通用多協議標籤交換

多協議標記交換(MPLS)是一種非常適合於在電網絡中傳輸數據業務的技術，他採用基於約束的路由技術可以實現流量工程和快速重新選路，可以滿足業務對服務質量的要求。然而，MPLS畢竟是一種位於OSI七層模型中的第3層和第2層之間的2.5層技術，而光網絡中的光層是第一層物理層的技術。因此，要讓MPLS跨過數據鏈路層直接作用於物理層，必須對其進行修改和擴展。在此情況下，IETF推出了可用於光層的通用多協議標籤交換GMPLS技術。GMPLS的引入，不僅帶來了網絡的智能，同時也使傳統的網絡4層結構得以簡化為2層結構。

GMPLS對MPLS標籤進行了擴展，使得標籤不但可以用來標記傳統的數據包，還可以標記TDM時隙、光波長、光波長組、光纖等；為了充分利用光網絡的資源，實現光網絡的智能化，GMPLS還對信令和路由協議進行了修改和補充；為了解決光網絡中各種鏈路的管理問題，GMPLS設計了一個全新的鏈路管理協議LMP（Link Management Protocol） ^[2]  。

GMPLS定義了5種接口類型，分別是：

MPLS通過在IP包頭添加32b的“shim”標籤，可使原來面向無連接的IP傳輸具有面向連接的特性，加快IP包的轉發速度。GMPLS對標籤進行了擴展，將TDM時隙、光波長、光纖等也用標籤進行統一標記，使得GMPLS不但可以支持IP數據包和ATM信元，而且可以支持面向話音的TDM網絡和提供大容量傳輸帶寬的WDM光網絡，從而實現了IP數據交換、TDM電路交換（主要是SDH）和WDM光交換的歸一化標記。其中，分組交換標籤與傳統MPLS標籤相同，而電路交換標籤和光交換標籤為GMPLS新定義，包括請求標籤、通用標籤、建議標籤以及設定標籤 ^[2]  。

請求標籤用於LSP路徑的建立，由LSP上游節點發出，向下遊節點申請建立LSP的資源。與MPLS相同，GMPLS的LSP建立過程也是由上游節點向目的端發出”標記請求消息”，目的端返回”標籤影射消息”。所不同的是，”標籤請求消息”中需要增加對所要建立的LSP的説明，包括LSP類型（PSC，TDMC等）、載荷類型等。其格式如圖1所示。

通用標籤是在LSP建立完成後，用於指示沿LSP傳輸的業務的情況。通用標籤的格式與傳輸所用的具體技術有關，電路交換和光交換所用的標籤不同。

SDH電路交換標籤格式如圖2所示。

對於OXC設備來説，一次交換一組連續的光波長可以有效地減少單個光波長的波形失真，提高業務的傳輸質量。這種光波長組的交換可用光波段交換標籤來表示，其標籤格式如圖所示。

傳統MPLS配置LSP是沿反方向進行的，上游節點必須等待下游節點的反饋標籤來確定LSP的具體路徑。這種反向配置LSP的方式不適於光鏈路，因為OXC設備需要通過光開關的切換來改變光連接，反向配置會造成很大時延。因此，GMPLS引入建議標籤來快速建立光連接。

建議標籤由準備建立LSP通道的上游節點發出，告知下游節點建立這個LSP通道所希望的標籤類型。這就可以讓上游節點無需獲得下游節點的反饋映射標籤確認，而先對硬件設備進行配置，從而大大減少建立LSP通道所需的時間，同時也減少了LSP建立的控制開銷。當然，既然是一種建議標籤，LSP通道能否最終建立還需由下游節點反饋的”標籤影射消息”確定。如果下游節點發現本節點的可用資源可以滿足建議標籤的請求，則LSP可按上游節點的要求建立起來。反之，如果下游節點反饋不同於建議標籤信息的”標籤影射消息”，則上游節點必須根據該”標籤影射消息”的內容重新配置LSP通道，造成需要更多的時間建立LSP。不過，由於GMPLS採用了在節點之間定時分發標籤的方式，讓網絡上的每個節點都能實時地知道全網拓撲及資源的使用情況，從而在分發建議標籤時做到有的放矢。建議標籤可採用與請求標籤類似的格式 ^[2]  。

