GMPLS 的关键技术

王斌　丁炜
北京邮电大学宽带通信网实验室
摘 要 GMPLS是MPLS向光网络扩展的产物，能支持分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换。本文先对MPLS做了回顾，然后对GMPLS的标签、层次化LSP、路由与寻址、信令和链路治理等方面一一加以分析，最后对GMPLS的意义提出了一些尚待解决的问题。
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。
如图2所示，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。
3.2 路由与寻址
GMPLS将网络划分为两个层次：分组交换层（PSC）和非分组交换层。非分组交换层还可以细分，非凡是当TDM与光交换由不同设备完成时，进一步细分是非常必要的。例如，图1中有4个网络云分别是：PSC Cloud（分组交换网络云）、TDM Cloud（时分交换网络云）、LSC Cloud（波长交换网络云）和FSC Cloud（光纤交换网络云），4个网络云可以被看成4个的自治系统。每个自治系统又可以分成多个路由域，每个路由域可以运行不同的内部路由协议（GMPLS定义了两种扩展的IGP协议：OSPF-TE和ISIS-TE）。每一个非分组交换层可以自成为一个AS（自治系统），各自治系统间的路由信息交换可由边缘路由器上运行域间路由协议来实现（如BGP4）。
在传统的路由网络中，两个IGP的邻居之间必须用物理链路直接相连，否则二者不能成为邻居。GMPLS重新定义链路概念，规定网络有权将部分LSP作为链路，并在路由域内进行通告。为此，GMPLS还设计了一个复杂的链路治理协议（LMP），它是GMPLS体系中一个非常重要的组成部分。
GMPLS规定了两种寻址方式：显式路由和逐跳路由。显式路由类似于源路由技术，在入口处指定路径中的每个节点；而逐跳路由则是由中间的每个节点自行决定下一个出口节点。很显然，逐跳路由模式要求中间的每个节点拥有全路由，它对设备路由处理能力的要求是非常高的。所以为了降低对传输网络设备的要求，GMPLS指定显式路由（包括宽松型和严格型）作为设备必须具备的能力，将逐跳路由作为可选能力。
3.3 链路的绑定和无编号链路
随着新的业务不断增多，未来网络的两个交换设备之间可能有上百条光纤，每条光纤上又有上百条波长通路。为每一条光纤、每一条波长通路和每一条时隙通路都分配一个IP地址是不可能的，因为这样会大大减少IP地址空间和加重治理负担。为了解决这个问题，GMPLS采用了两种机制，即链路绑定和无编号链路。链路绑定的具体做法是提取并行链路的一些共性，并将这些共性作为一条绑定链路的属性，它的好处是大大减少了链路状态数据库的大小，降低了维护开销；无编号链路是为了减少IP地址的使用而提出的，具体做法是用一个二元组［Router ID，Link Number］来表示链路的地址。其中，链路号的通告需要扩展相应的路由协议。
3.4 GMPLS的信令
为了适应光网络，GMPLS在继续MPLS信令的基础上，对原有的协议进行了扩展。这些更新和扩展主要包括：
（1）与MPLS-TE的信令过程相同，GMPLS的LSP建立过程也是由上游节点向目的端发出“标签请求消息”和目的端返回“标签映射消息”。所不同的是，“标记请求消息”中需要增加对所要建立的LSP的说明，包括LSP类型（PSC/TDM/LSC/ FSC）、载荷类型和链路保护方式等。
（2）为了达到优化的目的，上游节点可以向下游节点推荐建议标签（下游可以不采纳建议标签）。建议标签可以大大减少在收发端建立双向LSP的时间，减少信息传输的延迟时间。
（3）支持双向LSP是GMPLS信令的一个重要特征。双向LSP在每一方向上都有相同的流量工程要求，包括生存期、链路的保护与恢复、资源要求（如时延和抖动）。双向LSP的上行数据通路和下行数据通路采用统一信令消息，这样可以减少LSP的建立时间和网络上传输建立LSP的信令开销。双向LSP的两个端点都有权发起LSP的建立过程，假如双方被分配同一资源（如端口号），就会发生标签竞争，如何处理这一冲突，GMPLS建议采用比较双方Node ID大小的方式，较高的ID号的请求轻易满足。
