GMPLS與自動交換光網(wǎng)絡(luò)
周田華，張德琨
桂林電子工業(yè)學(xué)院 通信與信息工程系

　　摘 要 GMPLS（通用多協(xié)議標(biāo)簽交換）是MPLS技術(shù)向光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的產(chǎn)物。它有效地實現(xiàn)了IP和WDM光網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，很好的滿足了自動交換光網(wǎng)絡(luò)控制面的需要。本文主要研究了GMPLS的接口類型、通用標(biāo)簽的特點以及GMPLS在ASON中的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞 通用多協(xié)議標(biāo)記交換（GMPLS） 自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON） 控制面技術(shù) 

一、 什么是GMPLS？

　　GMPLS（通用多協(xié)議標(biāo)簽交換）是IETF提出的可用于光層的一種通用多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)，為了實現(xiàn)IP與WDM的無縫結(jié)合，GMPLS對MPLS標(biāo)簽進行了擴展，使得標(biāo)簽不但可以用來標(biāo)記傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，還可以標(biāo)記TDM時隙、波長、波長組、光纖等；為了充分利用WDM光網(wǎng)絡(luò)的資源，滿足未來一些新業(yè)務(wù)的開展（如VPN、光波長租用等），實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的智能化，GMPLS還對信令和路由協(xié)議進行了修改和補充；為了解決光網(wǎng)絡(luò)中各種鏈路的管理問題，GMPLS設(shè)計了一個全新的鏈路管理協(xié)議LMP；為了保障光網(wǎng)絡(luò)運營的可靠，GMPLS還對光網(wǎng)絡(luò)的保護和恢復(fù)機制進行了改進。

二、 GMPLS技術(shù)

1、接口類型

　　MPLS通過在IP包頭添加32bit的"shim"標(biāo)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(zhuǎn)發(fā)速度。GMPLS則對標(biāo)簽進行了更大的擴展，將TDM時隙、光波長、光纖等也用標(biāo)簽進行統(tǒng)一標(biāo)記，使得GMPLS不但可以支持IP數(shù)據(jù)包和ATM信元，而且可以支持面向話音的TDM網(wǎng)絡(luò)和提供大容量傳輸帶寬的WDM光網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了IP數(shù)據(jù)交換、TDM電路交換（主要是SDH）和WDM光交換的歸一化標(biāo)記。

GMPLS定義了五種接口類型來實現(xiàn)以上的歸一化標(biāo)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(jù)分組頭部的信息轉(zhuǎn)發(fā)分組。例如MPLS的標(biāo)簽交換路由器LSR基于"shim"標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；

　　(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(jù)信元頭部的信息轉(zhuǎn)發(fā)信元。例如ATM LSR則基于ATM的VPI/VCI轉(zhuǎn)發(fā)信元； 

　　(3)時隙交換接口TDMC（Time Division Multiplexing Capable）：根據(jù)TDM時隙進行業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。典型如SDH的DXC設(shè)備的電接口，可根據(jù)時隙交換SDH幀；

　　(4)波長交換接口LSC（Lambda Switch Capable）：根據(jù)承載業(yè)務(wù)的光波長或光波段轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。例如OXC設(shè)備是一種基于光波長級別的設(shè)備，可以基于光波長作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。更進一步還可以基于光波段作出轉(zhuǎn)發(fā)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(xù)的光波長當(dāng)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(shè)備的光開關(guān)數(shù)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(jù)業(yè)務(wù)（光纖）在物理空間中的實際位置對其轉(zhuǎn)發(fā)。例如OXC設(shè)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(guān)系如圖1所示。
 

圖1 GMPLS接口關(guān)系
2、GMPLS標(biāo)簽

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

(1)請求標(biāo)簽

請求標(biāo)簽用于LSP路徑的建立，由LSP上游節(jié)點發(fā)出，向下游節(jié)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(jié)點向目的端發(fā)出"標(biāo)記請求消息"、目的端返回"標(biāo)簽影射消息"。所不同的是，"標(biāo)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。
 

圖2 GMPLS請求標(biāo)簽
　　LSP Enc. Type：其數(shù)值用來指示LSP類型。例如，當(dāng)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(yīng)光纖；

Reserved：保留。必須設(shè)為全"0"，接收時忽略其數(shù)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(jié)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(shù)字包封幀。

(2)通用標(biāo)簽

通用標(biāo)簽是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)的情況。通用標(biāo)簽的格式與傳輸所用的具體技術(shù)有關(guān)，電路交換和光交換所用的標(biāo)簽不同。SDH電路交換標(biāo)簽格式如圖3所示。
 

圖3 SDH電路交換標(biāo)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(shù)值應(yīng)忽略。U＝1指示一個VC-4，U=2~4都表示VC-3；K參數(shù)與U一樣，也僅對SDH有效。K參數(shù)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(yīng)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(yīng)高階VT組中的某個特定的VT-3。M=4~6表示相應(yīng)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(yīng)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(shè)備來說，一次交換一組連續(xù)的光波長可以有效地減少單個光波長的波形失真，提高業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。這種光波長組的交換可用光波段交換標(biāo)簽來表示，其標(biāo)簽格式如圖4所示。
 

