GMPLS链路的保护与恢复

2019-11-03 19:17:37

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供稿：网友

蒋长林解放军理工大学通信工程学院

　　近年来，随着互联网的快速发展以及虚拟专网（VPN）的广泛应用，数据业务量迅猛增加。90年代中期之前，语音业务量是网络的主要业务量，而到上个世纪末，数据业务量就已超过了语音。于是，网络用户对降低网络费用的同时传送更多业务量的要求也与日剧增。目前大多数网络采用四层结构：运载应用和服务的ip层、实施流量工程的ATM层、负责传输的SONET/SDH层以及扩大网络容量的DWDM层。这种多层结构存在着层与层之间功能重叠的问题。例如，IP层、ATM层和SONET层都提供可靠性保障；另外，这些层又都具有复用机制。而且，这种四层结构受到“最小公分母效应”（The Lowest Common Denominator Effect）的影响，从而限制网络的扩展性，增加整个网络的运维成本。因此要求服务提供商采用新技术对现有网络结构进行改造，压缩网络层，消除功能重叠，保证以最小的费用承载最大的业务量。

　　GMPLS的提出

　　多协议标签交换（MPLS，Multi-PRotocol Label Switching）是IETF于1997年制定的技术。其中，受限路由技术可以实现流量工程和快速重新选路，因此通过适当的网络设计，便可以利用MPLS来取代现有网络中的ATM层和SONET/SDH层。由此可见，利用MPLS控制平台提供的流量工程和快速重新选路允许未来网络绕过ATM层和SONET层，从而构造传输范围更大、流量更多、结构更简单、耗费更低的网络。

　　随着光网技术的发展和MPLS技术的逐步成熟，在网络带宽、服务质量（QoS）、可扩展性以及对新业务适应性方面对现有的Internet路由技术提出了极大的挑战。IP技术如何与光网结合，如何赋予光网一定的智能以及如何提供有保障的QoS服务等问题已经摆在了业界面前。GMPLS技术正是MPLS向光网进军的必然产物，它使MPLS的功能不仅仅可用于路由器，而且也适用于如SONET、OXC等设备。GMPLS提供了一个标准化的通用控制平台，它是开发开放型共用全光网所必不可少的。

　　为了适应交换机的特点，GMPLS对MPLS的路由和信令协议做了一些修改和扩充，主要有以下几点：

　　（1）定义了新的链路管理协议（LMP，Link Management Protocol），用来解决光网中光交换机带来的链路管理问题。

　　（2）对OSPF/IS-IS协议做了改进，主要针对光网络中光资源的可利用性。另外对标签交换路径（LSP，Label Switching Path）的层次信息、链路关联和无编号链路作了扩展。

　　（3）对支持流量工程的资源预留协议/限制路由的标签分配协议（RSVP/CR-LDP）做了修改，以便允许LSP在光核心网中显示确定。

　　本文主要介绍为支持GMPLS而采用的链路保护和链路恢复机制。

　　GMPLS链路保护/恢复

　　GMPLS对MPLS所做的改进主要是为了使标签交换路由器LSR和光交换机以及LSP和光通道之间能协同工作。为了增强GMPLS技术对链路的管理能力，GMPLS专门为此定义了链路管理协议LMP。LMP主要为节点提供四种功能：控制信道管理、链路连通性验证、链路所有权关联和链路故障管理。

　　从全网管理角度看，链路故障管理是非常重要的环节。概括来说，链路故障管理包括四个主要步骤：检测、定位、通告和消除。故障检测应在接近出错的业务层上进行，但由于全光设备对速率和格式都是透明的，传统的O-E-O故障检测方法就不适用了。因此，GMPLS必须提供光层的故障检测机制。例如可通过监测LOL（Loss of Light）确定光信号的消失，通过监测光信噪比、干扰等来确定光信号质量的下降。一旦检测到故障，相邻两个节点通过在与数据通道隔离的控制通道上传送LMP Channel Fail报文来定位故障。通过数据通道与控制通道之间的隔离，只需采用单独的信令机制即可进行故障定位，而不必考虑数据的编码机制。

　　一旦故障被检测、定位和通告后，就可以采用合适的信令协议进行链路的保护（Protection）和恢复（Restora-tion）了。链路保护和链路恢复的区别主要在于：链路保护要求预先分配资源 (典型的是要求100%的资源冗余)，并且能够快速将故障隔离，将故障链路上传送的数据切换到正常链路上(小于几百个毫秒)。而链路恢复则依赖于资源的动态创建，需用更多的时间来隔离故障。另外链路恢复还包括动态路由算法，但在备份路由没有预先计算或者预先计算的资源不再可用的情况下，这种动态路由算法的开销是较大的。链路保护和链路恢复一般用两种技术来实现：路径切换 (Path Switching) 和线路切换 (Line Switching)。在路径切换中，故障是由LSP端点负责隔离；而在线路切换中，由发现故障的中间传输节点负责故障隔离。

　　链路保护

　　如前所述，链路保护需要预先分配资源。它虽然能够快速排除故障，但由于需要预先分配资源，使得网络带宽利用率降低。根据操作方式的不同，可以分为两类：分段保护（Span Protection）和路径保护（Path Protection）。分段保护是在发生故障链路的相邻两个节点间进行的；路径保护则是在发生故障的LSP的端点执行。按照其预先分配资源方式的不同，又可以分为以下两类：1+1链路保护和M:N链路保护。1+1链路保护是指为每条主通道配置一条备份通道，发生故障时，由下游节点完成从主通道到备份通道的切换；M:N链路保护是指为N条主通道预先分配M条备份通道，平常备份通道不传输数据，只有在发生故障时，才选择一条备份通道来传输数据。

　　链路恢复

　　链路恢复能够在有效利用网络带宽的情况下排除故障。与链路保护预先分配资源不同，它需要动态路由算法以及带宽分配，故相对于链路保护，其排除故障的时间较长。和上述的链路保护类似，链路恢复既可以在LSP的中间节点执行，也可以在LSP的端点执行。在LSP的中间节点执行的恢复叫线路恢复（Line Restoration），在LSP的端点执行的恢复叫路径恢复（Path Restoration）。

　　线路恢复对于排除跳数较多、距离较远的LSP中出现的故障是很有效的。因为线路恢复只需对LSP中出现故障的那一小段线路重选路，这样就明显减少了对LSP进行重选路由所需的时间。至于路径恢复则是对整个LSP的重新选路，不过通过某些优化措施可以加速恢复过程。

图1为链路恢复的示意图

　　发展前景

　　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关键的一步，实现了IP层和光层之间的无缝结合。GMPLS技术也代表了未来网络简化层次和广泛融合的趋势，同时也是IP化向光传输领域的真正迈进。在光网络中引入GMPLS技术，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化，从而保证光网络以最佳的性能和最低的费用来支持当前和未来的各种业务。GMPLS提供灵活的链路保护和链路恢复能力可以有效地解决网络的生存能力，为提供新型服务奠定了基础。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、更强大的全光网络。

----《通讯世界》