多协议波长交换（MPLS）的原理与发展

引言

考虑到光子交换机能够在以数据为中心的网络中扮演重要的作用，一些主要的路由器供应商和光设备的厂商正在协调将多协议标记交换（MPLS）的控制平面同光子交换的点-击预置能力结合在一起。随之而生的多协议波长交换（MPλS）协议将使得业务层的设备通过使用已经存在的控制平面技术能够动态地从传输层请求带宽服务。除了简单的通告和通过网络光通道的建立外，MPλS还包括网络的性能信息。处于光子网络边缘的业务设备将会使用这些信息去动态地管理光层的可利用波长。

光子网络

光子交换将极大地改变我们建立和使用光传送网络的方式。承载业务的光束将会透明地交换，与比特率、波长和编码方式无关。不象最新一代的光-电-光（OEO）交换机，光子交换机交换光子而不是电子。独特的性能有效地消除了由OEO交换机所不能支持新的编码方案和大量用户的高比特率而出现的"瓶颈"现象。即使业务流从SDH到以太网改变编码方式，或者业务流从155Mb/s到10Gb/s或更高的提高码流，同样的光子交换机能够继续提供给用户透明的服务。

光子网络的发展将会是逐步地进行。当前的网络在点到点地跨越多个中间光电转换阶段的单个波长上携带数字业务流。未来的光子网络将完全在光域复用和路由波长，使用波长而不是时隙作为基本的传送单元。

在未来的网络中，一个最佳类型的光解决方案可能要求在不同种类的光环境中综合下一代和过去的设备。各种各样的光网元将会使用一种共同的标准控制平面来通信。除了消除专有厂商"配置的孤岛"效应外，这种公共的控制平面通过利用一套语义学来使得在每一产品类型中单独的改善性能和更快的端到端业务配置成为可能。而且，在传送层和业务管理层使用唾手可得的IP管理工具和单个的控制平面将会极大地简化网络管理。

现有的多层网络

当前SDH传送网络的体系结构为语音业务和线路租赁提供了一个可保证的性能和可靠性。但是自1995年以来，我们已经目睹了主要由于因特网的爆炸式发展而推动的数据业务流惊人的增长。去年，网络承载的数据业务量超过了话务量。数据业务将继续在未来几年内超过语音业务。其要求增加传送网容量的结果导致了DWDM系统的配置应用，它也极大地提高了单根光纤的带宽容量，有效地建立了"虚拟光纤"。

然而，利用DWDM系统提供的原始带宽来支持几吉比特业务已经证实了在当前扩展能力受限的网络体系中是一个真正的挑战。典型地，当前的数据网络典型地有四个功能层：IP层承载应用，ATM层处理流量工程，SDH层实现传输，DWDM层提供大容量的带宽。这种结构已经缩小到了一定比例，再将它作为光子网络的蓝图是无效的。多层结构典型地遭受着最小公分母效应，任何一层都能限制整个网络的可扩展性。 两层网络的出现

在当今竞争性的商业环境中，任何适合网络发展的技术策略必须最终在业务发送中提供

有竞争性的区分能力。扩展网络和无论何时何地有客户需求能提供带宽和服务地能力是成功的绝对先决条件。

现有的网络体系的限制条件正妨碍着它朝提供商业业务模型方向的发展。建立一个容易地去适应支持快速增长、变化和高响应度业务发送的新网络是必需的。其答案在于一个智能的、动态的、配置在业务层支持中的光子传输层。

一般地，光子网络模型将网络分为两部分：业务和光传输（见图1）。

这种是结构将光子交换的优点同DWDM技术的先进性结合在一起。它对业务平台提供几吉比特的带宽和波长级的流量工程网络接口。业务平台包括路由器、ATM交换机和SDH分叉复用器（ADMs），它们都要求从传输层到业务层重新配置。业务层完全依靠光子传输层提供随时随地需要连接到对等接点或网元的带宽。在这个模型中，带宽是按波长的粒度而不是时分复用（TDM）的粒度来预置的。为了满足其指数般的增长率，快速预置是新体系结构的一个整体部分。当这种模型的第一个应用实体借助于轻便的SDH来支持错误判决、故障隔离和恢复时，这些功能将会逐步转移到光层中。

将光子交换机的带宽预置能力同MPLS流量工程的能力结合在一起将会允许路由器、ATM交换机和SDH ADMs随时随地的请求带宽。MPλS是将MPLS流量工程的最近的进展同出现的光子交换技术结合在一起的，用来为光通道的实时预置提供帧结构。为控制在由光子交换机、标记交换路由器（LSRs）、ATM交换机和SDH ADMs组成的混合网络上的网络管理操作，它将允许统一语义学的使用。当这个被提议的方案对以数据为中心光互联系统特别有利时，它便很容易地支持基本的传输业务。MPλS支持两个基本的网络结构--用来设计一个动态的光网络地重叠结构和对等结构。

在重叠模型中，有两个独立的控制平面：一个在核心光网络，另一个处于边缘设备中（见图2）称之为用户网络接口（UNI）。边缘设备要么通过动态地发信号要么静态地配置好来了解跨越核心光网络地光通道，而不能看到网络内部的拓扑结构。它非常类似于当前IP/ATM的组合结构。

