GMPLS的動態路由機制研究

摘 要:GMPLS由MPLS演進而來，它是MPLS向光層擴展的必然產物，路由技術是GMPLS的一項關鍵技術。這里簡要回顧了MPLS技術，在此基礎上對GMPLS中與路由相關的關鍵技術做了介紹，討論GMPLS中現有的路由選擇策略，論述基于GMPLS支持的對等網絡模型對一種聯合的網絡結構及其控制平面的結構，最后提出基于GMPLS的網絡中一種有QoS保證的動態路由機制。

關鍵詞:MPLS; GMPLS; QoS; 聯合路由

中圖分類號:TP393.03 文獻標識碼:A

文章編號: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和光纖技術的迅猛發展，IP和光網絡技術的相互融合必將成為未來網絡發展的重要趨勢。如何解決IP層與光層的融合，通用多協議標記交換(GMPLS)提供了一個良好的思路。傳統的IP網絡一旦為一個IP包選擇了一條路徑，則不管這條鏈路是否擁塞，IP包都會沿著這條路徑傳送下去，這樣會造成整個網絡在某處的資源過度利用，而另一些地方的網絡資源閑置不用。這種由于網絡資源使用不均衡造成的網絡擁塞必然致使網絡性能降低，服務質量(QoS)無法保證。GMPL采用顯式路由技術，利用基于約束的路由算法，根據用戶的特定要求僅在入口節點處計算特定的標簽交換路徑(LSP)，避免業務流向已經擁塞的節點，實現網絡資源的最佳利用。

1 GMPLS技術及路由機制

GMPLS技術是MPLS向光網絡擴展的必然結果。GMPLS將時隙、波長和光纖端口作為標簽用于數據轉發，通過采用擴展的信令、路由協議和新增的鏈路管理機制來適應對智能光網絡進行動態控制和傳送信令的要求，動態提供網絡資源，并增加網絡的生存性。

1.1 路由協議

路由技術作用于OSI參考模型的第3層，即網絡層。就GMPLS技術本身而言，它是一種面向鏈接的技術，但在網絡互聯時它要支持無鏈接的業務，因此GMPLS的路由方案充分采用了當前十分成熟，普遍性和適應性非常強的IP路由協議簇。

根據是否在一個自治域內部使用，路由協議分為內部網關協議(IGP)和外部網關協議(EGP)。自治域內部采用的路由選擇協議稱為內部網關協議，常用的有路由信息選擇協議(RIP)和開放式最短路徑優先協議(OSPF);外部網關協議主要用于多個自治域之間的路由選擇，常用的是邊界網關協議(BGP，BGP-4)。

1.2 路由算法

路由算法在路由協議中起著至關重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的尋徑結果。通常需要綜合考慮最優化、簡潔性、健壯性、快速收斂、靈活性等設計目標。

GMPLS使用了基于約束的路由算法，根據用戶的特定要求僅在邊緣節點處計算特定的標簽交換路徑，隨后利用顯式路由技術及支持QoS的標簽交換分配信令(如CR-LDP)，在網絡內部構成此LSP的LSR之間傳遞相應的建路信息，使網絡資源得到最佳利用。流量工程可以使網絡動態地對流量的變化做出反應，防止擁塞的出現，并且從整體上看，它能通過更靈活的方法來管理網絡。

2 具有QoS保證的動態路由機制

GMPLS在多網絡層間擴展了拓撲發現和帶寬管理，在基于GMPLS的IP over optical網絡中，這意味著IP層可了解光層的基本光纖拓撲、光通路的連通性和保護能力。對光層的拓撲、保護能力及可利用資源的綜合認識，使得能夠用一個高效的方法動態地提供LSP鏈接，因此，提出一種具有QoS保證的動態路由機制。

在大多數情形下，都假設基于GMPLS的光網絡結構為多層重疊模型。在這種模型中，IP層在底層提供連通性，并在此基礎上為LSP選擇路徑，且每一層都保持對其資源的完全控制，而對其他層上的情況知道得很有限。

2.1 網絡結構

就網絡的骨干部分而言，假設每個網絡節點有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節點上的控制器同樣可以管理多種流量類型。這種集成的網元使集成網絡結構成為可能，從而每個網絡層都能夠自由地交換拓撲和資源信息。

每個節點可直接與一個網元管理系統(EMS)相連，并報告其狀況，可通過一個網絡管理標準，比如簡單網絡管理協議(SNMP)和電信管理網(TMN)實現。EMS用來關注其管理域內的節點，每個域的EMS與一個中央網絡管理系統(NMS)相連。這種分級結構允許可變的網絡規模及不同管理域的網際網絡互聯。圖1為該網絡及節點結構。

