GMPLS流量工程的一种仿真试验

中坚分子

　　摘要　GMPLS流量工程是实现GMPLS的功能结构的一个重要组成部分。本文基于MPLS流量工程及约束路由算法，将之扩展到光层，结合GMPLS的特点，设计了一种新的CSPF约束路由算法用于GMPLS流量工程。最后对其仿真并验证了其可行性。


　　关键词　gmpls，流量工程，光网


　　O、引言


　　传统的IP网络简单灵活，极具智能性。现有的光纤骨干网采用WDM技术，能提供巨大的带宽容量，但几乎不具备智能性，且没有形成真正的网络拓朴结构。下一代网络发展趋势则是将这两种不同的网络结构的无缝融合，充分利用光纤网络的带宽和IP组网的智能性，真正实现适合于数据业务传输的智能化光纤传送网络，其典型特征是由目前的统计业务波长光通道向更加动态的分组/标签交换发展，引入动态和自动化程度更高的网络配置方式，以满足数据/互联网的无法预测的动态特性。目前这方面的研究着重在IP业务和未来光网络间的互相协调机制，称作“IP光网络”或“智能光网”。


　　业界认为，光网络最终将发展成为IP over DWDM with GMPLS的协议结构。通用多协议标签交换(General Multiple Protocol Switch-GMPLS)是MPLS向光网络扩展的必然产物。


　　GMPLS是正在标准化的公共控制平台协议，基于这种背景，本文探讨和研究对GMPLS技术及基于GMPLS流量工程的设计方案。


　　1、从MPLS到通用多协议标签交换技术GMPLS


　　多协议标签交换技术MPLS可利用诸如流量工程(Traffic Engineering)等先进的技术全面优化IP网络资源。同时，MPLS也试图在尽力而为(best effort)的IP网络中引入QoS机制。


　　随着全球数据业务的大规模发展，未来光传输网络将主要承载数据业务，而非传统的语音业务，QoS和流量工程等概念开始被引入到新一代的光网络设计中。人们开始考虑把MPLS的核心思想——统一的信令控制机制已取得的成果应用到“智能光网”中。


　　在现有的光网络中，光缆中的光纤端口、光缆中的光纤、光纤中的波长、波长中的时隙等都可以作为标签在光网络中作为资源发布和交换，从而，在MPLS的基础上推出了通用多协议标签交换体系结构GMPLS。GMPLS中除了支持分组交换，还支持时隙交换、波长和光纤交换等，相应的定义了以下几种类型的接口：数据分组交换接口(PSC)、时分复用接口(TDM)、波长交换接口(LSC)、光纤交换接口(FSC)。


　　GMPLS建立一个统一的控制平面，最终实现网络在多个层面上(业务层，传输层等)灵活的协议转换和业务路由，也可以说网络具有了智能化，通过它可将IP等各种业务无缝地接入到具有巨大带宽的光纤网络上来，是构建未来新型网络的有效方法。


　　GMPLS的控制平面包括三项基本功能：资源发现、路由控制和连接管理。


　　·资源发现——提供一种机制追踪可用系统资源如端口、带宽、复用能力等；


　　·路由控制——提供路由、拓补发现、流量工程功能；


　　·连接管理——利用以上功能为各种不同业务提供端到端连接。连接管理包括连接建立、连接撤消、连接调整和连接询问。除了上述的基本功能，控制平台也提供连接恢复从而增加网络的等级保护功能。





图1　GMPLS网络典型结构



　　GMPLS是智能光网络中的关键协议，它适应智能光网络动态控制和传送信令的要求，是对MPLS的扩展和更新。GMPLS支持多种类型的交换单元，除了支持数据分组交换接口(PSC)，还支持时分复用(TDM)、波长交换(LSC)和光纤交换等接口(FSC)，适用于在网络边缘的不同业务接入，并对业务进行整合，将较小粒度的业务整合成较大粒度的业务。按每个接口所使用的技术命名不同的电路，如SDH的时隙交换电路、光踪迹交换、光通路交换等。在GMPLS中，所有这些交换电路都使用相同的名字，即标签交换通路(LSP)。以充分利用WDM光网络资源，满足未来新业务的开展(如VPN、光波长租用等)，实现光网络的智能化。


