GMPLS的关键技术(1)

2019-11-05 01:07:58

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来源：转载

供稿：网友

1 引言

随着Internet和光纤技术的迅猛发展，ip和光网络技术的相互融合必将成为未来网络发展的重要趋势。如何解决IP层与光层的融合，GMPLS提供了一个良好的思路。GMPLS继续了几乎所有MPLS的特性和协议，是MPLS向光网络的扩展，它可以用统一的控制平面来治理多种不同技术组建的网络，从而为简化网络结构、降低网络治理成本和优化网络性能提供了重要保证。

2 多协议标签交换（MPLS）技术的回顾

MPLS是GMPLS的基础，它是定位于2.5层的网络技术，为IP层与链路层的交互提供了一个统一的操作平台，具有很强的适应性和灵活性，能支持现有网络层和链路层的各种协议（比如对网络层支持IPv4、IPv6、IPX、AppleTalk等，对链路层支持FR、ATM、PPP等）。MPLS是一种能够大幅度提高路由转发速度的技术，它的体系结构分为两个独立的组件，即转发组件（也叫数据层面）和控制组件（也叫控制层面）。转发组件使用标签交换机维护的标签转发数据库，根据分组携带的标签执行数据分组的转发任务。控制组件负责在一组互联的交换机之间建立和维护标签转发信息。

MPLS的简单工作原理是：当数据分组到达MPLS网络云的入口LSR（标签交换机），入口LSR通过分析数据分组的信息头来决定该分组属于哪个FEC（转发等价类，即FEC使一些具有某些共性的数据流集合，这些数据在转发过程中被LSR以相同的方式进行处理），然后查找LIB（标签信息库），将一个与该FEC相关联的标签加在数据分组前。在后继的LSR中，不需要再查找IP分组头，只需要根据数据分组的标签来查找LIB，即可决定其转发出口，在转发前将新的标签取代旧的标签，然后转发到下一个LSR 。当数据分组到达出口LSR 时，出口LSR将Label从数据分组中去掉，又按照传统的IP转发方式对数据分组进行转发。其中，所有与FEC绑定的标签分发和LSP的建立都是由LDP（标签分发协议）来完成。

3 GMPLS的要害技术

为了能适应未来智能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求，我们需要对传统的MPLS进行扩展和更新。GMPLS正是MPLS向光网络扩展的产物，它在支持传统的分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换的同时，还对原有的路由协议、信令协议作了修改和扩展。

目前，IP层与光传送层的融合主要有重叠模型和集成模型两个方向，GMPLS应同时支持这两种模型。

重叠模型又称客户—服务器模型，即光层网络作为服务器，IP网络层做为客户层，两者具有独立的控制平面。具体地说，一个在核心光网络；而另一个在客户层，集中体现在用户—网络接口(UNI)处，两者之间不交换路由信息，独立选路，具有独立的拓扑结构。核心光网络作为服务器，为网络边缘的客户提供波长业务。它的优点是光网络与IP网络可以独立地发展；缺点是网络扩展性能差，存在Ｎ2问题。另外，两个层面存在两套不同的地址空间，需要复杂的地址解析。

集成模型又称对等模型或混合模型，它的基本特点是光传送层的控制智能被转移到IP层，由IP层来实施端到端的控制。此时，光传送网和IP网形成一个集成的网络，统一的控制平面维护单一的拓扑，光交换机和IP路由器可以自由地交换所有信息并运行同样的选路和信令协议，实现一体化的治理和流量工程。但它的缺点也是明显的，就是必须在光层和IP层交互大量的状态和控制信息。

3.1 GMPLS的标签和标签交换路径

GMPLS为了能控制光网络，它不仅要支持传统的分组交换，而且还要支持时分交换、波长交换和光纤交换，这就决定了GMPLS与MPLS有很大的不同，主要表现在以下几个方面：

