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发信人: dormouse (出征 V 号带飘扬), 信区: Communication
标  题: 多协议波长标签交换技术
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日21:47:10 星期三), 站内信件

多协议波长标签交换技术

北京邮电大学纪越峰

    随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务的高速增长，ＷＤＭ光网的飞速发展以及实时业务
和多媒体应用的增加，在网络带宽、服务质量（ＱｏＳ）、可扩展性及对新业务的
适应性方面对现有的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ路由技术提出了极大的挑战。ＩＰ技术如何
与光网相结合、如何赋予光网一定的智能性、如何提供保证的ＱｏＳ服务等问题已
摆在人们面前。由多协议标记交换ＭＰＬＳＭｕｌｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌＬａ
ｂｅｌＳｗｉｔｃｈｉｎｇ　引伸出的多协议波长标签交换ＭＰＬｍＳ Ｍｕｌ
ｔｉｐｒｏｔｏｃｏｌＬａｍｂｄａＳｗｉｔｃｈｉｎｇ，简写ＭＰＬｍＳ　技
术以其诱人的技术特征、充满活力的驱动力量和良好的发展潜力正为业界所注目。

    一、多协议标签交换（ＭＰＬＳ）技术
    ＭＰＬＳ是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ核心网络路由／转发技术最为关键的一个发展环
节，ＭＰＬＳ提供了第三层（Ｌ３）路由控制和第二层（Ｌ２）交换转发的无缝综
合，结合了两者的优点，试图解决影响Ｉｎｔｅｒｎｅｔ发展的许多复杂问题，如
网络带宽、转发性能、可扩展性、多厂商互操作性、流量工程（Ｔｒａｆｆｉｃ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）、ＱｏＳ、ＶＰＮ等，图１给出了ＭＰＬＳ的基本结构
。
    ＭＰＬＳ采用集成模型，解决了以往重叠模型的许多固有问题，并具有多厂商
的互操作性且可以运行于任何链路层技术之上。ＭＰＬＳ不同于传统ＩＰ网络基于
最长地址匹配路由查找和逐跳的分组转发方式，而是与ＡＴＭ类似，采用固定长度
、易于处理的标签代表分组头，通过对标签的查找处理进行分组的转发。ＭＰＬＳ
将ＩＰ业务移植到面向连接的ＡＴＭ或帧中继基础设施上。实现的方法是将路由选
择平面与转发平面分开，创建一个标签交换平面，借助于３２位标签为每一个数据
分组指定通过网络的合适路由。ＭＰＬＳ网络采用标准的第三层分组处理方式进行
路由控制，采用标准的第二层标签交换方式进行分组转发。
    二、ＭＰＬＳ向光网进军
    由于传统的ＩＰ网络只能提供尽力而为的服务，不具有ＱｏＳ和流量管理能力
，但ＩＰ网络简单灵活，极具智能性，并且成本低廉。现有的光纤骨干网采用ＷＤ
Ｍ技术，能够提供巨大的带宽容量，但目前基本上还多为点到点的应用，在很大程
度上还没有形成一个真正的网络拓朴结构，并且几乎不具备智能性。未来的网络发
展趋势则是将这两种不同的网络结构进行无缝的融合，充分利用光纤网络的巨大带
宽和ＩＰ组网的智能性，真正的实现适合于数据业务传输的智能化光纤传送网络，
其典型特征之一是由目前的统计业务波长光通道向更加动态的分组／标签交换发展
。在这种情况下，ＭＰＬｍＳ应运而生。
    ＭＰＬｍＳ是传统电ＭＰＬＳ在光域上的扩展，它直接采用第一层（光波长级
）的交换来处理第三层的ＩＰ路由转发，将标签与ＷＤＭ波长信道关联起来，其分
立波长或光纤信道类似于标签，并通过ＭＰＬｍＳ信令来指配光信道。从而大大简
化了网络的层次结构，并具有更强大的业务管理、流量工程、ＱｏＳ保证的功能。
ＭＰＬｍＳ是构建新型网络的管理控制平台，通过它可将ＩＰ等各种业务无缝的接
