基于GMPLS自动交换光网络自动选择设计

1 引言
自动交换光网络（ASON）是一种能够自动完成网络连接的新型网络。它由控制面、传送面和管理面三个平面组成，控制面技术是其核心，利用控制面它能够实施动态交换。GMPLS（通用多协议标签交换）是IETF提出的可用于光层的一种通用多协议标签交换技术，由MPLS（多协议标签交换）扩展而来。ASON和GMPLS的演进关系如图1所示，经历了一个从自动传送光网络（ASTN）发展到ASON，并进而结合了GMPLS的发展过程。本文主要是从软硬件方面设计了一个基于GMPLS的满足自动交换光网络控制平面要求的智能OXC节点，并探讨了仿真方案，通过仿真验证了它的功能。
2 自动交换光网络的控制平面
ASON由控制面、传送面和管理面3个平面组成，其中控制面的智能是实现ASON的关键，正是由于控制面的作用，ASON能够智能化地配置网络流量，根据数据类型实现业务分类、强大的保护、故障恢复能力和完善的网络管理功能。通过控制平面我们可以实现ASON中的交换连接。ASON动态的叠加组网结构模型，它包括4类控制层面构件：请求代理（RA）、光连接控制器（OCC）、管理域（AD）和接口。我们可以看出ASON有4个组成要素：传输平台、交换平台、联网智能和网管软件。光纤传输设备是ASON传输载体，以一定的结构组网；光交叉连接（OXC）设备构成了ASON的交换平台，是智能光网络的核心，其自身的伸缩性和网络软件的结合可提供全网的伸缩性。传输平台和交换平台共同构成了ASON的光传送平面。这种网络互联系统基于分布控制原理, 每个网元都具有智能，能从动态路由协议中了解整个网络的拓扑结构和相关链路的状态，实现自动选路和交换。GMPLS由于其适用于光域的特性成了控制面最好的一种实现方式。GMPLS功能上可以看成是把各自的不同层次的控制面使用统一的信令和协议统一起来，方便不同技术背景的设备使用统一的控制管理接口来互连互通。在这里我们使用GMPLS系列协议进行控制信令的交互，连通域间和域内控制平面，实现统一的控制。我们也可以看出，ASON控制平面适合采用分布式控制结合集中控制的控制方式，在每个智能节点上，都运行有各自的管理控制软件，但也和相邻节点进行通信和交互，同时还向高层网络管理平台报告和交互。从而很好地完成网络的控制和管理。
3 基于GMPLS的智能OXC设计
3.1 总体思想
总体思想：智能支持GMPLS的路由器加简单的光设备。相应设计的智能OXC节点的总体结构其中包含了OXC内部结构和基于GMPLS的控制部件结构。OXC的常用结构与技术有MEMS、波导、液晶等。我们考虑的智能节点基本结构由基于MEMS的光交叉连接矩阵、输入端口、输出端口和管理控制单元等模块组成。控制面功能的实现主要是通过管理控制单元模块来实现，这也是我们设计的重点。考虑在原有的支持MPLS的OXC上结合GMPLS的功能模块和软件框架进行扩展而得到。在信令控制技术上我们采用创新的默认波长和专用控制信道相结合的方式，即可以采用控制信道与数据通道分离的形式，控制信令主要通过带外信道来传输从而确保可靠性；也支持默认波长同时传输数据和信令的方式。在默认波长的方式下，节点要传输数据时首先采用默认波长传输，当数据到达IP引擎时，将在进行转发的同时，进行巨量流判别，如果判定是巨量流，将调用波长分配协议，指定并建立起相应的光路，同时通知节点把数据全部转移到已经建立的通路上直接传输，而不再进行路由判别与转发，实现直通传输。在传输完毕后IP引擎拆除光路。在这种方式下，很明显的好处就是这个默认波长同时传输信令和数据。在专用控制信道方式下，节点首先通过专用控制信道发起连接请求。GMPLS控制平面在响应连接请求后建立相应的光路，之后返回一个确认信息到发起的节点，从而节点可以传输数据，在传输完毕后，发出一个拆除链路的请求，完成释放链路的工作。采用这种综合设计的方式首先保证了控制信道的强壮性，即使默认波长信道出现拥塞，或者信道损坏的情况下可以采用专用信道，反之亦然；同时这种综合的方式可以支持目前我们所能采取的全部信道控制方式，例如独立控制信道、嵌入式控制信道和副载波调制信道等。总地说来，既可以支持光分组交换方式，也可以支持它的变形形式光突发交换，而且可以兼容以往的IP路由器并且也很容易升级到将来的超高容量的光网络路由交换机。
3.2 硬件结构 
虚线框内为OXC，在这里我们选用的结构是星型耦合器加可调谐滤波器，空间开关矩阵以及波长变换器。采用了耦合器加可调谐滤波器来完成将输入的Ｎ纤WDM信号在空间上分开，再经过空间光开关矩阵和波长变换器，最后由耦合器将Ｍ个波长复用起来的结构可以实现从Ｎ根入纤中的任意一根的Ｍ个波长中的任意一个波长交换到出纤的相应光纤和波长号。由于采用了可调谐滤波器因而具有广播发送功能；采用了波长变换器因而支持虚波长通道；同时具有波长模块性，当波长数增加时只需增加相应数量的开关矩阵。同时支持本地信号的上下路功能。
