MPLS在IP/WDM網絡中的應用研究

　　 
　　摘要　IP over WDM作為一種新興的技術，雖然具有很好的前景，但仍有一些未令人滿意的地方。針對IP/WDM中波長通道的選擇問題，本文介紹了一種在IP/WDM中應用MPLS的方法。
　　
　　 　　關鍵詞　MPLS WDM IP/WDM
　　

　　 　　一、引言
　　
　　 　　在過去的20年中，電信行業見證了數據業務量史無前例的增長及對網絡技術發展無止境的要求，而光通信領域中WDM的應用標志著通信新紀元的開始。為使IP業務得到更寬的帶寬、更好的網絡可擴展性及更有效地操作性，近幾年對于在WDM網中有效地傳輸IP業務方面進行了許多的研究，然而，現在該領域中的研究大多集中在為IP層和物理層之間引入一個“接入層”上。但是隨著光分組交換技術的出現，極需要一種能適應未來發展趨勢的IP/WDM集成技術。本文介紹一種將MPLS（多協議標記交換）與IP/WDM相結合的技術，它利用IP、MPLS協議及MPLS標記交換的概念來分配波長交換通道。特別地，光網絡節點要能處理IP及MPLS的相關操作，在光的子網邊緣使用標記棧將從電MPLS節點流過來的小LSP（標記交換路徑）合并為光通路信道中更大的LSP。而網中的核心光MPLS節點對小LSP標記不作電處理。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）、波長交換及保護和恢復等。
　　
　　 　　二、基于MPLS的IP/WDM集成方法
　　
　　 　　利用MPLS可在純數據報網絡的兩點間建立一條虛連接，并且這條連接可承載數據報業務。MPLS連接被稱為LSP，而在某種意義上，使用LSP類似于面向連接的網絡，這樣MPLS可以提供面向連接網同樣的優點又不失IP網的基本操作和有效性。所以，如果MPLS與IP及WDM結合組成IP/WDM網，就可以利用MPLS的LSP承載面向連接及面向非連接的業務。
　　
　　 　　MPLS的LSR節點用分組標記來分配LSP并簡轉發和選路過程。LSR根據接收到的標記來決定進行哪些必要的操作。MPLS有兩種確定LSP的方法：一種是顯式選路（ER），在這種情況下，路由預先選定來完成各種控制和業務量管理的功能；另一種是逐跳選路（hop-by-hop），也就是將IP選路協議是OSPF。標記交換最初的想法就是實現第三層流的第二層轉發，而將這種想法延伸開去，實現第三層流的第一層轉發就是基于MPLS的IP/WDM方法的目的。此時，一個端到端的光路徑就是一個獨立的LSP（在對等的MPLS　O-LSR之間的），而且，在LSP建立后，在數據傳送過程中，O-LSR節點不需進行顯式的標記處理及查詢操作。
　　
　　 　　1.WDM網中LSR和O-LSR的主要作用
　　
　　 　　基于MPLS的WDM網中主要有邊緣MPLS光LSR（即MPLS　O-LER）、核心MPLS O-LSR、電的MPLS　LER等幾種設備。
　　
　　 　　電的MPLS　LER對分組標記所作的操作是插/分LSP（即插/分標記）標記交換、標記合并及標記入棧和出棧。插/分操作意味著輸入LSP的終止和輸出的LSP的開始。標記合并就是將兩個或幾個小的LSP合并成一個大的LSP，并用新的標記來代替舊的標記。標記交換包括讀標記和寫標記兩種操作。標記入棧操作就是將一個新的標記加在MPLS分組原有的標記之前，從而將小的離散的LSP標記聚合成大的棧標記。標記出棧操作是入棧反操作，只需將上面的標記出棧即可。
　　
　　 　　核心MPLS O-LSR的標記操作。對于O-LSR，它是以整個波長作為LSP的粒度，所以它的操作少了許多，省略了標記合并和入棧/出棧操作。在LSP建立后，光通道的凈荷是不需要作任何處理的，具有透明性，任何鏈路層成幀的處理及電再生都沒有。在這里，標記與WDM波長通道是對應的，所以正如在同一個OXC端口的不同光路徑不能共享同一波長一樣，一個LSR接口端口的不同LSP不能共享同一標記。電MPLS網絡與光MPLS網絡的主要不同在于：電MPLS網絡用數據包攜帶交換信息，而光MPLS網絡則由波長通道值暗示。正因如此，核心O-LSR是不進行標記入棧/出棧及合并操作的。因為邊緣MPLS O-LSR節點與電網絡相連，所以它有相關的電的模塊并需要有的標記操作（包括上述兩種LSR的所有標記操作）。
　　
　　 　　2.顯式選路與業務量控制和QOS/COS的實現
