基于GMPLS+PON链路管理研究

1、 摘要随着信息技术的不断发展，用户对网络带宽的需求越来越高。借助于光纤提供的带宽优势，接入网从铜缆过渡到了光纤,以满足不断增长的用户对带宽的需求。在未来,光网络将朝着高带宽、智能化的方向发展,而把 gmpls（通用多协议标记交换）技术引入到 pon（无源光网络）中，能够实现对用户业务的智能化控制和管理。目前，这种技术引起了国内外通信界的广泛关注。本文首先分析了 gmpls pon技术及其智能控制的优缺点，然后把 gmpls的 lmp协议（链路管理协议）引入到 pon中，实现 gmpls对 pon业务的感知和控制。而要将标准的 lmp协议（骨干网中的 lmp协议）应用于 pon中，实现自动发现等

2、功能，需要对 lmp协议进行修改，并且要完全遵循 pon的固有传输机制。针对 pon的结构特点，本文从 gmpls lmp的控制信道管理和链路连通性验证两方面的功能出发，提出由控制信息动态控制 pon数据传输的新机制。本文的研究重点是把 gmpls的 lmp协议应用到 pon中，实现 pon的自动发现，并且提出对用户业务智能化控制和管理的新机制。根据 pon的结构特点，标准的 lmp协议应用于 pon中要做如下修改：实现 pon自动发现机制时，要把本是在数据信道上传输的 test消息放于控制信道上传送，以不破坏节点器件的透明性。对于在 pon中传输的数据信息，提出由节点 olt（而非边缘路由器

3、）对控制信息做处理的设想，进而对即将传输的数据作如下决定：如果是 pon内部的数据传输，则由该 olt直接转发回本 pon；如果是 pon间的数据传输，则转发给与该 olt相连的边缘路由器。这种设想减少了 pon网络数据传输的延时，减轻了边缘路由器的负担，提高了整个网络的性能。关键字：通用多协议标记交换，控制平面，链路管理协议，自动发现with the development of information technology，the requests for bandwidth from users are increasing. for the advantage of huge band

4、width provided by optical fibers, fiber is used widely in access networks to meet the demands of bandwidth. high-bandwidth and intellectualization will be the mainstream technologies of future optical networks. in addition, introducing gmpls(generalized multi-protocol label switching) technology int

5、o pon can achieve the benefit of intelligent control and management for user services. at present, it is a hot topic that is investigated by many researchers. firstly, this paper analyzes the gmpls-based pon technologies and the advantages and disadvantages of intelligent control. then, gmpls lmp(li

6、nk management protocol) is introduced into pon to achieve the perception and control for user service. if the standard lmp protocol that has been used in the backbone network is applied in pon , it should be modified according to the intrinsic transport mechanism of pon to achieve the automatic disc

7、overy and so on. for the structural characteristics of pon, a new mechanism of dynamic control is proposed for the data transmission of pon according to the function of control channel management and link connectivity verification of lmp. appling gmpls lmp in pon to realize auto discovery and propos

8、ing a new mechanism of intelligent control management for user services are the main contents of this paper. according to the structural features of pon, the standard lmp protocol should be changed as follows: the test massages which are transmitted on the data channel should be transmitted on the c

9、ontrol channel to keep the transparency of the devices. for data transmission in pon, a new machanism, in which it is the olt (instead of the edge router) that processes and forwards the control information, has been proposed. then the data informations are processed as follows: if the data informat

10、ions are transmitted between two onus that belong to one pon, they should be forwarded directly back to the onus by the olt; if the data informations that are transmitted between different pons, then they should be forwarded to the edge router that belongs to the core network. obviously, this mechan

11、ism reduces the data transmission delay of pon , alleviates the burden of the edge router and improves the performance of the overall network . generalized multi-protocol label switching(gmpls), control plane, link management protocol(lmp), auto discovery 缩略语 apon atmpassive optical network atm无源光网络

12、 ason automatic switched optical network自动交换光网络 atm asynchronous transfer mode异步传输模式 bgp border gateway protocol边界网关协议 cui command line interface命令行界面 cr-ldp constraint routed label distribution protocol约束路由标签分配协议 dxc digital cross connect数字交叉连接设备 ems/nms network management system网络管理系统 epon etherne

