關鍵詞：多協議波長標簽交換MPLmS、基于標簽光突發交換LOBS、全光標簽分組交換OLPS

 

　　1、MPLS向光網絡的擴展

 

　　傳統的ip網絡是“盡力而為”的，在流量和網絡帶寬管理上功能很弱，往往導致網絡發生擁塞，很難滿足對時延、抖動和傳輸質量有特別要求的應用(如語音和視頻業務等)，此時MPLS（多協議標簽交換）應運而生，實現了將第三層的包交換轉換成第二層基于標簽的包交換的“多層交換技術”，可使用各種第二層的協議，如幀中繼、ATM、PPP、以太網等。MPLS具有基于標簽的快速轉發和很強的流量工程管理功能，能夠提供較好的QoS方面的服務保障，IP/MPLS over ATM這種成熟的技術結合方式已經被廣泛的應用到能滿足電信級QOS要求的骨干網絡中。

 

　　隨著光通信技術的發展，通信距離已經“死亡”，網絡傳輸帶寬瓶頸已經成為過去，WDM技術在光纖中的應用給出了IP/MPLS over ATM模式的一種替代方案，即IP/MPLS over WDM，高速的ATM交換路由器從骨干網走到了網絡的邊緣。為了將MPLS應用到光網絡上，必須將MPLS的路由協議和信令協議與光交換機相適配構造智能型波長路由器/光交換機，同時將對傳統MPLS協議作相應的擴展和修改。與此同時IETF提出了GMPLS的全新概念，它是MPLS向光網絡擴展的必然產物，具有對智能光網絡進行快速實施光連接，在光層實現動態業務分配和動態的提供網絡資源，以及實現網絡端到端監控保護和恢復功能。GMPLS能支持多種交換類型，如分組交換PSC，時分復用TDM﹑波長交換LSC和光纖交換FSC，由此出現了通用標簽和LSP分級嵌套概念，即允許系統以一個轉發層來進行縮放，那么位于頂層的標簽將是FSC接口，接下來的是LSC、TDM，最后是PSC。GMPLS 還擴展了MPLS在邏輯上把控制平面從數據平面中分離出來的概念，允許與數據平面相關的多種物理上的控制平面存在。

　　2、傳統電域交換技術在光域中的應用

 

　　在傳統的話音和數據業務網中我們已經分別采用了電路交換和分組交換這些成熟的技術，相比之下突發交換技術就鮮為人知了，當然從交換粒度，交換模式（直通還是存儲轉發），網絡帶寬資源的預留方式等方面來分類的話還有許多交換技術，應用最多的就是以上三種交換技術。根據它們的各自特點，在光域中出現了相應的三種光交換技術：

 

　　1）波長路由交換(WRS)：在WDM網絡中使用電路交換技術時，是以波長交換的形式來實現，在相鄰節點間的每條鏈路上，一個波長就對應一個用于交換的光通道，提供端到端的“虛波長路由”，在網絡的邊緣建立起光路徑。光路徑通過沿路徑的每條鏈路上預留專門的波長通道而創建。在點到點的光通路中傳輸數據流時，中間節點不需要任何處理，不需要任何E/O和O/E轉換，也不需要緩沖數據。波長路由交換網絡就是傳統電路交換網絡的一種形式，不能統計復用共享帶寬資源，所以帶寬利用率比較低；

 

　　2）光分組交換(OPS)：電域的包/分組交換在光域上表現為光分組交換OPS，是基于虛電路和光時分復用方式的，采用固定長度短數據包格式，一般基于TDM來使用光纖中的所有帶寬，數據凈荷以光信號方式存在，信頭開銷可以是光形式，也可以是電形式，通過帶外波長或副載波復用傳送控制開銷使之與業務數據分開，控制開銷和業務數據之間的時延用光纖遲延線（光存儲器）來實現，而可變長度的光分組，可使用串聯的光纖延遲線來實現，OPS主要優點是能通過統計復用網絡帶寬資源提高帶寬利用率，而由于通過光/電轉換處理控制信息帶來的時延問題比較嚴重；

