MPLS在IP/WDM网络中的应用研究

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　　摘要　IP over WDM作为一种新兴的技术，虽然具有很好的前景，但仍有一些未令人满意的地方。针对IP/WDM中波长通道的选择问题，本文介绍了一种在IP/WDM中应用MPLS的方法。
　　
　　 　　关键词　MPLS WDM IP/WDM
　　

　　 　　一、引言
　　
　　 　　在过去的20年中，电信行业见证了数据业务量史无前例的增长及对网络技术发展无止境的要求，而光通信领域中WDM的应用标志着通信新纪元的开始。为使IP业务得到更宽的带宽、更好的网络可扩展性及更有效地操作性，近几年对于在WDM网中有效地传输IP业务方面进行了许多的研究，然而，现在该领域中的研究大多集中在为IP层和物理层之间引入一个“接入层”上。但是随着光分组交换技术的出现，极需要一种能适应未来发展趋势的IP/WDM集成技术。本文介绍一种将MPLS（多协议标记交换）与IP/WDM相结合的技术，它利用IP、MPLS协议及MPLS标记交换的概念来分配波长交换通道。特别地，光网络节点要能处理IP及MPLS的相关操作，在光的子网边缘使用标记栈将从电MPLS节点流过来的小LSP（标记交换路径）合并为光通路信道中更大的LSP。而网中的核心光MPLS节点对小LSP标记不作电处理。利用MPLS的ER功能，可以完成光域中已做的大部分工作，如RWA（wavelength channel routing and assignment）、波长交换及保护和恢复等。
　　
　　 　　二、基于MPLS的IP/WDM集成方法
　　
　　 　　利用MPLS可在纯数据报网络的两点间建立一条虚连接，并且这条连接可承载数据报业务。MPLS连接被称为LSP，而在某种意义上，使用LSP类似于面向连接的网络，这样MPLS可以提供面向连接网同样的优点又不失IP网的基本操作和有效性。所以，如果MPLS与IP及WDM结合组成IP/WDM网，就可以利用MPLS的LSP承载面向连接及面向非连接的业务。
　　
　　 　　MPLS的LSR节点用分组标记来分配LSP并简转发和选路过程。LSR根据接收到的标记来决定进行哪些必要的操作。MPLS有两种确定LSP的方法：一种是显式选路（ER），在这种情况下，路由预先选定来完成各种控制和业务量管理的功能；另一种是逐跳选路（hop-by-hop），也就是将IP选路协议是OSPF。标记交换最初的想法就是实现第三层流的第二层转发，而将这种想法延伸开去，实现第三层流的第一层转发就是基于MPLS的IP/WDM方法的目的。此时，一个端到端的光路径就是一个独立的LSP（在对等的MPLS　O-LSR之间的），而且，在LSP建立后，在数据传送过程中，O-LSR节点不需进行显式的标记处理及查询操作。
　　
　　 　　1.WDM网中LSR和O-LSR的主要作用
　　
　　 　　基于MPLS的WDM网中主要有边缘MPLS光LSR（即MPLS　O-LER）、核心MPLS O-LSR、电的MPLS　LER等几种设备。
　　
　　 　　电的MPLS　LER对分组标记所作的操作是插/分LSP（即插/分标记）标记交换、标记合并及标记入栈和出栈。插/分操作意味着输入LSP的终止和输出的LSP的开始。标记合并就是将两个或几个小的LSP合并成一个大的LSP，并用新的标记来代替旧的标记。标记交换包括读标记和写标记两种操作。标记入栈操作就是将一个新的标记加在MPLS分组原有的标记之前，从而将小的离散的LSP标记聚合成大的栈标记。标记出栈操作是入栈反操作，只需将上面的标记出栈即可。
　　
　　 　　核心MPLS O-LSR的标记操作。对于O-LSR，它是以整个波长作为LSP的粒度，所以它的操作少了许多，省略了标记合并和入栈/出栈操作。在LSP建立后，光通道的净荷是不需要作任何处理的，具有透明性，任何链路层成帧的处理及电再生都没有。在这里，标记与WDM波长通道是对应的，所以正如在同一个OXC端口的不同光路径不能共享同一波长一样，一个LSR接口端口的不同LSP不能共享同一标记。电MPLS网络与光MPLS网络的主要不同在于：电MPLS网络用数据包携带交换信息，而光MPLS网络则由波长通道值暗示。正因如此，核心O-LSR是不进行标记入栈/出栈及合并操作的。因为边缘MPLS O-LSR节点与电网络相连，所以它有相关的电的模块并需要有的标记操作（包括上述两种LSR的所有标记操作）。