（4）为了快速处理故障，GMPLS采用了故障通告的机制，故障通告的机制采用通告消息来通告故障的邻近节点处理故障，这样就可以防止一些中间节点处理这些通告消息，避免故障点的状态被改变。通告消息已经被加入到RSVP-TE中，它不会替换RSVP中已存在的错误通告信息。
3.5 链路治理
GMPLS定义专门的链路治理协议（LMP）来治理两节点间的链路，其内容包括控制信道治理、链路属性关联、链路连接性验证和故障隔离/定位。其中后两项为可选项。
3.5.1 控制信道治理
控制信道是实现两相邻节点控制平面功能（如信令、路由和治理信息）的重要基础。为了保证控制信道的可靠性，GMPLS建立了专门的双向控制信道（与数据信道相隔离）来处理两节点间众多的独立或绑定的链路。
控制信道配置好后，就开始使用一个“Hello”协议来建立和维护两节点之间的连接。“Hello”协议分为协商阶段和保持阶段，协商阶段可以对一些基本参数进行协商；保持阶段进行“Hello”信息的传递。GMPLS通过控制信道接口来治理和配置控制信道（每个控制信道接口可以包含多个控制信道），完成使用哪一个控制信道来传输信息。控制信道可以采用显式配置，也可以采用自动配置。
3.5.2 链路属性关联
交换链路属性可以动态改变链路的特性，增加链路、改变链路保护机制、改变端口标识符等。
3.5.3 链路连通性的验证
链路连通性验证是一个可选的规程，在“Hello”协议协商阶段会商讨是否启用此规程。链路连通性验证规程主要用于验证数据链路的连通性，也可以在RSVP-TE和CR-LDP信令中用来交换链路的标识。验证数据链路的连通性可以通过发送Ping类的测试消息逐一验证，测试信息是通过数据链路传输的。
3.5.4 故障隔离/定位
故障定位对于网络运营非常重要。快速的故障定位是实现快速自愈和快速人为响应的前提。
故障隔离/定位也是在“Hello”协议协商阶段决定是否启用此规程，故障定位分为两个阶段：故障检测和故障通告。对于光网络而言，故障检测应在光层完成，这里距故障点最近。假如数据链路出现故障，所有下游节点的电源治理系统就会探测到光信号的丢失，并指示故障的发生。下游节点立即向它的上游相邻节点发送一个信道故障告警信号，上游节点收到此告警信号后马上检测该LSP相应的输入和输出端口是否有故障，再向下游节点返回一个信息，从而对故障点进行具体的定位。
4 结束语
通过上面的讨论，我认为MPLS扩展到GMPLS，将会对未来的交换构架和控制起到重要作用。基于GMPLS的统一控制平面会增加网络的智能性，使得相互连接的网络单元更好地工作。所有的网络单元在GMPLS的控制下，对等地协同工作，动态地建立跨越不同类型网络的标签交换路径，从而节省高昂的网管维护费用，为在短时间内供给高带宽和新的增值服务提供了保障。当然，使GMPLS真正成为互联网的统一控制平面所要走的路还很长，有很多信令和路由协议有待于不断地修改和完善，以适应不同技术的要求。
参 考 文 献
［1］ Lang J P，ｅｔ ａｌ . Link Management Protocol，Internet draft . Mar 2001
［2］ Kompella K, ｅｔ ａｌ . LSP Hierarchy with MPLS TE，Internet draft . Mar 2001
［3］ Ashwood-Smith P . ｅｔ ａｌ . Generalized MPLS - Signaling Functional Description， Internet draft . Apr 2001
［4］ Banerjee A，ｅｔ ａｌ . Generalized multiprotocol label switching: an overview of routing and management enhan- cements . IEEE Commun Mag，Jan 2001
［5］ Banerjee A，ｅｔ ａｌ . Generalized multiprotocol label switching: an overview of signaling enhancements and re- covery techniques . IEEE Commun Mag，July 2001