GMPLS的動(dòng)態(tài)路由機(jī)制研究

摘 要:GMPLS由MPLS演進(jìn)而來(lái)，它是MPLS向光層擴(kuò)展的必然產(chǎn)物，路由技術(shù)是GMPLS的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這里簡(jiǎn)要回顧了MPLS技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)GMPLS中與路由相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)做了介紹，討論GMPLS中現(xiàn)有的路由選擇策略，論述基于GMPLS支持的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)一種聯(lián)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其控制平面的結(jié)構(gòu)，最后提出基于GMPLS的網(wǎng)絡(luò)中一種有QoS保證的動(dòng)態(tài)路由機(jī)制。

關(guān)鍵詞:MPLS; GMPLS; QoS; 聯(lián)合路由

中圖分類號(hào):TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)12-0129-03

Dynamic Routing Mechanism of GMPLS

ZHANG Qun-liang

(Xi’an University of Post and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract:GMPLS developed from MPLS is the inevitable result of MPLS to extend to the optical network. The routing technology is a key of GMPLS. The main technologies of GMPLS relative with routing is introduced based on the review of MPLS technology. The existing routing selection strategies in GMPLS are discussed. The structures of an integrated-network and its control plane are elaborated based on the peer network model supported by GMPLS. A dynamic routing mechanism guaranteed with QoS in networks based on GMPLS is proposed.

Keywords:MPLS; GMPLS; QoS; integrated routing

隨著Internet和光纖技術(shù)的迅猛發(fā)展，IP和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合必將成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢(shì)。如何解決IP層與光層的融合，通用多協(xié)議標(biāo)記交換(GMPLS)提供了一個(gè)良好的思路。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)一旦為一個(gè)IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會(huì)沿著這條路徑傳送下去，這樣會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在某處的資源過(guò)度利用，而另一些地方的網(wǎng)絡(luò)資源閑置不用。這種由于網(wǎng)絡(luò)資源使用不均衡造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞必然致使網(wǎng)絡(luò)性能降低，服務(wù)質(zhì)量(QoS)無(wú)法保證。GMPL采用顯式路由技術(shù)，利用基于約束的路由算法，根據(jù)用戶的特定要求僅在入口節(jié)點(diǎn)處計(jì)算特定的標(biāo)簽交換路徑(LSP)，避免業(yè)務(wù)流向已經(jīng)擁塞的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最佳利用。

1 GMPLS技術(shù)及路由機(jī)制

GMPLS技術(shù)是MPLS向光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的必然結(jié)果。GMPLS將時(shí)隙、波長(zhǎng)和光纖端口作為標(biāo)簽用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)采用擴(kuò)展的信令、路由協(xié)議和新增的鏈路管理機(jī)制來(lái)適應(yīng)對(duì)智能光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和傳送信令的要求，動(dòng)態(tài)提供網(wǎng)絡(luò)資源，并增加網(wǎng)絡(luò)的生存性。

1.1 路由協(xié)議

路由技術(shù)作用于OSI參考模型的第3層，即網(wǎng)絡(luò)層。就GMPLS技術(shù)本身而言，它是一種面向鏈接的技術(shù)，但在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)它要支持無(wú)鏈接的業(yè)務(wù)，因此GMPLS的路由方案充分采用了當(dāng)前十分成熟，普遍性和適應(yīng)性非常強(qiáng)的IP路由協(xié)議簇。

根據(jù)是否在一個(gè)自治域內(nèi)部使用，路由協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(EGP)。自治域內(nèi)部采用的路由選擇協(xié)議稱為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，常用的有路由信息選擇協(xié)議(RIP)和開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF);外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議主要用于多個(gè)自治域之間的路由選擇，常用的是邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP，BGP-4)。

1.2 路由算法

路由算法在路由協(xié)議中起著至關(guān)重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的尋徑結(jié)果。通常需要綜合考慮最優(yōu)化、簡(jiǎn)潔性、健壯性、快速收斂、靈活性等設(shè)計(jì)目標(biāo)。

GMPLS使用了基于約束的路由算法，根據(jù)用戶的特定要求僅在邊緣節(jié)點(diǎn)處計(jì)算特定的標(biāo)簽交換路徑，隨后利用顯式路由技術(shù)及支持QoS的標(biāo)簽交換分配信令(如CR-LDP)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部構(gòu)成此LSP的LSR之間傳遞相應(yīng)的建路信息，使網(wǎng)絡(luò)資源得到最佳利用。流量工程可以使網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)地對(duì)流量的變化做出反應(yīng)，防止擁塞的出現(xiàn)，并且從整體上看，它能通過(guò)更靈活的方法來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。