13、t passive optical network以太无源光网络 ero explicit routing object显示路由实体 fec forward error correction向前纠错 fsc fiber switch capable光纤交换能力 gem gpon encapsulation method gpon封装方法 gfp generic framing procedure通用成帧规程 g-mac gmpls-based mediaaccess control基于gmpls的媒质接入控制 gmpls generalized multiprotocol label swit

14、ching通用多协议标记交换 gpon gigabit-capable pon千兆位无源光网络 gui graphical user interface图形用户界面 sli scalable link interface伸缩性链路接口 pon passive optical network无源光网络 ip internet protocol因特网协议 is-is intermediate system to intermediate system routing protocol中间系统到中间系统的路由选择协议 itu international telecommunication union

15、联合国国际电信联盟 ldp label distribution protocol标签分发协议 llid logical link identifier逻辑链路标记lmp link management protocol链路管理协议 lsa link-state advertisement链路状态广播 lsc lambda switch capable波长交换能力 lsp label switch path标签交换路径 lsr label switch router标记交换路由器 mpcp multiple point control protocol).多点控制协议 mpls multi-p

16、rotocol label switching多协议标记交换 oam operation administration and maintenance运行、管理、维护 oan opticalaccess network光接入网 odn optical distribution network光分配网 oif optical internetworking forum光互连论坛 olt optical line terminal光线路终端 onu optical network unit光网络单元 opm optical performance monitor光性能监测 osdi optical

17、 domain service interconnect coalition光域业务互联 osnr optical signal noise ratio光信噪比 ospf open shortest path first开放式最短路径优先 te traffic engineering流量工程 qos quality of service服务质量 rsvp resource reservation protocol资源预留协议 rtm routing table management路由表管理 sdh synchronous digital hierarchy同步数字体系 sonet synch

18、ronous optical network同步光网络 srls sharing risk link group共享风险链路组 tdm time division multiplexing时分复用 tdma time division multipleaccess时分多址接入 udp user datagram protocol用户数据报协议 vci virtual channel identifier虚通道标识符 vpi virtual path identifier虚路径标识符 wdm wavelength division multiplexing波分复用目录摘要.i abstract.

19、ii缩略语 .iv目录.vi第一章绪论.1 1.1光接入网 . 1 1.2下一代光接入网的发展趋势 .2 1.3 gmpls pon的智能控制 .3 1.4主要研究内容 .4第二章 gmpls pon的控制平面 .6 2.1 gmpls技术的由来 .6 2.2 gmpls的协议体系 .7 2.3 gmpls pon技术. 8 2.3.1 gmpls pon的系统结构 .9 2.3.2 gmpls pon的关键技术 .11 2.3.3 gmpls pon的优越性 .12 2.4光网络的控制平面 .13 2.4.1网络模型 .13 2.4.2控制平面的功能 .14 2.5 gmpls pon的控制

20、平面 .15 2.5.1 gmpls pon的控制模块 .15 2.5.2 gmpls pon的控制模块的功能 .16 2.6本章小结 .20第三章基于 gmpls pon的链路管理 .21 3.1数据链路的类型 .21 3.2 lmp介绍.22 3.2.1控制通道管理 .22 3.2.2链路连通性验证 .23 3.2.3链路属性关联 .25 3.2.4故障管理 .26 3.3 pon系统的自动发现 . 26 3.3.1自动发现的功能需求 .27 3.3.2自动发现机制 .27 3.3.3自动发现机制具体过程 .29 3.4 lmp在 pon中的应用 .31 3.4.1 pon数据传输新机制的

21、提出 .31 3.4.2 pon数据传输新机制 .32 3.4.3 pon数据传输新机制具体实现过程 .34 3.5本章小结 .35第四章 lmp在 pon中应用的仿真 .36 4.1仿真工具 .36 4.2 pon系统自动发现的仿真 .36 4.2.1控制信道的建立和维护 .36 4.2.2数据链路的资源发现 .40 4.3 pon系统数据传输新机制中时延的估算 .45 4.4本章小结 .50第五章总结与展望 .51参考文献 .53攻读硕士期间发表的论文 .56 第一章绪论随着internet的迅速普及和信息时代的不断前进，用户对于带宽的需求与日俱增，推动了ip骨干网、 ip城域网和 ip局