　　
　　 　　2.显式选路与业务量控制和QOS/COS的实现
　　
　　 　　如前所述，LSP可通过两种方法确定：逐跳选路（hop-by-hop）和显式选路（ER）。前者可使用现有的IP协议（如OSPF、IS-IS等）根据路由表的更新来确定LSP；后者则允许服务提供者根据特定的数据流明确地确定LSP。显式选路只在MPLS光网络的入口和出口节点处才操作。在一些特殊情况下，ER也可以利用动态资源信息来解决路径选路问题。例如，ER可通过一些IGP协议（OSPF,RIP）的链路状态报告（LSA）来获得所需信息。
　　
　　 　　ER可以很好地完成光路径选路/指配功能，并将这种功能与基于MPLS的方法联系在一起。作为ER在这里的一个应用，ER隧道可通过在ER TLV（类型长度值）域中指定MPLS节点的IP地址来建立。这条ER隧道MPLS　O-LSR节点间的光路径信道。因为MPLS信令没有详细规定计算LSP路由的准确度，所以在LSP即ER路由算法中应考虑更多的与光有关的参数（如色散、串扰、信噪比等）。如RWA算法已经开始考虑每一跳系统中信号衰减的情况。
　　
　　 　　MPLS信令协议可利用TLV域来指定各种LSP参数，可分为显式选路TLV和业务昨参数TLV。业务量参数TLV定义了与LSP业务量管理有关的一些参数，如：数据峰值速率（PDR），平均数据速率（CDR）和频率等。
　　
　　 　　MPLS提供的一个重要服务是COS。传统的IP选路是根据目的地址由一定的算法算出一条路由，而这条路由会根据网络的一些变化而发生改变。这对有些业务（如对时延变化敏感的业务）是不合适的。而MPLS首先在网络边界识别客户数据流（通过分组头中的多个字段），然后将这些流放置在一条具有一些COS或QOS的特定的LSP上。这条LSP在它建立后到拆除的这段时间内，只要没有明确的干预是不会改变的。并且选路结构的变化也不会使LSP的转发路径发生不必要的变化。这样就可选定一些LSP并使其带宽等性质不发生影响业务质量的变化，在保证业务质量（QoS）上也可发挥重要的作用。MPLS实现这一过程由下列技术完成：一是附加在每个分组上的标记可以传输一个COS指示符；另外一个是COS值要与一个特这下的LSP关联，MPLS可采用LDP或其他协议（如RSVP）为LSP分配一个COS值，从而正确处理该数据流。
　　
　　 　　应用MPLS另一个显著的好处就在于业务量控制功能。IP网只有在IGP协议得到链路有关参数变化时才会进行业务量重选路，它只有这一种机制来实现业务量控制功能，这样效率很低。而MPLS被认为是解决业务量控制的一个理想方案，因为MPLS可以在任何数据链路上很轻松地为特定数据流预定一个显式路径，并可将任一特定的LSP从一条拥塞的路径换到另一条可选路径上，所以MPLS在这方面更有效。这样，MPLS允许多条路径间进行业务量的平衡化处理更进一步，MPLS允许网络维护者采用全局的优先算法来获得业务量需求到物理链路的映射，这样就提高了全网的链路利用率，同时也降低了成本。
　　
　　 　　3.网络的生存性
　　
　　 　　由于未来的IP网业务的多样性，所以网络生存性尤为重要。大多数网络都有两种机制来实现网络的生存性：一种是恢复机制，另一种是保护机制。恢复机制是在网络失效后动态地寻找可用资源从而选出另一条路由；而保护机制则是预配置保护路径来防止可能出现的故障。保护机制与恢复机制各有优缺点：保护机制比恢复机制的恢复时间短但灵活性不足，而且资源利用率不如恢复机制。
　　
　　 　　IP网利用路由协议算出可路由；基于电路的网络，由SDH的保护/切换来完成保护功能；而基于虚电路的网络，即可用SDH来实现，又可用面向无连接结构下的路由协议来实现。也就是说，在IP/WDM中可以将以上两种方法结合起来使用。
　　
　　 　　首先，作为长期潜在的生存机制，IP/WDM网采用恢复机制。而传统的IP恢复是相当慢的，MPLS可以加速IP层的失效恢复时间。目前，IETF已经出台了利用MPLS技术提供网络层的快速失效恢复的草案。MPLS可在有效路径两端或失效节点间建立替代LSP。虽然这种方式也是在路径失效后才由MPLS的信令计算出可替换路径或链路，但由于MPLS利用固定长度的标签交换技术减少了路由器解析IP包头的延时，所以可以加速IP层的实效恢复。根据恢复对象可分为两种方法：基于链路的和基于路径的。在基于路径的情况下，整条LSP都被替换。而基于链路则只替换失效的LSP跳数。