　　
　　 　　如前所述，LSP可通過兩種方法確定：逐跳選路（hop-by-hop）和顯式選路（ER）。前者可使用現有的IP協議（如OSPF、IS-IS等）根據路由表的更新來確定LSP；后者則允許服務提供者根據特定的數據流明確地確定LSP。顯式選路只在MPLS光網絡的入口和出口節點處才操作。在一些特殊情況下，ER也可以利用動態資源信息來解決路徑選路問題。例如，ER可通過一些IGP協議（OSPF,RIP）的鏈路狀態報告（LSA）來獲得所需信息。
　　
　　 　　ER可以很好地完成光路徑選路/指配功能，并將這種功能與基于MPLS的方法聯系在一起。作為ER在這里的一個應用，ER隧道可通過在ER TLV（類型長度值）域中指定MPLS節點的IP地址來建立。這條ER隧道MPLS　O-LSR節點間的光路徑信道。因為MPLS信令沒有詳細規定計算LSP路由的準確度，所以在LSP即ER路由算法中應考慮更多的與光有關的參數（如色散、串擾、信噪比等）。如RWA算法已經開始考慮每一跳系統中信號衰減的情況。
　　
　　 　　MPLS信令協議可利用TLV域來指定各種LSP參數，可分為顯式選路TLV和業務昨參數TLV。業務量參數TLV定義了與LSP業務量管理有關的一些參數，如：數據峰值速率（PDR），平均數據速率（CDR）和頻率等。
　　
　　 　　MPLS提供的一個重要服務是COS。傳統的IP選路是根據目的地址由一定的算法算出一條路由，而這條路由會根據網絡的一些變化而發生改變。這對有些業務（如對時延變化敏感的業務）是不合適的。而MPLS首先在網絡邊界識別客戶數據流（通過分組頭中的多個字段），然后將這些流放置在一條具有一些COS或QOS的特定的LSP上。這條LSP在它建立后到拆除的這段時間內，只要沒有明確的干預是不會改變的。并且選路結構的變化也不會使LSP的轉發路徑發生不必要的變化。這樣就可選定一些LSP并使其帶寬等性質不發生影響業務質量的變化，在保證業務質量（QoS）上也可發揮重要的作用。MPLS實現這一過程由下列技術完成：一是附加在每個分組上的標記可以傳輸一個COS指示符；另外一個是COS值要與一個特這下的LSP關聯，MPLS可采用LDP或其他協議（如RSVP）為LSP分配一個COS值，從而正確處理該數據流。
　　
　　 　　應用MPLS另一個顯著的好處就在于業務量控制功能。IP網只有在IGP協議得到鏈路有關參數變化時才會進行業務量重選路，它只有這一種機制來實現業務量控制功能，這樣效率很低。而MPLS被認為是解決業務量控制的一個理想方案，因為MPLS可以在任何數據鏈路上很輕松地為特定數據流預定一個顯式路徑，并可將任一特定的LSP從一條擁塞的路徑換到另一條可選路徑上，所以MPLS在這方面更有效。這樣，MPLS允許多條路徑間進行業務量的平衡化處理更進一步，MPLS允許網絡維護者采用全局的優先算法來獲得業務量需求到物理鏈路的映射，這樣就提高了全網的鏈路利用率，同時也降低了成本。
　　
　　 　　3.網絡的生存性
　　
　　 　　由于未來的IP網業務的多樣性，所以網絡生存性尤為重要。大多數網絡都有兩種機制來實現網絡的生存性：一種是恢復機制，另一種是保護機制?；謴蜋C制是在網絡失效后動態地尋找可用資源從而選出另一條路由；而保護機制則是預配置保護路徑來防止可能出現的故障。保護機制與恢復機制各有優缺點：保護機制比恢復機制的恢復時間短但靈活性不足，而且資源利用率不如恢復機制。
　　
　　 　　IP網利用路由協議算出可路由；基于電路的網絡，由SDH的保護/切換來完成保護功能；而基于虛電路的網絡，即可用SDH來實現，又可用面向無連接結構下的路由協議來實現。也就是說，在IP/WDM中可以將以上兩種方法結合起來使用。
　　
　　 　　首先，作為長期潛在的生存機制，IP/WDM網采用恢復機制。而傳統的IP恢復是相當慢的，MPLS可以加速IP層的失效恢復時間。目前，IETF已經出臺了利用MPLS技術提供網絡層的快速失效恢復的草案。MPLS可在有效路徑兩端或失效節點間建立替代LSP。雖然這種方式也是在路徑失效后才由MPLS的信令計算出可替換路徑或鏈路，但由于MPLS利用固定長度的標簽交換技術減少了路由器解析IP包頭的延時，所以可以加速IP層的實效恢復。根據恢復對象可分為兩種方法：基于鏈路的和基于路徑的。在基于路徑的情況下，整條LSP都被替換。而基于鏈路則只替換失效的LSP跳數。
　　
