GMPLS与自动交换光网络

周田华，张德琨
桂林电子工业学院 通信与信息工程系
摘 要 GMPLS（通用多协议标签交换）是MPLS技术向光网络发展的产物。它有效地实现了IP和WDM光网络的无缝融合，很好的满足了自动交换光网络控制面的需要。本文主要研究了GMPLS的接口类型、通用标签的特点以及GMPLS在ASON中的应用。
一、 什么是GMPLS？
GMPLS（通用多协议标签交换）是IETF提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，为了实现IP与WDM的无缝结合，GMPLS对MPLS标签进行了扩展，使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记TDM时隙、波长、波长组、光纤等；为了充分利用WDM光网络的资源，满足未来一些新业务的开展（如VPN、光波长租用等），实现光网络的智能化，GMPLS还对信令和路由协议进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的治理问题，GMPLS设计了一个全新的链路治理协议LMP；为了保障光网络运营的可靠，GMPLS还对光网络的保护和恢复机制进行了改进。
二、 GMPLS技术
1、接口类型
MPLS通过在IP包头添加32bit的"shim"标签，可使原来面向无连接的IP传输具有了面向连接的特性，极大加快了IP包的转发速度。GMPLS则对标签进行了更大的扩展，将TDM时隙、光波长、光纤等也用标签进行统一标记，使得GMPLS不但可以支持IP数据包和ATM信元，而且可以支持面向话音的TDM网络和提供大容量传输带宽的WDM光网络，从而实现了IP数据交换、TDM电路交换（主要是SDH）和WDM光交换的归一化标记。
GMPLS定义了五种接口类型来实现以上的归一化标记，分别是：
(1)分组交换接口PSC（Packet Switch Capable）：进行分组交换。通过识别分组边界，根据分组头部的信息转发分组。例如MPLS的标签交换路由器LSR基于"shim"标签转发数据；
(2)第二层交换接口L2SC（Layer2 Switch Capable）：进行信元交换。通过识别信元的边界，根据信元头部的信息转发信元。例如ATM LSR则基于ATM的VPI/VCI转发信元；
(3)时隙交换接口TDMC（Time Division Multiplexing Capable）：根据TDM时隙进行业务转发。典型如SDH的DXC设备的电接口，可根据时隙交换SDH帧；
(4)波长交换接口LSC（Lambda Switch Capable）：根据承载业务的光波长或光波段转发业务。例如OXC设备是一种基于光波长级别的设备，可以基于光波长作出转发决定。更进一步还可以基于光波段作出转发决定。光波段交换是光波长交换的进一步扩展，它将一系列连续的光波长当作一个交换单元。使用光波段交换可以有效减少单波长交换所带来的波形失真，减少设备的光开关数量，还可以使光波长之间的间隔减小；
(5)光纤交换接口FSC（Fiber Switch Capable）：根据业务（光纤）在物理空间中的实际位置对其转发。例如OXC设备可对一根或多根光纤进行连接操作。
以上GMPLS五种接口类型的关系如图1所示。

图1 GMPLS接口关系
2、GMPLS标签
与以上接口相对应，GMPLS定义了分组交换标签（对应PSC和L2SC）、电路交换标签（对应TDMC）和光交换标签（对应LSC和FSC）。其中，分组交换标签与传统MPLS标签相同，本文不再描述。而电路交换标签和光交换标签为GMPLS新定义，包括请求标签、通用标签、建议标签以及设定标签。
(1)请求标签
请求标签用于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。与MPLS相同，GMPLS的LSP建立过程也是由上游节点向目的端发出"标记请求消息"、目的端返回"标签影射消息"。所不同的是，"标签请求消息"中需要增加对所要建立的LSP的说明，包括LSP类型（PSC、TDMC等）、载荷类型等。其格式如图2所示。

图2 GMPLS请求标签
LSP Enc. Type：其数值用来指示LSP类型。例如，当LSP=1时，表示LSP是分组传输，而LSP=5时，表示是SDH，而LSP=9，则对应光纤；