入到具有巨大带宽的光纤网络上来，是构建未来新型网络的有效方法。
    通过分析目前的网络构架可以发现，许多厂商现在完成的主要工作都集中在如
何为ＷＤＭ网络定义出一个低层协议，以便为高层协议（ＩＰ，ＡＴＭ，甚至是Ｓ
ＯＮＥＴ／ＳＤＨ）提供一个"电路交换"业务。这种方法将在ＩＰ层和光纤之间引
入另一个网络级的"接入层"，增加了网络管理和操作的成本。随着光网络设备价格
的降低和普遍使用以及光分组交换技术的出现和发展，预示着一个能带来更多收益
的交互网络离我们已越来越近，因此有必要提出一种新的数据网络与光网络进行交
互融合的方案。而利用ＭＰＬｍＳ来构建网络，其最大的好处在于它可以覆盖光网
络拓扑未来演进的整个范围，从电路交换到分组交换、到混合粒度的交换等。
    三、多协议波长交换（ＭＰＬｍＳ）网络的基本原理
    ＭＰＬｍＳ把ＭＰＬＳ标签交换的基本概念应用到了光域，采用光波长作为交
换的标签，将第三层路由转发与第一层（光层）的光交换进行了无缝融合，利用波
长来寻找路由，并标识所建立的光通路，为上层业务提供快速的波长交换通道。光
网络节点被看做是ＭＰＬＳ设备，ＭＰＬｍＳ光网络的边缘采用标签栈，它将更小
的电ＭＰＬＳ设备节点的ＬＳＰ整合进更大的波长ＬＳＰ中。ＭＰＬｍＳ域的中间
节点在数据传输过程中不再运行任何电的标签处理，并且只有有限个标签处理操作
在光域上实现。利用这些功能，波长标签方案将ＭＰＬＳ的控制平面粘贴到光波长
路由交换机／光交叉连接设备的上层，并将它看做是具有ＭＰＬＳ能力的节点，即
光波长交换路由器（Ｏ－ＬＳＲ）节点。实际上最初ＭＰＬＳ的标签交换的目的是
运行第二层的快速转发来处理第三层的数据流，人们延伸了这种想法，波长标签在
本质上是运行第一层（如光层）转发来处理第三层的数据流。尤其是在ＭＰＬｍＳ
标签和ＷＤＭ波长通道之间，允许使用ＭＰＬｍＳ信令来建立光路径通道。例如，
一个在对等ＭＰＬＳＯ－ＬＳＲ之间的端到端的光路径等价于一个粗粒度的ＬＳ
Ｐ，称为波长ＬＳＰ等。通过这个方案，网络的层次结构得以进一步简化，波长
标签交换使路由过程更易于实现，并可以利用已建成且在运行的光网络的一切特性
，如波长通道的选路和安排，波长汇聚，通道恢复和保护等。
    一旦ＬＳＰ通路的波长ＬＳＲ队列建立以后，在数据传输过程中，外部标签的
查找和处理过程就不再进行。通过ＭＰＬｍＳ网络，可以始终确保光通道的提供和
保护。因为Ｏ－ＬＳＲ节点已经分配了ＩＰ地址，所以此时光域也不需要一个单独
的地址和地址解析。
       目前的ＬＤＰ协议中包含了几种不同的消息格式：例如确认、ｈｅｌｌｏ
、初始化、激活、地址、地址撤销、标签映射、标签请求、标签请求终止、标签撤
销和标签释放等。Ｏ－ＬＳＲ节点可以利用这些已有的消息及其在光域的扩展形式
来建立、保持和拆除波长ＬＳＰ通道，并经由合适的本地接口来控制ＯＸＣ的设置
（如交叉连接矩阵的关系表）。
    四、ＭＰＬｍＳ网络的交换粒度
    在ＭＰＬｍＳ网络中，网络的边缘是ＩＰ路由器构成的ＩＰ子网，网络核心由
光交叉连接设备（ＯＸＣ）来建构。在交换多通道ＷＤＭ光网络中采用光交叉连接
ＯＸＣ，引入了很多新的优点，能够支持快速的和更加灵活的ＩＰ业务提供。为了
达到这样的目的，关键是能够提供自动建立和拆除通过光网络路径（光通道）的能
力，并能够为ＩＰ服务提供平衡这种能力的手段。因此，有必要建立所需的支持协
议和机制。
    五、光ＭＰＬｍＳ与电ＭＰＬＳ异同浅析
    由ＯＸＣ构建的光ＭＰＬｍＳ网络与传统的电ＭＰＬＳ网络有所不同，在考虑
网络的体系结构时应该注意到这些差异。
   １．在一个光传送网络（ＯＴＮ）内，ＯＸＣ交换光通道实施数据包的转发，
但带宽的粒度差别很大，一个ＯＸＣ的交换粒度要比ＩＰ路由器的大许多。此外路
由器必须对每个数据包的分组头进行检查，以获得所需的路由信息，即使ＬＳＰ建
立后，入口边缘路由器ＬＥＲ仍旧需要检查分组并作业务分类和ＦＥＣ／标签绑定
映射工作，而ＯＸＣ则不然，ＯＸＣ基于每一个光通道进行操作，不需要等价的Ｉ
Ｐ数据包路由计算和标签映射操作（包括光标签交换）。从入口ＬＥＲ进入光ＬＳ
