基于GMPLS的IP over WDM

2019-11-03 09:09:00

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供稿：網友

曾智龍
中國電子科技集團公司第三十四研究所

　　摘要 GMPLS（通用多協議標記交換)是MPLS技術向光網絡發展的產物。它有效地實現了ip和WDM光網絡的無縫結合，是IP over WDM發展的一種趨勢。本文主要介紹了GMPLS通用標記的特點及實現形式，LSP（標記交換路徑）技術，以及鏈路管理協議LMP的特點及實現方法。

　　關鍵詞 GMPLS LSP LMP

　　隨著互聯網技術的迅速發展，數據業務逐漸成為網絡的主流。而傳統IP over ATM over SDH over DWDM的結構方式卻日益成為制約數據業務快速發展的障礙，迫切需要開發新技術來解決這一問題。

　　MPLS（多協議標記交換）已被證明是一種非常適合于在電網絡中傳輸數據業務的技術。MPLS采用流量工程技術，可以滿足業務對服務質量的要求，而受限路由技術和快速重選路由則可實現快速保護和恢復。所以，使用MPLS技術完全可使未來的傳輸網絡跨過ATM和SDH兩層，直接實現IP over WDM。顯然，這種IP via MPLS over WDM的網絡將是一個操作更簡單、最適合數據業務傳輸的網絡。

　　然而，MPLS畢竟是一種處于網絡層和鏈路層之間的技術，要讓MPLS跨過鏈路層而直接作用于WDM光層，就必須對其進行修改和補充。在此情況下，標準化組織IETF適時地推出了可用于光層的通用多協議標記交換（GMPLS，Generalized MultiPRotocol Label Switching）技術。

　　為了適應IP over WDM的需要，GMPLS對MPLS標記進行了擴展，使其可對分組、時隙、波長、波長組、光纖等進行統一標記；為了充分利用WDM光網絡的資源，GMPLS對LSP（Label Switched Path，標記交換路徑）進行了修改和補充；為了解決光網絡中各種鏈路的管理問題，GMPLS設計了一個全新的鏈路管理協議（LMP，Link Management Protocol）。下面就對GMPLS的這些特點加以說明。

1 通用標記

　　傳統的MPLS通過在IP分組頭添加32bit的“shim”標記，可使原來面向無連接的IP傳輸具有了面向連接的特性。GMPLS則對標記進行了更大的擴展，將TDM時隙、波長、光纖等也用標記進行統一標記，使得GMPLS不但可以支持分組和ATM信元，而且可支持TDM電網絡和WDM光網絡。GMPLS定義了五種接口類型來實現各類業務的統一，分別是：分組交換接口（PSC，Packet Switch Capable）、第二層交換接口（L2SC，Layer2 Switch Capable）、時隙交換接口（TDMC，Time Division Multiplexing Capable）、波長交換接口（LSC，Lambda Switch Capable）、光纖交換接口（FSC，Fiber Switch Capable）。

　　與這五種接口相對應，GMPLS定義了分組交換標記（對應PSC和L2SC）、電路交換標記（對應TDMC）和光交換標記（對應LSC和FSC）。其中，分組交換標記與傳統MPLS標記相同，本文不再復述。而電路交換標記和光交換標記為GMPLS新定義，包括請求標記、通用標記、建議標記以及設定標記。

1.1 請求標記

　　請求標記用于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。申請時，請求標記應包含對所要建立的LSP的說明，包括LSP類型（PSC、TDMC等）、載荷類型等。請求標記格式如圖1所示。

　　LSP Enc. Type用于表示LSP的類型。例如，當LSP=1時，表示分組傳輸，而LSP=5，則表示SDH。Reserved是保留字節，接收時忽略。G-PID指示LSP承載的載荷類型。例如，當G-PID=14時，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。

1.2 通用標記

　　通用標記是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP傳輸的業務的情況。通用標記的格式與傳輸所用的具體技術有關，分組交換、電路交換、光交換所用的標記完全不同。SDH/SONET電路交換標記格式如圖2所示。S、U、K、L、L、M的組合用于表示SDH/SONET各階速率等級，如STM的速率等級、虛容器VC的等級和數目等。

　　光交換標記的格式如圖3所示。Waveband Id用于識別某個波段，當Start Label和End Label的數值相同時，表示單一波長，反之表示某一波段。

1.3 建議標記

　　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記來確定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引入建議標記來快速建立光連接。

　　建議標記由準備建立LSP通道的上游節點發出，告知下游節點建立這個LSP通道所希望的標記類型。這就可以讓上游節點無需獲得下游節點的反饋標記確認，而先對硬件設備進行配置，從而大大減少建立LSP通道所需的時間和控制開銷。