重叠模型的不利之处在于：为了数据地转发，一个点到点的O（N2）子网不得不在边缘设备之间建立。不幸地是，那些点到点的连接也被路由协议所使用，从而产生了额外数量的控制信息流，接着限制了参与网络的边缘设备的数量。

在对等网络中，一个控制平面的实例既跨越核心网络又跨越周围的边缘设备（见图2b），允许边缘设备了解核心网络的拓扑结构。虽然一个点到点的O（N2）子网仍然要求边缘设备的全连接性，但是它是出于数据转发的目的。至于路由协议所相关的，每一个边缘设备是同它所连接的光子交换机相毗邻的，而不是别的边缘设备。这样就允许路由协议扩展到一个更大的网络。

在对等网络中，如果期望隐藏一些或者全部的光网络拓扑是可能的。通过建立永久虚电路（PVC）或者转发相邻部件并在同边缘路由器交流的对等拓扑中共享它们，它便能执行。相反地，当在重叠模型中使用时，开放一部分光网络而不将网络分割成多个子网是不可能的。

光子网络协议

快速预置、路由、监视和有效的恢复对于光子交换网络是极为重要的。

当几个厂商开发专有的链路状态和信令协议来使自动预置成为可能时，这些应用实体是不可能在多厂商配置环境下工作的。一个最佳类型的光解决方案可能要求在光网络中综合下一代和过去的设备来配置光子交换机。因此，一个公共标准的控制平面必须用作在各种各样元器件之间通讯。过去的几年里，IP团体已经将IP控制平面扩展到了面向连接的技术，从而导致了在MPLS庇护下的一套标准的路由和信令协议的发展。

MPLS允许在IP包的前面有各种长度的标签栈。LSRs使用栈顶唯一的标签值来转发进入的包。这个与接受该包的端口相连的标签被用来确定该包的输出端口和转发标签。使用MPLS建立的连接被归类于为标记交换路径（LSPs）。MPLS扩展了诸如开放优先路径（OSPF）和中间系统到中间系统（IS-IS）的路由协议来交换链路状态拓扑结构、资源有效性以及要求在LSPs中计算的策略信息。它还扩展了诸如资源预留协议（RSVP）和标签分配协议（LDP）来为通过网络的LSPs指定明确的通道并预留资源。

在光子交换和LSR之间有许多的协调作用。类似于一个LSR里的交换标签，一个光子交换机从入端到出端交换波长。建立一个LSP包括配置每一个中间的LSR去映射一个特殊的输入标签和端口到输出标签和端口。类似地，建立一个光通道地过程包括配置每一个中间的光子交换机去映射一个特殊的输入波长λ和端口到一个输出波长λ和端口。如同在LSRs中，光子交换机需要诸如OSTF和IS-IS的路有协议来交换链路状态信息以及为了通道计算的其它有效性的光资源信息。光子交换机也需要象RSVP和LDP一样的信令协议来自动操作通道建立的过程。

新的协议和协议的扩展

为了使MPLS的路由和信令协议能适应光子交换机的特殊性，一些修改和增加是必需的。这些增加和修改能够总结如下：

- 新的链路管理协议，或者说LMP，讲述了在光网络中使用光子交换机的相关链路管理的问题。

- 一个修改的OSPF/IS-IS3协议，在该网络中发布光资源的可用性。（例如，波长数量、波长带宽）

- 一个为流量工程而修改的RSVP，允许一个LSP被明确的指定跨越其核心网络。

光子交换机的一个唯一的特征是：一旦承载数据（承载电路）的通道被分配，他们便是透明的，意思是，不象传统的光电光（OEO）交换，控制通道必需同承载电路通道单独地传输。

光子交换机将会同IP链路层一起被配置，包括一个单一的双向的控制通道和许多的单向的用户通道。控制通道和相关联的承载数据通道不必要沿着相同的媒质传输。例如：控制通道能够沿着一个单独的波长或者光纤传输，或者在两个交换机之间沿着一个以太网链路传输。控制通道同数据承载通道物理上分离的一个重大的结果是：一个特殊的通道（控制或承载电路）的正常与否不必要同链路上的另一个通道的正常与否相互关联。这意味着传统的错误判决方式不再被使用，必需开发新的机制来管理光链路。

LMP已经被设计用来在有光子交换机的光网络中面向管理链路的寻址问题。

虽然LMP假定信息是IP编码的，但它并不规定实际的传输机制用作控制通道。然而，控制通道必需在承载数据通道所跨越的两个相同的节点上中断。正因为这样，该协议能够在任何光交叉连接链路上执行，而不管其内部的交换结构。对LMP的一个要求是：每一个链路有一个相关联的双向控制通道，并且空闲的承载数据通道必需是不透明的（也就是能够中断）；但是，一旦一个数据承载通道被分配，它可以变成透明的。注意到这个要求对于有电交换平面的光交叉　　连接而言是微不足道的，但对于光子交换机却是一个