毕业设计(论文)基于智能光网络的流量工程

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1、tVWtlSlVitlf114-!“M.ll.Ui：；：；：mainF*jyi1!)1，III.：rm.r.蝠J7I:11一.-JrnffiTtTrTfl（质量认证）毕业设计（论文）基于智能光网络的流量工程2020年3月基于GMPLS勺智能全光网络流量工程由布a城火挈本科生毕业设计（论文）题目：基于GMPLS智能光网络的流量工程教学单位电气信息工程学院摘要自动交换光网络（ASON）是一种能够自动完成网络连接的新型网络。它由控制面、传送面和管理面三个平面组成，控制面技术是其核心，利用控制面它能够实施动态交换。GMPLS（通用多协议标签交换）是IETF提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，

2、由MPLS（多协议标签交换）扩展而来，经历了一个从自动传送光网络（ASTN）发展到ASON,并进而结合了GMPLS的发展过程；GMPLS（通用多协议标签交换）是MPLS技术向光网络发展的产物。它有效地实现了IP和WDM光网络的无缝结合；当前互连网业务量增长迅猛，未来的骨干网必须处理巨大的IP数据流量和实时数据流量，巨大业务流量要求提高网络资源利用率，实时数据流量要求确定的服务质量。为此，未来网络的结构和技术需要新的解决方案。本文论述流量工程对新一代网络的重要性，并且讨论用GMPLS解决流量工程问题的途径。关键词：ASONOXCLSPLMPGMPLSTEAbstractAutomaticSwit

3、chedOpticalNetwork(ASON)isacompletenetworkcanautomaticallylinkthenewnetwork.Itconsistsofcontrolsurfaces,transmissionandmanagementface-3plane,controlsurfacetechnologyisthecore,usecontrolsurfacesitcanimplementdynamicexchange.GMPLS(GeneralizedMulti-protocolLabelSwitching)issupposedtobeusedfortheoptical

4、layerofacommonmulti-protocollabelpayfortechnology,MPLS(Multi-protocolLabelSwitching)fromtheexpansion.experiencedanautomatictransmissionfromtheOpticalNetwork(ASTN)toASON.proceedwiththedevelopmentprocessGMPLS;GMPLS(GeneralizedMulti-protocolLabelSwitching)isMPLStothedevelopmentofopticalnetworkproducts.

5、technologyIteffectivelyachievetheIPandWDMnetworkseamlessintegration;ThecurrentInternetbusinessgrewrapidly.thefuturebackbonenetworktotheIPaddresstheenormousflowofdataandreal-timedataflow,Trafficdemandstremendousincreaseutilizationofnetworkresources,real-timeflowofdatarequiredtodeterminethequalityofse

6、rvices.Therefore,thefuturenetworkstructureandtheneedfornewtechnologysolutions.Thispaperdiscussestrafficengineeringforthenewgenerationoftheimportanceofnetworks,andtodiscusssolutionswithGMPLStrafficengineeringproblem.Keywords:ASONOXCLSPLMPGMPLSTE目录摘要1Abstract2目录31弓I言41.1 MPLS工作原理41.1.1 路由和交换概念41.1.2 标

7、志交换转发部件51.1.3 标志交换路由器（LSR）61.1.4 MPLS工作原理61.2 GMPLS与MPLS对比61.3 IPoverWDMwithGMPLS关键81.4 新一代网络网络流量现状91.5 各章节安排.1。2 GMPLS技术1.12.1 GMPLS工作原理112.2 GMPLS在ASON控制平台应用132.2.1 控制平面功能132.2.2 控制平面服务1.32.2.3 控制平面协议142.2.4 信令协议142.2.5 路由协议的流量工程扩展1.52.2.6 链路管理协议1.52.3 小结1.63 全光网络173.1 全光网的功能与结构173.1.1 网络结构元件173.1

8、.2 分层分割173.1.3 拓扑结构173.2 全光交换1.73.2.1 空分光交换（SD）1.73.2.2 时分光交换（TD）1.73.2.3 波分/频分光交换（WD/FD）.184 GMPLS技术与DWDM无缝结合1.94.1 IPoverWDMwithGMPLS关键.194.2 GMPLS接口194.3 通用标签的特点204.4 通用标签交换路径LSP.244.4.1 LSP分级244.4.2 双向LSP264.5 链路管理协议LMP274.5.1 链路绑定274.5.2 无编号链路284.5.3 链路管理285 GMPLS的智能全光网络流量工程305.1流量工程定义305.2GMPL

9、S流量工程机制305.3GMPLS流量工程结构325.4约束路由355.4.1 CSPF约束路由355.4.2 0SPF-TE356 总结387 致谢388 参考文献.381引言1.1 MPLS工作原理在对MPLS技术进行详细描述前，首先回顾几个与交换技术相关的概念。路由协议（如RIP,OSPF）是一种机制，使网络中的每台设备都知道在将一个分组送向其目的地时，传送这个分组的下一跳级（Next-Hop）是哪里。路由器使用路由协议构建路由表，当它们接收到一个分组而必须进行转发判决时，路由器用分组中的目的地址IP地址作为索引（Index）查寻路由表，利用特定算法获得下一跳机器的地址。路由表的构造和它

10、们在转发时的查寻基本上是两个独立的操作。交换概念通常用来描述从一个设备内的输入端口到输出端口的数据传递，这种传送一般是基于第二层的信息。多协议标记交换（MPLS）集成了二层交换的简捷性和三层选路的灵活性，在面向无连接的IP网络中带来了面向连接的特性它可以用来提供流量工程、QoS和二三层VPN等应用。MPLS的简单工作原理是：当数据分组到达MPLS网络云的入口LSR（标签交换机），入口LSR通过分析数据分组的信息头来决定该分组属于哪个FEC（转发等价类，即FEC使一些具有某些共性的数据流集合，这些数据在转发过程中被LSR以相同的方式进行处理），然后查找LIB（标签信息库），将一个与该FEC相关联

