GMPLS技术研究

.第26卷第3期计算机工程与设计2005年3月Vol.26 No. 3Computer Engineering and DesignMar. 2005GMPLS技术研究姜奉祥'，杨忠秀"，朱桂林'(1. 浙江大学计算机科学与工程系，浙江杭州310027; 2. 宁波工程学院电子系，浙江宁波315016)摘要: GMPLS是MPLS的扩展，旨在解决多种组网技术的流量工程问题。为了探讨当前应用GMPLS时存在的问题及其解决方案,分析了GMPLS架构及研究现状，通过对MPLS协议应用于光纤网时存在的问题的分析，得出了GMPLS协议MPLS协议的改进点。指出了GMPLS中亟待解决的问题并提出了自己的见解。关键词:通用MPLS;通用标签;控制面;分层LSP;链路管理协议中图法分类号: TP393文献标识码:A文章编号: 100 7024 (2005) 03-0663-04Study on GMPLSJIANG Feng-xiang'，YANG Zhong-xiu'，ZHU Gui-lin'(1. Depatment of Computer Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Department of Electronic, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China)Abstract: GMPLS is an extension of MPLS, aiming at adressing trffic engineering to a variety of networking technology. In orderto discuss the kermel problems of curent GMPLS and the cresponding approach to solve them, the framework and the recently researchofGMPLS are described. Then the callenges of using MPLS in optical networks are analyzed and the enhancement ofGMPLS is drawn.Finally, open isues about GMPLS are pointed out and discussed.Key words: GMPLS; generalized label; control plane; hierarchical LSP; LMP1引言近年来随着Intenet的蓬勃发展和VPN的快速传播，网ATMIP WMPLSIP W/GMPLS络中的数据流量迅猛增长,已远远超过了语音流量,IP业务的快速增长对网络带宽的要求不仅越来越大，而且由于IP业务SONET SONETThin SONET流自身的不确定性和不可预见性,对网络带宽的动态分配要DWDM w/optical求也越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接的原始方DWDMswitching法费时费力且容易出错,不仅难以适应现代网路和为新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要,因此需要修改图1数据网向光网络的演化现有的网络架构。2 GMPLS 简介当前数据网的典型架构有4层(如图1中左1所示),其中IP,层负责传送各种应用和服务, ATM层负责流量工程, so-GMPLS即Generalized MPLS,它是MPLS的扩展,从某种NET/SDH层负责数据传输和保护,DWDM负责链路的容量控意义上说只是增加了MPLS的功能。GMPLS将MPLS的流量制。这种架构存在很多问题,如多个层次管理复杂、带宽使用工程技术与光交换技术相结合，将MPLS中标签交换的概念效率低、可扩展性差等。扩展到包括波长路由和交换的光通道,让业务流控制连接,使为了解决这些问题，下一代光纤网可以去掉中间层,仅采之不仅支持分组交换,还支持时分交换(如SONET/SDH、PDH、用简单的两层架构(如图1中右1所示),但是必须有一种协G709)、波长交换和空分交换(如输入端口到输出端口或输入议来实现去掉的中间两层的功能。与此同时，组成光纤网的光纤到输出光纤)。常用设备有ADM.DWDM、OXC、PXC和多服务交换平台，管3 GMPLS 的研究现状理这些设备的多样性和复杂性也要求有相应的协议，因此GMPLS应运而生。中国煤化工要集中在以下几个方YHCNMHG收稿日期: 2004-06-08.