[科普中国]-通用多协议标签交换

简介

多协议标记交换(MPLS)是一种非常适合于在电网络中传输数据业务的技术，他采用基于约束的路由技术可以实现流量工程和快速重新选路，可以满足业务对服务质量的要求。然而，MPLS毕竟是一种位于OSI七层模型中的第3层和第2层之间的2.5层技术，而光网络中的光层是第一层物理层的技术。因此，要让MPLS跨过数据链路层直接作用于物理层，必须对其进行修改和扩展。在此情况下，IETF推出了可用于光层的通用多协议标签交换GMPLS技术。GMPLS的引入，不仅带来了网络的智能，同时也使传统的网络4层结构得以简化为2层结构。

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、光波长、光波长组、光纤等；为了充分利用光网络的资源，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管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议LMP（Link Management Protocol）2。

GMPLS接口GMPLS定义了5种接口类型，分别是：

分组交换接口PSC（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。

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。

时隙交换接口TDMC（Time Division Multiplexing Capable）：根据TDM时隙进行业务转发。

波长交换接口（Lambda Switch Capable）：根据承载业务的光波长或光波段转发业务。

光纤交换接口FSC（Fiber Switch Capable）：根据光纤在物理空间中的实际位置对其转发2。

通用标签MPLS通过在IP包头添加32b的“shim”标签，可使原来面向无连接的IP传输具有面向连接的特性，加快IP包的转发速度。GMPLS对标签进行了扩展，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。其中，分组交换标签与传统MPLS标签相同，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2。

请求新标签请求标签用于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。其格式如图所示。

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所示。

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，其标签格式如图所示。

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。

建议标签由准备建立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。当然，既然是一种建议标签，LSP通道能否最终建立还需由下游节点反馈的”标签影射消息”确定。如果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，如果下游节点反馈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，造成需要更多的时间建立LSP。不过，由于GMPLS采用了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及资源的使用情况，从而在分发建议标签时做到有的放矢。建议标签可采用与请求标签类似的格式2。

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；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，他可以将建立某个LSP所需的标签类型限制在一定范围内，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所示。

标签交换路径LSP层次化LSP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。如图所示，LSP1，LSP2，LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套关系。LSP1在最低层，他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，他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）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分层后，带来的好处是明显的。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。

LSP分层是通过GMPLS标签栈技术来实现的。传统MPLS在中间LSR转发时，是用新的MPLS标签替代旧的标签，而标签压栈在一个低级LSP嵌入到高级LSP时，先保留原GMPLS标签，再在原标签的头部添加新的标签。使用标签栈时，由于接口形成的分级，新的标签与被压栈的标签可能在形式上不一样，比如从TDMC LSP来的分组进入到LSC LSP时，被压入标签栈的标签是时隙形式的，而新分配的标签应该是光波长形式的2。

双向LSP在传统MPLS中，要建立双向LSP就必须分别建立两个单向的LSP，这种方式存在LSP建立的时延过长’开销过多’可靠性差’管理复杂等缺点。为了解决以上问题，GMPLS特别定义了建立双向LSP的方法。双向LSP规定两个方向的LSP都应具有相同的流量工程参数，包括LSP生存期、保护和恢复等级、资源要求（如时延、抖动等）。由于在GMPLS的双向LSP中，上行和下行的数据通路均采用同一条信令消息，两个LSP同时建立，可以有效地降低LSP的建立时延，同时也可减少建立LSP所需的控制开销。

既然是采用同一条信令消息建立双向LSP，网络中就不存在上游和下游的区别，一个双向LSP的上游和下游都必须分配有标签。由于LSP的两个端点都有权发起建立LSP，而在LSP建立请求的发送过程中，如果双方同时被分配同一资源（端口），就会发生标签竞争，产生冲突。为了解决这一问题，GMPLS采用比较双方“NODE ID”大小的方式，以ID较高的节点作为LSP建立的发起方。当然，GMPLS同时也建议采取其他一些机制来减小这种竞争发生的概率。

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，特别是当TDM与光交换由不同设备完成时，进一步细分是非常必要的。在GMPLS网络中，分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换4个层次的网络云可以被看成4个自治系统。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一个自治系统（>(），各自治系统间的路由信息交换由边缘路由器上运行的域间路由协议来实现。

在传统的路由网络中，两个内部网关协议（IGP）邻居之间必须用物理链路直接相连，否则二者不能成邻居。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管理协议（LMP），他是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，在人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，他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。