11、的标签加在数据分组前。在后继的LSR中，不需要再查找IP分组头，只需要根据数据分组的标签来查找LIB,即可决定其转发出口，在转发前将新的标签取代旧的标签，然后转发到下一个LSR。当数据分组到达出口LSR时，出口LSR将Label从数据分组中去掉，又按照传统的IP转发方式对数据分组进行转发。其中，所有与FEC绑定的标签分发和LSP的建立都是由LDP（标签分发协议）来完成。1.2 GMPLS与MPLS对比为了能适应未来智能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求，我们需要对传统的MPLS进行扩展和更新。GMPLS正是MPLS向光网络扩展的产物，它在支持传统的分组交换、时分交换、波长交换和光纤交换的

12、同时，还对原有的路由协议、信令协议作了修改和扩展。这其中有一点很重要，GMPLS和MPLS一样不是网络协议。GMPLS是信令协议，用户设备使用它来为传输到另一设备的信号建立或撤消一个电路。这与今天还必须由网络用户来人为地钉住容量的网络相比，可谓天壤之别。为了在其IP基础上继续发展，GMPLS以几个重要的方式来扩展MPLS。这些改变影响了基本的标签交换通道（LSP）特性，即标签请求和标签通信、标签交换通道的单向特性、错误的传播以及用于通路中起始标签交换通道和最终标签交换通道同步的信息。MPLS只处理GMPLS所称的分组交换功能（psc）接口，而GMPLS则增加了四种其他类型的接口。第二层交换功能

13、接口可以基于帧和信元的内容来传送数据；时分复用（TDM）功能接口基于数据的时隙来传送数据；交换功能接口就像光交叉互连一样工作在独立的波长或波段上，而光纤交换功能接口工作在独立光纤上。这些设备就像MPLS中的设备一样建立标签交换通道。标签交换通道可能是一个已路由的IP分组流，但就像其他种类的连接一样容易建立。标签交换通道就是一条同步光网络（SONET）电路，必须起源于并结束于一个同步光网络电路。标签交换通道的建立有事先在所有端点间建立标签交换通道和基于要求请求建立两种。在一条链路上各种数据类型的数据流都处于活动状态的很少，而且某种业务只在某几个节点之间出现，即业务有局部性，基于要求请求建立标签交

14、换通道可以利用这种局部性来改善网络的扩展性。GMPLS就是基于要求请求建立标签交换通道。这些不同的标签交换通道从MPLS的典型嵌套中得到益处。在MPLS中，分组流被汇集到更大的流中。同样的基本原理在这里也适应，即只把标签交换通道看成物理结构的虚拟表示。因此，表示低等级同步光网络电路（SONET）的标签交换通道必须嵌套到高等级的同步光网络电路中。类似地，在光交换电缆接口（FSC）之间运行的标签交换通道可能包含交换功能接口（LSC）之间运行的标签交换通道，LSC之间运行的标签交换通道可能包含TDM之间运行的标签交换通道，接着是第二层交换接口（L2SC）之间的标签交换通道，最后是分组交换功能接口（P

15、SC）之间的标签交换通道。另外，GMPLS的功能和MPLS很相似。通过使用RSVP-TE或CR-LDP来发送所谓的PATH/LABEL请求消息，来建立标签交换通道。PATH/LABEL请求消息包含一个通用标签请求-往往是一个明确的路由对象和用于特殊技术的特定参数，通用标签请求是GMPLS的一个附加部分，它规定了标签交换通道编码类型和标签交换通道净荷类型。编码类型指示了需要考虑的技术类型，例如是SONET技术还是GBIT以太网技术。标签交换通道净荷类型指出了标签交换通道净荷中承载的信息类型。1.3 IPoverWDMwithGMPLS关键GMPLS（通用多协议标签交换）是MPLS技术向光网络发展

16、的产物。它有效地实现了IP和WDM光网络的无缝结合为了实现IP与WDM的无缝结合，GMPLS对MPLS标签进行了扩展，使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记TDM时隙、光波长、光波长组、光纤等；为了充分利用WDM光网络的资源，满足未来一些新业务的开展(如VPN、光波长租用等)，实现光网络的智能化，GMPLS还对信令和路由协议进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议LMP(LinkManagementProtocol)；为了保障光网络运营的可靠，GMPLS又对光网络的保护和恢复机制进行了改进。后面的章节将对GMPLS的这些特点加以详细

17、的说明。随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带IP业务的快速发展，极大地推动了光网络的进步。GMPLS技术的出现，使得IP与WDM之间传统的多层网络结构趋于扁平化，为传输网络从电路交换向分组交换的转变，为光网络层传输与交换功能的结合迈出了非常关键的一步，实现了IP与WDM的无缝结合。在WDM光网络中引入GMPLS技术，将使得光网络不仅可以提供巨大的传输带宽，而且可以实现网络资源的最佳利用，从而保证光网络以最佳的性能和最廉价的费用来支持当前和未来的各种业务。可以预见，随着GMPLS技术的大规模应用，未来的骨干网络必将逐步发展成为更有效、更强大的最终的全光网络。业界认为，光网络最终将发展成为IPov