· MPLS的标签空间非常大，而波长和时分信道非常有限。

· MPLS的LSP能够被分配连续值的带宽，而光信道和时分信道只能被分配有限个离散值的带宽。

· 假如两节点之间有多条并行光纤，GMPLS还必须支持光纤交换。

3.1.1 GMPLS的标签

为了支持电路交换（主要是SDH）和光交换（包括LSC和FSC），GMPLS设计了专用的标签格式，标签应该支持对光纤、波带、波长甚至时隙的标识。以CR-LDP的TLV格式为例，其标签项中应包含LPT、LSP-ENC、G-PID和链路标识4个字段。其中，LPT字段是指链路保护类型，LSP-ENC字段指LSP编码类型，定义了OC-n（SONET）、STS-n（SDH）、GigE、10GigE、DS1～DS4、E1～E4、J3、J4、VT以及光波长、波带等类型。G-PID字段是通用净荷标识，表示LSP运载的净荷类型，使用标准的以太网净荷类型，由入节点设置，供出节点使用，中间节点仅进行透明传送。链路标识字段标识收到标签请求的链路，仅在邻接的节点间具有本地效力。标签的长度和格式根据不同的应用环境也会不同。比如在波长标签交换应用中，端口/波长标签为32bit，表示使用的光纤或端口或波长，与传统标签不同的是没有实验比特、标签栈底和TTL等域，但它与传统标签一样，仅在邻接节点间具有本地效力。标签值可以通过人工指配或由协议动态决定。

3.1.2 GMPLS的层次化标签交换路径

为了支持光网络，GMPLS需要引入新的概念——层次化标签交换路径。层次化的含义是针对LSP的复用能力而言的，复用能力越强的LSP层次越高。如图1所示，LSP1、LSP2、LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套关系。LSP1在最低层，它的始端和终端设备是具有分组交换能力的网络接口（主要的设备是路由器）；LSP1和其他具有分组传输能力的LSP可以聚合到LSP2中，LSP2处在第二层，它的始端和终端设备是具有时隙交换能力的网络接口，主要种类有SDH/SONET、TDM或ADM接口；同样，LSP2可以和其他的具有时隙传输能力的LSP又可以聚合到LSP3中，LSP3的始端和终端设备（光交叉连接设备，OXC）在具有波长交换能力的网络中；LSP4在具有光纤交换能力的网络中，处于最高层。

LSP（标签交换路径）分层后，带来的好处是显而易见的。首先，通过不同层次间的路由汇聚，可以非常节约地使用波长和时隙信道，从而解决波长和时隙信道非常有限的问题；其次，解决了光信道和时分信道只能被分配有限个离散值带宽的问题。比如，在不采用分层LSP之前，穿过光网络100Mbit/s的LSP都需要一个单独的、非常大的离散值带宽（例如2Gbit/s）。采用了分层结构后，每个波长信道都成为了一条聚合路由，大量的LSP可以共享一条2Gbit/s的光信道。

3.1.3 层次化LSP的建立

这一部分我们将解释层次化LSP的建立过程，假定LSP1是一条支持500Mbit/s分组传输的线路，LSP2是一条STS-12c的SDH线路，LSP3是一条OC-192线路，LSP4是支持WDM的线路。

下面的讨论是基于GMPLS中定义的扩展后的RSVP-TE信令。原版的RSVP使用两种信令，一种是PATH消息，它是发端向收端发送的请求信息，主要包含对业务流描述和分类的参数。另一种是RESV信息，它包含描述接收端预留的资源参数。为了支持MPLS，需要在RESV信息中加入标签对象，它的简单工作原理是：当一个LSR要为一个RSVP流发送RESV信息时，它会产生一个新的标签，将它写入转发表的入标签栏和要发送的RSVP信息中。上游邻近的LSR收到此信息后，会将RESV信息中的标签写入转发表的出标签栏，同时产生一个新的标签，并把它写入转发表的入标签栏和要发送的RSVP信息中，然后此信息被传送到上游邻近的LSR。当RESV信息到达发端时，一条保证QoS的LSP就建立了。

层次化LSP的建立过程如下：

（1）一个关于要建立LSP1的路径请求报文（Path1）在R0产生，此报文被转发至R1（一个分组交换网的边缘节点）。

（2）R1收到此报文后，就会触发要建立LSP2（R1到R7）的路径请求报文（Path2）产生，此报文被转发至S2，这种过程一直持续到LSP4的路径请求报文（Path4）产生。