作者简介:姜奉祥(977.), 女，山东临邑人，硕士生，研究方向为计算机网络及网络安全:杨忠秀 (1974)， 女(苗)，湖北利川人，讲师，硕士生，研究方向为网络数据库、网络安全:朱桂林， 男，浙江杭州人，教授， 研究方向为计算机系统结构和计算机网络安全。-663一面:标签的扩展、架构的修改、协议的改进等。其中有些方面(3)TDM接口做的工作相对较多,有的方面只是投入了一些关注,对具体需TDM接口(Time-Division Multiplex Capable,时分交换接求进行了分析。下面就对这些方面分别进行讨论和分析。口)根据数据在TDM时隙循环中的时隙转发数据,如SONET/3.1 GMPLS的标签SDH中的XC/TM/ADM设备上的接口。为了支持实现不同类型交换的各种设备,GMPLS扩展了在TDM中光纤的带宽被分为- 个个时隙,LSR可以为特MPLS的标签,增加了一些新的内容，这种新型标签称为通用定的数据流请求分配一个或多个时隙，这时分配到的时隙就标签或G标签。G标签在很大程度上模拟了邮局递送服务使是标签。用的标签。以递送路径编号定义的某种类型的标签可以用于(4)LSC接口所有的包裹和目的地址,同样的标签可以用于递送信件、包裹LSC接口(Lambda Swich Capable,波长交换接口)根据接或手提箱，递送的东西可以跨越城镇、国家甚至海洋,可以选收到的数据所在的波长转发数据,连续的波长组成-一个波带 ，撣自行车运输、卡车运输、火车运输或空运等方式中最适合的这时称为波带交换，原理和波长交换类似，如工作在波长级的-种递送。标签的惟-性保证了QoS,通过排序、路由和递送PXC、OXC接口和工作在波带级上的PXC接口。等不同部分的设置可以实现高速、有效的递送。在WDM中光纤的带宽被划分成一个个波长，LSR 可以G标签不仅除了可以标识通常的MPLS标签、FR 标签、从中选出-一个波长分配给请求发送的数据流,这时选定的波长ATM标签(VCI/VPI)外,还可以标识时隙、波长或空间位置,如(或频率)就是标签值。波带交换时标签是由波带的ID和指G标签可以标识光柬中的一-根光纤、光纤内的- -个波带、波带示波带最大/最小波长的一-对编 号(信道ID)组成的。(或光纤)内的一个波长.波长(或光纤)内的一组时隙。(5)FSC接口3.2 GMPLS 架构FSC接口(Fiber-Swich Capable,光纤交换接口或空分交换GMPLS架构的主要特点是实现了控制面和转发面的物接口)根据数据在物理空间的位置转发数据,如工作在单个或理分离，而控制面又包含信令面和路由面。虽然控制层面使多个光纤级的PXC或0XC接口。用的技术仍然是基于IP的，但是转发面使用的技术可以多种LSR(标签转发路由器)间的链路可能是由一束光纤组成多样，可以是各种类型的流量(分组、TDM等)。GMPLS光纤的,LSR可以从中选出一根光纤分配给要发送的数据流，这时网中结点结构如图2所示"。光東中被选中光纤的编号就是标签值。3.3 GMPLS协议控制面.信令面-要分析GMPLS协议对MPLS协议所做的增强和改进，首路由面IP流先要了解MPLS协议应用于光纤网时存在的问题。主要存在链路状态原路由协议信令协议的问题有以下几个方面。链路资源(1)MPLS的标签空间很大,每个端口可以有100万个,但GMPU路由控制器管理器路由器管理是相对于波长数和TDM信道数来说就相对较少了。连接控制器(2)目前一对结点间的并行连接很少有超过10个的，但是为了处理流量的增加，服务商需要在网络的结点对之间配置数百跟并行光纤,每一根光纤传送数百个波长。这就使得。 转发面光纤网或TDM网中链路的总数比普通MPLS网多好几个数量级，不仅使本来就稀缺的IP地址更加紧张,而且造成了管理上的巨大负担。图2网络结点结构(3)IP网中只要没有数据包在沿通道的链路中交换，GMPLS架构支持5种类型的交换接口(除传统的分组交MPLS的LSP建立就不需要占用带宽,但光纤网的连接是通过换接口外，新增了4种类型的交换接口),同时也提供了分别沿光通道的-系列0XC内的交叉连接通路完成的，因此无法与不同类型交换接口所转发的信息相关联的不同标签。预先建立零带宽通道。而且分组网中的LSP是单向的，而光(1)PSC接口纤网中要求建立双向LSP.PSC接口(Packet Switch Capable,分组交换接口)可以识别(4)目前IP层的恢复时间较长，不利于应付影响面很大分组边界并根据包头内容转发数据。如路由器上接口可以根的物理层故障，而光传送层需要有快速故障检测和隔离以及据IP包头的内容或MPLS中“shim”头转发数据。快速保护恢复。(2)L2SC接口为了解决上述问题，使MPLS适应了TDM网、SONET和L2SC接口(Layer-2 Switch Capable,第2层交换接口)可以光纤网的特点, GMPLS不仅增强了MPLS的路由协议、信令协识别帧边界和信元边界并根据帧头或信元头的信息转发数据。