 

　　3）光突發交換(OBS)：結合了波長路由交換和光分組交換的優點，OBS技術通過在有限的時間段預留帶寬來提高網絡利用率。基本交換實體就是突發幀，它是在入口節點、中間節點、出口節點之間移動的一串數據包。突發幀主要由頭部控制突發幀（Control Burst）和數據突發幀（Data Burst）組成，它們之間各自獨立傳送。控制突發幀被先于數據突發幀傳送用來沿路徑預留帶寬，接著數據突發幀隨著控制突發幀預留帶寬的相同路徑傳送，同時有三種突發交換協議TAG（Tell-And-Go）、IBT（In-Band-Terminator）、RFD（Reserve-a-Fixed-Duration）來協調控制突發幀和數據突發幀之間的協同工作（即它們之間的發送偏置時間）；

　　3、基于標簽交換的全光互聯網解決方案

 

　　將傳統的MPLS技術和波長路由交換，光分組交換，光突發交換相結合形成了基于標簽交換的全光互聯網技術，相應的全光互聯網解決方案有：多協議波長標簽交換MPLmS、基于標簽光突發交換LOBS、全光標簽分組交換OLPS。

 

　　3.1 多協議波長標簽交換（MPLmS）光互聯網技術

 

　　MPLmS是傳統電MPLS在光域上的擴展，使用OXC作為LSR，波長作為標簽（如圖1所示），沿用了原有的MPLS框架，不需要定義新的內容。它直接采用第一層（光波長級）的交換來處理第三層的ＩＰ路由轉發，將標簽與ＷＤＭ波長信道關聯起來，其分立波長或光纖信道類似于標簽，并通過ＭＰＬｍＳ信令來指配光信道。從而大大簡化了網絡的層次結構，并具有更強大的業務管理、流量工程、ＱｏＳ保證的功能。MPLmS 也可以看作是一種沒有標簽棧或按包轉發的簡化MPLS，利用IP選路協議來發現拓撲，利用MPLS信令協議來實現波長通路的自動指配，為實時配置光波長通路提供了基本框架，選路與信令分離有利于靈活引入新特性新算法。這種方法可以使業務層上的路由器、ATM交換機或ADM動態地要求傳送網提供所需的波長，實現統一的網絡控制和快速業務供給，簡化了IP層與光層的融合以及跨層的網絡管理，降低了網絡運行和業務拓展成本，有利于大規模網絡敷設。IP層與光層的融合正展現了前所未有的前景。ＭＰＬｍＳ是構建新型網絡的管理控制平臺，通過它可將ＩＰ等各種業務無縫的接入到具有巨大帶寬的光纖網絡上來，是構建未來新型網絡的有效方法。

 

　　標簽交換技術在全光互聯網中的應用

 

 

　　圖1 MPLmS網絡體系結構及標簽交換過程

 

　　MPLmS把MPLS標簽交換的基本概念應用到了光域，采用光波長作為交換的標簽，將第三層路由轉發與第一層（光層）的光交換進行了無縫融合，利用波長來尋找路由，并標識所建立的光通路，為上層業務提供快速的波長交換通道。光網絡節點被看作是MPLS設備，MPLmS光網絡的邊緣采用標簽棧，它將更小的電MPLS設備節點的LSP整合進更大的波長LSP中。MPLmS域的中間節點在數據傳輸過程中不再運行任何電的標簽處理，并且只有有限個標簽處理操作在光域上實現。利用這些功能，波長標簽方案將MPLS的控制平面粘貼到光波長路由交換機/光交叉連接設備的上層，并將它看作是具有MPLS能力的節點，即光波長交換路由器(O-LSR)節點。

 

　　實際上最初MPLS的標簽交換的目的是運行第二層的快速轉發來處理第三層的數據流，人們延伸了這種想法，波長標簽在本質上是運行第一層（如光層）轉發來處理第三層的數據流。尤其是在MPLmS標簽和WDM波長通道之間，允許使用MPLmS信令來建立光路徑通道。例如，一個在對等MPLS O-LSR之間的端到端的光路徑等價于一個粗粒度的LSP，稱為波長LSP等。下面我們看看MPLmS的網絡模型：

