型。例如，当LSP=1时，表示分组传输，而LSP=5，则表示SDH。Reserved是保留字节，接收时忽略。G-PID指示LSP承载的载荷类型。例如，当G-PID=14时，表示是字节同步映射的SDH E1载荷；G-PID=17，表示比特同步映射的SDH DS1/T1载荷。

1.2 通用标记

　　通用标记是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP传输的业务的情况。通用标记的格式与传输所用的具体技术有关，分组交换、电路交换、光交换所用的标记完全不同。SDH/SONET电路交换标记格式如图2所示。S、U、K、L、L、M的组合用于表示SDH/SONET各阶速率等级，如STM的速率等级、虚容器VC的等级和数目等。

　　光交换标记的格式如图3所示。Waveband Id用于识别某个波段，当Start Label和End Label的数值相同时，表示单一波长，反之表示某一波段。

1.3 建议标记

　　传统MPLS配置LSP是沿反方向进行的，上游节点必须等待下游节点的反馈标记来确定LSP的具体路径。这种反向配置LSP的方式不适于光链路，因为OXC设备需要通过光开关的切换来改变光连接，反向配置会造成很大时延。因此，GMPLS引入建议标记来快速建立光连接。

　　建议标记由准备建立LSP通道的上游节点发出，告知下游节点建立这个LSP通道所希望的标记类型。这就可以让上游节点无需获得下游节点的反馈标记确认，而先对硬件设备进行配置，从而大大减少建立LSP通道所需的时间和控制开销。

　　使用建议标记后，LSP通道能否最终建立还需根据下游节点反馈标记的信息决定。如果反馈标记符合建议标记的要求，则LSP可按上游节点的要求建立起来。反之，上游节点需要重新配置LSP通道，这样反而造成更大的LSP建立时延。不过，由于GMPLS可采用节点之间定时分发标记的方式，让网络上的每个节点都能实时地知道全网资源的使用情况，从而让每个欲建立LSP通道的上游节点对下游节点的资源状况了然于胸，确保在分发建议标记时有的放矢。建议标记可采用与请求标记类似的格式，本文不再复述。

1.4 设定标记

　　设定标记用于限制下游节点选择标记的范围，这在光网络中非常重要。首先，某种类型的光设备只能传输和接收某一波段范围内的波长；其次，有些接口没有波长转换能力，要求在几段链路上甚至整条链路上只能使用相同的波长；第三，为了减少波长转换时对信号波形的影响，设备一次只能处理有限个波长；第四，一条链路两端的设备支持的波长的数目和范围都不尽相同。

　　设定标记可以和请求标记同时发出，它可以将建立某个LSP所需的标记类型限制在一定范围内，下游节点根据设定标记中的信息有选择地接收标记，否则下游节点就必须接收所有符合要求的标记。设定标记的格式如图4所示。Label Typebs表示希望下游节点接收的标记类别；Action指示节点是否接收子通道定义的标记类型；Subchannel表示子通道标记的类型。

2 通用标记交换路径（LSP）

2.1 LSP分级（Hierarchy）

　　GMPLS的LSP分级技术是为了解决光网络带宽分配的离散性和粗粒度问题，实现网络资源的最大化利用。在LSP的不同接口中，等级从高到低依次为FSC、LSC、TDMC、L2SC、PSC。LSP分级就是指大量具有相同入口节点的低等级LSP在GMPLS域的节点处汇集，再透明地穿过更高一级的LSP隧道，最后再在远端节点分离。这样就可将较小粒度的业务整合成较大粒度的业务，减少GMPLS域中用到的波长的数量，有助于处理离散性质的光带宽，提高资源利用率。

　　使用LSP分级技术时，要求每条LSP的起始和结束都必须在相同接口类型的设备上，且在每一个方向上都必须共享一些公用的属性，例如都具有相同的类型、相同的资源类别集合等等。

　　典型的LSP分级技术应用如图5所示。一条起始和结束都在PSC接口上的LSP可以嵌入到一条TDMC类型的LSP中；而TDMC LSP又可嵌入到LSC LSP中；最后，LSC LSP则嵌入到FSC LSP上。

2.2 双向LSP

　　在传统MPLS中，要建立双向LSP就必须分别建立两个单向的LSP，这种方式存在诸多缺点：（1）无论LSP建立是否成功，建立双向LSP所需时间较长；（2）分别建立两个LSP需要的控制开销是建立单条LSP的两倍；（3）LSP的保护和恢复也是分开的两段，导致路由选择异常复杂，并潜在地增加了资源配置的竞争，降低了保护LSP建立成功的概率。显然，分别建立LSP的方法非常不适合光网络所需的快速连接。

　　为此，GMPLS特别定义了建立双向LSP的方法。双向LSP规定两个方向的LSP都应具有相同的流量工程参数，都采用同一条信令消息，两个LSP同时建立。这样就显著降低了LSP的建立时延和控制开销。

　　既然是同时发起建立LSP，当双方同时被分配同一资源时（端口），就会发生标记竞争，产生冲突。为了解决这一问题，GMPLS采用比较双方“NODE ID”大小的方式，以ID较高的节点作为LSP建立的发起方。

3 链路管理

3.1 链路绑定

　　在光网络中，两个节点之间可能部署上百条平行光纤，每根光纤还要承载几百个波长，要为每个链路都分配一个独立的IP地址根本是不可能的，必须采取新的机制来标识链路，以减少大量的、需要分发的链路状态信息。