設定標籤用於限制下游節點選擇標籤的範圍，這在光網絡中非常重要。首先，某種類型的光設備只能傳輸和接收某一波段範圍內的光波長；其次，有些接口沒有波長轉換能力，要求在幾段鏈路上甚至整條LSP上只能使用相同的波長；第三，為了減少波長轉換時對信號波形的影響，設備一次只能處理有限個光波長；第四，一條鏈路兩端的設備支持的光波長的數目和範圍都不盡相同。

設定標籤可以和請求標籤同時發出，他可以將建立某個LSP所需的標籤類型限制在一定範圍內，下游節點根據設定標籤中的信息有選擇地接收標籤，否則下游節點就必須接收所有符合要求的標籤，從而造成LSP建立時間大大增加。設定標籤的格式如圖3所示。

層次化的含義是針對LSP的複用能力而言的，複用能力越強的LSP層次越高。如圖4所示，LSP1，LSP2，LSP3和LSP4具有由低到高的嵌套關係。LSP1在最低層，他的始端和終端設備是具有分組交換能力的網絡接口（主要的設備是路由器）；LSP1和其他具有分組傳輸能力的LSP可以聚合到LSP2中，LSP2處在第二層，他的始端和終端設備是具有時隙交換能力的網絡接口（主要種類有SDH/SONET，TDM接口）；同樣，LSP2可以和其他的具有時隙傳輸能力的LSP又可以聚合到LSP3中，LSP3的始端和終端設備（光交叉連接設備）在具有波長交換能力的網絡中；LSP4在具有光纖交換能力的網絡中，處於最高層。

LSP分層後，帶來的好處是明顯的。首先，通過不同層次間的路由匯聚，可以非常節約地使用波長和時隙信道，從而解決波長和時隙信道有限的問題；其次，解決了光信道和時分信道只能被分配有限個離散值帶寬的問題。

LSP分層是通過GMPLS標籤棧技術來實現的。傳統MPLS在中間LSR轉發時，是用新的MPLS標籤替代舊的標籤，而標籤壓棧在一個低級LSP嵌入到高級LSP時，先保留原GMPLS標籤，再在原標籤的頭部添加新的標籤。使用標籤棧時，由於接口形成的分級，新的標籤與被壓棧的標籤可能在形式上不一樣，比如從TDMC LSP來的分組進入到LSC LSP時，被壓入標籤棧的標籤是時隙形式的，而新分配的標籤應該是光波長形式的 ^[2]  。

在傳統MPLS中，要建立雙向LSP就必須分別建立兩個單向的LSP，這種方式存在LSP建立的時延過長’開銷過多’可靠性差’管理複雜等缺點。為了解決以上問題，GMPLS特別定義了建立雙向LSP的方法。雙向LSP規定兩個方向的LSP都應具有相同的流量工程參數，包括LSP生存期、保護和恢復等級、資源要求（如時延、抖動等）。由於在GMPLS的雙向LSP中，上行和下行的數據通路均採用同一條信令消息，兩個LSP同時建立，可以有效地降低LSP的建立時延，同時也可減少建立LSP所需的控制開銷。

既然是採用同一條信令消息建立雙向LSP，網絡中就不存在上游和下游的區別，一個雙向LSP的上游和下游都必須分配有標籤。由於LSP的兩個端點都有權發起建立LSP，而在LSP建立請求的發送過程中，如果雙方同時被分配同一資源（端口），就會發生標籤競爭，產生衝突。為了解決這一問題，GMPLS採用比較雙方“NODE ID”大小的方式，以ID較高的節點作為LSP建立的發起方。當然，GMPLS同時也建議採取其他一些機制來減小這種競爭發生的概率。

GMPLS將網絡劃分為兩個層次：分組交換層（PSC）和非分組交換層。非分組交換層還可以細分，特別是當TDM與光交換由不同設備完成時，進一步細分是非常必要的。在GMPLS網絡中，分組交換、時分交換、波長交換和光纖交換4個層次的網絡雲可以被看成4個自治系統。每個自治系統又可以分成多個路由域，每個路由域可以運行不同的內部路由協議（GMPLS定義了兩種擴展的IGP協議：OSPF-TE和ISIS-TE）。每一個非分組交換層可以自成一個自治系統（>(），各自治系統間的路由信息交換由邊緣路由器上運行的域間路由協議來實現。

