GMPLS技术及其在下一代网络中的应用

随着下一代网络(NGN)和自动交换光网络(ASON)的发展，通用多协议标签交换(GMPLS)技术成为人们关注的热点。2002年1月ITU-T SG13研究组在日内瓦召开的研究组全会一致认为通用多协议标签交换技术是实现下一代网络的关键技术，并将该技术的体系研究作为下一阶段的研究重点[1]。实际上，在这之前ITU-T的光传送网络研究组已经认为通用多协议标签交换技术是实现自动交换光网络的重要技术[2]。光互联网论坛(OIF)则直接利用通用多协议标签交换作为光网络的控制层体系规范，并在此基础上开发出了光传送网络的用户网络接口协议[3]。

　　1 技术介绍

　　一般认为通用多协议标签交换是多协议标签交换(MPLS)的扩展和延伸，更准确地说，是带流量工程的多协议标签交换(MPLS-TE)的扩展。多协议标签交换最初是为克服ATM技术与IP网络技术共同的发展过程中的缺陷而产生的。很快人们发现多协议标签交换技术不仅可以通过层次化的标签交换路径技术解决多种协议下网络之间的互通与互连，而且能通过标签的建立与分发实现网络流量的控制和虚拟专用网络（VPN）的建设，因此多协议标签交换技术提出之后受到互联网界的普遍关注。随着人们对多协议标签交换技术的关注，多协议标签交换技术不仅迅速地应用于数据链路层，而且开始应用于有非透明连接的网络交换中。

　　在因特网工程任务组(IETF)和光网络论坛的共同支持下，多协议标签交换技术被发展为通用多协议标签交换技术，并朝着一种工业标准发展[4]。

　　与多协议标签交换技术相比，通用多协议标签交换技术扩展了多协议标签交换技术的标签和标签交换路径机理，并建立了一种更为通用的标签和标签交换路径(LSP)机制[5]。新的标签及标签交换路径机制不仅支持最初的包交换接口(PSC)、第二层交换接口(L2SC)，还增加了对时隙交换接口(TDM)、波长交换接口(LSC)以及光纤交换接口(FSC)的支持[6]。为了支持新的接口，通用多协议标签交换对多协议标签交换技术中的信令、路由、标签分发和链路管理等协议进行了适当的扩展。

　　1.1 信令

　　通用多协议标签交换的信令协议在多协议标签交换的信令协议基础上扩展而来，用于完成标签交换路径的建立过程。通用多协议标签交换的信令协议与多协议标签交换的信令协议很多基本原则都是一致的。特别在建立标签交换路径的时候通用多协议标签交换与多协议标签交换-流量工程(MPLS-TE)的信令过程存在很多相同之处，例如：通用多协议标签交换的标签交换路径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“标记影射消息”。

　　通用多协议标签交换对多协议标签交换的信令协议做了3部分改动：增加了信令的功能性描述，即GMPLS-SIG；扩展了资源预留协议－流量工程(RSVP-TE)协议，即GMPLS-RSVP-SIG；扩展了路由受限-标记分配协议(CR-LDP)协议，即GMPLS-CR-LDP。GMPLS-RSVP-TE和GMPLS-CR-LDP是功能相同的两个协议，其分别对应于多协议标签交换中的RSVP-TE和CR-LDP。所不同的是，“标记请求消息”中增加了对所要建立的标签交换路径的说明，包括标签交换路径类型、载荷类型和链路保护方式等。由于传输网络的路径通常都是双向的，因此通用多协议标签交换特别定义了建立双向标签交换路径的方法。由于使用了双向标签交换路径， 通用多协议标签交换还对信令的流程和资源使用规则做了补充说明。

　　通用多协议标签交换信令协议在光网络方面的扩展是目前的一个研究的热点。ITU-T在最近的标准化工作中将通用多协议标签交换的两个信令协议都列入了标准化内容之中[7—9]。由于在多协议标签交换中没有对RSVP-TE和CR-LDP进行选择，通用多协议标签交换也不对GMPLS-RSVP-TE和GMPLS-CR-LDP做明确要求，完全交由运营商选择(当然运营商必须选择，因为两个协议是无法互通的)。这两种信令协议都有大量的学者在进行研究。值得说明的是在光网络的应用中RSVP-TE协议相比之下受到更多的支持[10]。