3.3 软件结构
为了实现IP与WDM的无缝结合，GMPLS对MPLS标签进行了扩展，使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记TDM时隙、波长、波长组和光纤等；为了充分利用WDM光网络的资源，满足未来一些新业务的开展，实现光网络的智能化，GMPLS还对信令和路由协议进行了修改和补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，GMPLS设计了一个全新的链路管理协议LMP；为了保障光网络运营的可靠，GMPLS还对光网络的保护和恢复机制进行了改进。正是由于这些特性，GMPLS成了实现ASON控制面的一种非常好的手段。软件实现了GMPLS的管理、路由、路径计算、信令、邻居发现和链路管理，其中我们在信令当中主要考虑带GMPLS扩展的RSVP（当然我们也可以采用带扩展的CR-LDP）。具体来说执行了以下的功能：
（1）协调所有GMPLS控制平面模块的功能；
（2）能够与EMS/NMS或者外部管理系统通信；
（3）创造和删除信令和路由接口；
（4）实行接入控制；
（5）执行链路设置和释放请求；

（6）提供控制平面和实际数据平面之间的接口，例如设置和释放OXC。
它包括了一个状态机、一个数据库和两个子模块：GMPLS控制器和GMPLS适配器。状态机主要用来管理LSP和方便误操作和错误处理；数据库用来维护定位和可用的资源信息，同时也跟踪存在的连接状态；而两个子模块，一个用来执行控制功能，一个用来提供路由和信令之间的接口。
4 仿真方案
目前有两种常用的可以信赖的网络级仿真软件：OPNET和NS 2，它们都可以支持MPLS，但还没有GMPLS 模块，所以我们必须通过扩展相应的MPLS模块使得它们支持GMPLS的仿真。这里我们采用的是OPNET，在原有的MPLS模块基础上基于我们设计的软件框架，通过VC编写相应的程序，结合OPNET强大的网元设置和网络仿真功能进行混合仿真即可得到较为逼真的结果。另外还有两种著名的GMPLS专用仿真软件：GLASS和DERIVEIT ASON-GMPLS-MPLS NETWORK SIMU-LATOR，我们也可以结合它们的仿真结果来进行比较和研究。
5 结束语
在综合和比较了前人所提出的智能OXC的基础上，我们将IP路由功能和OXC相结合，外加我们设计的GMPLS控制功能模块就构成了一个能够执行相应的控制面功能的智能节点。通过仿真可以验证它能满足自动交换光网络的组网要求，可以作为ASON的基本节点。目前诸如OIF、IFTF和ITU-T等各大组织都在对ASON进行研究，GMPLS也在逐渐地应用到ASON控制面设计当中来。相信在不久的将来ASON将会获得大规模的应用。
参考文献
[1] 徐荣，龚倩 著.高速宽带光互联网技术.北京：人民邮电出版社，2002
[2] ITU-T Recommendation G.8080，Architecture for the Automatically Switched Optical Network（ASON）. Geneva 2001，11
[3] ITU-T Recommendation G.807，Requirement for Automatic Switched Transport Networks（ASTN）. Geneva 2001, 7
[4] ITU-T Recommendation G.7713，Distributed Call and Connection Management（DCM），Geneva 2001，12
[5] ITU-T Recommendation G.7715, Architecture and Requirements for Routing in the Automatically Switched Optical Networks . Geneva 2002，6
[6] Liu H, Pendarakis D, Komaee N, Saha D. GMPLS-Based Control Plane for Optical Networks
[7] Gandhi G . Generalized MultiProtocol Label Switching
[8] Um T W, Choi J K, Kim Y A, Lee H H, Jung H W, Jong S G. Signaling and control procedures using generalized MPLS protocol for IP over an optical network . ETRI Journal, Volume 24, Number 2, April 2002
周田华，桂林电子工业学院通信与信息工程系硕士研究生，主要从事IP/WDM光网络方面的研究。