议，将中国煤化工-r协议中,还增加了一一种如以太网的网桥接口基于MAC头的信息转发数据,ATM-LSR新型tYH前GMPLS研究者的注的接口基于ATM的VPIVCI转发数据。意力CN M. H C列对这些方面进行讨论PSCL2SC接口中和转发信息关联的标签可以是普通的分析。为清楚起见，我们在这里先了解- - 下GMPLS协议栈的MPLS/ ATM/FR标签。结构。GMPLS的协议栈如图3所示"。-664-.(2)支持使用建议标签(Suggested Label)LMPRSVP.TECR-LDP-TEBGFOSPF-TEMPLS中标签分发分为两步，首先下游LSR向上游LSR提出标签分发请求，然后上游LSR开始标签分发。GMPLS扩UDPTCP展了MPLS,使得GMPLS的信令协议支持上游LSR为下游LSR提供建议标签。图5给出了GMPL中的标签分发过程。PPP/Adpaio Layer请求标签建议标篓=h1.建议标签-12SONETWavelength SwichingMACIGE ATM FR映射标签=λ二胶射标签=22 预留标签=x42 预留标篓=13FIBER(回)不使用建议标签(b)使用建议标签围5标签分发过程.IS-IS-TECLNP当然下游LSR也有权拒绝使用建议标签并提供自己的标Adaptation Layer签，这时上游设备必须用这个新标签重新配置。不过大多数情况下,不使用建议标签时建立LSP的代价较高，而且网络资SONET Wevelengh Switching MAC/CE ATM FR|源的分配也不理想。因为建议标签可以快速找出输入端口和输出端口之间的内部路径，允许设备使用建议标签配置软硬件而不必等待下游结点发回的标签。(3)支持双向LSPbidrctional LSP)圈3 GMPLS 协议栈建立双向LSP时，要求两个方向的LSP有相同的流量工3.3.1信令协议程，包括保护/恢复机制、资源需求等。GMPLS建立双向LSPGMPLS的信令协议扩展了MPLS的信令协议,主要功能的方法有两种:一 是分别建立两个相反方向的单向LSP,另一是在光核心网中建立LSP并负责流量工程,使得可以在光传种是利用Path/Request和ResvMpping 报文在上下游结点直输网的光信道和其它面向连接的网络中传送信令。RFC3471接建立双向 LSP.给出了扩展信令协议的功能描述。(4)增加了通知报文(Notify Messages)信令协议的增强主要体现在以下几个方面。提高网络可靠性的一-个关键因素是要对网络故障做出快(1)支持分层LSPHierarchical LSP)速反应和智能决策。当故障发生时，发送连接请求的结点应用两个光纤交换器之间的单个0C-192 物理链路传送仅该在没有任何中间结点处理 故障消息、修改受影响连接的状有100M的用户信息流是不实际的，不仅造成了资源浪费，而态之前通知各结点恢复连接。这种能力很重要，因为中间结且效率很低。为了更好地使用资源可以将多个低速流合并成点可能会延误通知甚至在中间结点改变连接状态.GMPLS的- - 个高速流,因此引入了分层LSP的概念。信令协议提供了通知报文机制，它可以通知与故障LSP相关分层LSP是指LSP嵌套LSP,LSP可以嵌套在有相同接口的非邻接点。当然通知报文不能替代RSVP中的错误报文，的LSP中(如在传统的MPLS中)，也可以嵌套在不同接口的两者是有区别的，通知报文可以送到任何结点,而错误报文只LSP中，但是LSP的起点和终点必须是相似类型的设备。不能送到相邻的上游结点和和下游结点。同接口类型的LSP嵌套时,最上层是FSC-LSP,接下来依次是通知报文的一-个重要应用是当链路的控制面发生故障而LSC-LSP.TDM-LSP.PSCLSP.显然,每个LSP拥有的带宽应转发面正常时发送通知，这时的链路称为降级链路。因为该能接受容纳来自低层LSP的所有LSP.图4给出了分层LSPGMPLS中控制面和转发面是物理分离的,所以故障也是分离的一般层次结构。的，很多时候如果仅仅因为控制面发生故障就拆除LSP是难以让人接收的。不过控制面故障会限制提供给LSP的管理特性(如故障定位和本地恢复)。通知报文指出了受影响的LSP三32)10/100M和发生故障的资源,而且加入了新的错误编码标识降级链路。3.3.2路由协议0C-48从某种意义上说,GMPLS的路由协议只是在MPLS路由协议的基础.上增加了一- 些功能，它可以自动发现网络的拓扑结构、广播可用的网络资源(如波长、波长内的带宽.接口类0C.192 FSC-LSP型、链路中国煤化工的网路属性和约束。LSC-LSP个方面。TDM-LSP1);TYHCNMHG”PSCLSP一个LSP可以看做是链路数据库中的一种新的链路类图4分层LSP的层次一般结构型，这种新的链路类型和已有的大量链路类型是相容的，可以-665-共用--些传统的链路信息。