18、erDWDMwithGMPLS的协议结构。通用多协议标签交换(GeneralMultipleProtocolSwitch-GMPLS)是MPLS向光网络扩展的必然产物。1.4 新一代网络网络流量现状当前互连网业务量增长迅猛，未来的骨干网必须处理巨大的IP数据流量和实时数据流量，巨大业务流量要求提高网络资源利用率，实时数据流量要求确定的服务质量。为此，未来网络的结构和技术需要新的解决方案。当前因特网流量增长迅速，远远超过传统话音流量的增长，导致骨干网要同时承受巨大的IP流量和实时流量。网络流量的剧增，特别是突发流量的增加，对有效利用骨干网连接和带宽提出新的要求，传统骨干网主要针对电话业务设计，虽

19、然能够保证服务质量，但不能很好适应突发数据业务需求。另一方面，在现有的Internet中，所有的IP流量都基于IP路由协议进行选路和转发。传统的IP路由算法会导致对网络资源使用的不均衡，无论是最短路径优先算法（OSPF）还是距离向量算法（RIP）在选路时都是使用最短的路径转发IP分组。这使得短的路径容易阻塞，而较长的路径容易空闲。这种由于网络资源使用不均衡造成的网络拥塞必然致使网络性能降低，服务质量（QoS）无法保证。因此，无论是传统的电信骨干网，还是当前的因特网，都不能很好地同时承载巨大的数据流量和实时流量。要想解决这种网络资源使用的不均衡就需要引入流量工程（TrafficEngineeri

20、ng）技术。流量工程主要指合理安排业务流量在网络中的流向以避免造成网络资源的不均衡使用。为了实现流量工程，在IETF、ITU-T和OIF等标准化组织，已经逐渐就多协议标签交换（MPLS）和它的扩充（GMPLS:GeneralizedMPLS）达成共识。1.5 各章节安排第一章主要介绍MPLS技术的工作原理，并与GMPLS进行对比，提出GMPLS应用于智能光网络中以及当前网络现状，各章节安排。第二章主要介绍GMPLS技术的工作原理和在ASON(AutomaticSwitchOpticalNetwork)自动交换光网络上的控制平台。第三章主要介绍全光网络结构和全光交换。第四章主要介绍GMPLS与D

21、WDM的结合。第五章主要介绍GMPLS的智能全光网络流量工程。2 GMPLS技术2.1 GMPLS工作原理GMPLS(通用多协议标签交换)是IETF提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，为了实现IP与WDM的无缝结合，GMPLS对MPLS标签进行了扩展，使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记TDM时隙、波长、波长组、光纤等；为了充分利用WDM光网络的资源，满足未来一些新业务的开展（如VPN、光波长租用等），实现光网络的智能化，GMPLS还对信令和路由协议进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议LMP;为了保障光网络运营的可靠

22、，GMPLS还对光网络的保护和恢复机制进行了改进。通过产生虚拟的LSP（标记交换路径），在一个LSR（标记交换路由器）网络上，MPLS能够改善IP的规模和QoSo相对于MPLS,GMPLS的一个增强之处就是在Layer1层次上建立连接的能力。GMPLS具有两种应用模型：覆盖模型和匹配模型。在覆盖模型中，也被称作UNI,路由器是光纤域的一个客户机，只与邻接的光纤节点直接作用，实际的物理光通路由光纤网络而不是路由器来决定。而在匹配模型中，IP/MPLS层的作用就像一个光传输层的完全匹配，特别是IP路由器可以确定包括通过光纤设备在内的连接的整个路径。无论匹配模型还是覆盖模型，GMPLS的目标是扩展从

23、路由器到光纤域的MPLS范围，其传输决定基于时间槽、波长或物理端口（在GMPLS技术中被称为“暗示标记”），而不是信息包的分界线。GMPLS通过支持新种类的LSR（包括密集波长分割多路复用器、加/减多路复用器和光纤交叉连接）使这样的连通域匹配成为可能。GMPLS使用IGP（内部网关协议）扩充来支持多种连接类型，包括常规的、非信息包的和邻接的连接送入连接状态数据库。如果在连接的任何一端的节点能够收发信息包的话，GMPLS将它们视为一个常规连接，反之它们被作为一个非信息包连接。如果一个LSR产生并保持一个标记交换路径，它能够将LSP进入IGP作为一个前行邻接来通告。这个方法的关键之处在于GMPLS

24、定义了LSP的层次，这使LSP的嵌套能够支持通信中继线的建立。该功能类似于MPLS对标记堆栈的支持，很多小的LSP可以通过聚集成为一个大的LSP。GMPLS和LSP的工作方式有很多的相同之处，它们都是对于物理路径的一个虚拟表达。在GMPLS建立起来的层次之中，由信息包交换节点开始和终止的LSP处于最底层，随后逐渐递增的层次分别是连接TDM交换节点、lamba交换节点和光纤交换节点的LSP。GMPLS有望可以帮助业务供应商动态提供带宽和容量，改善网络恢复能力并降低运营开支。像光纤VPN这样具备新的利润增长点的业务也可能会由GMPLS产生。另一个可预见的收益是由GMPLS支持开放标准带来的，这使电

25、信商可以在建设网络时使用符合标准的最优设备。随着IP通信和业务的增长，对GMPLS的需求也会增加。但挑战也同时存在，厂商需要建立起引入GMPLS的成功商业案例。而企业如果想获得最大效率的话，他们还必须克服分隔光纤传输和IP管理域的自身组织上的障碍。2.2 GMPLS在ASON控制平台应用2.2.1 控制平面功能GMPLS在ASON中的应用主要集中在ASON控制平面，而控制面的最基本的功能包括：资源发现功能：提供一种能自动发现网络中可使用资源的能力；路由控制功能：提供路由能力、拓扑发现能力和流量工程能力；连接管理功能：利用前面所提到的功能来为不同业务提供端到端连接服务的能力。连接管理可分为连接的