2 具有QoS保證的動(dòng)態(tài)路由機(jī)制

GMPLS在多網(wǎng)絡(luò)層間擴(kuò)展了拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)和帶寬管理，在基于GMPLS的IP over optical網(wǎng)絡(luò)中，這意味著IP層可了解光層的基本光纖拓?fù)洹⒐馔返倪B通性和保護(hù)能力。對(duì)光層的拓?fù)洹⒈Ｗo(hù)能力及可利用資源的綜合認(rèn)識(shí)，使得能夠用一個(gè)高效的方法動(dòng)態(tài)地提供LSP鏈接，因此，提出一種具有QoS保證的動(dòng)態(tài)路由機(jī)制。

在大多數(shù)情形下，都假設(shè)基于GMPLS的光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層重疊模型。在這種模型中，IP層在底層提供連通性，并在此基礎(chǔ)上為L(zhǎng)SP選擇路徑，且每一層都保持對(duì)其資源的完全控制，而對(duì)其他層上的情況知道得很有限。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

就網(wǎng)絡(luò)的骨干部分而言，假設(shè)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有OXC和IP路由器的功能，在同一位置可容納多種流量類型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的控制器同樣可以管理多種流量類型。這種集成的網(wǎng)元使集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為可能，從而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層都能夠自由地交換拓?fù)浜唾Y源信息。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接與一個(gè)網(wǎng)元管理系統(tǒng)(EMS)相連，并報(bào)告其狀況，可通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)，比如簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)和電信管理網(wǎng)(TMN)實(shí)現(xiàn)。EMS用來(lái)關(guān)注其管理域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)域的EMS與一個(gè)中央網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(NMS)相連。這種分級(jí)結(jié)構(gòu)允許可變的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及不同管理域的網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。圖1為該網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.2 控制平面結(jié)構(gòu)

同一個(gè)域內(nèi)的網(wǎng)元通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的控制平面相通信。每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)、每個(gè)節(jié)點(diǎn)及其所屬域的EMS間存在一條專用的帶外控制信道，這個(gè)統(tǒng)一的控制平面建立在GMPLS標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上。資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)和基于約束的路由標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議(CR-LDP)能夠在這個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中提供流量工程。此外，可利用路由協(xié)議鏈路狀態(tài)廣播(LSA)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和鏈路狀態(tài)更新，如帶有GMPLS擴(kuò)展的IS-IS和OSPF。

聯(lián)合控制平面包括3級(jí)控制結(jié)構(gòu):中央處理器(帶擴(kuò)展功能的NMS)、域管理器(帶擴(kuò)展功能的EMS)和節(jié)點(diǎn)控制器(CTR)。圖2說(shuō)明了這個(gè)聯(lián)合控制平面分級(jí)。

圖2 聯(lián)合控制平面分級(jí)結(jié)構(gòu)

第1級(jí):中央處理器作為用戶和所有子網(wǎng)域的接口，主要功能是監(jiān)督提供新鏈接和維持全網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

第2級(jí):域管理器監(jiān)督子網(wǎng)域內(nèi)的工作，如業(yè)務(wù)提供和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。服務(wù)提供器負(fù)責(zé)處理鏈接建立、拆除的請(qǐng)求和計(jì)算，以滿足QoS要求的顯式路徑;網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器監(jiān)視整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況和故障、修復(fù)事件。域管理器維護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)包括域拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(kù)、全局鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和全局鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)(記錄域內(nèi)所有已建立的鏈接)。

第3級(jí):節(jié)點(diǎn)控制器處理可在每個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式方法完成具體功能，如過(guò)載處理、故障恢復(fù)和狀態(tài)監(jiān)視。過(guò)載處理器檢測(cè)突發(fā)的鏈路過(guò)載，并執(zhí)行相應(yīng)的對(duì)策;恢復(fù)單元在故障發(fā)生時(shí)提供快速的保護(hù)和恢復(fù)能力;組件監(jiān)視器用于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)及鄰接鏈路的故障、修復(fù)情況。節(jié)點(diǎn)控制器維護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)是本地鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和本地鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 動(dòng)態(tài)的鏈接提供

假設(shè)動(dòng)態(tài)鏈接請(qǐng)求有不同等級(jí)的帶寬和可用性需求，鏈接建立和拆除的請(qǐng)求被送入中央處理器，中央處理器決定一條候選路徑可能穿過(guò)哪些域，并將請(qǐng)求送到每個(gè)域中的服務(wù)提供單元。服務(wù)提供器保留帶寬，并建立一條滿足QoS要求的鏈接。下面給出服務(wù)提供器建立和拆除鏈接的步驟，該機(jī)制建立在帶GMPLS擴(kuò)展的RSVP上。

表1 節(jié)點(diǎn)C的本地鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)示例

層次鏈接ID入端口出端口源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)帶寬類型相應(yīng)主/備用SRLG保護(hù)類型

IP層112AD155 Mb/s備用210，11，13共享1∶N

光層21-CA2.5 Gb/s主用710，11專用1∶1

光層72-CA2.5 Gb/s主用213，14專用1∶1

(1) 鏈接建立

為了建立一條新鏈接，假設(shè)下面的參數(shù)必須明確1個(gè)源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)所需帶寬和所需的最小可用性。當(dāng)服務(wù)提供器處理建立一個(gè)新鏈接的請(qǐng)求時(shí)，它尋找滿足所有QoS參數(shù)的路徑。如果找到這樣的路徑，就接受此鏈接，否則拒絕此鏈接。

