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0431-81702023
光学工程
基于对等模型的新型光因特网技术介绍

      文章简述一种新的组网技术----对等模型,它为光因特网的实现提供一种新的方式。通用多协议标签交换(GMPLS)支持对等模型网络,GMPLS技术和路由机制是构建对等模型光因特网的关键技术。 
      关键词:光因特网 对等模型 控制平面 通用多协议 标签交换路由机制
      传统的点对点WDM光网络不能提供承载下一代因特网业务所需的网络扩展性、单位比特的低成本、预留速率和运营的简易性。网络运营商若要加入到因特网驱动的新经济竞争中,就必须积极采用新技术和新方法,建立一个可支持因特网业务增长的光传输基础网络,以扩展和提升网络性能。
      基于IP over WDM技术因特网是一种优化的IP光网络,它直接在光网上运行,是由高性能WDM设备、吉比特和太比特路由交换节点组成的数据通信网络。光因特网综合利用IP技术和WDM技术,形成一种新型的高速宽带光网络技术。
1 对等模型光因特网拓扑结构
      近两年来,经过光通信界和工业界的努力,一个通用多协议标签交换(GMPLS)下的光控制平面,已从简单的概念迅速攀升为一个详细的协议标准集。在许多情况下,光控制平面是一项对传送基础底层具有潜在革命性的创新技术。
      对等模型(peermodel)是因特网工程任务组(IETF)所支持的网络结构,通用多协议标签交换技术的出现是网络技术的一项革新,极大地促进光因特网技术的发展。GMPLS统一各类控制平面的信令和路径建立,各层面的交换设备均使用相同的信令,以完成对用户平面的控制。要保证GMPLS的信令能够在各种网络拓扑结构中安全可靠地传送,信令系统的基本操作是请求动作、与连接相关的属性、通过网络传送操作命令的协议和传送信令消息的信道。
      GMPLS的信令由信令的功能性描述(GMPLS-SIG)、扩展的资源预留协议RSVP-TE(resource reservation setup protocol-traffic engineering)和扩展的受限路由标签分发协议CR-LDP(constraint based routing label distribution protocol)组成。GMPLS通过信令交换标签交换通道(LSP,label switching path)的参数(如带宽、信号类型、采用何种保护和在特殊复用中的位置等),并使用RSVP-TE和CR-LDP协议在通道上绑定标记。在GMPLS的“标签请求消息”中增加包含非分组接口特征,标签分配可采用请求驱动、数据/流驱动或拓扑驱动。此外,GMPLS还扩展MPLS路由协议,定义OSPF-TE和IS-IS-TE两种扩展的内部网关协议(IGP);使其能把链路广播发送到各种类型的链路上(分组、时隙、波长和光纤级链路),并支持邻近转发。GMPLS使用约束路由机制,分配相关的传输网络拓扑信息,包括使用IGP扩展转发相邻节点的状态信息。
1.2 对等模型的特点
     对等模型的特点是把光传送层的控制智能转移到IP层,由IP层来实施端到端的控制。可把光传送网和IP网看作一个统一的网络,光交换机和标签交换路由器具有统一的选路区域,两者之间可自由地交换所有信息,并运行同样的选路和信令协议,以实现一体化的管理和流量工程,消除不同网络区域间的壁垒。统一的控制平面可消除因管理混合光互联系统而带来的复杂性,这种网络的控制和操作语义往往是分离的、不同的。
对等模型突破了传输平台与业务层之间的明显界限,两层设备彼此之间是对等关系,即IP路由器与光交叉连接(OXC)设备相互之间都是对等的实体,在光域和IP域运行同一个路由协议,一种通用的IGP协议(如OSPF-TE或IS-TE)可用于交换拓扑信息。在对等模型申,所有IP路由器和OXC设备都具有共同的编址和寻址方案,由业务提供者(而不是光核心网)控制光核心网的使用。业务提供者看得见核心光网络的结构,因此可作出优化的路由决策。

2 链路状态路由协议
2.1 OSPF路由状态协议和分层结构