　　GMPLS在以下几方面拓展和更新了传统的MPLS机制：


　　·跨越PSC接口的LSP的建立在原有的MPLS或MPLS-TE控制平面中已有明确定义，GMPLS扩展这些控制平面以支持以上介绍的四种等级的交换接口(即层次)，适合于完全独立的对每一层次进行控制，有利于将来其它组网模型的开发。GMPLS控制平面由多个构建模块组成，这些构建模块是对MPLS经扩展和修改后的信令和路由协议，它们可以使用IPv4或IPv6。相对于以往的MPLS增加了一个新的特定协议，即链路管理信令协议(LMP)。


　　·GMPLS是真正的基于MPLS的流量工程(TE)扩展，这是因为大部分能够使用于底层PSC的技术都要求一些流量工程，这些层次LSP的配置一般需要考虑一些约束(如带宽、保护能力等)并旁路最短路径优先算法(SPF)。扩展传统的路由协议和算法需要统一的编码和传递TE链路信息，而光网络的信令要求使用显式路由(如源路由)。另外，针对光网络的信令要求能够传输所需要的LSP参数，如带宽、信号的类型、所希望的保护、特定复用的位置等。许多协议扩展已为PSC(IP)定义了MPLS流量工程，GMPLS增加了额外对于TDM、LSC和FSC流量工程支持的功能扩展。


　　·GMPLS扩展了定义于MPLS-TE信令中的信令协议，即RSVP-TE和CR-LDP，不过并没有规定使用哪一协议，而由厂商和运营商根据其自身的条件决定。标签分配策略没有限制，可以为请求驱动、业务/数据驱动或拓扑驱动。在路由选择中，显式路由在使用上没有限制，正常采用显式路由(严格或松散)，但逐跳路由也同样可以使用。GMPLS进一步扩展两个传统的已为TE扩展的域内路由协议，即0SPF-TE和IS-IS-TE。但是如果使用显式路由，这些协议所使用的路由算法则不再需要进行标准化，因为它们此时只是用于显式路由的计算，从而不再使用逐跳路由。对域间路由，还在进一步的研究。


　　·DWDM等技术的使用意味着能够在两个直接相邻的节点间拥有大数目的平行链路(上百的波长数，如果使用多条光纤甚至上千的波长数)。对如此众多的链路进行手工配置和控制是完全不可行的，为此在GMPLS中引入了链路捆绑的概念。链路管理协议(LMP)就是针对这个问题提出的，用于链路提供和故障隔离，同时它还可以用于GMPLS之外的信令协议中。LMP的一个独有的特性是它可以隔离透明和非透明网络的故障，独立于数据所使用的编码方案。LMP可用于验证节点间的连接，并隔离网络中的链路、光纤或信道故障。GMPLS信令和路由协议要求至少具有一个双向控制信道以进行通信，甚至在两个相邻节点以单向链路相连时也可使用多个控制信道。LMP可用于建立、维护和管理这些控制信道。





图2　GMPLS协议组成



　　2、GMPLS中的流量工程


　　GMPLS流量工程最核心的实现方法是利用约束路由计算显式路径，利用显式路径方式建立标签交换路径(LSP)、利用标签交换路径进行流量分配。采用GMPLS来支持流量工程，有以下方面的优点：支持显式路径，不受按目的地址转发方法的限制，显式标签交换路径可以采用手工管理配置完成或利用有关协议自动完成。


　　2.1　GMPLS流量工程机制


　　概括地说，GMPLS的流量工程机制就是采用约束显式路由(CR，Constraint-based Routing)技术来实现路径选择、负载均衡、自愈恢复、路径优先级等机制。


　　·路径选择


　　在GMPLS网络中可根据网络资源合理地引导业务流向，避免网络业务流向己经拥塞的节点，从而实现网络资源的合理利用。


　　GMPLS采用显式路由的方式为业务流选择一条从源到目的地的路径，网络中的核心节点不需要再选择路由，仅需根据支持流量工程的信令协议(如CR-LDP)中携带的路由信息将信令信息转发到下一节点。这种显式路由的选择是在入口节点上完成的，具体实现可以由网络管理员手工配置或通过源路由协议实现。