每个结点都有相同的链路状态库,ID、保护机制、优先级等,关联链路属性仅在首次建立连接或它不仅包含了传统链路的信息，也包含了LSP的信息。结点连接更新时自动完成，链路确认时不再需要这个过程,不需手计算路由时，不仅可以使用传统链路，也可以使用带有相应约动也减少了错误发生机会。束的LSP路径。(4)故障管理(2)支持无编号链路故障管理是通过快速通知TE链路中一个或多个数据信MPLS中的所有链路都由惟一的 IP地址标识，计算通过道的状态实现的，以快速隔离数据链路和TE链路的故障。故网路的路径时,链路的IP地址传送到信令协议由信令协议根障管理分为故障检测、故障定位、故障通知故障恢复4步完成。据这个信息建立路径。在有大量链路的光纤网中，为每条链4 GMPLS 存在问题及探讨路分配一个IP地址是不现实的，为了解决这个问题，GMPLS路由协议引入了无编号链路的概念。目前GMPLS正处于标准化阶段，仍然有大量的工作需要网络中的每个结点可以用惟-的路由器ID标识,在每个IETF工作组和IOF(光互联论坛)进-步研究,以使GMPLS协结点处由结点为自己的每个端口分配-一个惟一的本 地编号，议规范完全符合产业化要求的开放互操作标准。GMPLS研因为每个端口和都和一条链路对应，因此从结点出发的每条究者在下一步的研究中应该重点解决的问题有以下几个方面。链路也就有了一个惟- - 的本地编号。无编号链路就是使用二4.1 安全性元组(路由器ID,链路号)惟一标识- 条链路,而不需要为链路传统IP路由器通过检查接收分组的头决定分组的下--分配IP地址。这种方法不仅减少了在配置IP地址、跟踪分配跳,尽管这种方式浪费时间,但是防火墙可以通过检查分组保的IP地址.处理偶然发生的地址重复分配等方面的管理复杂证网络的安全性,因为分组头包含了一些必要信息,如全网惟性,而且节约了成本。-的源地址和目的地址。但是GMPLS的标签是用于加速发(3)支持链路打包组转发的，标签仅在局部有意义,只能被GMPLS设备理解使链路状态库是由网络中所有的结点、链路以及链路的属用。因此这些标签不能用于实现网络的访问控制和网络安全。性组成的,因为光纤网中的链路数以万计,所以可以想象光纤我们认为要保证GMPLS网的安全,可以像面向连接的网网中的链路状态库要比MPLS网络大好几个数量级。为了解络(如X.25、FR.ATM)一样,在建立端到端连接时实现访问控决这个问题,GMPLS路由协议引入了链路打包概念。制。其它的解决方案还有待进-步研究。链路打包就是将具有相似特征的多个并行链路的链路属.2 协同工作性性合并后指派给打包后的单条链路，这样就可以显著减小链GMPLS之所以成功，部分取决于它能和现有ATM/FR网路状态库的大小，极大地改善路由协议的扩展性。虽然在概的基础设施相互通讯，这种协同工作能力允许两个相似的网.括多条链路的属性时会丢失一些信息，不过扩展性增强带来络可以通过另一个不同的网络传输需要交换的控制面和转发的收益远远大于信息丢失的损失。面的信息，如两个ATM网可以通过GMPLS网传送信息。不3.3.3链路管理协议LMP同类型网络协同工作面临几个问题:①控制面的协同工作非LMP工作在邻接点间,主要用于解决光纤网中链路管理常复杂,因为不同网络使用的协议不同:②用户数据通过不同的相关问题，负责邻结点间连接的建立、管理和释放。它有4类型网络传输时必须要维持端到端的服务质量不变;③个基本功能:控制信道管理、链路连通性确认、链路属性关联GMPLS支持多种交换能力,因此和ATM网或FR网在转发面和故障管理,其中控制信道管理和链路属性关联是LMP的两协同工作的内容就有了多种不同组合。目前很多论坛(如个核心功能。MPLS论坛、ATM论坛和FR论坛)都在致力于解决网络间协(I1) 控制信道管理同工作的细节问题。控制信道管理用于建立、保持相邻结点间的控制信道,可我们认为实际的解决方案必须能使运营商可以同时管理以通过在两结点间交换Config报文和快速保持机制实现。如MPLS网络以及原有的各种类型网络。果LMP的快速保持机制用在某个控制信道上,那么必须通过4.3 网络平衡这个控制信道交换LMP的Hello报文,而其它的LMP报文可当在GMPLS网中增利资源时,需要交换的控制信息要比以通过相邻结点对之间的其它任何激活的控制信道传输。传统的IP网多得多。因为GMPLS使用流量工程模型，包含(2)链路连通性确认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链路连通性确认用于确认各组成链路的物理连通性, .由、LMP等。虽然未经测试，不过从理论上可以推出当网络发LMP使用类似PING的测试报文确保相邻节点间链路的物理生中断时GMPLS网要比传统IP网用相对长的时间获得新的连通性，通过用数据链路发送Test报文和通过控制信道返回网络平衡状态。