智能光网络控制平面信令协议的探讨

2019-11-03 19:16:57

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供稿：网友

张磊范忠礼

南京邮电学院计算机应用技术系
南京邮电学院光信息技术系

　　摘要：本文主要分析了智能光网络控制平面的三种信令协议，即RSVP,CR-LDP,PNNI。首先介绍了CR-LDP和RSVP的建立光路径的流程，并加以比较选择，最后阐述了CIENA公司基于PNNI/Q.2931的OSRP协议及其在智能光网络控制平面关键技术研究中所作的贡献。

　　关键词：智能光网络OTN，控制平面，CR-LDP ，RSVP

1 引言

　　传送网中引入动态交换是传送网概念的重大突破，是传送网的一次革命，而动态交换的实现是引入了控制平面，控制平面的特色主要是通过路由和信令控制下完成自动交换连接功能，下一代网络必须是智能的、灵活的光网络，这就意味着要能实现快速的端到端光通路恢复；快速地建立一条通过灵活光网络的光通路；执行路由操作以及网络拓扑和资源的信息发现；传递状态信息并计算点到另—个节点的最佳路由通路。其途径就是要使用路由技术和信令协议，显然信令协议是智能光网络控制平面中的核心。在ITU-T提出的ASON协议体系中，有基于PNNI的G.7713.1，基干RSVP的G.7713.2，基于CR-LDP的G.7713.3的三个信令协议。ITU-T SG15于2003年1月20日至31日在瑞士日内瓦召开了(2001-2004年)研究期间第四次会议，会议讨论和通过了与ASON 有关的几个建议,其中就包括用于ASON分布式呼叫和连接管理的信令系列协议PNNI、RSVP-TE、CR-LDP。

2 基于GMPLS的RSVP-TE和CR-LDP信令协议分析

　　信令协议是被用来完成呼叫连接操作任务的。具体来说，它要完成LSP的建立、删除、修改和查询等，也是ASON控制平面中的一个重要问题。当前存在两种广泛使用的信令协议，一种是基于受限路由的标记分发协议CR-LDP(Constraint-based Routing Label Distribution PRotocol)；另一种是基于流量工程扩展的资源预留协议RSVP-TE(Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering Extension)。CR-LDP和RSVP-TE信令协议，都支持基于强制性的约束路由标签交换通路，可以将它们进行扩展以支持在灵活光网络中建立光通路的信令操作。事实上，为了满足智能光网络信令拓展要求，主要是为了支持多种交换和转发层次、通用标签以及双向LSP的建立等而对原有的信令进行了扩展，在其中增加了必要的对象。因此这两种协议的扩展在IETF提出的GMPLS协议栈中都作了定义，GMPLS的信令由三部分组成：即信令的功能性描述以及扩展的ESVP-TE 和扩展的CR-LDP。虽然GMPLS-RSVP-TE和GMPLS-CR-LDP是功能相同的两个协议，但是这两种协议也存在多方面的差异，所以在具体实现方面还有诸多不同。现在，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。

2.1 CR-LDP信令协议

　　CR-LDP对LDP的扩展主要包括：增加了“限制路由”的概念，它改变了LSR对等实体的发现方法，由传统的路由协议改为“限制路由”；增加了TE（流量工程）能力，可以提供显式路由和QoS的能力；定义了许多新的TLV（类型/长度/值）消息：通用标签请求TLV，通用标签TLV，设定标签(Label Set)TLV，建议标签(Suggested Label)TLV，允许标签(Acceptable Label)TLV，管理状态标签(Admin Status)TLV等，以支持GMPLS新增的交换和接口类型；新增了两个消息：状态询问消息和状态消息（在UNI接口上使用），另外考虑到UNI安全性又引进了用户识别TLV。LDP是在不存在呼叫概念的数据网络中发展起来的，为了支持ASON 的DCM功能，引进了与呼叫控制有关的新的呼叫控制消息（用于呼叫控制过程，主要有呼叫建立消息和呼叫释放消息）和相应的TLV。CR-LDP在LSP对等网元之间使用TCP会话来传递标签分发信息，保证了其可靠性。其工作过程如图1所示：