22、域网以前所未有的规模和速度向前发展。借助于光纤提供的巨大带宽，目前骨干网以及用户局域网的带宽已经飞速发展，骨干网的带宽达到几十 g到几百 g的水平，而用户局域网的带宽也已经达到千兆的水平。但作为骨干网和用户之间桥梁的接入网由于发展缓慢还停留在以铜线接入为代表的相对较低的水平，已经成为用户和骨干网的发展瓶颈，阻碍了整个网络建设的发展，导致很多高带宽应用得不到发展。随着近年来光纤及光通信器件成本的不断下降，人们慢慢认识到符合逻辑的发展趋势是将光纤继续向接入网的配线段和引入线延伸，最终实现光纤到家 (ftth)。本章将在接入网发展现状的基础上进一步讨论其发展，逐步指出下一代 2光接入网的发展趋势。即

23、 gmpls的引入正符合接入网智能化的发展方向，能够建立智能化的控制平台，智能的控制数据业务的自动发现和资源管理等。1.1光接入网纵观接入网 3发展的整个历程，它经历了窄带拨号上网、宽带非对称用户数字线（adsl）、线缆调制解调器和光纤等接入方式。其中 adsl可以为家庭用户提供最高 6-8m的接入速率。由于基于铜线的接入网技术带宽已经接近极限而无法进一步提高，不能继续满足未来多媒体应用的需求，故又要寻找新的接入技术。于是具有低损耗、高带宽和抗电磁干扰等能力的光纤接入应运而生。国际上，发达国家在上一世纪九十年代初就做了许多光纤到家 4 (ftth)的试验，但都因用户经济上不能承受而放弃，于是实

24、行战略退却，提出了fttc+xdsl和hfc+cable modem等各种入户方式。到了上一世纪末，一方面人们使 fttc或hfc的光节点一步步向用户逼近，试图以此克服上述这些过渡方式的局限性；另一方面，光纤传输技术本身有了很大的进步，使 fttb或ftth可能涉及的网络成本大幅度下降，于是 fttb和ftth又重新被提上了议事日程。与有源方式相比，无源光接入网 (pon)在安全性、可靠性和低成本上无疑占有优势，因此目前 ftth等光纤接入技术引起了各学术界浓厚的研究兴趣。 apon技术在 1998年10月通过了由 itu-t g.9835序列标准的规范，并于 2003年做了修订，主要是把上行

25、带宽扩展到 622.08mbps，下行带宽扩展到 1244.16mbps。apon6通道层协议是 atm，支持各种带宽速率、各种 qos要求的话音、数据等多业务，具有多比特率业务支持能力、 qos保证、端到端连接的操作维护能力、适合与 atm城域网汇聚层衔接、 pon的带宽动态分配与 atm的统计复用的结合使网络资源利用率高等优点。但 atm成本较高，技术较复杂、承载 ip业务效率不高等，将 ip包直接封装在以太网帧中的 epon7接入网技术应运而生。 epon传输媒质层上的传输协议是千兆位以太网，数据链路层上也是采用以太网协议。下行方向的物理层传输与通常的千兆以太网一样， olt发出经过 8

26、b10b编码后的连续比特流的以太网帧（信宿为个 onu），速率为 1.25gbps；上行方向 onu也是发送符合光千兆以太网物理层要求（除前导码外）、速率 1.25gbps的比特流。 epon系统的上下行传输是全双工的。它综合了 pon的容量大、寿命长、可升级性好、低成本、高可靠性、成本低廉、技术成熟度高等优点，并且其设备成本远低于 atm的设备成本。 gpon8是用 atm信元和 gem9帧承载多业务， gem类似于通用成帧规程 gfp10，是 gpon特有的封装方式。 gpon支持高速率、对称 /非对称工作方式、支持多业务和 oan的能力，其中多业务映射到 atm信元或 gem帧中进行传送