　　·负载均衡


　　GMPLS可以使用两条和多条LSP来承载同一个方向的数据业务流，合理地将用户业务流分摊在这些LSP之间。


　　·路径优先级


　　在网络资源匾乏时，应保证优先级高的业务优先使用网络资源。GMPLS通过设置LSP的建立优先级和保持优先级来实现的。每条LSP有n个建立优先级和m个保持优先级。建立优先级高的LSP先建立．而且当网络资源缺乏，即发生网络拥塞时，该LSP的建立优先级又高于另外一条己经建立的LSP的保持优先级，那么它可以将己经建立的那条LSP断开，抢占其网络资源。


　　·自愈恢复


　　自愈恢复是GMPLS流量工程的一种重要应用特性，是指在网络发生故障时的及时故障切换，以保障网络应用不受影响。


　　实现GMPLS自愈恢复包括几种方式：


　　链路或节点保护。这种方式与SONET/SDH的保护是类似的，它采用的是快速重路由技术(Fast Reroute)。在这种情况下，为每个链路和节点提供单独的迂回路由进行保护，在建立标签交换路径时，每个节点负责为每条链路或节点计算保护路径，一旦某个链路或节点发生故障，立即由其直接上游节点检测到，然后在该路由器上把流量立即切换到迂回路径。这种方法的优点是切换速度快，但缺点是需要很多备份资源，节点需要维护的状态也比较多。


　　路径保护。基本上有两种方式：路由重新计算和备份路径恢复。


　　路由重新计算是指在标签交换路径发生故障后，通知该路径的入口节点，该节点再利用约束路由自动重新计算新的路由，并重新建立一条标签交换路径。由于有计算和重新建立过程，在实际网络中的恢复时问量级通常和路由恢复量级相当。主要优点是，无需手工安排额外的路径，直接与网络相适应；缺点在于恢复时间比较长。


　　备份路径恢复是指在建立标签交换路径时，指定其备份路径，在主路径发生故障，通知入口节点把流量切换到备份路径。主要优点是，恢复时间比较快，主要缺点是需要占用额外的资源。影响自愈恢复保护性能是节点负荷和需要入口节点同时切换的标签交换路径数量。


　　2.2　GMPLS流量工程结构


　　GMPLS流量工程结构包括两个基本组成部分：路径管理单元和控制单元。控制单元在MPLS LSR中是执行具体的数据转发操作的部分，而在OXC中是对物理资源进行标签映射的部分。路径选择单元是流量工程结构中最为关键的部分，不对数据进行具体的处理，但它同其它对等体协同工作，建立和维护控制信息。路径管理单元包括了约束路由机制和信令机制(单元)两个部分，约束路由机制又包括信息发布单元和路径选择单元。各组件互相配合、协同工作，它们之间的工作流程如图3之所示。





图3　GMPLS节点流量工程结构



　　·信息发布单元


　　为了实现约束路由的计算，IETF对两个常用的IGP(内部网关协议)OSPF进行扩展，使之能够承载除了可到达性信息和管理代价以外的附加链路信息，如最大链路带宽、最小链接带宽、最大预留带宽。可用带宽(Available Bandwidth)、时延(Delay)、时延抖动(Delay-Jitter)、丢包率(LOSS Probability)、链路资源等级(Resource Class)或称着色(Color)。这些信息被编码为类型—长度—值(TLV，Type—Length—Value)结构。


　　每个LSR通过流量工程数据库(TED)对IGP扩展协议发布的网络链接状态特性和拓扑信息进行管理。TED专门用于计算LSP的物理路径，是独立于IGP链接状态数据库(Link State Database)的。


