多协议标签交换技术在全光互联网中的应用

本文首先介绍了MPLS向光网络的扩展，其次阐述了传统电域交换技术在光域中的应用，最后分析了基于标签交换的全光互联网解决方案：多协议波长标签交换MPLmS、基于标签光突发交换LOBS、全光标签分组交换OLPS.


1、MPLS向光网络的扩展

传统的ip网络是"尽力而为"的，在流量和网络带宽管理上功能很弱，往往导致网络发生拥塞，很难满足对时延、抖动和传输质量有特别要求的应用（如语音和视频业务等），此时MPLS（多协议标签交换）应运而生，实现了将第三层的包交换转换成第二层基于标签的包交换的"多层交换技术"，可使用各种第二层的协议，如帧中继、ATM、PPP、以太网等。MPLS具有基于标签的快速转发和很强的流量工程管理功能，能够提供较好的QoS方面的服务保障，IP/MPLS over ATM这种成熟的技术结合方式已经被广泛的应用到能满足电信级QOS要求的骨干网络中。

随着光通信技术的发展，通信距离已经"死亡"，网络传输带宽瓶颈已经成为过去，WDM技术在光纤中的应用给出了IP/MPLS over ATM模式的一种替代方案，即IP/MPLS over WDM，高速的ATM交换路由器从骨干网走到了网络的边缘。为了将MPLS应用到光网络上，必须将MPLS的路由协议和信令协议与光交换机相适配构造智能型波长路由器/光交换机，同时将对传统MPLS协议作相应的扩展和修改。与此同时IETF提出了GMPLS的全新概念，它是MPLS向光网络扩展的必然产物，具有对智能光网络进行快速实施光连接，在光层实现动态业务分配和动态的提供网络资源，以及实现网络端到端监控保护和恢复功能。GMPLS能支持多种交换类型，如分组交换PSC，时分复用TDM﹑波长交换LSC和光纤交换FSC，由此出现了通用标签和LSP分级嵌套概念，即允许系统以一个转发层来进行缩放，那么位于顶层的标签将是FSC接口，接下来的是LSC、TDM，最后是PSC.GMPLS还扩展了MPLS在逻辑上把控制平面从数据平面中分离出来的概念，允许与数据平面相关的多种物理上的控制平面存在。
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2、传统电域交换技术在光域中的应用

在传统的话音和数据业务网中我们已经分别采用了电路交换和分组交换这些成熟的技术，相比之下突发交换技术就鲜为人知了，当然从交换粒度，交换模式（直通还是存储转发），网络带宽资源的预留方式等方面来分类的话还有许多交换技术，应用最多的就是以上三种交换技术。根据它们的各自特点，在光域中出现了相应的三种光交换技术：

1）波长路由交换（WRS）：在WDM网络中使用电路交换技术时，是以波长交换的形式来实现，在相邻节点间的每条链路上，一个波长就对应一个用于交换的光通道，提供端到端的"虚波长路由"，在网络的边缘建立起光路径。光路径通过沿路径的每条链路上预留专门的波长通道而创建。在点到点的光通路中传输数据流时，中间节点不需要任何处理，不需要任何E/O和O/E转换，也不需要缓冲数据。波长路由交换网络就是传统电路交换网络的一种形式，不能统计复用共享带宽资源，所以带宽利用率比较低；

2）光分组交换（OPS）：电域的包/分组交换在光域上表现为光分组交换OPS，是基于虚电路和光时分复用方式的，采用固定长度短数据包格式，一般基于TDM来使用光纤中的所有带宽，数据净荷以光信号方式存在，信头开销可以是光形式，也可以是电形式，通过带外波长或副载波复用传送控制开销使之与业务数据分开，控制开销和业务数据之间的时延用光纤迟延线（光存储器）来实现，而可变长度的光分组，可使用串联的光纤延迟线来实现，OPS主要优点是能通过统计复用网络带宽资源提高带宽利用率，而由于通过光/电转换处理控制信息带来的时延问题比较严重；

3）光突发交换（OBS）：结合了波长路由交换和光分组交换的优点，OBS技术通过在有限的时间段预留带宽来提高网络利用率。基本交换实体就是突发帧，它是在入口节点、中间节点、出口节点之间移动的一串数据包。突发帧主要由头部控制突发帧（Control Burst）和数据突发帧（Data Burst）组成，它们之间各自独立传送。控制突发帧被先于数据突发帧传送用来沿路径预留带宽，接着数据突发帧随着控制突发帧预留带宽的相同路径传送，同时有三种突发交换协议TAG（Tell-And-Go）、IBT（In-Band-Terminator）、RFD（Reserve-a-Fixed-Duration）来协调控制突发帧和数据突发帧之间的协同工作（即它们之间的发送偏置时间）；

3、基于标签交换的全光互联网解决方案

将传统的MPLS技术和波长路由交换，光分组交换，光突发交换相结合形成了基于标签交换的全光互联网技术，相应的全光互联网解决方案有：多协议波长标签交换MPLmS、基于标签光突发交换LOBS、全光标签分组交换OLPS.

3.1多协议波长标签交换（MPLmS）光互联网技术

MPLmS是传统电MPLS在光域上的扩展，使用OXC作为LSR，波长作为标签（如图1所示），沿用了原有的MPLS框架，不需要定义新的内容。它直接采用第一层（光波长级）的交换来处理第三层的IP路由转发，将标签与WDM波长信道关联起来，其分立波长或光纤信道类似于标签，并通过MPLmS信令来指配光信道。从而大大简化了网络的层次结构，并具有更强大的业务管理、流量工程、QoS保证的功能。MPLmS也可以看作是一种没有标签栈或按包转发的简化MPLS，利用IP选路协议来发现拓扑，利用MPLS信令协议来实现波长通路的自动指配，为实时配置光波长通路提供了基本框架，选路与信令分离有利于灵活引入新特性新算法。这种方法可以使业务层上的路由器、ATM交换机或ADM动态地要求传送网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快速业务供给，简化了IP层与光层的融合以及跨层的网络管理，降低了网络运行和业务拓展成本，有利于大规模网络敷设。IP层与光层的融合正展现了前所未有的前景。MPLmS是构建新型网络的管理控制平台，通过它可将IP等各种业务无缝的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。

图1 MPLmS网络体系结构及标签交换过程
 

MPLmS把MPLS标签交换的基本概念应用到了光域，采用光波长作为交换的标签，将第三层路由转发与第一层(光层)的光交换进行了无缝融合，利用波长来寻找路由，并标识所建立的光通路，为上层业务提供快速的波长交换通道。光网络节点被看作是MPLS设备，MPLmS光网络的边缘采用标签栈，它将更小的电MPLS设备节点的LSP整合进更大的波长LSP中。MPLmS域的中间节点在数据传输过程中不再运行任何电的标签处理，并且只有有限个标签处理操作在光域上实现。利用这些功能，波长标签方案将MPLS的控制平面粘贴到光波长路由交换机/光交叉连接设备的上层，并将它看作是具有MPLS能力的节点，即光波长交换路由器(O-LSR)节点。