 

　　MPLmS應用的網絡模型圖2所示。支持標簽交換的IP路由器（LSR）連接光核心網絡，光網絡由若干OXC通過光鏈路相互連接而成。OXC由光層面的交叉連接設備和控制平面組成，具有數據流交換功能，交換由可配置的交叉連接表控制。目前，OXC節點交換需要進行光電轉換，在電域進行。隨著光開關和可調諧激光器等技術的進步，將來它可以實現全光交換。控制平面使用基于IP的協議和信令進行節點的可達性檢測、控制建立和維護端到端的光通路。

　

 

　　圖2 MPLmS的網絡模型

 

　　在MPLmS中，波長標簽可以由上游節點提出，由下游節點認可后使用，用于在某些特定的光網絡設備區域中建立LSP。傳統意義的LSP是單向的，為了適應光網絡的需要，MPLmS支持雙向的LSP，以簡化倒換過程、減少建立LSP的延時和維護開銷。 該標簽請求支持建立LSP需要的通信參數，包括鏈路保護、鏈路編碼、LSP凈荷等。通過標簽請求可提出鏈路保護類型要求(1＋1或1：N)。鏈路的保護能力通過路由協議發布，以供路由選擇時使用。標簽請求消息還攜帶LSP鏈路編碼參數，稱為LSP編碼類型（SDH/SONET/Gage）。圖3是標簽請求（通用標簽請求）TLV（類型/長度/值）結構（以CR-LDP為例）。

 

　　LPT：鏈路保護類型，8比特，0表示沒有鏈路保護要求。

 

　　LSP-ENC：LSP編碼類型，16比特，定義了OC-n（SONET）、STS-n（SDH）、GigE、10GigE、DS1～DS4、E1～E4、J3、J4、VT以及光波長、波帶等類型。

 

　　G-PID：通用凈荷標識，表示LSP運載的凈荷類型，使用標準的以太網凈荷類型，由入節點設置，供出節點使用，中間節點僅進行透明傳送。

 

 

　　圖3 標簽請求（通用標簽請求）TLV結構

 

　　為了支持光網絡的傳輸環境，MPLmS標簽應該支持對光纖、波帶、波長甚至時隙的標識。不同的應用環境下標簽格式不同，以CR-LDP為例的TLV格式圖4所示。

 

 

　　圖4 以CR－LDP為例的TLV格式

 

　　鏈路標識符標識收到標簽請求的鏈路，僅在鄰接的節點間具有本地效力。標簽的長度和格式根據不同的應用環境而不同。比如在波長標簽交換應用中，端口/波長標簽為32比特，表示使用的光纖或端口或波長，與傳統標簽不同的是沒有實驗比特、標簽棧底標簽和TTL等域，但它與傳統標簽一樣，僅在鄰接節點間具有本地效力。標簽值可以通過人工指配或由協議動態決定。MPLmS概念的提出是MPLS技術發展的重要里程碑。通過光波分復用以及波長交換技術不僅提高了光傳輸網的容量，而且可以很好地利用標簽交換及其相關協議的應用經驗，以MPLS技術提高光網絡的靈活性、生存能力并實現流量工程。

　　3.2 基于全光標簽分組交換（OLPS）的光互聯網技術

 

　　所謂全光標簽分組交換技術就是在光分組信息上利用光技術附加可有效改變光分組交換性能的光標簽技術。目前關于光標簽頭和光分組的復用技術主要是利用副載波復用SCM技術實現。如圖5所示它將副載波復用光頭粘在每個分組上，即標簽頭采用與分組凈荷傳輸所用的波長相同的波長的帶內方式，但是為了有效利用帶寬，使用帶外調制來轉發分組數據。這種方法中數據頭和凈荷信息被復用在同一個波長上，但數據是調制在基帶上，而包頭信息承載于一個合適的副載波上。這樣克服了傳統分組交換需要承受的光緩存（消除了遲延線的使用）和比特同步的限制。