圖4 光波段交換標(biāo)簽
Waveband Id：用于識別某個光波段，其數(shù)值由發(fā)送端OXC設(shè)備設(shè)定；

Start Label：用于表示組成光波段的最短光波長的數(shù)值；

End Label：用于表示組成光波段的最長光波長的數(shù)值；

(3)建議標(biāo)簽

　　傳統(tǒng)MPLS配置LSP是沿反方向進行的，上游節(jié)點必須等待下游節(jié)點的反饋標(biāo)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(shè)備需要通過光開關(guān)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(biāo)簽來快速建立光連接。

　　建議標(biāo)簽由準(zhǔn)備建立LSP通道的上游節(jié)點發(fā)出，告知下游節(jié)點建立這個LSP通道所希望的標(biāo)簽類型。這就可以讓上游節(jié)點無需獲得下游節(jié)點的反饋映射標(biāo)簽確認，而先對硬件設(shè)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(shè)備中使用光開關(guān)進行光波長交換，由于光開關(guān)的切換需要一定時間，可通過建議標(biāo)簽讓光開關(guān)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(shè)備尤其重要，例如在光網(wǎng)絡(luò)保護時，如果一條保護LSP通道不能及時建立，就會導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

當(dāng)然，既然是一種建議標(biāo)簽，LSP通道的能否最終建立還需由下游節(jié)點反饋的"標(biāo)簽影射消息"確定。如果下游節(jié)點發(fā)現(xiàn)本節(jié)點的可用資源可以滿足建議標(biāo)簽的請求，則LSP可按上游節(jié)點的要求建立起來。反之，只要下游節(jié)點反饋回不同于建議標(biāo)簽信息的"標(biāo)簽影射消息"，則上游節(jié)點必須根據(jù)該"標(biāo)簽影射消息"的內(nèi)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(jié)點之間定時分發(fā)標(biāo)簽的方式，讓網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點都能實時地知道全網(wǎng)拓撲資源的使用情況，從而讓每個欲建立LSP通道的上游節(jié)點對下游節(jié)點的資源使用情況了然于胸，從而在分發(fā)建議標(biāo)簽時做到有的放矢。因此，利用建議標(biāo)簽提前建立LSP通道的方式是完全可行的，且建議標(biāo)簽可采用與請求標(biāo)簽類似的格式。

(4)設(shè)定標(biāo)簽

　　設(shè)定標(biāo)簽用于限制下游節(jié)點選擇標(biāo)簽的范圍，這在光網(wǎng)絡(luò)中非常重要。首先，某種類型的光設(shè)備只能傳輸和接收某一波段范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時對信號波形的影響，設(shè)備一次只能處理有限個光波長；第四，一條鏈路兩端的設(shè)備支持的光波長的數(shù)目和范圍都不盡相同。

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

圖5 GMPLS設(shè)定標(biāo)簽
Reserved：保留字節(jié)；

Label Type：希望下游節(jié)點接收的通用標(biāo)簽的類別；

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

Subchannel：子通道標(biāo)簽的類型。子通道標(biāo)簽的格式與通用標(biāo)簽的格式相同，本處不再復(fù)述。

三 、GMPLS在ASON控制平面中的應(yīng)用

1.控制平面功能 

　　GMPLS在ASON中的應(yīng)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(fā)現(xiàn)功能：提供一種能自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可使用資源的能力；

·路由控制功能：提供路由能力、拓撲發(fā)現(xiàn)能力和流量工程能力；

·連接管理功能：利用前面所提到的功能來為不同業(yè)務(wù)提供端到端連接服務(wù)的能力。

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

　　此外由于光網(wǎng)絡(luò)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(fù)功能。

2.控制平面服務(wù)

　　控制面的引入使得光網(wǎng)絡(luò)在多廠商環(huán)境下可以提供傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以提供的服務(wù)。這些服務(wù)包括端到端連接的提供、自動流量工程、網(wǎng)狀網(wǎng)的保護與恢復(fù)和光虛擬專用網(wǎng)（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(wù)�？刂泼娴囊�入使得操作人員所要做的只是確定連接所需的參數(shù)，并通過圖形用戶接口（GUI）方式或命令行的方式把這些參數(shù)傳到輸入節(jié)點中去，輸入節(jié)點在接到用戶傳遞過來的連接參數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wù)。這種按需帶寬請求的能力尤其適用于具備業(yè)務(wù)突發(fā)性特點的IP網(wǎng)絡(luò)。 除了上述這些服務(wù)外，OVPN也是一種給用戶以極大靈活性的服務(wù)，它的出現(xiàn)使用戶可以全權(quán)管理屬于自己的那部分網(wǎng)絡(luò)。但OVPN實質(zhì)上是一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，它的引入一方面使用戶可以管理自己的網(wǎng)絡(luò)，另外一方面也向用戶屏蔽掉了網(wǎng)絡(luò)的實際情況。這就在大大降低運營商運營管理的復(fù)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(wù)。 