26、建立、删除、修改和查询等几种不同的操作。连接建立操作允许用户通过UNI建立一条端到端的连接，即LSP;连接删除操作允许用户删除不再需要的LSP;连接修改操作允许用户改变现有LSP的属性，可以在不影响现有LSP正常运行的情况下对LSP中不适合的属性值进行改动；连接查询操作允许用户获得LSP的属性值。此外由于光网络对生存性有着越来越高的要求，所以还要求控制平面具备良好的连接保护与恢复功能。2.2.2 控制平面服务控制面的引入使得光网络在多厂商环境下可以提供传统网络难以提供的服务。这些服务包括端到端连接的提供、自动流量工程、网状网的保护与恢复和光虚拟专用网（OVPN）等。端到端的连接是控制平面所能提

27、供的一项最基本的服务。控制面的引入使得操作人员所要做的只是确定连接所需的参数，并通过图形用户接口(GUI)方式或命令行的方式把这些参数传到输入节点中去，输入节点在接到用户传递过来的连接参数后，就能自动决定整条通路的路径并利用信令自动建立起一条端到端的通路，从而大幅度地缩短连接建立所需时间。此外用户还能够通过UNI接口向光网络提出建立实时性连接的请求，这就是按需带宽请求(bandwidthondemand)服务。这种按需带宽请求的能力尤其适用于具备业务突发性特点的IP网络。除了上述这些服务外，OVPN也是一种给用户以极大灵活性的服务，它的出现使用户可以全权管理属于自己的那部分网络。但OVPN实质

28、上是一个逻辑网络，它的引入一方面使用户可以管理自己的网络，另外一方面也向用户屏蔽掉了网络的实际情况。这就在大大降低运营商运营管理的复杂程度的同时又兼顾了安全性方面的需要。OVPN无疑将是未来很有前途的一种服务。2.2.3 控制平面协议为完成ASON控制平面的上述功能，我们必须使用一系列的公共协议。在这些公共协议中，GMPLS占据了非常重要的位置。GMPLS从功能平面对MPLS进行了扩展以便能支持基于非分组交换接口的通信系统。GMPLS首先定义了前面描述的几种通用标记，使用这些通用标记可以在非分组交换的LSR之间建立起LSP。这些非分组交换的LSR可以是SDH/SONET的ADM,也可以是数字交

29、叉连接器，还可以是密集波分复用系统，或者是光交叉连接器。这些通用标记对象包括通用标记请求、通用标记、显式标记控制和保护标记。通用标记可以用来表示时隙、波长、波长频带和空分复用位置。此外GMPLS还为实现非分组交换的LSP定义了新的功能，包括上游建议标记、标记组以及双向LSP的建立。这些功能是MPLS所不具备的。双向LSP的建立有助于缩短连接的建立时间和在出现故障时加速保护与恢复的实现。双向LSP对于电路交换类型的网络尤其重要。2.2.4 信令协议信令协议也是ASON控制平面中的一个重要问题。它主要是被用来完成连接操作任务的。具体来说，它要完成LSP的建立、删除、修改和查询等。当前存在两种广泛使

30、用的信令协议，一种是基于受限路由的标记分发协议CR-LDP;另一种是基于流量工程扩展的资源预留协议RSVP-TE。这两种协议都能承载GMPLS协议中定义的所有对象，但由于这两种协议存在多方面的差异，所以在具体实现方面还有诸多不同。IETF设有两个不同的工作小组来具体进行这两个方面的工作。2.2.5 路由协议的流量工程扩展控制平面中不仅包含信令功能，还包括诸如路由和自动拓扑发现等功能，因此除了信令协议之外还需要其它的协议来完成ASON控制平面中的其它功能。我们知道路由协议主要起着传递信令消息和拓扑资源消息的作用，但传统路由协议的一个很大不足就是它本身不支持流量工程。流量工程这个概念对于分组交换网

31、络和电路交换网络具有不同的含义。一般来说，流量工程的总目标是要达到网络资源及其使用最大化的目的。对分组交换网络而言，这个目标就具体化为使丢包率和时延最小而输出最大；对电路交换网络而言，流量工程目标就具体化为使资源利用率和通道可靠性最高。具备流量工程能力的路由协议和传统路由协议之间的主要差别在于，前者在网络中会周期性地发送一种可选包，这种可选包内含有可用资源消息和流量工程参数信息。当网络中的网元接收到这种可选包后，应该能使用这种包中所携带的信息来进行最佳路由计算。因此，可以得出这样的结论：那种具备流量工程能力的路由协议应该支持资源发现、拓扑发现和流量工程能力本身。与信令协议情况类似，当前也存在着

32、两种广泛使用的经过扩展的路由协议，这就是支持流量工程的IS-IS协议和开放式最短路径优先协议（OSPF）。同样，在IETF也设有两个不同的小组来进行这方面的标准化工作2.2.6 链路管理协议为了在网元之间能进行对表征交叉连接的GMPLS标记的正确通信，需要在网元之间标识出正确的连接端口。这种功能是通过链路管理协议（LMP）来完成的。LMP除了完成网络之间正确连接的确认之外，还具备链路绑定、资源信息发现与上报等功能。这些功能有助于网络可扩展性和规模性的实现。LMP适用于任何类型的网络，尤其是光网络。3 全光网络3.1 全光网的功能与结构3.1.1 网络结构元件3.1.2 分层分割3.1.3 拓扑

