ＧＭＰＬＳｂａｓｅｄ ＯＢＳ網絡中鏈路管理協議的應用

摘要：GMPLS雖然是通用多協議標簽交換，但是并不是支持所有的交換方式。由于光突發交換方式信令與數據分離，以及數據的多信道選擇等特性，這些特性與傳統的鏈路管理協議[1]的結構和功能非常相似，因此在將GMPLS作為OBS傳輸網絡控制面時，最需要修改的協議就是鏈路管理協議。首次將鏈路管理協議中流量工程鏈路綁定與OBS的數據信道調度關聯起來，提高了網絡的可擴展性和安全性，支持流量工程，并通過OPNET仿真數據驗證了對多媒體業務流恢復性能的改善。

關鍵詞：綁定;數據信道組;控制信道組;共享風險鏈路組;M∶N保護

中圖法分類號：TP393．09文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0297－03

1引言

光突發交換是最初由Qiao于1999年提出[2]，在OBS中，IP數據包被匯聚成一個大得多的突發包（如10KB~300MB），突發包傳輸前在網絡邊緣節點的電域中被緩存。這就使得交換開銷可以被多個IP包分擔。控制包首先被發送出去來建立連接（通過沿途預留相應的帶寬和配置交換機），隨后的數據突發不需要收到連接確認消息就可以被發送出去。換句話說，OBS使用類似TellAndGo（TAG）的單向預留協議，也就是ATM中的快速預留協議（FRP）或ATM Block Transfer with Immediate Transmissions（ABTIT）。這使得OBS區別于電路交換，也區別于其他使用JustInTime（JIT）和TellAndWait（TAW）等預留/調度協議（在ATM中稱為ABTDT）的雙向預留的突發交換方式。當控制包到達一個核心交換節點時，就為突發包預留好了資源。如果資源已經預留好，那么突發包就可以通過該交換節點。當突發包通過后，資源就被釋放。

光突發交換的另外一個重要特點就是數據信道調度機制。當控制包提前到達一個交換節點時，除了告訴節點它所對應突發包到達時間外，還需要確定突發包對應的輸出端口。而在確定輸出端口時，節點是按照一定的規則在一定范圍內的多個數據信道中對比選擇最佳的一個作為輸出端口。

由上面對OBS的簡單敘述可知，OBS是一種介于光電路交換與光分組交換之間的一種新的交換方式，而目前包括IETF，ASON定義所支持的GMPLS控制協議在內都是只支持電域的包交換和光域的時隙、波長和光纖交換。因此為了在未來的GMPLS光網絡中實現OBS交換模式傳輸數據，就必須針對這種特殊的方式對目前GMPLS在支持原有交換方式的基礎上作針對性的擴展，從信令協議、路由協議以及后來增加的鏈路管理協議。為此我們定義一個新的交換能力接口，突發交換能力接口——BSC。這種接口由帶光電轉換用來傳輸突發控制消息(BHP)的控制信道組和不帶光電轉換只用來傳輸光突發數據(DB)的數據信道組組成，而這些信道組都有隸屬于波長交換能力接口。考慮到我們對已有GMPLS所作擴展的通用性，在信令協議方面，將在CRLDP[3，4]基礎上進行擴展；路由方面，則是OSPFTE[5]擴展；鏈路管理協議則是IETF的最新的草案[1]擴展而來。

鏈路管理協議是為管理流量工程鏈路（TELink）而開發的一種新技術。它具有四個基本功能：

(1)控制信道管理。

控制信道是GMPLS網絡中用于傳送信令、路由甚至網管信息的通道，而對控制信道的實現形式，IETF并沒有作出限定，如控制信道可以是一個獨立的波長、一條IP的隧道或數據鏈路的開銷字節等。控制信道管理功能就是用于在節點之間建立控制信道并維護其連通性的。控制信道管理過程包括兩個階段，即參數協商和連通性維護。

(2)鏈路屬性關聯。

此項功能用于驗證數據鏈路的物理連通性和交換相應的接口標志（InterfaceID）。鏈路

連通性的驗證過程也分為兩個階段：①對Test消息發送所涉及的參數進行協商；②通過數據鏈路發送Test消息，完成了對數據鏈路物理連通性的驗證和鏈路兩端接口標志的交換。