　　·路径选择单元


　　在网络链接特性和拓扑信息通过IGP扩散并存储到TED中去之后，就需一路径选择算法负责计算通往目的地的整条路径。入口LSR基于TED信息和用户预定的约束条件，使用约束最短路径优先(CSPF)算法计算出属于它穿过路由域的一条LSP物理路径。CSPF是一种改进的最短路径优先算法，即：在计算通过网络的最短路径时充分考虑其特定约束条件(如带宽需求、最大跳转数、管理策略需求等)的算法，图4是基于约束路由的控制单元工作流程图。CSPF计算的输出结果显示的是一条表示精确(strict)或松散的(loos)约束路由，该约束路由包含一组通过网络的最短路径并满足约束条件的LSR地址，并随即传递给信令控制机制启动LSP建立过程。因入口LSR的TED内关于网络状态的信息总是过期的，CSPF基于TED算出的LSP只是在理论上可以接受，只有当LSP被信令真正建立，才能确认该条LSP是否可实际工作。





图4　基于约束路由的控制单元工作流程图



　　图4中各个步骤分别是：


　　1A.存储IGP扩散信息


　　1B.存储流量工程信息


　　2.检查用户定义的约束条件


　　3.检查系统的约束条件


　　4.CSPF计算LSP的物理路径


　　5.将LSP表示成约束显示路由


　　6.将约束路由交给OR-LDP进行信令


　　2.3　约束路由


　　2.3.1　CSPF约束路由


　　SPF即最短路径优先(Shortest Path First)，是一种广泛用于网络路由计算的算法。它支持多种度量方法，如物理距离，时延等。而且SPF具有动态特性，这就使它能够自动快速适应网络的变化，因此，在各种网络和各网络层次中，SPF算法广泛用于根据网络拓朴进行选路。


　　CSPF约束最短路径优先算法(Constraint-based SPF)是一种路由算法，并不是路由协议，不同的服务应具有不一样的约束条件。CSPF主要用于两个方面，流量工程和快速重路由。这对于频繁变化和动态物理量约束严重的网络则更能体现其优越性。


　　在GMPLS中进行CSPF路由计算，选择一条最佳路径。其中参数可以是IETE定义的，也可以是用户自定义的，这给协议的设计和实现带来很大的灵活性。另外，GMPLS中标签可以是物理资源，在寻找路由时物理资源可能会带来更多的约束，这是与传统IP层的路由不一样的方面。


　　网络中各节点利用OSPF-TE中标准的OSPF洪泛机制来交换网络拓扑、资源可用性及其它策略方面的信息，从而使网络中的所有节点保持数据统一，CSPF根据这些数据信息进行显式路由计算。


　　此外，CSPF能够支持多种QOS约束。由于每个节点都维护着链路状态数据库LSD(Link State Database)而且会随着QOS信息动态变化，如链路带宽，时延等，这样就可以把每种情况定义为一种QOS约束并尽量使之最优化。不过需要注意的是通常不是所有的约束条件都能同时最优化。


　　2.3.2　0SPF-TE


　　OSPF协议提供了高度开放的协议，允许基于TCP/IP协议族的多种网络互相通信，OSPF的一些突出的优点包括：路由的快速收敛、支持VLSM验证、可以提供层次化的拓扑结构、以及在大型复杂的网络中所需要的路由汇总聚合等方面。OSPF(开放的最短路径优先)在SPF基础上进行优化，提高了其反映速度。


　　为了向流量工程和GMPLS提供网络拓扑和负载方面的信息，使之可以适用于光网络环境，而对OSPF进行了扩展。一种新的LSA即Opaque LSA被加入了OSPF中，它用来携带参数。这些TE参数用于构建TED(流量工程数据库)，而CSPF则根据TED中的信息计算明晰路径，用于建立LSP并为之预留带宽，参见图5。


　　Opaque LSA头为标准的OSPF LSA头，其后所携带的信息为扩展的特定信息。Opaque LSA利用标准的OSPF洪泛机制宣告给网络中的各节点。Opaque LSA的链路状态ID被划分为两部分：Opaque类型(前8bit)和特定类型ID(剩余24bit)。Opaque LSA的负载信息由一个或多个嵌套的可扩展的TLV分组构成。





图5　OSPF-TE LSA(Opaque LSA)



　　Opaque LSA负载最上级TLV包括两类：


　　(1)路由器地址(Router Address)Router Address TLV定义了宣告路由器的稳定的IP地址，通常设置为一环回地址，以保证路由器任一接口DOWN掉以后该地址仍然稳定有效。