33、结构3.2 全光交换传统的光交换在交换过程中存在光变电、电变光，而且它们的交换容量都要受到电子器件工作速度的限制，使得整个光通信系统的带宽受到限制。直接光交换可省去光/电、电/光的交换过程，充分利用光通信的宽带特性。光交换技术有空分（SD）、时分（TD）和波分/频分（WD/FD）等类型。3.2.1 空分光交换（SD）空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵节点可由机械、电或先进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。各种机械，电或光控制的相关器件均可构成空分光交换。构成光矩阵的开关以花酸锂定向耦合器最为引人注目。3.2.2 时分光交换（TD）时分光交换系

34、统能与光传输系统很好配合构成全光网，所以时分光交换技术研究开发进展很快，其交换速率几乎每年提高一倍，目前已研制出几种时分光交换系统。1985年日本NEC成功地实现了256Mb/s（4路64Mb/s）彩色图像编码信号的光时分交换系统。它采用1X4花酸锂定向耦合器矩阵开关作选通器，双稳态激光二极管作存储器（开关速度1Gb/s）,组成单级交换模块。90年代初又推出了512Mb/s试验系统。实现光时分交换系统的关键是开发高速光逻辑器件，世界各国研究机构正加紧对此进行研究。3.2.3 波分/频分光交换（WD/FD）波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换网络

35、由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）组成。目前已研制成波分复用数在10左右的波分光交换实验系统。最近开发出一种太比级光波分交换系统，它采用的波分复用数为128,最大终端数达2048,复用级相当于1.2Tb/s的交换吞吐量。424 GMPLS技术与DWDM无缝结合4.1 IPoverWDMwithGMPLS关键为了实现IP与WDM的无缝结合，GMPLS对MPLS标签进行了扩展，使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记TDM时隙、光波长、光波长组、光纤等；为了充分利用WDM光网络的资源，满足未来一些新业务的开展（如VPN、光波长租用等），实现光网络的智能化，GM

36、PLS还对信令和路由协议进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议LMP（LinkManagementProtocol）；为了保障光网络运营的可靠，GMPLS又对光网络的保护和恢复机制进行了改进。下面将对GMPLS的这些特点加以说明。GMPLS中除了支持分组交换，还支持时隙交换、波长和光纤交换等，相应的定义了以下几种类型的接口：数据分组交换接口（PSC）、时分复用接口（TDM）、波长交换接口（LSC）、光纤交换接口（FSC）。4.2 GMPLS接口GMPLS对标签进行了很大的扩展，将TDM时隙、光波长、光纤等也用标签进行统一标记，使得GMPLS

37、不但可以支持IP数据包和ATM信元，而且可以支持面向话音的TDM网络和提供大容量传输带宽的WDM光网络，从而实现了IP数据交换、TDM电路交换（主要是SDH）和WDM光交换的归一化标记。GMPLS定义了五种接口类型来实现以上的归一化标记，分别是：(1) 分组交换接口PSC(PacketSwitchCapable):进行分组交换。通过识别分组边界，根据分组头部的信息转发分组。(2) 第二层交换接口L2SC(Layer2SwitchCapable):进行信元交换。通过识别信元的边界，根据信元头部的信息转发信元。(3) 时隙交换接口TDMC(TimeDivisionMultiplexingCapab

38、le):根据TDM时隙进行业务转发。(4) 波长交换接口LSC(LambdaSwitchCapable):根据承载业务的光波长或光波段转发业务。(5) 光纤交换接口FSC(FiberSwitchCapable):根据业务(光纤)在物理空间中的实际位置对其转发。例如OXC设备可对一根或多根光纤进行连接操作；4.3 通用标签的特点与以上接口相对应，GMPLS定义了分组交换标签(对应PSC和L2SC)、电路交换标签(对应TDMC)和光交换标签(对应LSC和FSC)。其中，分组交换标签与传统MPLS标签相同。而电路交换标签和光交换标签为GMPLS新定义,包括请求标签、通用标签、建议标签以及设定标签。(

39、1)请求标签请求标签用于LSP路径的建立，由LSP上游节点发出，向下游节点申请建立LSP的资源。与MPLS相同，GMPLS的LSP建立过程也是由上游节点向目的端发出标记请求消息、目的端返回标签影射消息”。所不同的是，”标签请求消息中需要增加对所要建立的LSP的说明,包括LSP类型(PSC、TDMC等)、载荷类型等。其格式如图4.2所示。LSPEnc,TypeGPID题选l&bksbrtsfl&1602图4.2GMPLS请求标签LSPEnc.Type：其数值用来指示LSP类型。Reserved:保留。必须设为全0,接收时忽略其数值；G-PID:16bits,用于指示LSP承载的载荷类型。(2)通

40、用标签通用标签是在LSP建立完成后，用于指示沿LSP传输的业务的情况。通用标签的格式与传输所用的具体技术有关，电路交换和光交换所用的标签不同。SDH电路交换标签格式如图4.3所示。S16b出U4bifcK4bitsL4bisM14bitsbu18热242332图4.3SDH电路交换标签其中：S用于指示SDH/SONET的信号速率等级。U只对SDH有效，对于SONET,U的数值应忽略。K参数用于表示一个VC-4的特定分支，K=1表示VC-4中只有一个C-4容器，K=24表示VC-4包含TUG-3;L用于指示TUG-3、VC-3或STS-1SPE的是否还有分支。L=1表示TUG-3/VC-3/ST

41、S-1SPE无法再分。L=28表示在相应高阶信号中的某个特定的TUG-2/VT组。M用于指示TUG-2/VT的分支。M=1表示TUG-2/VT不能再分，只包含一个VC-2/VT-6。M=23表示相应高阶VT组中的某个特定的VT-3。M=46表示相应高阶TUG-2/VT组中的某个特定的VC-12/VT-2,而M=710表示相应高阶TUG-2/VT组中的某个特定的VC-11/VT-1.5。M=0则表示VC-4,VC-3orSTS-1SPE。对于OXC设备来说，一次交换一组连续的光波长可以有效地减少单个光波长的波形失真，提高业务的传输质量。这种光波长组的交换可用光波段交换标签表示，其标签格式如图4.