Ｐ通道的业务通过ＯＸＣ交换到出口光通道。此光通道可以运载任何业务类型和速
率的用户负荷，并且通过ＯＸＣ透明地传输。
    ２．在路径建立拆除的频率和连接持续的时间二者有所差别。在一个ＯＸＣ网
络中，由于光连接的高带宽特点，频繁的拆除、建立会影响大量的业务传送，所以
总是期望它们能够持续一段较长的时间。
    ３．当运载ＩＰ业务的带宽增加到超过１０Ｇｂｉｔ／ｓ时，将希望在光通道
水平的粒度上（经由ＯＸＣ）进行更多的带宽选路和处理过程，而不是在ＩＰ的水
平上（经由路由器）。
    ４．建立一个ＬＳＰ与在光层建立一个光连接所需要消耗的资源也是不同的。
当一个ＬＳＰ建立时，唯一的资源消耗是用来标定此标签映射所需的存储空间。而
当一个光连接建立时，此连接的全部容量就会从网络可用容量中减掉。对应于到来
的数据包，需要确定是否值得为此业务建立一条连接，而如果没有一个预先的经验
和可靠的可用业务量，一个高容量的连接未必能够建立。
    六、ＭＰＬｍＳ网络中的波长路由器
    在ＭＰＬｍＳ网络中，波长路由器的地位举足轻重。在基于ＭＰＬｍＳ的光波
长标记交换网络中的波长路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用
于与速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成ＭＰＬｍＳ中较复
杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标记交换、
和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管理和分配网络资源，并
能较有效地实现业务管理及网络的保护、恢复。
    波长路由器的构成按实现技术可分为软件系统和硬件系统两大部分。软件包括
：传输协议（ＴＣＰ／ＩＰ，ＵＤＰ／ＩＰ），路由协议（内部：ＯＳＰＦ，ＩＳ
－ＩＳ，ＲＩＰ，ＥＧＰ；外部：ＢＧＰ），信令协议和管理协议（ＳＮＭＰ，Ｔ
ｅｌｎｅｔ，ＭＩＢ Ⅱ）；硬件包括：交换机构（多个交换卡），转发处理器，
路由处理器，物理线路接口卡（其上有各种适合不同媒质类型的接口和缓存存储器
（包括信息包缓存和路由缓存）。硬件系统在软件系统的配置驱动下完成数据包的
路由交换功能。
    基于ＭＰＬｍＳ的波长路由器中的交换机构由光交叉连接设备ＯＸＣ构成，路
由处理由ＩＰ路由器完成，分组处理由打包／拆包处理器来进行，同时这几个部件
都基于ＭＰＬｍＳ的标签交换控制的硬件管理下。
    由于波长选路所需的时间较长，而ＭＰＬｍＳ采用波长作为标签，所以可将光
交叉连接设备视为标签交换路由器进行网络控制和管理，从而极大的降低了选路的
复杂性和所需要的时间。ＭＰＬｍＳ利用ＩＰ选路协议来发现拓朴，并对现有的Ｏ
ＳＰＦ，ＩＳ－ＩＳ等进行扩展来交换计算ＬＳＰ时所需要的链路状态拓朴、资源
可用信息和策略信息，利用ＬＤＰ，ＲＳＶＰ等信令协议及其扩展为ＬＳＰ通过网
络保留资源或规定相应的显式通道。为将ＭＰＬｍＳ选路协议和信令协议与光交换
机相适配构造波长路由器，必须对ＭＰＬｍＳ作相应的扩展和修改：建立新的链路
管理协议（ＬＭＰ）处理光网络的链路管理，扩展适配的ＯＳＰＦ／ＩＳ－ＩＳ协
议来公告可用的光网络资源，扩展适配的ＲＳＶＰ来提供光网络所必须的流量工程
能力，使得ＬＳＰ可以在整个光核心网络上实现显式标记。
    七、ＭＰＬｍＳ面临的关键技术问题
    实现ＭＰＬｍＳ系统和网络需要解决以下关键问题：
    １．ＭＰＬｍＳ光标签分配算法与格式。与ＩＰ网络不同，光网络波长通道
数量十分有限，所以必须精心设计ＭＰＬｍＳ标签分配算法以合理利用资源。此外
要提出新的光标签的格式以满足不同带宽粒度需求，以及用于光网络ＭＰＬｍＳ的
ＬＤＰ消息类型和格式。
    ２．光网络拓扑发现机制。ＭＰＬｍＳ需要光网络设备自动获取并跟踪网络
拓扑结构，传统的ＩＰ路由协议ＯＳＰＦ、ＩＳ－ＩＳ没有考虑光网络链路的波长
资源与光通道的模拟参数（带宽、延时、损耗、色散等），有必要根据上述特点改