Reserved：保留。必须设为全"0"，接收时忽略其数值；
G-PID：16 bits，用于指示LSP承载的载荷类型。例如，G-PID＝14，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；G-PID＝32，表示数字包封帧。
(2)通用标签
通用标签是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP传输的业务的情况。通用标签的格式与传输所用的具体技术有关，电路交换和光交换所用的标签不同。SDH电路交换标签格式如图3所示。

图3 SDH电路交换标签
其中：S用于指示SDH/SONET的信号速率等级。S＝N即表示STM-N/STS-N信号；U用于指示在一个STM-1中的某个特定虚容器VC。U只对SDH有效，对于SONET，U的数值应忽略。U＝1指示一个VC-4，U=2~4都表示VC-3；K参数与U一样，也仅对SDH有效。K参数用于表示一个VC-4的特定分支，K=1表示VC-4中只有一个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的是否还有分支。L=1表示TUG-3/VC-3/STS-1 SPE无法再分。L=2~8表示在相应高阶信号中的某个特定的TUG-2/VT组。M用于指示TUG-2/VT的分支。M=1表示TUG-2/VT不能再分，只包含一个VC-2/VT-6。M=2~3表示相应高阶VT组中的某个特定的VT-3。M=4~6表示相应高阶TUG-2/VT组中的某个特定的VC-12/VT-2，而M=7~10表示相应高阶TUG-2/VT组中的某个特定的VC-11/VT-1.5。M=0则表示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。
对于OXC设备来说，一次交换一组连续的光波长可以有效地减少单个光波长的波形失真，提高业务的传输质量。这种光波长组的交换可用光波段交换标签来表示，其标签格式如图4所示。

图4 光波段交换标签
Waveband Id：用于识别某个光波段，其数值由发送端OXC设备设定；
Start Label：用于表示组成光波段的最短光波长的数值；
End Label：用于表示组成光波段的最长光波长的数值；
(3)建议标签
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签来确定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引入建议标签来快速建立光连接。
建议标签由预备建立LSP通道的上游节点发出，告知下游节点建立这个LSP通道所希望的标签类型。这就可以让上游节点无需获得下游节点的反馈映射标签确认，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，同时也减少了LSP建立的控制开销。例如，OXC设备中使用光开关进行光波长交换，由于光开关的切换需要一定时间，可通过建议标签让光开关提前动作而不必等待反馈信息。这种提前配置LSP的方式对那些需要快速建立LSP的设备尤其重要，例如在光网络保护时，假如一条保护LSP通道不能及时建立，就会导致光网络出现严重故障。
当然，既然是一种建议标签，LSP通道的能否最终建立还需由下游节点反馈的"标签影射消息"确定。假如下游节点发现本节点的可用资源可以满足建议标签的请求，则LSP可按上游节点的要求建立起来。反之，只要下游节点反馈回不同于建议标签信息的"标签影射消息"，则上游节点必须根据该"标签影射消息"的内容重新配置LSP通道，这样反而造成需要更多的时间建立LSP。不过，由于GMPLS可以采用在节点之间定时分发标签的方式，让网络上的每个节点都能实时地知道全网拓扑资源的使用情况，从而让每个欲建立LSP通道的上游节点对下游节点的资源使用情况了然于胸，从而在分发建议标签时做到有的放矢。因此，利用建议标签提前建立LSP通道的方式是完全可行的，且建议标签可采用与请求标签类似的格式。
(4)设定标签