　　
　　 　　基于链路方法是基于路径方法的简化，它适用于在一对节点间有多条光路径的情况。恢复机制可以采用集中式控制，由控制管理中心根据网络失效后的资源状况重选路由；也可采用分布式控制，与失效相关的节点使用广播消息的方法来寻找一条恢复路由。
　　
　　 　　其次，IP/WDM网还可采用与SDH相似的方法，即由MPLS来预配置保护用的LSP。与恢复相同也要分为两种方法：基于链路的和基于路径的，原理与恢复一样，只是保护路径和链路是预配置的。这时执行LSP保护切换不需信令的参与。这种方法的恢复时间可和SDH相媲美。虽然这对数据业务并不是必要的，但对实时业务却是必须的。即在光层中预先算好一条备用的LSP来保护主用LSP，一旦主用LSP有问题立即切换到备用LSP上。甚至可采用光纤级的保护方法。在备用光纤中可传出一些低优先级的尽力而为的业务。一旦主用光纤出现故障，立即将整条光纤中的LSP全部切换到备用光纤。因而，这时的LSP是与光纤对应而不是与光路径对应，当光纤有问题时，与分别恢复各个LSP相比，这种方法的响应时间要短得多。因为WDM中一根光纤中复用了许多波长通道，当光纤失效时，分别为这些波长通道寻找保护路径就需要费一些时间了，所以直接采用保护光纤，就可以在发生光纤被切断等事故后，迅速将整条光纤上的LSP切换到备用光纤上了。
　　
　　 　　显然，MPLS无论是在恢复机制中还是在保护机制中，它都有着重要的作用。利用MPLS技术还可以支持不同优先级的保护/恢复。MPLS一定还有更多的用途，这有待于进一步的研究。
　　
　　 　　其实所有的网络生存性机制都要求网络预留足够的空闲资源（光纤、波长等），而资源是有限的。所以有人说网络生存性的最好解决办法就是在网络规划设计阶段就进行资源优化配置。但当网络已设计好后或网络拓扑发生变化后还是需要保护/恢复机制的。
　　
　　 　　4.故障检测、定位和控制结构
　　
　　 　　纯光透明性带来的一个问题是不能应用电域方法来进行故障检测和定位。电域故障检测与定位是利用帧开销中的管理字节来检测是否失去连接或过多的比特误码等。在相当长的一段时间内，光域中的故障检测与定位也将沿用电域中的技术来检测光路径故障和触发切换的算法。基于MPLS的IP/WDM也将采用这种技术，在IP/MPLS和WDM之间引入了一个光适配层，增加一些管理字节来实现这个功能。这种技术不需要网络层的复杂协议。光节点利用帧开销来检测并进行故障定位，但却需利用MPLS来实现设备恢复。电域成帧方法允许MPLS节点实现故障检测和定位。要在光层的每个通道获得这个功能，则光核心只能具有半透明性。亦即必须要有O-E变换器来做电的帧处理从而定位通道故障。实际上的许多光系统并不都是纯透明的且均作O-E变换，这样应用MPLS就可以利用这些作O-E变换的节点了。然而，如果网络是透明的，那么MPLS需要透明设备具有一些O-E变换的能力。
　　
　　 　　应用MPLS于IP/WDM的另一个问题是如何传送MPLS的控制信令，即控制结构是什么样的。这要分两种情况讨论，若WDM网中的波长数不多，则可采用副载波调制技术来实现，这种方法的信道带宽有限；若波长数很多，则可选一波长作光监控信道（OSC）。MPLS节点可以在OSC上和利用副载波调制技术来传送和接收LDP消息或其他控制消息。
　　
　　 　　三、结束语
　　
　　 　　WDM技术的应用极大地增加了网络的容量，若想实现真正的全光交换，即不要电路交换层，则需要光领域内相关技术的支持。但现在要实现全光交换所需的光领域内的相关技术还不完善，如目前兴领域内识别处理光分组头还比较困难、而且光存储器的容量有限，所以全光交换的实用化还有待发展。
　　
　　 　　随着网络技术的发展，现有IP/WDM网的各层如IP/PPP/HDLC/DH/WDM中的PPP、HDLC、SDH层，IP/ATM/SDH/WDM中的ATM、SDH层很可能最终合为一层。现在，IETF中有人已经提出这种构想（Awduche等人提出的多波长交换有望达到这一目标）。Awduche这种想法的基本概念是：由于MPLS网的一些协议（如OSPF,RSVP,IS-IS等）推广到WDM中，即MPLS最终与WDM融合的目的。IP/WDM网将会进一步发展并将在今后若干年内成为骨干网的支柱，它的发展将会影响全球IP业务的发展。

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