　　GMPLS引入链路绑定（Link Bundle）的概念来解决以上问题。所谓链路绑定是指将那些属性相同或相似的平行链路绑定为一个特定的链路束，而在链路状态数据库中则用这个绑定的链路束来代表所有这些平行的链路。采用这种方法后，整个链路状态信息数据库会减小很多，相应的链路控制工作也会得到缩减。链路绑定示意图如图6所示。

　　既然是将几条链路归并到一条链路束中，肯定就会丢失一些信息。为了减少信息的丢失，就必须对绑定的链路进行一定限制，如规定绑定链路束中所有组成链路的起点和终点都应具有相同的接口类型，且必须具有一些共同的属性，如相同的类型、相同的流量工程参数等等。

3.2 无编号链路

　　无编号链路是GMPLS用于解决光纤、波长、时隙和分组的识别问题。所谓无编号，是指不用IP地址标识链路而采用其他的替代方法，具体是在每个网络节点对链路进行本地编号，以链路经过设备的ID号或接口号作为链路的识别标志。这将大大缩小路由信息库的内容，减少每链路配置的数量。

3.3 链路管理协议

　　链路管理协议（LMP）是GMPLS为了有效管理相邻节点间的链路和链路束而开发的协议。LMP包括控制信道管理、链路所有权关联、链路连接性验证、链路故障管理等规程。其中，控制信道管理和链路所有权关联是必须实现的。

　　（1）控制信道管理（Control Channel Manage-ment）

　　控制信道用于在两个邻接节点间承载信令、路由和网络管理信息。在一对节点间，可能同时存在多个的控制信道，应保证至少有一个信道是始终可用的，当一个控制信道失败时，可以不加协商地切换到另外一个控制信道。

　　控制信道可以是带内或带外的，带内信道是指信令与数据共享同一信道。带外信道是指将控制信息的传输通道和数据的传输通道分开，即信令与业务分开传输。带外信道方式是GMPLS非常重要的控制信息传输方式。因为GMPLS对波长、光纤等操作时，这些物理介质本身没有IP分组那样的帧格式，无法直接在物理介质上添标记，必须使用另外的信道传标记。带外信道可使用两个节点之间单独的波长、光纤或者一条单独的以太网链路等方式。采用带外信道方式可以大大提高网络的可靠性和可管理性。

　　（2）链路所有权关联（Link Property Correla-tion）

　　LMP定义了一个链路所有权关联交换（Link Property Correlation Exchange）。链路所有权交换可进行链路绑定，可以修改、关联和交换链路的流量工程参数。例如，它可以把一个链路加入到一个链路束中，可以改变一个链路的保护机制，改变一个端口的ID，改变链路束中的各组成链路的ID号。

　　（3）链路连通性验证（Link Verification）

　　链路连通性验证用于验证数据链路的连通性，它通过发送Ping类的测试消息逐一验证所有的数据链路（包括链路束中的每一个组成链路）。

　　（4）链路故障管理（Fault Management）

　　从全网管理角度看，链路故障管理是非常重要的环节。故障管理通常包括故障检测、故障通告和故障定位。

　　故障检测应在接近失败的业务层上进行，但由于全光设备对速率和格式都是透明的，传统的OEO故障检测方法就不再适用了。因此，必须开发光层的故障检测机制。例如，可通过监测LOL（Loss of Light）确定光信号的丢失，通过监测光信噪比、串扰等确定光信号质量的劣化。为了把故障定位到两个相邻节点间的链路上，检测到数据链路失败的下游节点应给其相邻的上游节点发送一条ChannelStatus消息，通告检测到了一个故障。收到消息的上游节点必须发送一条ChannelStatusAck消息来表明收到了ChannelStatus消息。上游节点应该关联这个故障并应确定本地是否能检测到这个故障。如果在上游节点的输入端或其内部可以检测到故障，则故障就被定位了。当故障定位以后，就可以采用合适的信令协议进行链路的保护/恢复了。

3.4 链路保护/恢复

　　GMPLS的链路保护/恢复类型支持1+1、1:1等方式。节点发现故障后，需要发送Notify消息通知上、下游节点释放资源。为了提高整个过程的速度，需要同时向上游和下游节点传送消息，两个方向并行删除资源。当沿途节点收到此消息后，继续往下传送，同时删除本地资源。为加快消息传播的速度，节点必须先传送消息，再处理本地资源。

　　资源释放完后，则由源节点重新发起建立所有的链路。重建时应先查找本地路径保护/恢复信息，得出一条新的备份链路，再发出LSP建立请求，重建新的链路。为缩短保护时间，保护/恢复链路应通过相关算法预先算好或提前备份。同时，路径建立的消息散布和资源预留也应同时进行。链路保护/恢复过程如图7所示。

4 结束语

　　随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带IP业务的快速发展，极大地推动了光网络的进步。GMPLS技术的出现，使得IP与WDM之间传统的多层网络结构趋于扁平化，为传输网络从电路交换向分组交换的转变，为光网络层传输与交换功能的结合迈出了非常关键的一步。在WDM光网络中引入GMPLS技术，将使得光网络不仅可以提供巨大的传输带宽，而且可以实现网络资源的最佳利用，从而保证光网络以最佳的性能和最廉价的费用来支持当前和未来的各种业务。可以预见，随着GMPLS技术的大规模应用，未来的骨干网络必将逐步发展成为更有效、更强大的最终的全光网络。

　　曾智龙，男，1973年生，广东省化州市人，硕士，工程师。主要从事DWDM光通信技术、下一代宽带网络技术、计算机自动控制等方面的研究工作。

----《中国数据通信》