设定标签用于限制下游节点选择标签的范围，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光波长，例如某个光端机只能接收C波段光波长，而另一个则能在C+L波段中接收光波长；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LSP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光波长；第四，一条链路两端的设备支持的光波长的数目和范围都不尽相同。
设定标签可以和请求标签同时发出，它可以将建立某个LSP所需的标签类型限制一定范围内，下游节点根据设定标签中的信息有选择地接收标签，否则下游节点就必须接收所有符合要求的标签，从而造成LSP建立时间大大增加。设定标签的格式如图5所示。

图5 GMPLS设定标签
Reserved：保留字节；
Label Type：希望下游节点接收的通用标签的类别；
Action："0"表示希望接收以下子通道定义的标签；"1"不希望接收以下子通道定义的标签；
Subchannel：子通道标签的类型。子通道标签的格式与通用标签的格式相同，本处不再复述。
三 、GMPLS在ASON控制平面中的应用
1.控制平面功能
GMPLS在ASON中的应用主要集中在ASON控制平面，而控制面的最基本的功能包括：
·资源发现功能：提供一种能自动发现网络中可使用资源的能力；
·路由控制功能：提供路由能力、拓扑发现能力和流量工程能力；
·连接治理功能：利用前面所提到的功能来为不同业务提供端到端连接服务的能力。
连接治理可分为连接的建立、删除、修改和查询等几种不同的操作。连接建立操作答应用户通过UNI建立一条端到端的连接，即LSP；连接删除操作答应用户删除不再需要的LSP；连接修改操作答应用户改变现有LSP的属性，可以在不影响现有LSP正常运行的情况下对LSP中不适合的属性值进行改动；连接查询操作答应用户获得LSP的属性值。
此外由于光网络对生存性有着越来越高的要求，所以还要求控制平面具备良好的连接保护与恢复功能。
2.控制平面服务
控制面的引入使得光网络在多厂商环境下可以提供传统网络难以提供的服务。这些服务包括端到端连接的提供、自动流量工程、网状网的保护与恢复和光虚拟专用网（OVPN）等。
端到端的连接是控制平面所能提供的一项最基本的服务。控制面的引入使得操作人员所要做的只是确定连接所需的参数，并通过图形用户接口（GUI）方式或命令行的方式把这些参数传到输入节点中去，输入节点在接到用户传递过来的连接参数后，就能自动决定整条通路的路径并利用信令自动建立起一条端到端的通路，从而大幅度地缩短连接建立所需时间。此外用户还能够通过UNI接口向光网络提出建立实时性连接的请求，这就是按需带宽请求（bandwidth on demand）服务。这种按需带宽请求的能力尤其适用于具备业务突发性特点的IP网络。 除了上述这些服务外，OVPN也是一种给用户以极大灵活性的服务，它的出现使用户可以全权治理属于自己的那部分网络。但OVPN实质上是一个逻辑网络，它的引入一方面使用户可以治理自己的网络，另外一方面也向用户屏蔽掉了网络的实际情况。这就在大大降低运营商运营治理的复杂程度的同时又兼顾了安全性方面的需要。OVPN无疑将是未来很有前途的一种服务。
3.控制平面协议
为完成ASON控制平面的上述功能，我们必须使用一系列的公共协议。在这些公共协议中，GMPLS占据了非常重要的位置。GMPLS从功能平面对MPLS进行了扩展以便能支持基于非分组交换接口的通信系统。GMPLS首先定义了前面描述的几种通用标记，使用这些通用标记可以在非分组交换的LSR之间建立起LSP。这些非分组交换的LSR可以是SDH／SONET的ADM，也可以是数字交叉连接器，还可以是密集波分复用系统，或者是光交叉连接器。这些通用标记对象包括通用标记请求、通用标记、显式标记控制和保护标记。通用标记可以用来表示时隙、波长、波长频带和空分复用位置。 此外GMPLS还为实现非分组交换的LSP定义了新的功能，包括上游建议标记、标记组以及双向LSP的建立。这些功能是MPLS所不具备的。双向LSP的建立有助于缩短连接的建立时间和在出现故障时加速保护与恢复的实现。双向LSP对于电路交换类型的网络尤其重要。
4.信令协议
信令协议也是ASON控制平面中的一个重要问题。它主要是被用来完成连接操作任务的。具体来说，它要完成LSP的建立、删除、修改和查询等。当前存在两种广泛使用的信令协议，一种是基于受限路由的标记分发协议CR－LDP；另一种是基于流量工程扩展的资源预留协议RSVP－TE。这两种协议都能承载GMPLS协议中定义的所有对象，但由于这两种协议存在多方面的差异，所以在具体实现方面还有诸多不同。IETF设有两个不同的工作小组来具体进行这两个方面的工作。