      开放最短路径优先协议(OSPF)是内部网关协议之一,它是针对路由信息协议(RIP,routing information protocol)不适用于剧烈变化的网络环境而产生的。同RIP相比,OSPF网络的跳数(hop)没有要求,其收敛速度大大快于RIP。OSPF具有三种类型度规(metric)并可组合,非常有利于实现网络负载均衡。OSPF仅在网络状态发生变化时向全网广播变化的链路状态(link state)信息,可节省网络带宽,这对于广域网(WAN)来说尤为重要。OSPF支持变长子网掩码(VLSM),在一个路由器的不同端口可用不同长度的子网掩码,使网络IP地址空间分配更灵活。由于OSPF具有上述优点,所以在路由协议的选择中得到广泛应用。
      OSPF路由协议是一种典型的链路状态路由协议,一般用于同一个路由域内。这里的路由域是指一个自治系统(AS,autonomous system),它是一个通过统一的路由策略(RP,routing policy)或路由协议互相交换路由信息的网络。
OSPF在一个AS内分层,AS可分为一个主干区域(backbone area)和若干区域,每个区域相对独立。区域内路由器采用相同的过程和算法,链路状态数据库也相同,每个区域均有一个唯一的区域号,通过边缘路由器(BR,border router)/区域边缘路由器(ABR,area border router)连入主干区域。
       OSPF路由器按其在网络拓扑结构中的功能和位置,大致可划分为以下4种:
      (1)内部路由器(IR,internal router):路由器的所有接口都在一个区域中,同一区域中的所有内部路由器都有相同的链路状态数据库。
      (2边缘路由器:至少有一个接口连接到主干区域0上。
      (3)区域边缘路由器:与多个区域连接的路由器。这些路由器为所连接的每个区域维护独立的链路状态数据库。ABR是区域的出口点,即区域中的流量必须通过ABR才能到达其他区域,ABR会对所连接区域的链路状态数据库进行总结(summary)。一个区域可有一个或多个ABR。
     (4)自治系统边缘路由器(ASBR,autonomous system boundary router):至少有一个接口连接到外部网络(其他AS,如非OSPF网络)。这些路由器可沟通OSPF与网络非OSPF网络的信息。
      一个路由器可作为不同类型的路由器,同时兼任多种任务。
      由此可知,区域1、区域2、区域3分别通过各自的边缘路由器接入主千区域0,主干区域0可视为一个特殊区域,区域号标识为0。其它区域必须物理连接至主干区域0。当然,如果某区域N不能直接物理连接到主干区域,则可通过虚拟链路,跨越另一区域,连接到主干区域0上。
      在该AS中,所有OSPF路由器都维护一个相同的信息数据库(IDB),它描述AS结构。该数据库中存放路由域中相应链路的状态信息,OSPF路由器正是通过IDB计算出OSPF路由表。作为一种链路状态的路由协议,OSPF将链路状态广播(LSA,link state advertisement)数据包传送给某一区域内所有的路由器,这一点与距离矢量路由协议RIP不同。运行距离矢量路由协议RIP的路由器是把部分或全部路电表传递给与其相邻的路由器。在OSPF的链路状态广播中包括所有接口信息、所有的度量和其他一些变量。利用OSPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息,并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径,而给予距离向量的路由协议仅向其相邻路由器发送有关路由更新信息。与RIP不同,OSPF把一个自治系统再划分为若干区域,路由选择方式相应有两种类型:当源与目的地在同一区域时,采用区域内路由选择;当源和目的地在不同区域时,则采用区域间路由选择。这样,大大减少了网络开销,增加了网络稳定性。当一个区域内的路由器出了故障,不会影响自治系统内其他区域路由器正常工作,为网络管理维护带来方便。
2.2 IS-IS路由协议
      中间系统到中间系统(IS-IS)域内路由协议是路由器的OSI模型表示方法,它用于基于TCP/IP的IP网。IS-IS可很轻易地扩展,主要是IPv6。IS-IS体系划分为两层:骨千层(L2)和区域层(L1),一个路由器只能属于一个区域。Ll路由器只知道它们本区域中的拓扑,去其它区域的所有流量都送往最近的L2路由器,L2路由器必须组成主干,与OSPF的主干区域0类似。

3 对等模型下的光因特网路由机制