圖1 網絡和節點結構

2.2 控制平面結構

同一個域內的網元通過一個統一的控制平面相通信。每兩個相鄰節點、每個節點及其所屬域的EMS間存在一條專用的帶外控制信道，這個統一的控制平面建立在GMPLS標準的基礎上。資源預留協議(RSVP)和基于約束的路由標簽分發協議(CR-LDP)能夠在這個統一的網絡結構中提供流量工程。此外，可利用路由協議鏈路狀態廣播(LSA)鄰節點發現和鏈路狀態更新，如帶有GMPLS擴展的IS-IS和OSPF。

聯合控制平面包括3級控制結構:中央處理器(帶擴展功能的NMS)、域管理器(帶擴展功能的EMS)和節點控制器(CTR)。圖2說明了這個聯合控制平面分級。

圖2 聯合控制平面分級結構

第1級:中央處理器作為用戶和所有子網域的接口，主要功能是監督提供新鏈接和維持全網拓撲信息。

第2級:域管理器監督子網域內的工作，如業務提供和網絡狀態監測。服務提供器負責處理鏈接建立、拆除的請求和計算，以滿足QoS要求的顯式路徑;網絡監視器監視整個網絡的狀況和故障、修復事件。域管理器維護的數據庫包括域拓撲數據庫、全局鏈路狀態數據庫和全局鏈接數據庫(記錄域內所有已建立的鏈接)。

第3級:節點控制器處理可在每個節點以分布式方法完成具體功能，如過載處理、故障恢復和狀態監視。過載處理器檢測突發的鏈路過載，并執行相應的對策;恢復單元在故障發生時提供快速的保護和恢復能力;組件監視器用于檢測節點及鄰接鏈路的故障、修復情況。節點控制器維護的數據庫是本地鏈路狀態數據庫和本地鏈接數據庫。

2.3 動態的鏈接提供

假設動態鏈接請求有不同等級的帶寬和可用性需求，鏈接建立和拆除的請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哪些域，并將請求送到每個域中的服務提供單元。服務提供器保留帶寬，并建立一條滿足QoS要求的鏈接。下面給出服務提供器建立和拆除鏈接的步驟，該機制建立在帶GMPLS擴展的RSVP上。

表1 節點C的本地鏈接數據庫示例

層次鏈接ID入端口出端口源節點目的節點帶寬類型相應主/備用SRLG保護類型

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，假設下面的參數必須明確1個源-目的節點對所需帶寬和所需的最小可用性。當服務提供器處理建立一個新鏈接的請求時，它尋找滿足所有QoS參數的路徑。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、拆除機制的1個信令圖示。首先1個LSP請求到達服務提供器。服務提供器根據一定算法計算出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象(ERO)，并送到源節點，源節點發送1條帶有ERO的PATH消息到目的節點，目的節點回送1條RESV消息證實此建立。RESV消息會經過此路徑的每個節點來建立路徑狀態，保留帶寬，更新本地數據庫來加入新鏈接。當鏈接建立完成，通知服務提供器把新鏈接添加到全局鏈接數據庫中。

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條路徑都應被清除;如果其備用路徑同時也作為其他路徑的備用時，則只清除專用的主用路徑，備用路徑被保留直到其保護的所有鏈接到期。拆除鏈接時，該LSP的源節點發送1條PathTear消息到目的節點以清除路徑狀態并釋放帶寬，然后在此路徑所經過的每個節點的本地鏈接數據庫中刪除此鏈接，目的節點回送1條確認消息(ACK)。服務提供器相應地更新它的鏈接數據庫，鏈接拆除完成。

3 結 語

GMPLS技術是為了解決日益增長的大型網絡所面臨的一系列問題而產生的新技術，基于GMPLS的統一控制平面增加了網絡的智能性，使得相互鏈接的網絡單元更好地工作。所有的網絡單元在GMPLS的控制下，對等地協同工作，動態地建立跨越不同類型網絡的LSP，從而節省高昂的網管維護費用，為短時間內供應高帶寬和新的增值服務提供了保障。不同的業務有不同的QoS要求，從而對路由也有不同的要求，機制對不同的業務區別對待，保證不同等級的服務，考慮的QoS參數主要是帶寬和鏈接的可用性，當一條單一的路徑不能提供足夠的可用性時，算法會同時，選擇適合的主用和備用路徑以滿足這些參數。該路由機制避免了多網絡層中保護帶寬的多余保留，在保持對網絡資源高效利用的同時為每個用戶的請求提供了特定的服務。要使GMPLS真正成為互聯網的統一控制平面所要走的路還很長，有很多信令和路由協議有待于不斷的修改和完善，以適應不同技術的要求。隨著交換技術的不斷進步，動態路由機制的優勢將更加明顯，它對大型易變的網絡環境的適應能力將吸引越來越多的人們關注它的進一步研究與應用。

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