（3）Path4到达O5时，O5会沿原路回送Resv信息，当Resv信息到达O3时，LSP4就成功建立了，此时，Path3报文可以由LSP4传至O5，然后由O5转发到S6，S6沿原路径向S2发出标签映射消息，LSP3随后被建立。此过程一直重复到LSP1被成功建立。
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随着Internet和光纤技术的迅猛发展，IP和光网络技术的相互融合必将成为未来网络发展的重要趋势。如何解决IP层与光层的融合，GMPLS提供了一个良好的思路。GMPLS继续了几乎所有MPLS的特性和协议，是MPLS向光网络的扩展，它可以用统一的控制平面来治理多种不同技术组建的网络，从而为简化网络结构、降低网络治理成本和优化网络性能提供了重要保证。

2 多协议标签交换（MPLS）技术的回顾

MPLS是GMPLS的基础，它是定位于2.5层的网络技术，为IP层与链路层的交互提供了一个统一的操作平台，具有很强的适应性和灵活性，能支持现有网络层和链路层的各种协议（比如对网络层支持IPv4、IPv6、IPX、AppleTalk等，对链路层支持FR、ATM、PPP等）。MPLS是一种能够大幅度提高路由转发速度的技术，它的体系结构分为两个独立的组件，即转发组件（也叫数据层面）和控制组件（也叫控制层面）。转发组件使用标签交换机维护的标签转发数据库，根据分组携带的标签执行数据分组的转发任务。控制组件负责在一组互联的交换机之间建立和维护标签转发信息。

MPLS的简单工作原理是：当数据分组到达MPLS网络云的入口LSR（标签交换机），入口LSR通过分析数据分组的信息头来决定该分组属于哪个FEC（转发等价类，即FEC使一些具有某些共性的数据流集合，这些数据在转发过程中被LSR以相同的方式进行处理），然后查找LIB（标签信息库），将一个与该FEC相关联的标签加在数据分组前。在后继的LSR中，不需要再查找IP分组头，只需要根据数据分组的标签来查找LIB，即可决定其转发出口，在转发前将新的标签取代旧的标签，然后转发到下一个LSR 。当数据分组到达出口LSR 时，出口LSR将Label从数据分组中去掉，又按照传统的IP转发方式对数据分组进行转发。其中，所有与FEC绑定的标签分发和LSP的建立都是由LDP（标签分发协议）来完成。

3 GMPLS的要害技术

为了能适应未来智能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求，我们需要对传统的MPLS进行扩展和更新。GMPLS正是MPLS向光网络扩展的产物，它在支持传统的分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换的同时，还对原有的路由协议、信令协议作了修改和扩展。

目前，IP层与光传送层的融合主要有重叠模型和集成模型两个方向，GMPLS应同时支持这两种模型。

重叠模型又称客户—服务器模型，即光层网络作为服务器，IP网络层做为客户层，两者具有独立的控制平面。具体地说，一个在核心光网络；而另一个在客户层，集中体现在用户—网络接口(UNI)处，两者之间不交换路由信息，独立选路，具有独立的拓扑结构。核心光网络作为服务器，为网络边缘的客户提供波长业务。它的优点是光网络与IP网络可以独立地发展；缺点是网络扩展性能差，存在Ｎ2问题。另外，两个层面存在两套不同的地址空间，需要复杂的地址解析。

集成模型又称对等模型或混合模型，它的基本特点是光传送层的控制智能被转移到IP层，由IP层来实施端到端的控制。此时，光传送网和IP网形成一个集成的网络，统一的控制平面维护单一的拓扑，光交换机和IP路由器可以自由地交换所有信息并运行同样的选路和信令协议，实现一体化的治理和流量工程。但它的缺点也是明显的，就是必须在光层和IP层交互大量的状态和控制信息。

3.1 GMPLS的标签和标签交换路径

GMPLS为了能控制光网络，它不仅要支持传统的分组交换，而且还要支持时分交换、波长交换和光纤交换，这就决定了GMPLS与MPLS有很大的不同，主要表现在以下几个方面：