 

　　

 

　　圖5 光標簽的隨路和共路復用方式－副載波復用SCM

 

　　OLPS光標簽分組交換技術將目前普遍接納的IP尋址、標簽交換與光波長交換技術有機結合起來。采用標簽交換技術，可發揮其支持組播（Multicast）、合并（Merge）和約束選路（constraint-based routing）等特點。通過優化設計分組交換字節結構避免了同期到達的去往同一目的地的數據包對資源的競爭問題，改善了端對端的時延特性，簡化了路由器入口處處理包頭信息和轉發等價類（FEC）分配的過程，改善了選路的性能和成本，從而實現了快速有效地分組轉發。

 

　　OLPS網由光標簽邊緣路由交換機OLER和光標簽核心路由交換機OLSR組成。在MPLS原理中我們提到，的三層地址（IP）地址被映射成第二層地址（即就是標簽，當在OLPS網絡中時時光虛道路標識OVPI）。這種對等的多層映射（MLM）方法將第三層的路由和第二層的交換有機的結合在一起。路由信息被第三層IP選路協議分發到相鄰路由交換機，以便使分組轉發只按照第二層信息來執行。按照激發本地映射的方式的不同，可將MLM分為流驅動和控制驅動兩種：1）流驅動MLM遵循“次選路，全部交換”的方針。只分析數據流中開始的一些數據包，將持續期長的數據流映射到本地直通連接上，而將持續期短的數據流一個包一個包地進行逐包處理。基于這種方法的著名的方案就是Toshiba的“元交換路由”方案和由Ipsilon開發的“P Switch”方案；2）控制驅動MLM是由路由更新激發地址映射。控制驅動意味著每一次映射要么是諸如IP包的路由信息報文驅動的，要么就是由路由器或IP RSVP包控制報文來驅動的。相關的一些公司如Cisco（Tag Switching）、Asend（IP Navigator）和IBM（ARIS）均開發了此類技術以滿足骨干網絡的要求。在網絡設計中必須遵循現在已經被工人是未來發展方向的一種優選網絡設計原則，即“高網絡邊緣的智能化，以換取骨干網絡性能的提高”的設計原則。

 

　　全光標簽分組交換網絡中的核心光標簽路由器OLSR即可以使用空分交換也可以使用波分交換，并且僅對帶有路由信息的光分組頭進行高速處理而為光分組的有效負載提供透明路徑，因此他具有高速、大吞吐量、低延時、業務和比特率透明等突出特點，嫩高效的承載IP業務，同時它還能靈活地組網和實現網絡升級，大幅度提高網絡適應性和生存能力。光核心路由器主要有光分組頭識別和重置、沖突解決、分組路由和傳輸控制等光信號處理功能模塊組成。同時，目前基于光標簽交換的分組光網絡研究在網絡管理和控制方面，充分吸收了IETF（Internet Engineer Task Force）開發地MPLS技術的一些技術優勢。

　　全光分組交換節點OLSR主要有標簽交換模塊和光子交換機組成。光標簽交換模塊負責：檢測分組字頭；完整的轉發數據包；檢測包的端點；當需要的時候重寫光子頭；而目前可是用的比較先進的光子交換技術有：微電子機械技術MEM、LiNbO交換器、快速液晶交換器、半導體光放大器SOA或電吸收EA調制器/交換器等。

 

　　光標簽邊緣路由器OLER主要負責為IP包分配光標簽和為每一個分組選定一路波長；而核心光標簽路由IOLSR要執行標簽處理、新標簽的計算、全光的刷新標簽和轉換分組所在的波長。

 