　　(2)链路(Link)


　　Link TLV用来描述一条链路，在每个Opaque LSA中只能有一个Link TLV存在，以保证拓扑的变化粒度。在Link TLV中又包含以下一些诸如流量工程度量值、最大带宽、最大可预留带宽等下一级的子TLV(Sub TLV)，分别对应某TE参数：


　　另外，光网络为满足GMPLS中流量工程的要求，又增加了4种Sub-TLV(链路本地/远端ID、链路保护类型、接口交换能力、共享风险链路组)到Link-TLV中。


　　OSPF-TE允许Opaque LSA携带特定的链路资源信息，这些信息便构成了流量工程数据库(TED，Traffic Engineering Database)，传统的链路状态数据库和流量工程数据库使用CSPF计算最优的端到端路径，网络系统通过信令建立起满足需求的LSP。与链路状态数据库相似，同一区域中的所有节点维护着一致的流量工程数据库。本设计中的流量工程数据库的存储结构为一链表，每一链表节点和网络拓扑中的一节点相对应，包含了该节点之上所有的TE-Link信息，各个节点将信息宣告给相邻节点。这样所有节点最终会拥有相同的拓扑信息和链路信息，CSPF通过与OSPF-TE的接口查询这些信息，用以计算显式路由。


　　2.3.3　CSPF的实现方案


　　CSPF是经过修改的Dijkstra算法，其输入包括路径性能的约束、资源可用性、光参数和拓扑信息，输出是用于GMPLS流量工程的显式路由。需要注意的是没有标准的CSPF的算法及实现，必须与实际网络状况相结合。Dijkstra算法构造以源节点为根的最短路径树，此过程中CSPF对最短路径树进行剪裁，去掉不满足约束的链路。


　　在我们的设计中，使用了LMP链路管理协议，对TE链路属性和其他要求，如光方面及用户定义应给予约束，从而根据这些约束条件计算最佳路由。


　　入口节点的操作：


　　·通过IGP的获得信息


　　·存储TE信息


　　·查看光约束


　　·检查用户自定义的约束


　　·计算LSP的物理路径


　　·将得到的路径描述为显式路由，以此创建新的ERO


　　·把ERO传给CR-LDP进行信令


　　扩展的IGP包括：


　　·最大可预留带宽


　　·可预留带宽


　　·链路管理组


　　TED包括：


　　·最新的网络拓扑信息


　　·链路当前可预留带宽


　　·链路管理组


　　用户定义的约束条件包括：


　　·带宽需求


　　·管理组


　　·优先级


　　·显式路由(严格的或宽松的)


　　·预留过多


　　·各类别的强占优先权


　　光约束包括：


　　·跳数限制


　　·能量限制


　　2.3.4　实现CSPF方案的简化模型


　　为简化问题，我们提出了一种基于先确定路径、分布式的简化模型，其故障恢复的重路由利用CSPF算法，具体如下：


　　·假定网络节点没有波长转换能力，这就要求物理路径必须满足波长连续性。也就是意味着一条光路上所有的链路都承载在相同的波长上。而且由于波长的选择也是一个尚待研究的极为复杂的问题，在我们的算法中，仅考虑逻辑拓扑之上的路由问题。


　　引入的约束包括：


　　·跳数；


　　·保护恢复路径与工作路径的链路不相交(Link-disjointed)，且两者链路的SRLG也应不同；


　　·另外，考虑负载平衡引入参数α(0＜α＜1＝作为QOS位，其大小取决于不同服务中的不同等级：高级服务、保证服务和最大服务，其等级由高到低。对于这三种等级可设定其α值为从1到0.8。


　　相对约束条件，还引入了一些措施：


　　——在跳数限制中，为网络拓扑中的每个节点设定一较大的权值，且将每一点的权值加到其附属的链路中去。通过这种方式，会有更少跳数的路径被优先选择；


　　——节点的链路具有不同的SRLG，在初始化以后就将其从拓扑图中剪裁掉；


　　——为了考虑负载平衡，我们对链路的权值做了改进，对那些具有更多闲量剩余带宽的链路，将其权值乘以一个值β，β的取值和链路剩余带宽成反比。这样，算法就会优先选择那些有更多剩余带宽的链路。