　　1.2 路由

　　通用多协议标签交换的路由[11—12]扩展集中在非分组交换层中。通用多协议标签交换网络包含两个层次：分组交换层(PSC)和非分组交换层(Non-PSC)。非分组交换层还可以细分，特别是当时分复用与光交换由不同设备完成时，进一步细分是非常必要的。每一个非分组交换层可以自成为一个自制系统(AS)，即自成一个单独的路由域。每个域内可以运行不同的内部路由协议(当前通用多协议标签交换定义了两种扩展的内部网关协议：OSPF-TE和ISIS-TE)，域间则运行扩展的边界网关协议(如BGP4协议)。这些都是通用多协议标签交换技术针对非分组交换层专门提出的概念，并对相应的路由协议做了扩展。

　　路由协议中通告的链路形式是通用多协议标签交换路由扩展的一个重点。在传统的IP路由网络中，两个内部网关协议(IGP)的邻居之间用物理链路直连，构成邻居关系。通用多协议标签交换重新定义了链路的概念，规定网络有权将部分标签交换路径作为链路并在路由域内进行通告。此外，如果是应用于非分组交换网络中，通用多协议标签交换路由协议通告的链路将是两个独立网元之间所有直接的连接关系，它们体现为一组光纤的集合或一组物理端口的集合。

　　路由方式是通用多协议标签交换在路由方面扩展的另一个重点。在传统路由器中几乎大部分协议都使用逐跳的路由方式。MPLS-TE规定了两种路由方式：显式路由和逐跳路由。其中显式路由类似于源路由技术，在入口处指定路径中的每个节点；而逐跳路由则是由路径上的每个中间节点自行决定下一个节点和使用的出口。很显然，逐跳路由模式要求中间的每个节点拥有自主路由能力，这对于传输设备路由处理能力的要求是非常高的。为了降低对传输网络设备的要求，通用多协议标签交换更倾向于使用显式路由(包括宽松型和严格型)方式，而将逐跳路由作为可选能力。

　　1.3 标记

　　通用多协议标签交换网络包含了各种交换方式：分组交换、电路交换甚至光交换，所以标记也不能仅仅用加载在分组头上以标识每个分组的方式。通用多协议标签交换分别为电路交换和光交换设计了专用的标记格式，以满足这些业务的需求。在非分组交换的网络中，标记仅用于控制平面，而不用于用户平面。一条时分复用（TDM）电路的建立过程与一条分组交换连接的建立过程完全相同，源端发送“标记请求消息”后，目的端返回“标记影射消息”。所不同的是，标记影射消息中所分配的标记与时隙或光波一一对应。

　　1.4 链路管理协议

　　链路管理协议(LMP)[13]是通用多协议标签交换中最新的部分。IETF针对不同的网络技术定义了大量LMP的草案并不断更新。链路管理协议包括控制信道管理、链路所有权关联、链路连接性验证和故障管理，其中后两项为可选功能。

　　控制信道管理是链路管理协议的重要组成部分。通用多协议标签交换采用专用信道(与数据信道分离)承载控制信息。控制信道概念能更好地适应非分组交换网络。它被用于在两个邻接节点间承载信令、路由和网络管理信息。在数据信道与控制信道分离后，通用多协议标签交换必须为数据信道设计新的协议以完成控制信道的管理。LMP协议控制信道管理就用于实现这部分功能。

　　链路所有权关联也是链路管理协议的重要组成部分。链路管理协议通过在两个相邻节点建立交换链路来保证两个相邻网元间的链路属性同步。通过该过程的实施，网络中节点对链路的属性改动，增加删除链路等都能容易被相邻节点获知。这对实现自动的邻居发现很有帮助。
链路连通性验证是链路管理协议的一个可选规程。链路连通性验证规程主要用于验证数据链路的连通性，它通过发送测试消息逐一验证所有数据链路(包括捆绑链路中的每一个组件)。当网络通过自动资源发现技术发现一条链路后，该功能用于验证链路的可用性。

　　故障定位是链路管理协议的另一个可选规程。故障定位分为两个阶段：故障检测和故障通告。在各种传输协议并存的通用多协议标签交换网络中，光信号丢失是最通用的检测手段。但在复杂的纯光网络中，光信号经历了众多环节，准确的定位是一件非常困难的工程，这时带外的管理系统将是一个良好的辅助手段。