5.路由协议的流量工程扩展
控制平面中不仅包含信令功能，还包括诸如路由和自动拓扑发现等功能，因此除了信令协议之外还需要其它的协议来完成ASON控制平面中的其它功能。我们知道路由协议主要起着传递信令消息和拓扑资源消息的作用，但传统路由协议的一个很大不足就是它本身不支持流量工程。流量工程这个概念对于分组交换网络和电路交换网络具有不同的含义。一般来说，流量工程的总目标是要达到网络资源及其使用最大化的目的。对分组交换网络而言，这个目标就具体化为使丢包率和时延最小而输出最大；对电路交换网络而言，流量工程目标就具体化为使资源利用率和通道可靠性最高。
这里主要考虑电路交换网络的流量工程，这样其目标就转化为在用户请求的基础上对最优通道的实时性选择。这里流量工程的参数具体包括链路复用能力、最大与最小带宽能力、共享风险链路组支持能力、保护支持能力以及流量工程矩阵等。
　 具备流量工程能力的路由协议和传统路由协议之间的主要差别在于，前者在网络中会周期性地发送一种可选包，这种可选包内含有可用资源消息和流量工程参数信息。当网络中的网元接收到这种可选包后，应该能使用这种包中所携带的信息来进行最佳路由计算。
因此，可以得出这样的结论：那种具备流量工程能力的路由协议应该支持资源发现、拓扑发现和流量工程能力本身。与信令协议情况类似，当前也存在着两种广泛使用的经过扩展的路由协议，这就是支持流量工程的IS-IS协议和开放式最短路径优先协议（OSPF）。同样，在IETF也设有两个不同的小组来进行这方面的标准化工作。
6.链路治理协议
为了在网元之间能进行对表征交叉连接的GMPLS标记的正确通信，需要在网元之间标识出正确的连接端口。这种功能是通过链路治理协议（LMP）来完成的。LMP除了完成网络之间正确连接的确认之外，还具备链路绑定、资源信息发现与上报等功能。这些功能有助于网络可扩展性和规模性的实现。LMP适用于任何类型的网络，尤其是光网络。
四、 小结
控制面的引入使光网络产生了巨大的变化，而GMPLS则成了实现ASON网络控制面的最佳核心协议。它不仅提供了一种多层次的、多厂商的控制平面的互操作，还使得新类型服务成为可能。并且，由于GMPLS和ASON控制平面的出现，运营商不必再在链路治理方面花费巨大的人力和物力。ASON控制平面还支持网络的自动流量工程、网络自动拓扑发现和自动业务发现等。除此之外，ASON控制平面在GMPLS的支持下还能支持多种保护与恢复方案。总的看来GMPLS和ASON控制平面的出现是光网络中划时代的革命性进展。
参考文献：
1． 李培源，龚涌涛.基于GMPLS的自动交换光网络.现代有线传输，2002.12（4）
2． 曾智龙. GMPLS--IP与WDM无缝结合的要害.http://www.china-pub.com/computers/emoook/1611/info.htm
3． 毛东峰，文静，龚涌涛，顾畹仪. 通用的多协议标签交换GMPLS的信令技术.电信科学[J]，2003.1
4． 张成良，荆瑞泉.ASON技术发展与网络演进.电信科学[J]，2003.3
5． ITU-T Rcommendation G.8080.Architecture for the automatically switched optical network(ASON),Geneva 2001.11
6． Banerjee, et. al. Generalized multiprotocol labels witching: An over view of routing and management enhancements[J]. IEEE Comm.Mag.,2001,39(1):144-150.
7． BanerjeeA, et. al. Generalized MPLS Signaling functional description[EB/OL]. draft-ietf-mpls-generslized-signaling-08.txt，April 2001.
8． Transport Network [EB/OL]. draft-xu-mpls-ipo-gmpls-arch-00.txt. April 2001