42、4所示。32bStirtLabel32匕悔EemdLabel3215115白片a32图4.4光波段交换标签WavebandId:用于识别某个光波段，其数值由发送端OXC设备设定;StartLabel：用于表示组成光波段的最短光波长的数值；EndLabel：用于表示组成光波段的最长光波长的数值；(3)建议标签传统MPLS配置LSP是沿反方向进行的，上游节点必须等待下游节点的反馈标签来确定LSP的具体路径。这种反向配置LSP的方式不适于光链路，因为OXC设备需要通过光开关的切换来改变光连接，反向配置会造成很大时延。因此，GMPLS引入建议标签来快速建立光连接。建议标签由准备建立LSP通道的上游节点

43、发出，告知下游节点建立这个LSP通道所希望的标签类型。这就可以让上游节点无需获得下游节点的反馈映射标签确认，而先对硬件设备进行配置，从而大大减少建立LSP通道所需的时间，同时也减少了LSP建立的控制开销。(4)设定标签设定标签用于限制下游节点选择标签的范围，这在光网络中非常重要。首先，某种类型的光设备只能传输和接收某一波段范围内的光波长；其次，有些接口没有波长转换能力，要求在几段链路上甚至整条LSP上只能使用相同的波长；第三，为了减少波长转换时对信号波形的影响，设备一次只能处理有限个光波长；第四，一条链路两端的设备支持的光波长的数目和范围都不尽相同。设定标签的格式如图4.5所示。日it01(5

44、24Reserved16bibLabel.TypSbitActianSnlichannel132bit1SubckantielM32bib图4.5GMPLS设定标签Reserved:保留字节；LabelType:希望下游节点接收的通用标签的类别；Action:0表示希望接收以下子通道定义的标签；1不希望接收以下子通道定义的标签；Subchannel:子通道标签的类型。子通道标签的格式与通用标签的格式相同，本处不再复述。4.4 通用标签交换路径LSP4.4.1 LSP分级对于MPLS来说，其LSP与分组相对应，可以进行连续颗粒度的带宽分配。但对光网络来说，却存在带宽资源分配的颗粒度问题。一个OX

45、C只能支持很少量的光波长，每个光波长具有粗糙和离散的带宽颗粒（例如STM-1、STM-4、STM-16等等）。显然，这种固定带宽建立的光通道的方式必然导致资源浪费。因此有必要在一个相对高容量的光通道中映射进多个低带宽LSP,这就是GMPLS中的LSP分级技术。LSP分级是指低等级的LSP可以嵌套在高等级的LSP中，从而将较小粒度的业务整合成较大粒度的业务。使用LSP分级技术就可允许大量具有相同入口节点的LSP在GMPLS域的节点处汇集，再透明地穿过更高一级的LSP隧道，最后再在远端节点分离。这种汇集减少了GMPLS域中用到的光波长的数量，有助于处理离散性质的光带宽，提高资源利用率。例如，一条2

46、.488Gbit/s的光LSP可以聚合24条1000Mbit/s的EtherNetLSP。LSP分级可以存在于相同或不同接口之间。所谓相同接口是指某种类型的接口可以使用相同的技术复用多个LSP。典型应用如SDH的虚容器映射，一个低等级的SDHLSP(VC-12)可嵌入到一个高等级的SDHLSP(VC-4)中；而不同接口是指LSP的嵌套可存在于不同接口之间，例如PSC接口可嵌入到TDMC接口中，而TDMC又可嵌入到LSC中。在LSP的不同接口中，等级从高到低依次为FSC、LSC、TDMC、PSC。LSP的分级嵌套关系如图7所示。PSCFSC图4.6LSP的分级嵌套关系使用LSP分级技术时，要求每

47、条LSP的起始和结束都必须在相同接口类型的设备上，且在每一个方向上都必须共享一些公用的属性，例如都具有相同的类型、相同的资源类别集合等等典型的LSP分级技术应用如图8所示。一条起始和结束都在PSC接口上的LSP可以嵌入到一条TDMC类型的LSP中，而TDMCLSP则起始和结束在TDM接口上；与此同时，TDMCLSP也可以嵌入一条起始和结束在FSC类型的LSCLSP中；而LSCLSP又可嵌入到起始和结束都在FSC接口上的LSP上。TDMC口口 um o 口 DOLSPTDMCBJHLSPLSPLSP波长LSP波长LSPO 口口 口口 o图4.7 LSP分级技术应用PSC口口 口 口 DaLSPL

48、SP分级技术是通过GMPLS标记栈技术来实现的，如图9所示。从入口LSR1来的分组达到入口LSR2后，就进入了下一级LSP。入口LSR2先将原来的MPLS标签1压栈，然后再由入口LSR2分配一个新的标签2到标记栈的栈顶，这个新的标签2在这个嵌套的LSP里用于交换。这里与传统MPLS有一个非常显著的不同点-标签压栈。传统MPLS在中间LSR转发时，是用新的MPLS标签替代旧的标签，而标签压栈指在一个低级LSP嵌入到高级LSP时，先保留原GMPLS标签，再在原标签的头部添加新的标签。使用标签栈时，由于接口形成的分级，新的标签与被压栈的标签可能在形式上不一样，比如从TDMCLSP来的分组进入到LSC