27、，对各种业务类型都能提供相应的服务质量保证。 gpon的特点包括带宽高、 qos保证的全业务接入、支持 tdm业务、简单的适配封装、强大的 oam能力和技术相对复杂，设备成本较高等。 wdm-pon11技术能够很好解决带宽的扩展问题，其基本原理是在原有 pon拓扑结构基础上，增加一个波分复用器件，为每个 onu分配一对上/下行波长。 wdm-pon技术在用户管理、容量扩展性、传输带宽、信息安全等方面具有很大的优势。但是 wdm-pon还处于研究开发阶段，它的关键系统光器件目前没有本质性突破，不过其潜在的优势已经吸引了业界的注意力和兴趣。1.2下一代光接入网的发展趋势很多文献 12-14已经提到

28、无源光接入网的几种技术， apon是基于 atm信元的无源光接入网，它可以提供巨大的带宽和高效的带宽业务管理，但是运载 ip业务的效率低，成本也高。 epon是基于千兆位以太网技术的无源光网络，相比于 apon降低了成本，易于实现、容易管理，但是具有不支持以太网之外的业务、总体效率低的缺点。于是又提出了 gpon技术，它支持全业务并且具备 qos保证，解决了 epon所具有的一些缺陷，但它利用通用成帧规程（ gfp）技术实现，明显的带来了技术复杂，成本高的问题。总之，这几种 pon技术各有所长，各有所短，技术的不兼容也会不可避免的带来一些问题，比如设备的不一致、网络建设的复杂等等。基于这些，人

29、们开始对 pon技术进行新的思考。首先，用户对带宽的需求越来越高，下一代 pon应该具有较高的数据传输速率以及相应的技术升级功能。再者，语音、视频、电视等业务是未来pon发展的方向，只能传输单个或几个业务的pon技术已不能满足用户的需求。因此，下一代pon应该是以ip网络为主的全业务接入网。第三，网络协议层向简单化方向发展，这样节省了中间层复杂的协议转化，减小了网络时延，提高了数据传输的速率。第四，提供统一的物理层编码和数据链路层封装技术，简化网络建设，降低用户成本。第五，核心网已步入智能化15的阶段，接入网也应该能够通过智能的控制和管理实现数据的传输，比如对用户的带宽需求具有一定的感知能力，

30、并且及时动态的更改带宽分配，满足用户需求，优化资源分配等。第六，采用统一的标签技术，实现端到端的业务模式，实现多种业务的统一化控制和管理。第七，能够保障业务的qos，根据不同的业务选择不同的策略来满足用户的服务质量需求。万里之行，始于第一步。接入网是整个网络的“第一公里”部分，起着举足轻重的作用。因此，对其展开更加深入的研究和讨论具有重要意义。 1.3 的智能控制光网络技术的改进推动着以pon为代表的光接入网的发展，带宽的提高满足了的用户多业务需求。同时随着用户多业务的增加，光接入网技术也有了很大的提高。并且要求接入网有一定的智能性，为运营商16提供复杂动态的管理，为用户提供复杂多样的服务。因

31、此，从运营商的角度来说，原来的运营模式已经不能为他们带来更多的利益；从用户的角度来说，之前的以pon为代表的接入网技术已经不能满足他们对多样化业务的需求和对服务质量的要求。因此，迫切的需要找到一种更好的接入网技术，迫切的需要pon系统的智能化。目前，核心网已经成熟的引入了gmpls17，应用的非常成功。受其启发，很多研究者也把gmpls引入到pon中，并且初步分析了gmpls pon的关键技术和较其它pon技术的优越性，讨论它所能带来的智能控制和管理功能。国际组织也对gmpls作了标准化，引起了业界的研究者对使用gmpls协议实现下一代光接入网智能化的更多关注。即实现 pon系统的对业务动态的

32、感知和自动更新的能力，实现为运营商提供智能控制和管理能力，实现为用户提供多业务服务和保证服务质量的能力。 gmpls协议包括扩展的路由和信令、还增加了链路管理协议功能。通用标签建立通用标记交换路径，建立双向通信，可以简化路由表信息，缩短路径建立的时间等。扩展的信令协议主要有受限的路由标记分发协议（ cr-ldp）和基于流量工程的资源预留协议（rsvp-te），主要用来自动的建立、删除标记交换路径和资源的智能分配。链路管理提供了控制信道和数据信道的建立和维护，链路的保护和恢复等功能。总之，通信网中引入gmpls，就使网络具有了智能控制和管理的机制。首先，核心网的拓扑结构复杂，传输的数据量大， g