　　 　　基于鏈路方法是基于路徑方法的簡化，它適用于在一對節點間有多條光路徑的情況?；謴蜋C制可以采用集中式控制，由控制管理中心根據網絡失效后的資源狀況重選路由；也可采用分布式控制，與失效相關的節點使用廣播消息的方法來尋找一條恢復路由。
　　
　　 　　其次，IP/WDM網還可采用與SDH相似的方法，即由MPLS來預配置保護用的LSP。與恢復相同也要分為兩種方法：基于鏈路的和基于路徑的，原理與恢復一樣，只是保護路徑和鏈路是預配置的。這時執行LSP保護切換不需信令的參與。這種方法的恢復時間可和SDH相媲美。雖然這對數據業務并不是必要的，但對實時業務卻是必須的。即在光層中預先算好一條備用的LSP來保護主用LSP，一旦主用LSP有問題立即切換到備用LSP上。甚至可采用光纖級的保護方法。在備用光纖中可傳出一些低優先級的盡力而為的業務。一旦主用光纖出現故障，立即將整條光纖中的LSP全部切換到備用光纖。因而，這時的LSP是與光纖對應而不是與光路徑對應，當光纖有問題時，與分別恢復各個LSP相比，這種方法的響應時間要短得多。因為WDM中一根光纖中復用了許多波長通道，當光纖失效時，分別為這些波長通道尋找保護路徑就需要費一些時間了，所以直接采用保護光纖，就可以在發生光纖被切斷等事故后，迅速將整條光纖上的LSP切換到備用光纖上了。
　　
　　 　　顯然，MPLS無論是在恢復機制中還是在保護機制中，它都有著重要的作用。利用MPLS技術還可以支持不同優先級的保護/恢復。MPLS一定還有更多的用途，這有待于進一步的研究。
　　
　　 　　其實所有的網絡生存性機制都要求網絡預留足夠的空閑資源（光纖、波長等），而資源是有限的。所以有人說網絡生存性的最好解決辦法就是在網絡規劃設計階段就進行資源優化配置。但當網絡已設計好后或網絡拓撲發生變化后還是需要保護/恢復機制的。
　　
　　 　　4.故障檢測、定位和控制結構
　　
　　 　　純光透明性帶來的一個問題是不能應用電域方法來進行故障檢測和定位。電域故障檢測與定位是利用幀開銷中的管理字節來檢測是否失去連接或過多的比特誤碼等。在相當長的一段時間內，光域中的故障檢測與定位也將沿用電域中的技術來檢測光路徑故障和觸發切換的算法?；贛PLS的IP/WDM也將采用這種技術，在IP/MPLS和WDM之間引入了一個光適配層，增加一些管理字節來實現這個功能。這種技術不需要網絡層的復雜協議。光節點利用幀開銷來檢測并進行故障定位，但卻需利用MPLS來實現設備恢復。電域成幀方法允許MPLS節點實現故障檢測和定位。要在光層的每個通道獲得這個功能，則光核心只能具有半透明性。亦即必須要有O-E變換器來做電的幀處理從而定位通道故障。實際上的許多光系統并不都是純透明的且均作O-E變換，這樣應用MPLS就可以利用這些作O-E變換的節點了。然而，如果網絡是透明的，那么MPLS需要透明設備具有一些O-E變換的能力。
　　
　　 　　應用MPLS于IP/WDM的另一個問題是如何傳送MPLS的控制信令，即控制結構是什么樣的。這要分兩種情況討論，若WDM網中的波長數不多，則可采用副載波調制技術來實現，這種方法的信道帶寬有限；若波長數很多，則可選一波長作光監控信道（OSC）。MPLS節點可以在OSC上和利用副載波調制技術來傳送和接收LDP消息或其他控制消息。
　　
　　 　　三、結束語
　　
　　 　　WDM技術的應用極大地增加了網絡的容量，若想實現真正的全光交換，即不要電路交換層，則需要光領域內相關技術的支持。但現在要實現全光交換所需的光領域內的相關技術還不完善，如目前興領域內識別處理光分組頭還比較困難、而且光存儲器的容量有限，所以全光交換的實用化還有待發展。
　　
　　 　　隨著網絡技術的發展，現有IP/WDM網的各層如IP/PPP/HDLC/DH/WDM中的PPP、HDLC、SDH層，IP/ATM/SDH/WDM中的ATM、SDH層很可能最終合為一層?，F在，IETF中有人已經提出這種構想（Awduche等人提出的多波長交換有望達到這一目標）。Awduche這種想法的基本概念是：由于MPLS網的一些協議（如OSPF,RSVP,IS-IS等）推廣到WDM中，即MPLS最終與WDM融合的目的。IP/WDM網將會進一步發展并將在今后若干年內成為骨干網的支柱，它的發展將會影響全球IP業務的發展。

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