图1 基于CR-LDP的LSP建立的信令流程图

　　(1)入口LSR A判断它需要建立一个新的LSP到达LSR C。通过一些流量参数的会话或网络管理信息，LSR A判断新的LSP应该通过LSR B。LSR A 发出一个标签请求消息，其中包含了显式路径（B，C）以及其流量参数。LSR A为新的LSP 预留了所需的资源，并将标签请求消息转发至LSR B。

　　(2)LSR B接收到标签请求消息，判断出它并非LSP的出口，并沿消息中规定的路径转发请求，为LSP 预留所需资源，修改标签请求消息中的显式路径。如果消息中的参数是可协商的，LSR B可能减少预留的资源。

　　(3)LSR C判断出它是LSP 的出口。它做最后的协商，并为LSP预留资源，为之分配标签，并由标签映射消息把标签分发到LSR B 。

　　(4)LSR B 接收到标签映射消息，并通过标签请求消息和标签映射消息中都包含的LSP ID将之匹配到原先的请求。它为LSP分配标签，建立转发表，并将新的标签通过标签映射消息传递给LSR A。

　　(5)LSR A与LSR B的处理相似，但不需要分配标签并转发到上游节点，因为它是LSP的入口LSR。

2.2 RSVP-TE信令协议

　　RSVP-TE是基于RSVP建立在流的基础上的并加以扩展（支持流量工程和光网络）的资源预留解决方案，采用软状态管理路由器和主机的预留状态。软状态由Path和Resv消息创建并周期刷新。RSVP-TE同样有三种预留过滤风格：固定过滤FF,通配过滤WF，共享过滤SE。这三种风格定义了不同的过滤合并机制，即要将每个路由器接口上收到的预留量安某种规则选取最大的，然后再向上游方向的上一跳路由器转发。RSVP-TE可以扩展支持SPC（软永久连接）服务。SPC服务假设源端和目的端的用户到网络侧O-UNI的连接部分均已提供，而网络内部连接部分是通过控制平面提供的，并与建立交换连接（SC）是相同的。RSVP-TE是ip层的独立协议。它使用IP格式（网络边缘为UDP）在对等网元间通信。它不需要TCP会话，但必须处理控制信息的丢失。其工作过程如图2所示：

图2 基于RSVP-TE的LSP建立的信令流程图

　　(1)入口LSR A 判断它需要建立一个到达LSR C新的LSP。通过流量参数的会话或管理信息，LSR A判断LSP需要通过LSR B。LSR A建立一个路径信息，包含了显式路由（B，C）和流量参数。LSR A 以IP数据报格式把Path转发给LSR B。

　　(2)LSR B接收到路径请求，判断它不是LSP的出口，并沿消息中规定的路径转发请求。它修改路径消息中的显式路径并将该消息传递给LSR C。

　　(3)LSR C判断它是LSP 的出口，它从请求的流量参数中判断需要预留的带宽并分配所需的带宽。它为LSP选择一个标签并由Resv消息将标签分发给LSR B。

　　(4)LSR B接收到Resv消息并通过Path和Resv消息中都包含的LSP ID将之匹配到原请求。它通过Resv消息决定需要预留的资源，为LSP分配标签，建立转发表，并由Resv消息将标签转发给LSR A。

(5)LSR A的处理与B相类似，但它不需要分配新的标签转发到上游LSR，因为它是LSP的入口LSR 。

2.2 两种信令协议的比较和选择

　　制定CR-LDP信令协议的目的是支持区分业务方式的QoS，CR-LDP还考虑了与ATM服务类型相互融合的问题。同时CR-LDP提供通路建立的优先权控制，通路抢占与恢复，通路重优化等机制以满足流量工程的要求。为了保证控制信息的可靠传输，CR-LDP对等体间的通信建立在可靠的TCP连接之上。制定RSVP的目的则是为了可以在运行IP协议的网络中提供集成服务模型的QoS保障。为了在MPLS网络中支持显式LSP，RSVP扩展协议中增加了一些支持标签分配，分发与绑定的对象，从而使之也可以提供路径优先权，通路抢占，重路由等机制。CR-LDP和RSVP扩展协议在高层呈现的信令特征十分相似，但它们的控制结构并不相同。下面就针对CR-LDP与RSVP扩展协议之间的差异进行比较。