     对等模型下的光因特网路由机制,IP/GMPLS和光层的关系是对等的,一个统一的控制平面同时运行于IP/GMPLS和光层上,因此控制平面把OXC设备看作是另一类路由器,路由器和OXC设备进行完全的拓扑信息交互。统一控制平面的管理域既包括核心光网络设备又包括边缘网络设备,这样就允许因特网业务提供商(ISP)的边缘网络设备了解核心网络的拓扑结构,并参与路由计算。
     当只涉及单独一个光网络时,对普通IGP(如OSPF或IS-IS)加以适当扩展就可用于在整个光因特网上发布拓扑信息。对于OSPF来说,非透明的LSAs可用来广播拓扑状态信息。OSPF协议是通过Hello协议数据包建立和维护相邻关系的,同时用它来保证相邻路由器之间的双向通信。OSPF路由器周期性地发送Hello数据包,当这个路由器看到自身被列于其他路由器的Hello数据包时,这两个路由器之间会建立起双向通信。在多接入的环境中,Hello数据包还用于发现指定路由器(DR),通过DR来控制与哪些路由器建立交互关系。
   两个OSPF路由器建立双向通信之后的第二个步骤是进行数据库同步,数据库同步是所有链路状态路由协议的最大共性。在OSPF路由协议中,数据库同步关系仅仅在建立交互关系的路由器之间保持。OSPF的数据库同步是通过OSPF数据库描述数据包(data description packets)进行的。OSPF路由器周期性地产生数据库描述数据包(该数据包是有序的,附带有序列号),并把这些数据句句相邻路由器广播。相邻路由器可根据数据库描述数据包的序列号与自身数据库的数据作比较,若发现接收到的数据比数据库内的数据序列号大,则会针对序列号较大的数据发出请求,并用请求得到的数据来更新其链路状态数据库。OSPF相邻路由器从发送Hello数据包、建立数据库同步到建立完全的OSPF交互关系这一过程可分成几种不同的状态进行。
      对于IS-IS来说,需作适当扩展,以便进行IP路由。当一个光因特网中包含多个域时,需要有域间路由和信令,但在任何一种情况下,光网络和IP网络中都需要有通用的寻址机制,通用的地址空间可通过在IP域和光域同时使用IP地址实现。这样,光网络中的网元就成为IP网络中可寻址的实体。
      基于对等模型的路由机制为整合路由。在这种方式中,IP域和光域运行同样的IP路由协议,如OSPF加以适当的光域扩展,这些扩展必须包含光链路的参数,以及光网络的特定限制。网络中所有节点(OXC设备和路由器)保存的拓扑和链路状态信息都相同,使路由器可算出到达光网络中另一路由器的端到端路由,这样的标签交换通道可用GMPLS信令建立(如RSVP-TE或CR-LDP)。当LSP在光网中路由时,需要在两个边缘路由器之间建立一条光通道。这条光通道本质上是光网络中的一条隧道,它的容量比路由第一条LSP时更大,网络中的其它路由器可在这条光通道中路由其它LSP,实现资源的充分利用。因此,这条光通道可被通告作为拓扑中的一条虚拟链路。
      转发邻接(FA,forwarding adjacency)是一个重要概念,它在向其它路由器传播已有光通道的信息时是很重要的。FA实质上是遵循链路路由协议通告的一条虚拟链路,可用与定义常规链路资源相同的参数描述。虽然有必要说明FA的建立机制,但并不需要说明FA在路由机制中如何应用。一旦FA在路由状态协议中通告,它的使用也会在路由计算和流量工程法中定义。
       对等模型可以无缝地实现IP网络与光网络互连,前提是光网络特定的路由信息必须被IP路由器网络所了解。
       对等模型是一种新型网络技术,是IETF所支持的网络结构,为此IETF提出通用多协议标签交换概念。基本思路是把IP层用于MPLS通道的选路和信令。经一定的修改后,直接用于包括光传送层在内的各个层面的连接控制。GMPLS技术的出现,使IP与WDM之间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转变、光网络层传输与交换功能结合迈出了非常关键的一步。
      路由协议是光因特网建设中的关键技术,它通常用于OSI参考模型的第3层(即网络层)和TCP/IP的因特网。根据路径确定方法的不同,路由协议可分为链路状态路由协议、距离矢量路由协议和混合型路由协议。OSPF是为IP网设计的一种内部路由协议,适用于大型和可变网络。OSPF的特点是收敛速度快、更新效率高、没有跳数限制,支持可变长子网掩码(VLSM),它根据带宽选择路径。研究对等模型下的路由机制,对建立光因特网具有十分重要的意义。


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