49、LSP时，被压入标签栈的标签是时隙形式的，而新分配的标签应该是光波长形式的出口L强雪舱MPL所捧士IP P屯cKH JTh5 Layer 2 -f- 标釜iIP PatkdlWLSLayer 2I，外酮在入口 l第1处安Jmti班建IP packetbPLS 琼箜1WPLS 标英NLayer 24ArLEft2ejtaLfe32图4.8利用GMPLS标记栈实现LSP4.4.2 双向LSP在传统MPLS中，要建立双向LSP就必须分别建立两个单向的LSP,这种方式存在LSP建立的时延过长、开销过多、可靠性差、管理复杂等缺点。这是因为，、无论LSP建立是否成功，建立双向LSP所需时间较长；、分别建立

50、两个LSP需要的控制开销是建立单条LSP的两倍；、LSP的保护和恢复也是分开的两段，导致路由选择异常复杂，并潜在地增加了资源配置的竞争，降低了保护LSP建立成功的概率。为了解决以上问题，GMPLS特别定义了建立双向LSP的方法。双向LSP规定两个方向的LSP都应具有相同的流量工程参数，包括LSP生存期、保护和恢复等级、资源要求（如时延、抖动等）。由于在GMPLS的双向LSP中，上行和下行的数据通路均采用同一条信令消息，两个LSP同时建立，可以有效地降低LSP的建立时延，同时也可减少建立LSP所需的控制开销。4.5 链路管理协议LMP4.5.1 链路绑定传统的MPLS技术针对分组，网络中一对节点

51、之间很少有10条以上的平行链路，而在光网络中，两个节点之间可能要部署上百条平行的光纤，且每根光纤还要承载上百个波长。GMPLS引入了链路绑定的概念来解决以上问题。所谓链路绑定是指将那些属性相同或相似的平行链路绑定为一个特定的链路束，而在链路状态数据库中则用这个绑定的链路束来代表所有这些平行的链路。链路绑定示意图如图4.9所绑定链路束1q二0K绑定嘘路束2。式图4.9链路绑定由于是将几条链路的属性都归并到一条链路束中，此时肯定会丢失一些信息。为了减少绑定带来的信息丢失，就必须对绑定进行一定的限制，例如规定绑定链路束中所有的组成链路的起点和终点都位于相同接口类型的LSR上，而且必须具有一些共同属性

52、：相同的类型、相同的资源类别集合、相同的流量工程参数、相同的复用级别(分组、TDM业务、光波长、端口)等等。4.5.2 无编号链路在MPLS网络中，所有的链路都必需分配惟一的IP地址以进行识别。而对GMPLS来说，为每条光纤、波长、时隙和分组都分配一个IP地址，是不太可能实现的。为此，GMPLS采用无编号链路的方法来解决这个问题。所谓无编号，是指不用IP地址标识链路而采用其替代方法，即在每个网络节点对链路进行本地编号，以链路经过设备的ID号或接口号作为链路的识别标志。这将大大缩小路由信息库的内容，减少链路配置的数量。4.5.3 链路管理未来的光网络中，在相邻的节点之间可能会有成百上千条光纤互联

53、。进一步地，采用链路绑定技术后，多条光纤或者多个波长又可能被汇集为一束链路。因此，就需要有一个协议来对这些链路进行有效的管理，这就是链路管理协议LMP所要完成的任务。LMP(LinkManagementProtocol)协议用于在相邻两节点之间提供控制信道管理、链路所有权关联、链路连接性验证、链路故障管理等规程。(1)、控制信道管理(ControlChannelManagement)控制信道用于在两个邻接节点间承载信令、路由和网络管理信息。在一对节点问，可能同时存在很多的控制信道。在这些控制信道中，应保证至少有一个信道是始终可用的，当一个控制信道失败时，可以不加协商的切换到另外一个控制信道。控

54、制信道可以是带内或带外的，带内信道是指信令与数据共享同一信道。带外信道是指将控制信息的传输通道和数据的传输通道分开，即信令与业务分开传输。带外信道方式是GMPLS非常重要的控制信息传输方式。(2)、链路所有权关联(LinkPropertyCorrelation)LMP协议定义了一个琏路所有权交换(linkpropertycorrelationexchange)。琏路所有权交换可进行链路绑定，可以修改、关联和交换琏路的流量工程参数。(3)、链路连通性验证(LinkVerification)链路连通性验证主要用于验证数据链路的连通性，它通过发送Ping类的测试消息逐一验证所有的数据链路(包括链路束

55、中的每一个组成链路)。、链路故障管理(FaultManagement)从全网管理角度看，链路故障管理是非常重要的环节。故障管理通常包括故障检测、故障通告和故障定位。5 GMPLS的智能全光网络流量工程5.1流量工程定义对于在网络的物理拓扑结构上映射通信流量的过程，以及为这些通信流量的资源定位就叫做流量工程。全世界的服务提供商都在寻求更可靠的、有差异性的服务，以跟上互联网的不断发展以及不断增长的用户需求，这就需要服务提供商能够严格地控制网络资源的分配和网络吞吐量。理想的流量工程解决方案是根据业务需要分配网络资源，它应该具有将通信流量映射到特殊路径和专用资源上以实现负载均衡的方法5.2GMPLS流