GMPLS信令GMPLS信令的基本功能包括LSP的建立、删除、修改、出现故障后的恢复以及出现非正常情况时的例外处理方法。GMPLS采用带外信令网络，这种带外通道必须是双向的。另外，带外信令网络用于传送控制信息，采取特殊的措施以保证传送的可靠性。他包含3个协议：

信令的功能描述（GMPLS-SIG）协议；

扩展的RSVP-TE（GMPLS-RSVP-SIG）协议；

扩展的CR-LDP（GMPLS-CR-SIG）协议。

后面两个协议具有相同的功能，分别从RSVP-TE及CR-LDP两个支持MPLS流量工程的信令协议扩展而成。GMPLS可允许选其中任何一个，由于两者不能兼容，所以一个网络只能选用其中之一。

链路管理链路绑定：传统的MPLS技术针对分组，网络中一对节点之间很少有10条以上的平行链路，而在光网络中，两个节点之间可能有上百条平行的光纤，且每根光纤还要承载上百个波长，要为每个PSC，L2SC，TDMS，LSC和FSC都分配一个独立的IP地址是不可能的，所以必须采用新的控制机制来标识每条链路，以减少需要分发的大量链路状态信息。GMPLS引入了链路绑定的概念来解决以上问题。所谓链路绑定是指将那些属性相同或相似的平行链路绑定为一个特定的链路束，而在链路状态数据库中则用这个绑定的链路束来代表所有这些平行的链路。采用这种方法后，整个链路状态信息数据库的大小就会减小很多，相应的链路状态控制协议所需做的工作也会得到缩减。

无编号链路在MPLS网络中，所有的链路都必需分配惟一的),地址以进行识别。而前文已经提到，在GMPLS网络中，为每条光纤、波长、时隙和分组都分配一个IP地址，是不太可能实现的。为此，GMPLS采用无编号链路的方法来解决这个问题。所谓无编号，是指不用IP地址标识链路而采用替代方法，即在每个网络节点对链路进行本地编号，以链路经过设备的ID号或接口号作为链路的识别标志。这将大大缩小路由信息库的内容，减少链路配置的数量。

链路管理LMP协议为了增强GMPLS技术对链路的管理能力，GMPLS专门定义了链路管理协议LMP。LMP是用于在相邻两节点之间提供控制信道管理、链路连接性验证、链路所有权关联和链路故障管理等的实施规程。其中，控制信道管理和链路所有权关联是必须实现的，其他几项是可选的。

控制信道管理：控制信道用于在两个邻接节点间承载信令、路由和网络管理信息，他可以是带内或带外的。在一对节点间，可能同时存在很多的控制信道。在这些控制信道中，应保证至少有一个信道是始终可用的，当一个控制信道失败时，可以不加协商的切换到另外一个控制信道。LMP为了建立一个控制信道，必须知道远端节点的IP地址，可以采用手工配置的方法，也可以采用自动发现的方法。每一个控制信道单独使用一个快速的HELLO协议用于控制信道参数的协商和连通性的维护。

链路所有权关联链路所有权交换可进行链路绑定，可以修改、关联和交换链路的流量工程参数。

链路连通性验证链路连通性验证主要用于验证数据链路的连通性，他通过发送Ping类的测试消息逐一验证所有的数据链路（包括链路束中的每一个组成链路）。

故障管理故障管理通常包括故障检测、故障通告、故障定位。

GMPLS存在的问题安全性GMPLS的标签是用于加速数据转发的，标签仅在局部有意义，只能被GMPLS设备理解使用。因此这些标签不能用于实现网络的访问控制和网络安全。

协同工作性GMPLS允许两个相似的网络通过其他不同的网络传输需要交换的控制面和数据面的信息。但不同类型网络协同工作面临几个问题：

由于不同网络使用的协议不同，控制面的协同工作非常复杂；

用户数据通过不同类型网络传输时必须要维持端到端的服务质量不变；

GMPLS支持多种交换能力，因此在数据面协同工作的内容就有了多种不同组合。需要解决网络间协同工作的细节问题。

网络的动态平衡网络的动态平衡是指在网络状态发生变化时，通过路由协议与信令机制在全网范围内传达这一变化，并协调数据传输过程。当在GMPLS网中增删资源时，需要交换的控制信息要比传统的IP网多得多。因为GMPLS使用流量工程模型，包含了一组和数据链路相关的流量参数$可以完成基于约束的路由LMP等。从理论上可以推断出当网络发生中断时GMPLS网要比传统IP网用相对长的时间获得新的网络平衡状态3。