圖3為鏈接建立、拆除機(jī)制的1個(gè)信令圖示。首先1個(gè)LSP請(qǐng)求到達(dá)服務(wù)提供器。服務(wù)提供器根據(jù)一定算法計(jì)算出1條有帶寬和可用性約束的顯式路由。這條顯式路由不是最短路徑，而是最大可用性路徑。顯式路由被壓縮入顯式路由對(duì)象(ERO)，并送到源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送1條帶有ERO的PATH消息到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)回送1條RESV消息證實(shí)此建立。RESV消息會(huì)經(jīng)過(guò)此路徑的每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)建立路徑狀態(tài)，保留帶寬，更新本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)來(lái)加入新鏈接。當(dāng)鏈接建立完成，通知服務(wù)提供器把新鏈接添加到全局鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖3 鏈接的建立和拆除信令圖示

(2) 鏈接拆除

如果要被拆除的鏈接有1條專用的主用路徑和1條專用的備用路徑，那么這2條路徑都應(yīng)被清除;如果其備用路徑同時(shí)也作為其他路徑的備用時(shí)，則只清除專用的主用路徑，備用路徑被保留直到其保護(hù)的所有鏈接到期。拆除鏈接時(shí)，該LSP的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送1條PathTear消息到目的節(jié)點(diǎn)以清除路徑狀態(tài)并釋放帶寬，然后在此路徑所經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除此鏈接，目的節(jié)點(diǎn)回送1條確認(rèn)消息(ACK)。服務(wù)提供器相應(yīng)地更新它的鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，鏈接拆除完成。

3 結(jié) 語(yǔ)

GMPLS技術(shù)是為了解決日益增長(zhǎng)的大型網(wǎng)絡(luò)所面臨的一系列問(wèn)題而產(chǎn)生的新技術(shù)，基于GMPLS的統(tǒng)一控制平面增加了網(wǎng)絡(luò)的智能性，使得相互鏈接的網(wǎng)絡(luò)單元更好地工作。所有的網(wǎng)絡(luò)單元在GMPLS的控制下，對(duì)等地協(xié)同工作，動(dòng)態(tài)地建立跨越不同類型網(wǎng)絡(luò)的LSP，從而節(jié)省高昂的網(wǎng)管維護(hù)費(fèi)用，為短時(shí)間內(nèi)供應(yīng)高帶寬和新的增值服務(wù)提供了保障。不同的業(yè)務(wù)有不同的QoS要求，從而對(duì)路由也有不同的要求，機(jī)制對(duì)不同的業(yè)務(wù)區(qū)別對(duì)待，保證不同等級(jí)的服務(wù)，考慮的QoS參數(shù)主要是帶寬和鏈接的可用性，當(dāng)一條單一的路徑不能提供足夠的可用性時(shí)，算法會(huì)同時(shí)，選擇適合的主用和備用路徑以滿足這些參數(shù)。該路由機(jī)制避免了多網(wǎng)絡(luò)層中保護(hù)帶寬的多余保留，在保持對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源高效利用的同時(shí)為每個(gè)用戶的請(qǐng)求提供了特定的服務(wù)。要使GMPLS真正成為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一控制平面所要走的路還很長(zhǎng)，有很多信令和路由協(xié)議有待于不斷的修改和完善，以適應(yīng)不同技術(shù)的要求。隨著交換技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的優(yōu)勢(shì)將更加明顯，它對(duì)大型易變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力將吸引越來(lái)越多的人們關(guān)注它的進(jìn)一步研究與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]錢(qián)敬，沈梁，毛培法.通用多協(xié)議標(biāo)簽交換GMPLS協(xié)議[ J] .通信技術(shù)，2002(6):59-61.

[2]馮徑.多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)[ M] .北京:人民郵電出版社，2002.

[3]石晶林，丁煒.MPLS寬帶網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)[ M] .北京:人民郵電出版社，2001.

[4]張騫，龐湘綺，文愛(ài)軍. 基于GMPLS的新一代網(wǎng)絡(luò)流量工程[ D] .西安:西安電子科技大學(xué)，2003.

[5]MANNIE E. Generalized multi-protocol label switching architecture. IETF Internet Draft，draft-ietf-ccamp-gmpls-architecture-02.txt， 2002.

[6]CAPONE Antonio， FRATTA Luigi， MARTIGNON Fabio. Dynamic routing of bandwidth guaranteed connections in MPLS networks[ J] . International Journal on Wireless and Optical Communications， 2003， 1(1): 1-12.

[7] PONGPAIBOOL Panita， KIM Hyong S. Novel algorithms for dynamic connection provisioning with guaranteed service level agreements in IP over optical networks[ J] . Proceedings of Globecom， 2003， 5: 1-5.