● 网络简单性

　　CR-LDP是LDP的简单扩展，它的工作原理与LDP基本一致，LDP/CR-LDP实际上是一个统一的信令系统，为MPLS网络管理员提供了一个完整的标签分发和通路建立的操作模式，从而最大地提高了操作效率，减少了操作代价。RSVP扩展协议只能提供下游按需标签分配，分发与绑定模式。LDP和RSVP的实现方式根本不同。RSVP需要整条预约通路上的节点都对服务类型，业务类型，ER-LSP策略数据作判断，从而要求网络管理员对各个节点都进行配置；但以CR-LDP/LDP实现ER-LSP只需要在输入节点进行配置就可以了。

● 网络的安全性和可靠性

　　CR-LDP运行在可靠的TCP连接上，还可以进一步使用IPSec用来为IP上传输的数据包提供授权和加密的安全措施。RSVP使用IP本身的授权和公共控制手段来提供安全性，它对消息的发起者进行认证并决定其合法性。RSVP在入口LSR处理Path消息，而不是在中间LSR，这意味着它不能使用IPSec，因为中间LSR将发现他们无法获取Path消息中的信息。

● 网络扩展性

　　CR-LDP提供了一种简单，可硬件实现的ER-LSP建立与控制的方法，在网络中可以同时处理的ER-LSP数量大大增加，CR-LDP计算密集度也不高，因此其扩展性可以比现有网络技术的扩展性大大改进。RSVP的一个众所周知的缺点是该协议采用软状态刷新机制，这使得它同时建立和维护的LSP数不可能很多，同时RSVP的刷新操作还给网络带来大量负荷，另一方面采用软状态控制的RSVP也要使用更多的存储器和CPU资源。相反，CR-LDP不需要LSR更新每条LSP的状态，因为它使用TCP来传输控制消息，它提供可靠的消息传递。因此也不会增加额外的带宽消耗。为维持邻居节点之间的连接，CR-LDP使用HELLO消息来检查邻居节点的生存性，使用KEEPALIVE消息来监控TCP连接。

● 多点到点

　　多点到点LSP允许LSP在中间LSR上合并，减少了系统中所需的标签数目并且可以共享下游资源。CR-LDP和RSVP都支持多点到点LSP。点到多点(多播)IP业务还没有被现有的MPLS解决，两种协议都不支持。但是RSVP原来设计时考虑到了为IP多播树预留资源，因此它可能更易于扩展为支持多播。

　　GMPLS对两种协议都做了扩展，以满足流量工程的要求，但是并没有做出选择，具体采用那种信令协议则由运营商决定，通过以上的分析，我们认为CR-LDP在以下几个方面具有一定的优势：对于对等层恢复，会话建立和维护，标签分配和差错处理，CR-LDP 都使用相同的消息机制；在可靠的TCP传送层上运行，若发生故障，网络调用简单的差错指示程序，并由用于快速响应和恢复的传送层来保护；CR-LDP提供支持映射到差分服务的机制，即业务提供者可以将差分服务映射到CR-LDP的业务量参数TLV中。CR-LDP将区分业务方式的IP QoS集成于网络之中，允许为不同业务指定不同的流量参数，从而可以在每一个节点对不同业务数据作不同的处理。这种强大的功能和灵活的 QoS支持可以在网络的边缘节点实现。除了上述两种主要信令协议之外，还有CIENA提出的基于PNNI/Q.2931的信令协议和正在为光网络保护与恢复制定所需的特殊协议-轻量信令协议（lightweight signal protocol）。