(3)鏈路連通性驗證。

鏈路屬性關聯功能被用作合并多個數據鏈路為一個TELink，并同時用于交換、關聯或

修改TELink的參數。這包括改變一個鏈路的保護機制，修改數據鏈路的標志，驗證兩端數據鏈路和TELink信息的一致性等。

（4）故障管理。

網絡的故障管理可以分為故障檢測、故障定位、故障隔離、故障通告、故障恢復五個

過程。在LMP中，故障管理實現的功能主要是故障定位，其他過程可以采用傳統的或GMPLS所提供的其他方式來實現，如故障檢測可以采用在物理層檢測有無光信號的丟失（LOL）來實現，而故障通告和恢復通常需要信令的參與等。

從上面的討論可以看出，LMP和OBS網絡在結構上有很多相似的地方，因此在定義OBS

網絡控制面功能的時候，LMP非常重要。本文主要討論如何對LMP的某些功能重新定義以實現在OBS網絡中配合其他GMPLS信令、路由協議管理實現控制面功能。

2LMP的應用——OBS控制

GMPLS中，負責建立、維護和拆除LSP的是CRLDP協議，而對這些建立起來的LSP和未建立起來的鏈路資源的管理則是由LMP進行管理。對于OBS網絡，一條LSP就是一個邊緣節點到另外一個邊緣節點的路徑，但是OBS網絡中的LSP并不是完全的LSP，因為在每一跳的每一個數據突發的輸出波長(或端口)都需要由對應控制包臨時決定。因此必須對GMPLS協議棧作一些修改。

2．1OBS 的LSP建立和拆除過程

在GMPLS中，當請求標簽完成一個往返之后，一條確定的LSP就會建立起來，包括FEC，ILM，NHLFE等對應的參數都確定下來。但是我們針對OBS傳輸方式， 在建立路徑時往往不指定數據傳輸的信道，而是通過數據信道調度臨時選擇。因此，建立一條雙向LSP的過程與傳統GMPLS的建立過程差不多，只是在每一個LSP我們所建立的LSP對象指的是傳輸控制消息的LSP，對應傳輸DB數據的信道則由LMP協議本地管理。拆除OBS的LSP過程也是如此相反。

這樣做的好處有：

①符合OBS交換方式的控制信道與數據信道分離；

②信令只傳遞控制信道相關消息，并不兼顧數據信道的分配問題，將一部分功能轉交給LMP協議，由本地節點進行管理，有利于減輕LDP信令的負擔。

2．2鏈路綁定

在定義GMPLS時考慮到，由于交換類型的增多，從鏈路管理、路由廣播標簽空間以

及流量工程角度的考慮，將幾條相同特征的平行鏈路匯聚起來，將這些匯聚的屬性指定為一個綁定鏈路。這樣做的后果就是減小了鏈路狀態數據庫，增強了鏈路狀態協議的可擴展性。至于鏈路綁定的細節可以在文獻[6]中查看(如鏈路屬性是如何匯聚的)。

如圖1所示，虛線圈定的為多個波長鏈路，這些波長鏈路組成了一個概念上的鏈路綁定，所有屬于這個鏈路綁定的LSP中的數據突發都在節點進行信道選擇。根據LMP的功能，當收到建立LSP請求時，節點通過控制信道管理分配一條控制信道 (新分配一條鏈路或者與在帶寬條件允許情況下與其他控制信道共享一條鏈路) ，然后建立一條對應的OBS的數據突發LSP，并將此LSP與加入到相同目的地的或者相同流量工程的鏈路綁定中，如果沒有則將這條LSP聲明為一個新的鏈路綁定，以便以后的LSP加入。這樣一個鏈路綁定中的鏈路數目N總大于或者等于所屬的LSP數目M。

鏈路綁定與OBS相結合不僅僅實現了對OBS中控制信道和數據信道的管理，也為了讓GMPLSbased OBS網絡可以在以后有所擴展，如OVPN，OMulticast基于QoS的TE Bundle，預留鏈路進行鏈路保護等。

通過配置，每一個端口都會留有一定數量的波長作為備用信道。備用信道可以實現很多功能，如臨時性解決某一個鏈路綁定中突發數據調度失敗丟包的問題等，但是最主要的功能還是作為共享風險鏈路組。