　　此算法概述如下：


　　(1)进行路由查找，按照QOS参数α从高到低更新每个波长上面的剩余链路带宽。


　　(2)输入每条链路的代价度量并且根据约束对其进行修改


　　(3)计算找到保护/恢复的最佳路径(执行Dijkstra算法)


　　首先，用现存的网络拓扑发现每条链路的剩余带宽，这就需要一种新的逻辑拓扑，从TED中获取每条链路的TE参数，包括带宽信息。如某条链路的剩余带宽不满足α*f(k)，即带有QOS的带宽需求，就将其从拓扑中去掉。


　　然后，判断数据中的链路与工作路由的链路是否有相同的链路信息，如相同即将其剪去。接着输入拓扑中剩余链路的权值，并考虑流量均衡和跳数等约束对其进行修改。


　　最后，利用Dijkstra算法计算最佳路径。


　　3、仿真试验


　　我们对此进行了仿真实验，仿真平台是GLASS(GMPLS Lighwave Agile Switching Simulator)，该软件是专用的GMPLS网络仿真软件。仿真的内容是基于流量工程的光网络的保护和恢复。在此过程中我们创建了由19个OXC构成的光网络拓扑图，每个OXC上运行GMPLS控制信令，如图6所示，图中相连的OXC间为一对光纤，蓝点表示从节点2到节点18的数据流。路由采用OSPF-TE结合CSPF，信令采用CR-LDP，链路管理采用LMP。除12-15链路的初始带宽设为7，其他链路的初始带宽均设为5，数据流占用带宽为3。


　　系统刚开始运行时，利用CSPF路由进行路径选择，得到一条经过2、3、5、15、14、18的路径。然后我们还模拟设定了在5-15和6-14间产生的四次故障，当故障发生的时候，系统就会重新计算路由，将数据流引导到合适的路径上。在上面的第四次故障发生后，当系统处于稳定状态时，我们另外触发从节点8到17的数据流。





图6　构建的网络拓扑



　　仿真结果如下：


　　·当5-15间的链路出现故障时，重新计算路由，数据流绕过该链路，改走5、6、14、18的路径，如图7所示：





图7　节点5-15间链路出现故障



　　·当5-15间的链路故障恢复时，只要带宽足够，并不会路由改变，数据流仍然沿着5、6、14、18的路径，如图8所示。





图8　节点5-15间链路故障恢复



　　·当6-14间的链路出现故障时，重新计算路由，数据流绕过该链路，改走5、15、14、18的路径，如图9所示。





图9　节点6-14间链路出现故障



　　·当6-14、5-15间链路都出现故障时，重新计算路由，数据流绕过这些链路，改走5、7、12、15、14、18的路径，如图10所示。





图10　节点6-14、5-15间链路都出现故障



　　·触发起始节点为8，目的节点为17的数据流，由于链路7-12已被起始节点为2，目的节点为18的数据流占用，剩余带宽为2，不够承载新的数据流，这样根据带宽约束条件，计算出不经过链路7-12的路径：8、10、11、12、15、16、17，如图11所示。





图11



　　仿真结果表明，设计方案是可行和有效的，在综合考虑链路物理状态和带宽等多种约束条件后，网络系统间可迅速、有效地交互、更新链路和拓扑信息，重路由选择时的计算量可以成指数下降，从而可以缩短从故障发生到数据流的重路由间的时间，对于网络的保护和恢复的效率有很重要的意义。


　　4、结论


　　根据MPLS中的流量工程，我们将之扩展到光层，可以利用它进行光路径上的流量分配。与此相适应，考虑到光网络的特点，我们设计了一种新的CSPF约束路由算法用于GMPLS的流量工程。最后根据我们对其进行了仿真，验证了其可行性。由于本课题的前沿性和时间的仓促，本文还有很多不足之处，还有待将来作出进一步的研究，例如在约束路由中对波长选择的考虑等，还需要进一步的论证和实践。