的TestStatus报文实现。注意Test报文是LMP中惟一必须通4网路管理系统过数据链路传输的报文。确认链路连通性也可以人为错误地中国煤化工址可达性，而在GMPLS发生。网IYHCNMH(个LSP的操作状态、路(3)链路属性关联由路社、沈重工程等，区肌便得GMPLS的网络管理系统相对链路属性关联用于同步TE链路属性、确认TE链路配置，于 传统Internet的管理系统要复杂得多。是通过LMP的LinkSummary报文提供的。链路属性包括链路(下转第677页)一鸭方数据个目的地相同而又在某一点 会聚的Dif-serv标记分组都可以技术，扩展E-LSP是对MPLSDiff-Serv支持能力最强的解决方实现标记合并。但Dif-Serv分组与标准的标记分组之间不能案。本文论述了扩展E-LSP的实现方法。进行标记合并,因为它们不属于同一标记空间。扩展ELSP虽然大大提高了MPLS Dif-sev网络的业务3.2.5路 由机制能力,但也存在一些局限:①扩展E-LSP需要对许多相关的信MPLS网络中的路由首先由第3层路由协议决定,这一路令与消息加以扩展，对协议的复杂性造成一定影响;②扩 展E-由随后被映射到第2层路径上。MPLS提供了两种路由机制:.LSP使用一套新的标记交换进程和一套独立的标记转发表，逐跳路由和显式路由.加重了LSR的负担;③if-Serv标记分组与标准标记分组无逐跳路由是传统的路由机制，它使用普通的动态路由算法进行VC merge;④对组播的支持还有待提高。法来决定LSP的下一跳,由每一跳上的LSR独立地选择下一随着MPLS技术的不断发展完善，MPLSDiff-Serv也会出跳的路由，对于下一跳的改变由本地来决定,对于发生故障的现更好的解决方案。路由修复也由本地来完成,这是目前IP路由中常用的方法。参考文献:显式路由是MPLS在路由技术上的一一个重大进步。它在LSP的建立时明确指定LSP所要使用的路由，该路由由LSP[1] MPLS support of dfferentiated services[S].RFC 3270.2002.的入节点或出节点决定，不受动态路由算法的影响，在路由计[2] Speification of guaranteed quality of service[S]. RFC 2212.算中还可引入各种约束条件，制定统一的路由策略。一条明[3] An architecture for dfferentiated services[S]. RFC 2475.1998.确指定的显式路径,实际上是一个单向的VC.采用显式路由[4] Resource reservation protocol (RSVP) version [S]. RFC 2205.1997.时，MPLS 在标记请求消息中将包含由入口节点指定的路径TlLV,该TLV中包含LSP所必须经过的各个节点的IP地址,中s5] Assured forwarding PHB group[S].RFC 2597.1999.间节点收到这样的标记请求消息时,按照路径TLV所指定的6] Expedited forwarding PHB group[S].RFC 2598.1999.下一跳对标记请求消息进行转发。这样，LSP的建立过程完[7] IETFLDP规范(rfl-itf-mplpldp-o-6.ox0)[$I.1999.[8]吴江, 赵慧玲.下一代的IP骨干网络技术一多 协议标记交全独立于各个节点本地的路由机制。换[M].北京:人民邮电出版社, 200.4结束语9] 秦君,林晓明.基于IP/WDM网络的QoS技术研究[].计算机工程与设计, 204,25):744-7454.MPLS Diff-Serv是目前解决IP网络QoS问题最有前途的(上接第666页)on service resilience dferentiation[CI.IFIPIEEE Eighth Inter-5结束语national Symposium on March 24-28,2003.665- 678.GMPLS是从IP向MPLS发展的必然结果,是配置下一代8] Christiansen H, Wessing H. Modeling GMPLS and optical数据光纤网的必要技术。它提供了一种全新的方式管理网络MPLS networks[C].ICT 2003. 10th Intemational Conference,资源，进行网络设置,不仅节省了宝贵的时间，避免了错误的2003.288-294.发生，而且可以在不影响整个网络QoS的情况下降低网络运9] Iovanna P,Sabella R. 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