3目前OBS的關鍵技術研究

現在OBS技術在世界范圍內已經比較成熟，很多大型實驗室、學校都已經建立了演示實驗床，但是距離實用和標準還有一些差距，主要體現在下面一些關鍵技術：

(1)高速光交叉模塊技術[9]。

光交叉模塊是OBS核心節點的關鍵部分，要求其中的光開關速度達到微秒級甚至納秒級。鈮酸鋰開關、半導體放大器SOA構成的門陣列、聲光技術實現的光交換、光調制光開關和波導開關等雖然都有自己的特點，但是在功率、成本等方面也存在著或多或少的問題。另外，突發接收和突發同步也需要納秒級的光開關精度， 因此高速光交叉矩陣技術是下一步研究的重點。

(2)競爭解決方案。

所有分組交換方式都會遇到同一個問題，即所謂的外部阻塞(又稱隊頭阻塞)。在OBS中，競爭解決方案有光緩存、波長變換和偏射路由這三種主流方案。但是現在的光緩存采用大量光纖，成本很高，而且存儲粒度有限，而波長變換和偏射路由也存在著波長變換器的成本問題，因此，如果要讓OBS網絡更加成熟，競爭問題必須解決。

(3)QoS解決方案[10]。

在光域中，因為沒有光RAM，因此那些基于緩存的QoS方案，在全光交換的網絡中無法應用，因而需要一種無緩存的QoS解決方案。目前提出的方案也都是從匯聚、偏置時間幾個方面考慮。

(4)保護恢復機制。

OBS光網絡的生存性包括控制信道和數據信道的故障保護與恢復，它與傳統的光網絡有很多相似的地方，傳統光網絡的保護恢復機制，有很多可以借鑒。不過，也存在很多不同，它的控制通道要經過光/電/光處理，而數據通道在中間節點透明傳輸，無須光/電/光處理，這樣，有許多新的問題需要解決。

4對多媒體業務流恢復的性能改進

下一代的核心網絡已經確定為光網絡，而現在光網絡受技術限制，對于故障的恢復一般是采用雙環切換的辦法，不適用未來的網狀網。因此，核心網絡所承載的業務流就需要靠上層的重路由來恢復，但是延遲非常大，對于實時性要求非常高的多媒體業務流來說，一旦出現故障，影響就非常大，只有快速的光層恢復才能盡量減少視頻影響。

光控制面的一個重要功能就是智能故障處理。我們在OBS網絡中引入了GMPLS控制面的一個主要目的就是可以解決光層OBS的保護恢復問題。在OBS中，業務流可以按照IETF標準分為盡力而為(BE)，確保轉發(AF)和加速轉發(EF)。其中視頻、語音業務流屬于EF加速轉發類。我們通過OBS加速轉發和故障優先恢復等技術可以對多媒體業務流的恢復性能實現改進。下面是對故障恢復的技術描述。

在GMPLSbased OBS網絡中故障的處理需要信令、路由和鏈路管理協議的共同工作才能實現。對于故障的處理分為五個階段，即檢測、定位、隔離、通告和轉移。信令的功能是根據保護或者恢復的類型建立備用路徑，而路由的功能則是廣播保護或者恢復的類型，計算備用路徑路由，鏈路管理協議的功能就是對這些備用路徑進行處理。

針對光控制面的這個功能，如上所述，鏈路管理協議的一個重要功能就是實現故障處理。

由于OBS網絡結構中數據突發是透明交換，而且與控制信道又是分離的，當出現鏈路故障時，僅檢查控制信道是不行的，還必須檢查控制信道對應鏈路綁定的數據信道所有鏈路。為了能夠盡快地對OBS的LSP進行保護，尤其是對EF類數據傳輸的LSP，規定在每一個端口均分配一定數量的備用鏈路，作為其他端口鏈路的共享風險鏈路組SRLG [7]。在這種共享風險組中實現段保護類型[8]。當網絡中每兩個節點之間最大使用的LSP對數為M， 而這兩個節點之間最大的SRLG中LSP對數為N， 則在整個網絡中實現了M∶N的故障保護。