3 CIENA公司提出的基于PNNI/Q.2931的OSRP协议及其贡献

　　CIENA公司是G.ASON的主要贡献者之一，与BT提出了ITU-T ASON的第一个信令草案即G.7713.1,该草案提出了基于PNNI分布式呼叫和连接管理的建议，提供了基于PNNI／Q.2931分布式呼叫和控制DCM协议规范，并支持软永久连接(SPC)和交换连接(SC)。而CIENA智能光网络OSRP（光信令路由协议）就是基于PNNI/Q.2931，这是一个成熟的、经过商用化验证的信令路由协议。私有网络间接口PNNI起源于传统的电信支撑网（SS7：7号信令网，它使用Q.931信令协议，而此后的Q.2931信令协议又建立在Q.931的基础上），这些协议90年代后期已开始被广泛使用，被人们广泛地理解。由于ATM论坛推出的PNNI 1.0信令建议的成熟稳定性，再加上经简单的改进，即可应用于电路交换型智能光网络，使其成为目前实际应用中最为成功的智能光网络信令。G.7713.1信令协议草案仅对PNNI 1.0和Q.2931作了很小的改动就能很好的应用到ASON的DCM中去，即一个新的连接标志符信息元素（Connection Identifier Information Element(IE)）格式被定义用来支持ASON中DCM所涉及到的新的连接类型，如SNP,SNPP,LC等概念。同时新的流量描述符信息元素（Traffic Descriptors IE）格式被定义适合用于ASON中流量的描述。基于G.7713.1光信令协议（PNNI/Q.2931）电路交换型光路径建立和拆除的DCM信令流过程如图3所示。G.7713.1信令流程必须是基于ATM信令协议PNNI标准，同时扩展应用到智能光网络中。Call Setup消息在源和目的之间预先计算好的路由上传送，而connect消息沿相同的路径从目的地返回。连接拆除的过程与建立过程相似。但必须注意：Notify消息用于对连接建立的确认，并且在拆除连接前发送预拆除连接通知（pre-release notification）为删除连接作好准备。

图3 基于G.7713.1光信令协议（PNNI/Q.2931）电路交换型光路径建立和拆除的DCM信令流过程

　　同基于PNNI 的信令协议一样基于ATM PNNI 的路由协议也是智能光网络路由协议的理想选择之一并已得到实际应用，基于ATM PNNI 的光路由协议具有如下特点：

　　支持多层路由体系

　　支持链路状态路由机制

　　支持源路由机制

　　链路状态属性包括保护方式，最大带宽及可利用带宽，管理加权值Administrative Weight，最大传输时延，　　共享风险链路组Shared Risk Link Group 等等然而OSRP和GMPLS可以共存于同一个网络中如图4所示，OSRP和GMPLS都支持相同性质点到点的子网域。每个域通过O-UNI连接到用户驻地网，而不同子网或域之间用O-NNI相连，目前OIF正致力于O-NNI方面的研究工作。

图4 两种协议共存于同一网络中

　　CIENA是IETF/GMPLS领域的主要贡献者，已先后主持及参与起草了16个有关GMPLS信令、路由及网状保护等方面的协议草案。CIENA也是OIF的主要创立者之一，是制定O-UNI协议的主席成员。CIENA是倡导智能光网络最早的公司，早在1999年10月，CIENA就提出了光信令、光路由及拓扑发现的概念，为OIF的Optical-UNI, Optical-NNI制定了大量的技术标准。O-UNI Version 1.0协议制定时，就大量借鉴了CIENA OSRP的功能。目前，CIENA正在致力于O-UNI Version 2.0及O-NNI标准的制定。

4 结束语

　　网络业务量的爆炸性增长，各种新业务的不断涌现，迫切需求一个灵活、可靠、可扩展的智能光网络的出现。控制层是智能全光网的核心层，是实现多层、多协议和多业务的关键。控制平面要进一步研究更加有效的保护/恢复机制，提高光网络资源利用率，扩大流量工程的应用。智能光网络控制平面最终采用哪种信令协议还有待进一步的研究，完善，验证。

参考文献

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[2]. E. Mannie et al., “Generalized Multi-Protocol Label Switching Architecture,” IETF draft, work in progress, June 2001.

[3]. Peter Ashwood-Smith, Lou Berger etc. “Generalized MPLS Signaling - CR-LDP Extensions”. IETF draft, work in progress, August 2002

[4]. 张志群，张春红，饶超等.MPLS宽带技术讲座：CR-LDP信令协议与RSVP扩展协议，中国数据通信，2001.5，59~66

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