　　光標簽分組交換網的核心網絡接點主要是按照OVPI標識來對IP包（第二層）執行轉發交換操作。每一個OVPI主要包括節點號、端口號和波長編號，它是由入口OLER負責分配，在交換過程中他的具體數值會在每一個下游交換節點上被更新。這時就相當于由IP選路和OLPS交換機電互聯而構成了具有光標簽分組交還能力的IP路由交換機。換言之，OLPS網絡的節點不但具有其他路由器所具有的路由表和路由更新協議，而且具有按照標簽進行光交換的能力，因此可以說他所執行的功能就是IP交換路由器的功能，但這時路由表的更新與傳統路由器中的地址信息更新不同，而是對OLPS節點中光虛通道表進行更新。路由更新信息是通過在OPLS分組頭中標定一個特定的域來傳輸適當地選路協議而從相鄰節點獲得的。OPLS節點的基本功能，一是通過選路IP包來更新路由表以獲得對光包執行轉發操作所需要使用的IVPI標識；二是對第三層選路由結果執行標簽綁定操作；三是依據標簽對光分組進行轉發。貼有標簽的分組能夠被下游OLSR節點探測出，并由節點選路控制器來管理它的去留。

 

　　當OLPS節點面對不平衡業務狀況時，可通過給網絡中邊緣路由器OLER之間的任一光的虛通道分配峰值帶寬方法，來合理管理OLPS網絡資源以便校正業務的不平衡問題。這種網絡資源方法雖然降低了OPLS網絡資源的利用率，但是在網絡帶寬大到無窮而帶寬成本不成為問題的時候，這種低的帶寬利用率的資源管理方法仍可以接受。而且這種基于MPLS的OLPS網絡還可提供對具有不同Qos要求的業務進行管理的能力。當網絡存在延時抖動和包丟失時，可為“供質量保證”的業務預留一定量的帶寬，同時將剩余帶寬提供給”盡力而為的”業務。在這種情況下，特別是對于提供質量保證的業務就需要呼叫接入控制機制，而這些控制機制不應占用可用帶寬。在OLPS網絡的邊緣路由器OLER上，可對需要執行業務分級的業務，使用諸如WFQ（Weighted Fair Queuing）方法或不同的包丟棄算法，同時對提供質量保證的業務使用“漏斗”算法來分配所需帶寬。

 

　　目前光標簽分組交換技術要步入實用還受制于邏輯處理技術相對滯后而造成的光標簽頭的高速超快、全光刷新、重寫以及光頭可用帶寬太窄等技術的限制。因此真正意義的光分組交換網絡要獲得實現還需要有相當長的時間。

　　3.3 基于標簽光突發交換（LOBS）的光互聯網技術

 

　　由于光突發交換與（波長）電路交換和光分組交換相比具有特有的優勢，同時MPLS的標簽交換技術對未來網絡組網技術的影響也意義深遠，所以我們同樣可以將MPLS的標簽交換思想引入到光突發交換中來，從而產生了基于標簽的光突發交換技術LOBS，為IP Over WDM光互聯網開辟了一種新的解決方案。

 

　　使用OBS來支持IP Over WDM的一個方法是在每個WDM光交換上運行IP軟件和協議，以及其它的控制軟件（當然現在考慮的IP協議主要是MPLS協議和其控制技術），這些控制軟件是網絡層與WDM光層接口的一部分。在WDM層使用專用的控制來為這些IP實現間提供靜態的/物理的連接，特別的這些專用的控制波長可用來交換那些在物理上相鄰的、包含拓撲信息和路由表的IP實體間的分組信息。為了發送數據，首先需要用一個控制分組在不需要經歷中間IP實體的情況下發送到宿端，這樣就減少了突發分組的等待時間以及在IP層上的處理。需要注意的是，由于控制分組的有限的不透明性，OBS能達到對阻塞和故障的高度的適應性，并且像在光分組/信元交換中一樣，能支持基于優先級的路由。

 