进路由与拓扑发现算法。
    ３．支持ＭＰＬｍＳ的有关协议的扩展。要将ＭＰＬＳ的概念真正的引入光层
，实现ＭＰＬｍＳ，必须对原有的路由协议和信令协议，如ＯＳＰＦ、ＩＳ－ＩＳ
、ＲＳＶＰ、ＬＤＰ、ＣＲ－ＬＤＰ等进行一定的扩展以适应于光域的特性。
    ４．业务整合。网络边缘节点引入业务整合机制能够提高波长带宽利用率，
但会增大业务的延时，需要有新的业务适配算法综合考虑带宽使用率、队列大小、
优先级、光通道建立时间以及业务的ＱｏＳ参数，优化业务适配粒度使之满足波长
带宽传输需求。
    ５．ＭＰＬｍＳ流量工程。ＭＰＬＳ的流量工程同样可以应用在光网络中，
通过建立波长通路，针对网络实时状况重选路由和实现拥塞控制，以优化网络结构
，尤其对ＩＰ光网络的综合自愈有重大意义。
    ６．ＲＷＡ（选路与波长指配）算法。传统的ＲＷＡ算法比较适合于相对静
态的光网络，采用ＭＰＬｍＳ技术后波长分配的需求产生形式与频率都不可预测，
对ＲＷＡ的时间要求十分严格，传统算法多数无法胜任。
    ７．光网络的性能监测与智能化管理。在ＭＰＬｍＳ光网络中，为实现具有智
能化的管理功能，需要得到有关波长通道的详细信息，并把这些信息有效地送往各
个网络控制实体和相应的网络单元。
    ８．ＭＰＬＳ／ＭＰＬｍＳ综合自愈。传统光网络的光复用段保护倒换与光
通道保护倒换技术为光网络提供快速、高效的自愈能力，ＩＰ网络的ＭＰＬＳ自愈
的特点则是带宽利用率高、抗多重故障能力强、设备成本低。采用ＭＰＬｍＳ技术
后可以综合两者优点，但在具体实现时如何避免多层网络自愈的功能重叠、协调机
制与动作冲突引起的误操作，仍是要探讨的问题。
    八、ＧＭＰＬＳ在光域上的扩展
    目前已有公司提出了ＧＭＰＬＳ技术，ＧＭＰＬＳ的体系结构扩展了ＭＰＬＳ
，将时分系统和空间交换系统包含进来，并对ＧＭＰＬＳ在光域的应用进行了相应
扩展。ＧＭＰＬＳ的焦点在于如何实现这些不同层次之间的控制平面的协调作用，
因为它们每一个层次都可以使用完全不同的数据或转发平面。这里涵盖了控制平面
的信令和路由部分。
    ＧＭＰＬＳ体系结构涵盖了为多个交换层次建立一个一致的控制平面所需要的
主要构建模块。它可以应用于不同的模式：如重叠模型，扩展模型也称集成模型。
进一步的，每一邻接的层次间都共同工作于不同的方式下，ＧＭＰＬＳ的体系结构
的引入使得不同的厂商和运营者进行某种程度上的联合成为可能。ＧＭＰＬＳ中的
ＬＳＲ或这些ＬＳＲ上的接口可以细分为若干等级：分组交换能力（ＰＳＣ）接口
、时分复用能力（ＴＤＭ）接口、波长交换能力（ＬＳＣ）接口和光纤交换能力（
ＦＳＣ）接口。
    由于采用了ＷＤＭ技术，使得在两个直接相邻的节点间拥有了非常大数目的平
行链路，这样多的链路在原有的ＩＰ或ＭＰＬＳ控制平面是没有预料到的，必需对
这种控制平面作一些适应性修改。因此为了减少所需要分发的大量的链路状态路由
信息，引入了链路捆绑的概念。同时为了自动并快速的对链路实行操作管理，引入
了链路管理协议（ＬＭＰ），它运行于邻接节点之间的数据平面上，用于链路提供
和故障隔离。
    综上所述，人们可以利用ＭＰＬｍＳ作为ＩＰ和ＷＤＭ之间结合的中间桥梁构
建新型网络的管理层面。针对以上这些问题，目前国际上的一些研究机构与标准化
组织都在积极努力，不断推进实现进程。为此我们不能仅仅是拭目以待，更重要的
是早日开展有针对性的研究工作与示范工程，当下一代光传送网--智能光网络（Ｉ
ＯＮ）的梦想成真之时，我们也应该占有一席之地。

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    I am dormouse.    我是睡鼠
    too lazy.

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: dormouse.hit.edu.cn]

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