56、量工程机制GMPLS流量工程最核心的实现方法是利用约束路由计算显式路径，利用显式路径方式建立标签交换路径（LSP）、利用标签交换路径进行流量分配。GMPLS的流量工程机制就是采用约束显式路由（CR,Constraint-basedRouting）技术来实现路径选择、负载均衡、自愈恢复、路径优先级等机制。5.2.1 路径选择在GMPLS网络中可根据网络资源合理地引导业务流向，避免网络业务流向己经拥塞的节点，从而实现网络资源的合理利用。GMPLS采用显式路由的方式为业务流选择一条从源到目的地的路径，网络中的核心节点不需要再选择路由，仅需根据支持流量工程的信令协议（如CR-LDP）中携带的路由信息将

57、信令信息转发到下一节点。这种显式路由的选择是在入口节点上完成的，具体实现可以由网络管理员手工配置或通过源路由协议实现。5.2.2 负载均衡GMPLS可以使用两条和多条LSP来承载同一个方向的数据业务流，合理地将用户业务流分摊在这些LSP之间。5.2.3 路径优先级在网络资源匾乏时，应保证优先级高的业务优先使用网络资源。GMPLS通过设置LSP的建立优先级和保持优先级来实现的。每条LSP有n个建立优先级和m个保持优先级。建立优先级高的LSP先建立.而且当网络资源缺乏，即发生网络拥塞时，该LSP的建立优先级又高于另外一条己经建立的LSP的保持优先级，那么它可以将己经建立的那条LSP断开，抢占其网络

58、资源。5.2.4 自愈恢复自愈恢复是GMPLS流量工程的一种重要应用特性，是指在网络发生故障时的及时故障切换，以保障网络应用不受影响。实现GMPLS自愈恢复包括几种方式：链路或节点保护。这种方式与SONET/SDH的保护是类似的，它采用的是快速重路由技术(FastReroute)。在这种情况下，为每个链路和节点提供单独的迂回路由进行保护，在建立标签交换路径时，每个节点负责为每条链路或节点计算保护路径，一旦某个链路或节点发生故障，立即由其直接上游节点检测到，然后在该路由器上把流量立即切换到迂回路径。这种方法的优点是切换速度快，但缺点是需要很多备份资源，节点需要维护的状态也比较多。路径保护。基本上

59、有两种方式：路由重新计算和备份路径恢复。路由重新计算是指在标签交换路径发生故障后，通知该路径的入口节点，该节点再利用约束路由自动重新计算新的路由，并重新建立一条标签交换路径。由于有计算和重新建立过程，在实际网络中的恢复时问量级通常和路由恢复量级相当。主要优点是，无需手工安排额外的路径，直接与网络相适应；缺点在于恢复时间比较长。备份路径恢复是指在建立标签交换路径时，指定其备份路径，在主路径发生故障，通知入口节点把流量切换到备份路径。主要优点是，恢复时间比较快，主要缺点是需要占用额外的资源。影响自愈恢复保护性能是节点负荷和需要入口节点同时切换的标签交换路径数量。5.3GMPLS流量工程结构GMPL

60、S流量工程结构包括两个基本组成部分：路径管理单元和控制单元。控制单元在MPLSLSR中是执行具体的数据转发操作的部分，而在OXC中是对物理资源进行标签映射的部分。路径选择单元是流量工程结构中最为关键的部分，不对数据进行具体的处理，但它同其它对等体协同工作，建立和维护控制信息。路径管理单元包括了约束路由机制和信令机制（单元）两个部分，约束路由机制又包括信息发布单元和路径选择单元。各组件互相配合、协同工作，它们之间的工作流程如图5.1之所示。I IRS&fM5信令单元JRS9BS图5.1GMPLS节点流量工程结构(1)信息发布单元为了实现约束路由的计算，IETF对两个常用的IGP(内部网关协议)O

61、SPF进行扩展，使之能够承载除了可到达性信息和管理代价以外的附加链路信息，如最大链路带宽、最小链接带宽、最大预留带宽。可用带宽(AvailableBandwidth)、时延(Delay)、时延抖动(Delay-Jitter)、丢包率(LOSSProbability)、链路资源等级(ResourceClass)或称着色(Color)。这些信息被编码为类型一长度一值(TLV,Type-LengthValue)结构。每个LSR通过流量工程数据库(TED)对IGP扩展协议发布的网络链接状态特性和拓扑信息进行管理。TED专门用于计算LSP的物理路径，是独立于IGP链接状态数据库(LinkStateDat

62、abase)的。（2）路径选择单元在网络链接特性和拓扑信息通过IGP扩散并存储到TED中去之后，就需路径选择算法负责计算通往目的地的整条路径。入口LSR基于TED信息和用户预定的约束条件，使用约束最短路径优先（CSPF）算法计算出属于它穿过路由域的一条LSP物理路径。CSPF是一种改进的最短路径优先算法，即：在计算通过网络的最短路径时充分考虑其特定约束条件（如带宽需求、最大跳转数、管理策略需求等）的算法，图4是基于约束路由的控制单元工作流程图。CSPF计算的输出结果显示的是一条表示精确（strict）或松散的（loos）约束路由，该约束路由包含一组通过网络的最短路径并满足约束条件的LSR地址，并随即传递给信令控制机制启动LSP建立过程。因入口LSR的TED内关于网络状态的信息总是过期的，CSPF基于TED算出的LSP只是在理论上可以接受，只有当LSP被信令真正建立，才能确认该条LSP是否可实际工作。-E-nCa-LD?蜡学图5.2基于约束路由的控制单元工作流程图图5.2中各个步骤分别是：1A.存储IGP扩散信息18 .存储流量工程信息19 检查用户定义的约束条件20 检查系统的约束条件21 CSPF计算LSP的物理