　　基于標簽的光突發交換LOBS技術與前面所述的MPLmS技術在吸收MPLS標簽交換技術方面的基本思路是一致的，所不同的主要是LOBS將控制信道和數據交換信道進行了分離，標簽信息在控制包中：而且這時在波長信道上所承載的數據是由多個IP包組成的突發數據流。在LOBS網絡中，每一個控制包/分組由控制信息和標簽構成，并作為一個普通的IP包在運行了LDP而預先建立起來的一個LOBS通路上被傳送，該通道就類似于標簽交換通路LSP。在入口LOBS節點將多個IP包組裝成突發數據流，然后該突發數據流就在由節點對控制包中的標簽進行處理后相應建立起來的波長通道上傳輸。在數據流的整個轉發過程中，都無需進行任何電子操作而完全在光域上執行，其它的標簽操作均類似于MPLmS實現方案。在MPLmS中，每一個波長為一個標簽，即就是標簽交換通道LSP是波長通道。這時由于缺乏波長合并（merging）技術，所以中間節點無法在光域上實現對多個LSP的整合操作，因此不能實現業務合并和疏導（grooming）。相反在LOBS中每一個突發數據流對應一個標簽，在每一個交換節點上都對標簽信息、波長號、偏置時間等控制信息執行電處理操作，因此不同LSP通路上的突發數據流無需進行光/電/光變換就完全可以進行業務整合。

　　此外，在骨干光網絡中應用OBS技術實現Qos有好幾種方法：

 

　　◆首先，我們可以控制LSP的建立，使其只具有一個較小的突發阻塞概率，方法是通過OBS MAC層的統計整型特性和在LSP整形結構的執行過程。突發數據包在一個LSP上的到達統計特性即使經過幾個節點以后也不會改變，這是因為整個交換過程對數據包都沒有執行緩存操作的結果。因此，在確認一個LSP建立以后，在其輸出接口，我們就完全可以預期它是否保持一個較低的突發阻塞概率。此外，通過優化設計和規劃OBS MAC層結構，我們可以實現預期的LSP時延特性。因此，LSP對IP層來說就是一個可以信賴的、具有某種被指配的數據速率的數據傳送管道，而且具有較低的突發阻塞概率和確定的傳輸時延。因此，在IP層可以應用標準的IP Qos機制例如區分服務DiffServ(differentiated service)對業務進行區分。

 

　　◆另外一個Qos方案就是業務提供商可以在部分網絡上提供具有不同可信度的LSP通道。標準的Qos路由機構可以根據他們不同的Qos需求（也就是具有不同的分組丟失率）將這些分組數據從接入邊界路由器路由到合適的出口邊界路由器。可以利用額外的偏置時間來支持優先級和Qos（即達到公平性），而不需要中間節點上的緩存。

 

　　◆有一種方法就是自適應路由和優先級技術。在OBS中一個主要的設計問題就是如何減少突發分組丟失的概率，在沒有或者只有有限的緩存的情況下，可以采用自適應路由和/或分配優先級的方法來減少突發分組丟失的概率。

 

　　4、結束語

 

　　下一代網絡NGN是一個以軟交換為中心，以智能的OTN為基礎的傳送光網絡。目前ITU-T提出的ASON具有大容量光交換能力和網絡拓撲結構自動發現、端到端光電路配置、帶寬動態分配等功能，是一種新的全光互聯網解決方案，具有很大的應用前景。

 

　　參考文獻

 

　　[1] 《高速寬帶光互聯網技術》徐榮 龔倩 編著 人民郵電出版社 2002.2第一次出版

 

　　[2] “QoS Performance of Optical Burst Switching in IP-Over-WDM

 

　　Networks” Myungsik Yoo， Member， IEEE， Chunming Qiao， Member，

 

　　IEEE， and Sudhir Dixit， Senior Member， IEEE

 

　　[3] “Quality-of-Service Mechanisms in IP-over-WDM Networks”

 

　　Ayman Kaheel， Tamer Khattab， Amr Mohamed and Hussein Alnuweiri，

 

　　Department of Electrical and Computer Engineering， The University

 

　　of British Columbia

 

　　作者簡介：

 

　　1.張磊（1978-），男，江蘇常州人，南京郵電學院計算機應用專業研究生，2001年畢業于南京郵電學院通信工程系，目前主要從事IP網絡技術，全光互聯網的研究。

 

　　2.范忠禮（1941-），男，重慶市人。南京郵電學院光纖通信研究所第一研究室主任，教授級高工，1966年畢業于北京郵電學院，目前主要從事智能光網絡，寬帶IP網絡的研究。