· MPLS的标签空间非常大，而波长和时分信道非常有限。

· MPLS的LSP能够被分配连续值的带宽，而光信道和时分信道只能被分配有限个离散值的带宽。

· 假如两节点之间有多条并行光纤，GMPLS还必须支持光纤交换。

3.1.1 GMPLS的标签

为了支持电路交换（主要是SDH）和光交换（包括LSC和FSC），GMPLS设计了专用的标签格式，标签应该支持对光纤、波带、波长甚至时隙的标识。以CR-LDP的TLV格式为例，其标签项中应包含LPT、LSP-ENC、G-PID和链路标识4个字段。其中，LPT字段是指链路保护类型，LSP-ENC字段指LSP编码类型，定义了OC-n（SONET）、STS-n（SDH）、GigE、10GigE、DS1～DS4、E1～E4、J3、J4、VT以及光波长、波带等类型。G-PID字段是通用净荷标识，表示LSP运载的净荷类型，使用标准的以太网净荷类型，由入节点设置，供出节点使用，中间节点仅进行透明传送。链路标识字段标识收到标签请求的链路，仅在邻接的节点间具有本地效力。标签的长度和格式根据不同的应用环境也会不同。比如在波长标签交换应用中，端口/波长标签为32bit，表示使用的光纤或端口或波长，与传统标签不同的是没有实验比特、标签栈底和TTL等域，但它与传统标签一样，仅在邻接节点间具有本地效力。标签值可以通过人工指配或由协议动态决定。

3.1.2 GMPLS的层次化标签交换路径

为了支持光网络，GMPLS需要引入新的概念——层次化标签交换路径。层次化的含义是针对LSP的复用能力而言的，复用能力越强的LSP层次越高。如图1所示，LSP1、LSP2、LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套关系。LSP1在最低层，它的始端和终端设备是具有分组交换能力的网络接口（主要的设备是路由器）；LSP1和其他具有分组传输能力的LSP可以聚合到LSP2中，LSP2处在第二层，它的始端和终端设备是具有时隙交换能力的网络接口，主要种类有SDH/SONET、TDM或ADM接口；同样，LSP2可以和其他的具有时隙传输能力的LSP又可以聚合到LSP3中，LSP3的始端和终端设备（光交叉连接设备，OXC）在具有波长交换能力的网络中；LSP4在具有光纤交换能力的网络中，处于最高层。

LSP（标签交换路径）分层后，带来的好处是显而易见的。首先，通过不同层次间的路由汇聚，可以非常节约地使用波长和时隙信道，从而解决波长和时隙信道非常有限的问题；其次，解决了光信道和时分信道只能被分配有限个离散值带宽的问题。比如，在不采用分层LSP之前，穿过光网络100Mbit/s的LSP都需要一个单独的、非常大的离散值带宽（例如2Gbit/s）。采用了分层结构后，每个波长信道都成为了一条聚合路由，大量的LSP可以共享一条2Gbit/s的光信道。

3.1.3 层次化LSP的建立

这一部分我们将解释层次化LSP的建立过程，假定LSP1是一条支持500Mbit/s分组传输的线路，LSP2是一条STS-12c的SDH线路，LSP3是一条OC-192线路，LSP4是支持WDM的线路。

下面的讨论是基于GMPLS中定义的扩展后的RSVP-TE信令。原版的RSVP使用两种信令，一种是PATH消息，它是发端向收端发送的请求信息，主要包含对业务流描述和分类的参数。另一种是RESV信息，它包含描述接收端预留的资源参数。为了支持MPLS，需要在RESV信息中加入标签对象，它的简单工作原理是：当一个LSR要为一个RSVP流发送RESV信息时，它会产生一个新的标签，将它写入转发表的入标签栏和要发送的RSVP信息中。上游邻近的LSR收到此信息后，会将RESV信息中的标签写入转发表的出标签栏，同时产生一个新的标签，并把它写入转发表的入标签栏和要发送的RSVP信息中，然后此信息被传送到上游邻近的LSR。当RESV信息到达发端时，一条保证QoS的LSP就建立了。

层次化LSP的建立过程如下：

（1）一个关于要建立LSP1的路径请求报文（Path1）在R0产生，此报文被转发至R1（一个分组交换网的边缘节点）。

（2）R1收到此报文后，就会触发要建立LSP2（R1到R7）的路径请求报文（Path2）产生，此报文被转发至S2，这种过程一直持续到LSP4的路径请求报文（Path4）产生。

（3）Path4到达O5时，O5会沿原路回送Resv信息，当Resv信息到达O3时，LSP4就成功建立了，此时，Path3报文可以由LSP4传至O5，然后由O5转发到S6，S6沿原路径向S2发出标签映射消息，LSP3随后被建立。此过程一直重复到LSP1被成功建立。

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