基于GMPLS的OBS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

IP業(yè)務(wù)每6個(gè)月翻番對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)造成了極大的處理壓力和性能挑戰(zhàn)，這要求IP網(wǎng)絡(luò)能提供T比特級(jí)傳輸速率、大容量、高性能和低延遲快速包傳輸。同時(shí)光交換和DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)光傳輸系統(tǒng)提供了爆炸性的容量增長(zhǎng)。因此提出不通過ATM層或SDH層，而基于DWDM直接傳送IP包的網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)。下一代光互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)，光突發(fā)交換(Optical Burst Switch，OBS)與通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(Cen-eralized Multiprotocol Label Switching，GMPLS)的結(jié)合已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也關(guān)系到OBS的應(yīng)用前景。如何能夠很好地將GMPLS和OBS有效結(jié)合起來形成光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系是目前研究的熱點(diǎn)。

1 MPLS和GMPLS控制平臺(tái)

多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multiprotocol Label Switching，MPLS)作為一種新的Internet骨干網(wǎng)技術(shù)正倍受矚目，他能夠在IP無連接網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建連接型服務(wù)，利用定長(zhǎng)的標(biāo)記將第2層的轉(zhuǎn)發(fā)和第3層的路由分開，利用傳統(tǒng)第2層轉(zhuǎn)發(fā)硬件，除去復(fù)雜的控制信令而采用靈活的IP路由協(xié)議。MPLS能夠解決當(dāng)前Internet中存在的許多問題，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)的QoS、流量工程(TrafficEngineering，TE)等功能。

GMPLS是MPLS向光層的擴(kuò)展和延伸，并繼承了幾乎所有MPLS的特性和協(xié)議，但是兩者還是存在本質(zhì)上的很大差別。GMPLS是一個(gè)正在標(biāo)準(zhǔn)化的公共控制平臺(tái)協(xié)議，他統(tǒng)一了各層設(shè)備的控制平面，各層交換設(shè)備都使用同樣的信令來完成對(duì)用戶平面的控制。同時(shí)GMPLS擴(kuò)展了建立標(biāo)簽交換路徑(Label Switched Path，LSP)的概念，允許在通道兩端同種標(biāo)簽交換設(shè)備間建立LSP。GMPLS規(guī)定了一些MPLS所沒有的特殊功能，如雙向LSP建立，以及為光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性引入的綁定鏈路、無編號(hào)鏈路。

GMPLS同時(shí)覆蓋了光層和電層，是一種將電層包交換技術(shù)與光層波長(zhǎng)交換技術(shù)有機(jī)融合。下一代光互聯(lián)網(wǎng)從傳統(tǒng)電主導(dǎo)的4層網(wǎng)絡(luò)體系演進(jìn)到光主導(dǎo)的IP-over-DWDM兩層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GMPLS采用基于約束的路由技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)流量工程和快速選路，滿足對(duì)QoS的要求，因此，GMPLS在流量工程中可以取代ATM，而快速選路可完全可以取代SO-NET／SDH的保護(hù)／恢復(fù)技術(shù)。如圖1所示，使用IP／GM-PLS控制平臺(tái)可以使傳輸網(wǎng)絡(luò)完全跨過ATM和SO-NET／SDH兩層，直接實(shí)現(xiàn)IP-over-DWDM。

2 OBS網(wǎng)絡(luò)

DWDM技術(shù)為光傳輸系統(tǒng)提供T比特級(jí)帶寬，同時(shí)傳統(tǒng)的電交換路由器已經(jīng)不能提供飛速增長(zhǎng)的因特網(wǎng)流量所要求的高數(shù)據(jù)傳輸率，O／E／O(光／電／光)轉(zhuǎn)換成為瓶頸問題，因此如何充分利用光網(wǎng)絡(luò)的帶寬是下一代光因特網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。OBS的粒度介于電路交換和分組交換，用戶數(shù)據(jù)(例如IP包)在邊緣路由器中進(jìn)行裝配和拆分，以突發(fā)包(data burst)形式在OBS網(wǎng)絡(luò)中傳輸，而相應(yīng)的控制分組(control packet)攜帶該突發(fā)包的相關(guān)信息(如包長(zhǎng)、偏置時(shí)間和優(yōu)先級(jí)等)，以一定的偏置時(shí)間(offsettime)提前發(fā)送出去，為數(shù)據(jù)包預(yù)留資源并建立傳送鏈路，在核心路由器中進(jìn)行控制信息的處理。由于突發(fā)包與控制分組分別在不同信道或波長(zhǎng)中傳輸，因此O／E／O轉(zhuǎn)換只在控制信道上進(jìn)行，而突發(fā)包中的數(shù)據(jù)可以直接實(shí)現(xiàn)全光傳輸。