3.控制平面協(xié)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(xié)議。在這些公共協(xié)議中，GMPLS占據(jù)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(tǒng)。GMPLS首先定義了前面描述的幾種通用標(biāo)記，使用這些通用標(biāo)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(shù)字交叉連接器，還可以是密集波分復(fù)用系統(tǒng)，或者是光交叉連接器。這些通用標(biāo)記對象包括通用標(biāo)記請求、通用標(biāo)記、顯式標(biāo)記控制和保護標(biāo)記。通用標(biāo)記可以用來表示時隙、波長、波長頻帶和空分復(fù)用位置。 此外GMPLS還為實現(xiàn)非分組交換的LSP定義了新的功能，包括上游建議標(biāo)記、標(biāo)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(xiàn)故障時加速保護與恢復(fù)的實現(xiàn)。雙向LSP對于電路交換類型的網(wǎng)絡(luò)尤其重要。 

4.信令協(xié)議

　　信令協(xié)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(wù)的。具體來說，它要完成LSP的建立、刪除、修改和查詢等。當(dāng)前存在兩種廣泛使用的信令協(xié)議，一種是基于受限路由的標(biāo)記分發(fā)協(xié)議CR－LDP；另一種是基于流量工程擴展的資源預(yù)留協(xié)議RSVP－TE。這兩種協(xié)議都能承載GMPLS協(xié)議中定義的所有對象，但由于這兩種協(xié)議存在多方面的差異，所以在具體實現(xiàn)方面還有諸多不同。IETF設(shè)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(xié)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(fā)現(xiàn)等功能，因此除了信令協(xié)議之外還需要其它的協(xié)議來完成ASON控制平面中的其它功能。我們知道路由協(xié)議主要起著傳遞信令消息和拓撲資源消息的作用，但傳統(tǒng)路由協(xié)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(wǎng)絡(luò)和電路交換網(wǎng)絡(luò)具有不同的含義。一般來說，流量工程的總目標(biāo)是要達到網(wǎng)絡(luò)資源及其使用最大化的目的。對分組交換網(wǎng)絡(luò)而言，這個目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)而言，流量工程目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)的流量工程，這樣其目標(biāo)就轉(zhuǎn)化為在用戶請求的基礎(chǔ)上對最優(yōu)通道的實時性選擇。這里流量工程的參數(shù)具體包括鏈路復(fù)用能力、最大與最小帶寬能力、共享風(fēng)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(xié)議和傳統(tǒng)路由協(xié)議之間的主要差別在于，前者在網(wǎng)絡(luò)中會周期性地發(fā)送一種可選包，這種可選包內(nèi)含有可用資源消息和流量工程參數(shù)信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)元接收到這種可選包后，應(yīng)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(jié)論：那種具備流量工程能力的路由協(xié)議應(yīng)該支持資源發(fā)現(xiàn)、拓撲發(fā)現(xiàn)和流量工程能力本身。與信令協(xié)議情況類似，當(dāng)前也存在著兩種廣泛使用的經(jīng)過擴展的路由協(xié)議，這就是支持流量工程的IS-IS協(xié)議和開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）。同樣，在IETF也設(shè)有兩個不同的小組來進行這方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

6.鏈路管理協(xié)議

　　為了在網(wǎng)元之間能進行對表征交叉連接的GMPLS標(biāo)記的正確通信，需要在網(wǎng)元之間標(biāo)識出正確的連接端口。這種功能是通過鏈路管理協(xié)議（LMP）來完成的。LMP除了完成網(wǎng)絡(luò)之間正確連接的確認之外，還具備鏈路綁定、資源信息發(fā)現(xiàn)與上報等功能。這些功能有助于網(wǎng)絡(luò)可擴展性和規(guī)模性的實現(xiàn)。LMP適用于任何類型的網(wǎng)絡(luò)，尤其是光網(wǎng)絡(luò)。 

四、 小結(jié)

　　控制面的引入使光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了巨大的變化，而GMPLS則成了實現(xiàn)ASON網(wǎng)絡(luò)控制面的最佳核心協(xié)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(wù)成為可能。并且，由于GMPLS和ASON控制平面的出現(xiàn)，運營商不必再在鏈路管理方面花費巨大的人力和物力。ASON控制平面還支持網(wǎng)絡(luò)的自動流量工程、網(wǎng)絡(luò)自動拓撲發(fā)現(xiàn)和自動業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)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(fù)方案�？偟目磥鞧MPLS和ASON控制平面的出現(xiàn)是光網(wǎng)絡(luò)中劃時代的革命性進展。

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