　　2 技术应用

　　可以认为通用多协议标签交换技术相对于多协议标签交换技术已经发生了质的变化。由于通用多协议标签交换技术相对多协议标签交换技术而言应用领域不同，对网络的作用方式也不尽相同。尽管在互联网工程任务组中，两种技术都希望建立一种通用的交换控制平台，而且通用多协议标签交换技术是在多协议标签交换技术的基础上演化而来，但是，多协议标签交换技术必须直接作用于数据平面之上(将标记加于传递的分组之上)，而通用多协议标签交换脱离数据平面而存在，形成的是完全意义上的控制平面技术。

　　在网络中引入通用多协议标签交换概念后网络被清晰地划分为控制平面、管理平面和传送平面[14]，不再是传统意义上开放系统互连(OSI)定义的七层协议的网络层次。3个平面独立作用，使网络连接成一个整体。在这种层次划分的网络体系下，数据的路由和流量控制独立于传送。数据可以流过使用不同网络技术的数据网络，可以跨越不同的管理域。有大量的学者与通信组织将这看作未来网络发展的一种趋势。

　　通用多协议标签交换在实现下一代网络的数据传送、虚拟专网、流量工程（TE）与服务质量(QoS)时得到了很好的应用。

　　2.1 数据传送

　　通用多协议标签交换融合未来的网络技术形成统一的控制平面实现了跨网段的数据传送。实现多协议网络的互连与互通是多协议标签交换技术最初的设计思想，这一优点在通用多协议标签交换技术中也得以体现。通用多协议标签交换将所有数据的传递过程转化为建立标签交换路径，并在建立的标签交换路径上完成数据传递的过程。通用多协议标签交换技术不仅能实现开放系统互连中二、三层协议之间的多协议标签交换，还能实现开放系统互连物理层协议之间的多协议标签交换，并最终隐藏这些具体协议之间的界限。

　　从垂直的角度来看，目前网络的中间层（包括SDH等）网络技术将被淡化。IP包在网络中的路由和交换将通过通用多协议标签交换协议来完成。当IP包传递经过波分复用(WDM)网络时通用多协议标签交换协议可以直接控制波分复用网络，以使用波长交换或光纤交换技术。因此从网络终端设备出来的IP数据包可以直接选择如何穿越波分复用网络。

　　从水平的角度来看，不管业务数据传递过程中经历的网络技术如何变化，数据都可以通过通用多协议标签交换协议建立起来的标签交换路径从发送端传递到目的端。这是下一代网络的一种概念模型。如果业务要跨越不同技术网络的边界，通用多协议标签交换协议可以通过通用的信令技术在两种网络范围内协商业务转发的路由。

　　2.2 流量工程与服务质量

　　在下一代网络中，通用多协议标签交换技术将能很好地实现跨网段的流量工程与服务质量。实际上流量工程是通用多协议标签交换技术中一个重要的组成部分。为了完善流量工程功能，多协议标签交换已经扩展了大部分的路由协议。通用多协议标签交换不仅直接利用这些技术来实现流量工程还将它扩展到了非分组交换的网络中。

　　需要指出的是在使用流量工程的过程中通用多协议标签交换技术相对多协议标签交换技术做了新的扩展。对于传统的包交换网络，所谓的流量工程是指获得最小的包丢失、延时情况下的吞吐率，而面向连接网络指的则是最大的带宽利用率与合理的交换路径使用。

　　2.3 跨多层网络的虚拟专网

　　实现跨多层网络的虚拟专用网(VPN)是通用多协议标签交换技术在下一代网络中的又一应用。基于IP的虚拟专用网技术因其灵活性和可扩展性成为未来虚拟专用网技术的首选。常见的基于IP的虚拟专用网通道机制包括GRE、L2TP、IPSec和MPLS。在以上这些技术中多协议标签交换最具发展前景。目前ITU-T、光互联网论坛(OIF)以及互联网工程任务组都在致力于建立光虚拟专用网的研究，大量研究都以通用多协议标签交换为光虚拟专用网的基本框架。随着通用多协议标签交换技术在光虚拟专用网中应用的成熟，并结合多协议标签交换已有的虚拟专用网应用，可以预见多协议标签交换将广泛地应用于跨越多层网络的虚拟专用网。

　　3 技术发展

　　通用多协议标签交换技术正在朝一种融合各种网络技术的方向发展，将成为下一代网络的重要组成部分。通用多协议标签交换技术的原型最早由Cisco公司在1999年的一次标准化提案中提出，目前已经经过了将近整整3年的研究。通用多协议标签交换技术的体系正在不断完善，各个功能块的定义越来越清晰。结合多协议标签交换技术发展的路线有人估计通用多协议标签交换的技术将在今后5年内在工业上得到完整实现。