OBS中有WR-OBS，JET，JIT，JBT等資源預(yù)留協(xié)議，圖2為目前有關(guān)OBS網(wǎng)絡(luò)理論研究普遍采用的JET(just e-nough time)機(jī)制。突發(fā)包將從節(jié)點(diǎn)0傳送到節(jié)點(diǎn)n要經(jīng)過n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)控制分組在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間為tp。相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間為tp'，則突發(fā)包與控制分組之間的偏置時(shí)間to則大于等于n×tp'+n×tp。中間節(jié)點(diǎn)在控制分組到達(dá)時(shí)，根據(jù)該分組所攜帶的信息，估計(jì)突發(fā)包數(shù)據(jù)可能到達(dá)的時(shí)間并為其分派一個(gè)可以使用的波長(zhǎng)信道。突發(fā)包在邊緣節(jié)點(diǎn)等待to后，沿著各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)為其分配的波長(zhǎng)信道傳送。在JET中采用單向預(yù)約方式，即突發(fā)包是在沒有收到確認(rèn)信號(hào)的情況下發(fā)送。由于to可以基本保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)預(yù)先估計(jì)出突發(fā)包到達(dá)時(shí)間，所以在采用JET機(jī)制的OKS網(wǎng)絡(luò)中可以不需要光緩存器。

3 基于GMPLS的OBS網(wǎng)絡(luò)

利用GMPLS的OBS網(wǎng)絡(luò)保留了傳統(tǒng)的OBS技術(shù)的特點(diǎn)，控制分組與突發(fā)數(shù)據(jù)包在不同的波長(zhǎng)上傳送，以及采用JET資源預(yù)留機(jī)制等；同時(shí)又吸收GMPLS一些擴(kuò)展的技術(shù)，在IP層與光層都加上能統(tǒng)一管理的標(biāo)簽，以及在路由、信令、鏈路管理協(xié)議上進(jìn)行一些有針對(duì)性的增強(qiáng)和擴(kuò)展。OBS和基于GMPLS網(wǎng)絡(luò)能夠得到有效結(jié)合的前提包括以下：

(1)兩者都是由邊緣節(jié)點(diǎn)、核心節(jié)點(diǎn)和WDM鏈路組成(OBS網(wǎng)絡(luò)在邊緣節(jié)點(diǎn)將輸入分組封裝成突發(fā)包，并產(chǎn)生控制分組；GMPLS網(wǎng)絡(luò)在邊緣節(jié)點(diǎn)將輸入分組劃分成等同轉(zhuǎn)發(fā)類FEC，并分配標(biāo)記)；

(2)兩者都采用帶外信令傳輸方式，載荷數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中都可實(shí)現(xiàn)透明傳送和交換；

(3)GMPLS網(wǎng)絡(luò)可以用標(biāo)簽交換技術(shù)在入口／出口路由器之間建立半永久的數(shù)據(jù)通道，OBS網(wǎng)絡(luò)可以通過控制分組在人口／出口邊緣節(jié)點(diǎn)問為載荷建立透明的數(shù)據(jù)通道；

(4)GMPLS采用嵌套標(biāo)記交換路徑LSP概念，支持波長(zhǎng)信道級(jí)、波長(zhǎng)組級(jí)和光纖級(jí)、SDH級(jí)等多粒度交換。有理由考慮通過協(xié)議擴(kuò)展和節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的改善，也支持光突發(fā)分組的交換。

利用GMPLS協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)OBS網(wǎng)絡(luò)中信令的傳送和配置等功能。在OBS網(wǎng)絡(luò)中引入GMPLS技術(shù)，可為其提供統(tǒng)一的控制和管理。將控制信道和數(shù)據(jù)交換信道進(jìn)行分離，標(biāo)簽信息在控制包中，控制包應(yīng)與GMPLS的控制平面成為一體。LOBS使用單獨(dú)的標(biāo)簽波長(zhǎng)與數(shù)據(jù)波長(zhǎng)，具有非零的偏置時(shí)間，與光分組交換(optical packetswitch)相比較，LOBS中的標(biāo)簽及相應(yīng)的突發(fā)包中的標(biāo)簽及其凈荷在時(shí)間和空間上更松散，標(biāo)簽處理和突發(fā)包之間及突發(fā)包及其標(biāo)簽之間的同步也相對(duì)不迫切。偏置時(shí)間的存在為L(zhǎng)OBS提供了區(qū)分服務(wù)。在LOBS中每一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)簽，在每一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)上都對(duì)標(biāo)簽信息、波長(zhǎng)號(hào)、偏置時(shí)間等控制信息執(zhí)行電處理操作，因此不同LSP通路上的突發(fā)數(shù)據(jù)流無需進(jìn)行光／電／光變換就完全可以進(jìn)行業(yè)務(wù)整合?；贕MPLS技術(shù)的OBS網(wǎng)絡(luò)模型(以下簡(jiǎn)稱GLOBS網(wǎng)絡(luò))如圖3所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