在傳統的路由網絡中，兩個內部網關協議（IGP）鄰居之間必須用物理鏈路直接相連，否則二者不能成鄰居。GMPLS重新定義鏈路概念，規定網絡有權將部分LSP作為鏈路，並在路由域內進行通告。為此，GMPLS還設計了一個複雜的鏈路管理協議（LMP），他是GMPLS體系中一個非常重要的組成部分（GMPLS規定了兩種尋址方式）顯式路由和逐跳路由（顯式路由類似於源路由技術，在人口處指定路徑中的每個節點。而逐跳路由則是由中間的每個節點自行決定下一個出口節點。很顯然，逐跳路由模式要求中間的每個節點擁有全路由，他對設備路由處理能力的要求是非常高的。所以為了降低對傳輸網絡設備的要求，GMPLS指定顯式路由（包括寬鬆型和嚴格型）作為設備必須具備的能力，將逐跳路由作為可選能力。

GMPLS信令的基本功能包括LSP的建立、刪除、修改、出現故障後的恢復以及出現非正常情況時的例外處理方法。GMPLS採用帶外信令網絡，這種帶外通道必須是雙向的。另外，帶外信令網絡用於傳送控制信息，採取特殊的措施以保證傳送的可靠性。他包含3個協議：

信令的功能描述（GMPLS-SIG）協議；

擴展的RSVP-TE（GMPLS-RSVP-SIG）協議；

擴展的CR-LDP（GMPLS-CR-SIG）協議。

後面兩個協議具有相同的功能，分別從RSVP-TE及CR-LDP兩個支持MPLS流量工程的信令協議擴展而成。GMPLS可允許選其中任何一個，由於兩者不能兼容，所以一個網絡只能選用其中之一。

鏈路綁定：

傳統的MPLS技術針對分組，網絡中一對節點之間很少有10條以上的平行鏈路，而在光網絡中，兩個節點之間可能有上百條平行的光纖，且每根光纖還要承載上百個波長，要為每個PSC，L2SC，TDMS，LSC和FSC都分配一個獨立的IP地址是不可能的，所以必須採用新的控制機制來標識每條鏈路，以減少需要分發的大量鏈路狀態信息。GMPLS引入了鏈路綁定的概念來解決以上問題。所謂鏈路綁定是指將那些屬性相同或相似的平行鏈路綁定為一個特定的鏈路束，而在鏈路狀態數據庫中則用這個綁定的鏈路束來代表所有這些平行的鏈路。採用這種方法後，整個鏈路狀態信息數據庫的大小就會減小很多，相應的鏈路狀態控制協議所需做的工作也會得到縮減。

無編號鏈路

在MPLS網絡中，所有的鏈路都必需分配惟一的),地址以進行識別。而前文已經提到，在GMPLS網絡中，為每條光纖、波長、時隙和分組都分配一個IP地址，是不太可能實現的。為此，GMPLS採用無編號鏈路的方法來解決這個問題。所謂無編號，是指不用IP地址標識鏈路而採用替代方法，即在每個網絡節點對鏈路進行本地編號，以鏈路經過設備的ID號或接口號作為鏈路的識別標誌。這將大大縮小路由信息庫的內容，減少鏈路配置的數量。

鏈路管理LMP協議

為了增強GMPLS技術對鏈路的管理能力，GMPLS專門定義了鏈路管理協議LMP。LMP是用於在相鄰兩節點之間提供控制信道管理、鏈路連接性驗證、鏈路所有權關聯和鏈路故障管理等的實施規程。其中，控制信道管理和鏈路所有權關聯是必須實現的，其他幾項是可選的。

安全性

GMPLS的標籤是用於加速數據轉發的，標籤僅在局部有意義，只能被GMPLS設備理解使用。因此這些標籤不能用於實現網絡的訪問控制和網絡安全。

協同工作性

GMPLS允許兩個相似的網絡通過其他不同的網絡傳輸需要交換的控制面和數據面的信息。但不同類型網絡協同工作面臨幾個問題：

網絡的動態平衡

網絡的動態平衡是指在網絡狀態發生變化時，通過路由協議與信令機制在全網範圍內傳達這一變化，並協調數據傳輸過程。當在GMPLS網中增刪資源時，需要交換的控制信息要比傳統的IP網多得多。因為GMPLS使用流量工程模型，包含了一組和數據鏈路相關的流量參數$可以完成基於約束的路由LMP等。從理論上可以推斷出當網絡發生中斷時GMPLS網要比傳統IP網用相對長的時間獲得新的網絡平衡狀態 ^[3]  。