　　目前通用多协议标签交换技术正受到大量标准化组织、厂商、协会和团体的关注和支持。通用多协议标签交换技术相关的草案主要在IETF中制订。ITU-T和OIF也积极地关注这一技术，并将它应用于解决下一代网络互连和光传送网络技术中。在IETF中，参与通用多协议标签交换体系结构协议制订的公司包括很多国际知名的通信公司和通信软件开发公司，如：Nortel、 Alcatel、 Cisco、 AT&T、 Ciena、 Tellium、 NetPlane等。现在，针对通用多协议标签交换已经制订出大量的草案，如：Generalized-cr-ldp、 Generalized-rsvp-te、 Generalized-signaling等，并正处于进行正式版本评述阶段。2003年5月完成了通用多协议标签交换体系结构第7版本的修订工作。可以看出通用多协议标签交换技术正在经历飞速的发展。随着通用多协议标签交换体系结构草案的制订和完善，通用多协议标签交换技术的目标越来越明确，其将完成的功能也越来越清晰。

　　有一点需要值得关注，就是通用多协议标签交换技术在光网络上的应用得到了更多的研究，主要体现在自动交换传送网络中。许多研究表明通用多协议标签交换技术可能先在光层网络的应用中得到较早实现。正因为如此，一提到通用多协议标签交换技术总会有人不自觉地将其与SDH和WDM技术结合起来。随着通用多协议标签交换体系结构的提出和完善，这一现象正在慢慢改变。现在通用多协议标签交换的研究越来越多地开始关注于如何实现统一控制平面。

　　通用多协议标签交换由多协议标签交换技术发展而来。经过一些功能上的扩展，相对于多协议标签交换技术有了质的改善。它将传统的分组交换网络和非分组交换网络整合为一个整体，在它们之上通过统一的控制平面建立标签交换路径。因此通用多协议标签交换技术能融合未来的网络技术，实现跨网段的数据传递和流量工程，并能实现跨越多层的虚拟专用网。因此，通用多协议标签交换将作为下一代网络的重要技术而存在。

　　参考文献：

　　[1] http://www.itu.int/md/meetingdoc.asp?lang=e&type=meetings&parent=T01-SG13
　　[2] David Greenfield. Optical Standards: A Blueprint for the Future [J]. Network Magazine, 2001,(5).
　　[3] OIF UNI1.0, User Network Interface (UNI) 1.0 Signaling Specification [S].
　　[4] Banerjee A. Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Routing and Management Enhancements [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(1):144—150.
　　[5] Ayan Banerjee, John Drake, Jonathan P L, et al. Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Signaling Enhancements and Recovery Techniques [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(7):144—151.
　　[6] CCAMP Working Group, Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Architecture [S].
　　[7] ITU-T G.7713, Distributed Call and Connection Management (DCM) [S].
　　[8] ITU-T G.7713.2, DCM Signaling Mechanism Using GMPLS RSVP-TE [S].
　　[9] ITU-T G.7713.3, Distributed Call and Connection Management Using GMPLS CR-LDP [S].
　　[10] CCAMP Working Group, Generalized MPLS SignalingI—Implementation Survey [S].
　　[11] CCAMP Working Group, OSPF Extensions in Support of Generalized MPLS [S].
　　[12] CCAMP Working Group, Routing Extensions in Support of Generalized MPLS [S].
　　[13] CCAMP Working Group, Link Management Protocol (LMP) [S].
　　[14] Fong N W, Havala P, Wank R. GMPLS: A New Way of Optical Networking [J]. In Proceedings of the Conference on National Fiber Optical Engineers, 2001.

[摘要] 文章介绍了通用多协议标签交换技术的产生背景、主要技术特点，对通用多协议标签交换技术在下一代网络中的可能应用做了分析比较，并指出了通用多协议标签交换技术的未来发展趋势。

[关键词] 通用多协议标签交换；流量工程；虚拟专用网

[Abstract] The background and technical features of the generalized multi-protocol label switching (GMPLS) are presented. The applications of different GMPLS technologies in the next generation networks (NGN) are analyzed and compared. The development trends of GMPLS are also predicted.

[Keywords] Generalized multi-protocol label switching; Traffic engineering; VPN