GMPLS體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括信令技術(shù)、路由技術(shù)和鏈路資源管理技術(shù)等。為了支持OBS網(wǎng)絡(luò)，GMPLS對(duì)MPLS標(biāo)簽進(jìn)行了擴(kuò)展，使得標(biāo)簽不但可以用來標(biāo)記傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，還可以標(biāo)記TDM時(shí)隙、光波長(zhǎng)、光波長(zhǎng)組、光纖等；為了充分利用光網(wǎng)絡(luò)的資源，GMPLS對(duì)原有的路由協(xié)議、信令協(xié)議做了修改和擴(kuò)展，并設(shè)計(jì)一個(gè)全新的鏈路管理協(xié)議LMP(Link Management Protocol)。

(1)標(biāo)簽。GMPLS設(shè)計(jì)了專用的標(biāo)簽格式，標(biāo)簽支持對(duì)時(shí)隙、波長(zhǎng)、波帶以及光纖標(biāo)識(shí)。使用這些專用的標(biāo)簽格式可以在非分組交換的標(biāo)簽交換路由器(LSR)之間建立起標(biāo)簽交換通道(LSP)。除了定義上面的通用標(biāo)記外，還為實(shí)現(xiàn)非分組交換的LSP定義新的功能，包括上游建議標(biāo)記、標(biāo)記組以及雙向LSP的建立，這些功能是MPLS所不具備的。雙向LSP的建立有助于縮短連接的建立時(shí)間和在出現(xiàn)故障時(shí)加速保護(hù)與恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)。

(2)信令協(xié)議。GMPLS定義了2種信令協(xié)議：一種是基于受限路由的標(biāo)記分發(fā)協(xié)議(CR-LDP)；另一種是基于流量工程擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議(RSVP-TE)。兩種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是他們實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，都能滿足GMPLS網(wǎng)絡(luò)對(duì)信令系統(tǒng)的要求。在GLOBS網(wǎng)絡(luò)中，人口的LSR使用RSVP-TE和CR-LDP協(xié)議在通道上進(jìn)行標(biāo)簽的綁定，利用標(biāo)簽來代替源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址可以減少控制包的處理時(shí)間，加快轉(zhuǎn)發(fā)的速度，減少了偏置時(shí)間。GMPLS信令協(xié)議必須負(fù)責(zé)為BHP建立、修改和拆除端到端的標(biāo)簽交換路徑，而無需為DB建立具體的傳輸路徑。另外，信令技術(shù)還支持對(duì)流量工程能力和生存性能力的增強(qiáng)。

(3)路由協(xié)議。GMPLS在MPLS的路由協(xié)議基礎(chǔ)上又對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展和加強(qiáng)，從而支持鏈路狀態(tài)信息的傳送。GMPLS對(duì)路由協(xié)議的擴(kuò)展主要包括對(duì)未編號(hào)鏈路，鏈路保護(hù)類型，共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組信息，接口交換能力描述符和帶寬編碼等的支持。在GLOBS網(wǎng)絡(luò)中，傳送突發(fā)數(shù)據(jù)包的路徑具有不確定性，因此需對(duì)路由協(xié)議的修改決定突發(fā)包的具體路徑。由于控制包的傳送路徑可以通過信令技術(shù)創(chuàng)建，則突發(fā)包的傳送路徑可以由路由上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)控制包攜帶的信息來確定。

(4)鏈路管理協(xié)議

GMPLS定義專門的鏈路管理協(xié)議(LMP)管理終端鏈路的連接，其內(nèi)容包括控制信道管理、鏈路屬性關(guān)聯(lián)、鏈路連接性驗(yàn)證和故障隔離／定位。在GLOBS網(wǎng)絡(luò)中，采用專用信道(與數(shù)據(jù)信道分離)承載控制信息，LMP對(duì)GM-PLS控制信道(GCC)、控制信道組(CCG)和數(shù)據(jù)信道組(DCG)的配置來協(xié)商鏈路的屬性，并交換相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路資源信息，使兩端節(jié)點(diǎn)有相同的鏈路參數(shù)，可以動(dòng)態(tài)地改變鏈路特性，而且可以管理控制包鏈路交換通路和數(shù)據(jù)突發(fā)包的映射關(guān)系等。此外，LMP還定義兩個(gè)功能模塊：鏈路連通性查證和故障管理／定位。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于GMPLS的OBS為支持IP-over-DWDM的網(wǎng)絡(luò)提供了快速而有效的IP包傳送。他通過將標(biāo)簽交換作為包的傳送方式，不僅低延遲，而且能使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到T比特級(jí)的傳輸速率。盡管這一解決方案尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究，但方案的解決將大大滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需要，對(duì)全光網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。