為了減少EF丟包率，應該盡量挽救在發生節點或者鏈路故障時已經發出來但要經過故障的突發包，保護工作分為兩個部分：①專門為已經發出來但還沒有到達故障的數據，采用省缺路由的方式臨時轉移突發數據，這時候的保護是基于線段的保護；②通過OSPF通告為經過故障的所有LSP重新選擇保護路徑，這時候的保護是基于線路的保護，是從OBS網絡中LSP的源端發起的。但是由于JIT和JET等OBS單向預留協議是在突發包匯聚產生的時候嚴格計算控制包和突發包的偏置時間，使用傳統的省缺路由可能會因為增加突發包的跳數，從而使偏置時間不夠用，因此在線段保護的節點中，由于臨時的控制包和數據包都是走保護信道，不需要提前配制，因此BHP也透明傳輸。舉一個例子，網狀網中，如圖2所示為一個4：2的保護網絡，每條線代表一對LSP（包括數據信道和控制信道）其中兩條虛線為保護鏈路，其他四條實線為使用LSP。最初有一條LSP從Edge Router1到 Edge Router2，經過LSR1，LSR2，LSR4。當LSR2發生故障時，一旦LSR1和LSR4檢測并定位故障，整個網絡將同時進行兩種保護，對整個LSP的線路保護和LSR1到LSR4之間的線段保護。對于線保護，在邊緣路由器1匯聚突發包時調整偏置時間，并在發送調整過的控制包之前在控制信道發送一個針對這條LSP的通知信息包，LSR3，LSR4則透明轉發控制包，直到接收到通知包之后才對這條LSP的數據進行數據信道調度等處理。

5多媒體業務流性能評估

針對GMPLSbased OBS光網絡的多媒體業務流性能，我們在OPNET10.0中建立了一組仿真模型。以美國地圖為例，模仿光鏈路故障如圖2所示，節點之間的鏈路為10個波長，我們檢測的是從Denver 到Chicago之間的數據流。所有節點在仿真0時開始隨機傳輸數據，包括BE類型的普通業務流(虛線)和AF類型的多媒體語音圖像業務流(實線)。光鏈路在8ms時發生故障，我們把仿真時間設置為1min，圖2為收集Denver和Chicago之間鏈路利用率的仿真數據截圖。從圖中我們可以看出，從故障發生到數據恢復只用了不到50ms，而AF數據流的恢復時間則明顯比BE要快。這樣的延遲可以滿足語音和圖像服務的要求。

6結論

OBS技術是為了滿足業務增長的需要成長起來的，它具有延時小(單向預留)、帶寬利用率高、交換靈活、數據透明、交換容量大(電控光交換)等優點，可以達到Tbps級的交換容量。因此，OBS網絡主要應用于不斷發展的大型城域網和廣域網。在GMPLSbased OBS網絡中，鏈路管理協議將使整個網絡更利于管理和維護， 在不改變現有OBS交換原理及結構， 并繼承了大部分GMPLS協議棧的情況下， 為OBS網絡提供了靈活的應用及業務提供， 如快速提供光路服務，應用流量工程的綁定鏈路可以實現虛擬專用光網， 并且在鏈路管理協議定義的鏈路結構的M:N保護機制下，網絡提供商可以輕松地擴展網絡而不必擔心網絡的安全性。

參考文獻：

［1］J Lang，et al. Link Management Protocol (LMP) [R]. IETF Draft(Work in Progress)，2003.

[2]C Qiao， M Yoo.Optical Burst Switching： A New Paradigm for An Optical Internet[J].High Speed Networks，1999，1(8):6984.

[3]IETF RFC34712003，Generalized MultiProtocol Label Switching (GMPLS) Signaling Functional Description [S].

[4]IETF RFC 34722003，(GMPLS) Signaling Constraintbased Routed Label Distribution Protocol (CRLDP) Extensions[S].

[5]IETF RFC 23281998， OSPF version 2 [S].

[6]K Kompella， Y Rekhter， L Berger. Link Bundling in MPLS Traffic Engineering [R]. IETF Draft(Work in Progress)， 2000.

[7]Sebos P， Yates J， Hjalmtysson G， et al. AutoDiscovery of Shared Risk Link Groups [C]. Optical Fiber Communication Conference and Exhibit， Technical Digest Series， IEEE， 2002.493495.

[8]Ayan Banerjee， John Drake. Generalized MultiProtocol Label Swi￣tching: An Overview of Signaling Enhancements and Recovery Techniques [J]. IEEE Communications，2001，7(39):1824.

[9]唐建軍， 紀越峰. 光突發交換關鍵技術[JOL]. http://www.cww.net.cn， 200309.

[10]Keping Long， et al. A New Framework and Burst Assembly for IP DiffServ over Optical Burst Switching Networks [C]. San Francisco， USA:Proceedings of the IEEE GlobeCom， 2003.31593164.

作者簡介：劉輝(1968)，男，四川儀隴人，高級工程師，主要研究方向為光網絡傳輸理論及技術研究;劉翔(1973)，男，四川儀隴人，工程師，主要研究方向為通信工程理論及實踐。

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