　　使用建議標記后，LSP通道能否最終建立還需根據下游節點反饋標記的信息決定。如果反饋標記符合建議標記的要求，則LSP可按上游節點的要求建立起來。反之，上游節點需要重新配置LSP通道，這樣反而造成更大的LSP建立時延。不過，由于GMPLS可采用節點之間定時分發標記的方式，讓網絡上的每個節點都能實時地知道全網資源的使用情況，從而讓每個欲建立LSP通道的上游節點對下游節點的資源狀況了然于胸，確保在分發建議標記時有的放矢。建議標記可采用與請求標記類似的格式，本文不再復述。

1.4 設定標記

　　設定標記用于限制下游節點選擇標記的范圍，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鏈路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波長；第四，一條鏈路兩端的設備支持的波長的數目和范圍都不盡相同。

　　設定標記可以和請求標記同時發出，它可以將建立某個LSP所需的標記類型限制在一定范圍內，下游節點根據設定標記中的信息有選擇地接收標記，否則下游節點就必須接收所有符合要求的標記。設定標記的格式如圖4所示。Label Typebs表示希望下游節點接收的標記類別；Action指示節點是否接收子通道定義的標記類型；Subchannel表示子通道標記的類型。

2 通用標記交換路徑（LSP）

2.1 LSP分級（Hierarchy）

　　GMPLS的LSP分級技術是為了解決光網絡帶寬分配的離散性和粗粒度問題，實現網絡資源的最大化利用。在LSP的不同接口中，等級從高到低依次為FSC、LSC、TDMC、L2SC、PSC。LSP分級就是指大量具有相同入口節點的低等級LSP在GMPLS域的節點處匯集，再透明地穿過更高一級的LSP隧道，最后再在遠端節點分離。這樣就可將較小粒度的業務整合成較大粒度的業務，減少GMPLS域中用到的波長的數量，有助于處理離散性質的光帶寬，提高資源利用率。

　　使用LSP分級技術時，要求每條LSP的起始和結束都必須在相同接口類型的設備上，且在每一個方向上都必須共享一些公用的屬性，例如都具有相同的類型、相同的資源類別集合等等。

　　典型的LSP分級技術應用如圖5所示。一條起始和結束都在PSC接口上的LSP可以嵌入到一條TDMC類型的LSP中；而TDMC LSP又可嵌入到LSC LSP中；最后，LSC LSP則嵌入到FSC LSP上。

2.2 雙向LSP

　　在傳統MPLS中，要建立雙向LSP就必須分別建立兩個單向的LSP，這種方式存在諸多缺點：（1）無論LSP建立是否成功，建立雙向LSP所需時間較長；（2）分別建立兩個LSP需要的控制開銷是建立單條LSP的兩倍；（3）LSP的保護和恢復也是分開的兩段，導致路由選擇異常復雜，并潛在地增加了資源配置的競爭，降低了保護LSP建立成功的概率。顯然，分別建立LSP的方法非常不適合光網絡所需的快速連接。

　　為此，GMPLS特別定義了建立雙向LSP的方法。雙向LSP規定兩個方向的LSP都應具有相同的流量工程參數，都采用同一條信令消息，兩個LSP同時建立。這樣就顯著降低了LSP的建立時延和控制開銷。

　　既然是同時發起建立LSP，當雙方同時被分配同一資源時（端口），就會發生標記競爭，產生沖突。為了解決這一問題，GMPLS采用比較雙方“NODE ID”大小的方式，以ID較高的節點作為LSP建立的發起方。

3 鏈路管理

3.1 鏈路綁定

　　在光網絡中，兩個節點之間可能部署上百條平行光纖，每根光纖還要承載幾百個波長，要為每個鏈路都分配一個獨立的IP地址根本是不可能的，必須采取新的機制來標識鏈路，以減少大量的、需要分發的鏈路狀態信息。

　　GMPLS引入鏈路綁定（Link Bundle）的概念來解決以上問題。所謂鏈路綁定是指將那些屬性相同或相似的平行鏈路綁定為一個特定的鏈路束，而在鏈路狀態數據庫中則用這個綁定的鏈路束來代表所有這些平行的鏈路。采用這種方法后，整個鏈路狀態信息數據庫會減小很多，相應的鏈路控制工作也會得到縮減。鏈路綁定示意圖如圖6所示。

　　既然是將幾條鏈路歸并到一條鏈路束中，肯定就會丟失一些信息。為了減少信息的丟失，就必須對綁定的鏈路進行一定限制，如規定綁定鏈路束中所有組成鏈路的起點和終點都應具有相同的接口類型，且必須具有一些共同的屬性，如相同的類型、相同的流量工程參數等等。

3.2 無編號鏈路

　　無編號鏈路是GMPLS用于解決光纖、波長、時隙和分組的識別問題。所謂無編號，是指不用IP地址標識鏈路而采用其他的替代方法，具體是在每個網絡節點對鏈路進行本地編號，以鏈路經過設備的ID號或接口號作為鏈路的識別標志。這將大大縮小路由信息庫的內容，減少每鏈路配置的數量。

3.3 鏈路管理協議

　　鏈路管理協議（LMP）是GMPLS為了有效管理相鄰節點間的鏈路和鏈路束而開發的協議。LMP包括控制信道管理、鏈路所有權關聯、鏈路連接性驗證、鏈路故障管理等規程。其中，控制信道管理和鏈路所有權關聯是必須實現的。

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

　　控制信道用于在兩個鄰接節點間承載信令、路由和網絡管理信息。在一對節點間，可能同時存在多個的控制信道，應保證至少有一個信道是始終可用的，當一個控制信道失敗時，可以不加協商地切換到另外一個控制信道。

　　控制信道可以是帶內或帶外的，帶內信道是指信令與數據共享同一信道。帶外信道是指將控制信息的傳輸通道和數據的傳輸通道分開，即信令與業務分開傳輸。帶外信道方式是GMPLS非常重要的控制信息傳輸方式。因為GMPLS對波長、光纖等操作時，這些物理介質本身沒有IP分組那樣的幀格式，無法直接在物理介質上添標記，必須使用另外的信道傳標記。帶外信道可使用兩個節點之間單獨的波長、光纖或者一條單獨的以太網鏈路等方式。采用帶外信道方式可以大大提高網絡的可靠性和可管理性。

　?。?）鏈路所有權關聯（Link Property Correla-tion）

　　LMP定義了一個鏈路所有權關聯交換（Link Property Correlation Exchange）。鏈路所有權交換可進行鏈路綁定，可以修改、關聯和交換鏈路的流量工程參數。例如，它可以把一個鏈路加入到一個鏈路束中，可以改變一個鏈路的保護機制，改變一個端口的ID，改變鏈路束中的各組成鏈路的ID號。

　?。?）鏈路連通性驗證（Link Verification）

　　鏈路連通性驗證用于驗證數據鏈路的連通性，它通過發送Ping類的測試消息逐一驗證所有的數據鏈路（包括鏈路束中的每一個組成鏈路）。

　?。?）鏈路故障管理（Fault Management）

　　從全網管理角度看，鏈路故障管理是非常重要的環節。故障管理通常包括故障檢測、故障通告和故障定位。

　　故障檢測應在接近失敗的業務層上進行，但由于全光設備對速率和格式都是透明的，傳統的OEO故障檢測方法就不再適用了。因此，必須開發光層的故障檢測機制。例如，可通過監測LOL（Loss of Light）確定光信號的丟失，通過監測光信噪比、串擾等確定光信號質量的劣化。為了把故障定位到兩個相鄰節點間的鏈路上，檢測到數據鏈路失敗的下游節點應給其相鄰的上游節點發送一條ChannelStatus消息，通告檢測到了一個故障。收到消息的上游節點必須發送一條ChannelStatusAck消息來表明收到了ChannelStatus消息。上游節點應該關聯這個故障并應確定本地是否能檢測到這個故障。如果在上游節點的輸入端或其內部可以檢測到故障，則故障就被定位了。當故障定位以后，就可以采用合適的信令協議進行鏈路的保護/恢復了。

3.4 鏈路保護/恢復

　　GMPLS的鏈路保護/恢復類型支持1+1、1:1等方式。節點發現故障后，需要發送Notify消息通知上、下游節點釋放資源。為了提高整個過程的速度，需要同時向上游和下游節點傳送消息，兩個方向并行刪除資源。當沿途節點收到此消息后，繼續往下傳送，同時刪除本地資源。為加快消息傳播的速度，節點必須先傳送消息，再處理本地資源。

　　資源釋放完后，則由源節點重新發起建立所有的鏈路。重建時應先查找本地路徑保護/恢復信息，得出一條新的備份鏈路，再發出LSP建立請求，重建新的鏈路。為縮短保護時間，保護/恢復鏈路應通過相關算法預先算好或提前備份。同時，路徑建立的消息散布和資源預留也應同時進行。鏈路保護/恢復過程如圖7所示。

4 結束語

　　隨著全網業務的迅速數據化，特別是寬帶IP業務的快速發展，極大地推動了光網絡的進步。GMPLS技術的出現，使得IP與WDM之間傳統的多層網絡結構趨于扁平化，為傳輸網絡從電路交換向分組交換的轉變，為光網絡層傳輸與交換功能的結合邁出了非常關鍵的一步。在WDM光網絡中引入GMPLS技術，將使得光網絡不僅可以提供巨大的傳輸帶寬，而且可以實現網絡資源的最佳利用，從而保證光網絡以最佳的性能和最廉價的費用來支持當前和未來的各種業務。可以預見，隨著GMPLS技術的大規模應用，未來的骨干網絡必將逐步發展成為更有效、更強大的最終的全光網絡。

　　曾智龍，男，1973年生，廣東省化州市人，碩士，工程師。主要從事DWDM光通信技術、下一代寬帶網絡技術、計算機自動控制等方面的研究工作。

----《中國數據通信》