33、mpls协议可以灵活使用，实现大容量的数据流量工程；相比于核心网， pon系统流量小，拓扑结构也简单，所以 gmpls协议要做相应的简化和修改，以适用于 pon系统，使其既保留 pon系统结构简单的特点，又能够实现网络资源的智能控制和管理。其次，在流量大、拓扑复杂的核心传输网中， gmpls通过扩展的路由协议能够实现大容量数据流量工程，实现网络资源的自动控制和管理；而在流量小、拓扑简单的接入网中，路由、信令以及链路管理协议可以作相应的简化，保留其基本的核心智能控制功能和标签交换体系，降低接入网系统实现的复杂度。第三，建立通用交换路径的通用标签有很大的灵活性，可以是数据包、时隙、波长和光纤等，几

34、乎可以对所有的网络资源进行控制和管理。第四， gmpls pon的智能控制平面具有高层数据处理功能，动态的满足用户的连接、建立、删除和资源分配等需求，保证用户的服务质量。第五，实现核心网和接入网的无缝连接，完成端到端的业务传输，对整个网络实现统一的智能控制和管理。目前，传输网络 18的运行依赖三个明显分开的平面，并给每个平面赋予不同的功能，网络结构从上到下，有管理平面、控制平面和数据平面。管理平面管理整个通信网数据平面和控制平面的运行；控制平面是为用户传输数据的路径提供动态的路由和信令，其目的是提供高端的网络服务；数据平面支持终端用户间信息交换的物理网络资源。同样在 pon中引入 gmpls后

35、，系统的数据平面、控制平面和管理平面也得到了分离。利用带宽和时延占用都很小的控制信息来控制和管理大量数据信息的传输，势必会为 pon系统带来革命性的有益影响。1.4主要研究内容本文主要描述了通用多协议标记交换 lmp的基本内容，进一步分析讨论了其在 pon中的应用。首先，为了实现 pon系统自动发现时不破坏节点器件的透明性，对标准的 lmp协议作相应修改，比如把标准协议中在数据信道上传输的 test消息放于控制信道上传送。其次，对于在 pon网络中传输的数据信息，提出由节点 olt（而非边缘路由器）对 lmp的控制信息做处理的设想，进而对该数据传输作出如下决定：如果是 pon间数据传输，则转发

36、给与该 olt相连的边缘路由器；如果是 pon内部的数据传输，则由该 olt直接转发回本 pon。因为相比于数据负载， lmp的控制信息所占用的带宽和时延几乎可以忽略不计，所以通过处理控制信息来控制对庞大的数据信息的处理是有价值的。新的数据传输机制会减少 pon系统数据传输的延时，减轻边缘路由器的负担，提高整个网络的性能。本文的具体安排如下：第一章是绪论部分，简单介绍了光接入网及其发展趋势，智能控制的现状和意义。第二章详细描述了 gmpls技术，分析了 gmpls pon的关键技术和优越性，控制平面的模块划分及其功能作用。第三章是本文的重点，首先阐述了 gmpls链路管理协议的基本功能和工作机

37、理，然后结合无源光接入网的特点，提出适合 pon的链路管理机制，最后提出基于 gmpls pon lmp的新机制，设计了新的“发现消息”和“响应消息”。第四章针对上一章提出的基于 gmpls pon的lmp机制作了仿真分析，重点给出了自动发现的整个过程图和理论说明。理论推导了 gmpls的链路管理协议在 pon中应用的新机制与原数据传输机制的时延差，证实所提理论的有效性和优越性。第五章简要总结全文内容，并对 gmpls pon网络作了展望，指出今后研究的方向。第二章 的控制平面 2.1 技术的由来 mpls19在rfc303120中定义为基于标签的概念，支持数据包传输。当一个 mpls lsr

38、从一个接口收到一个数据包时，它会把mpls头中的源标签换为目的标签，然后把数据包转发给另外一个接口。节点的数据转发端口是根据时隙、波长和网络中光纤的物理端口而定的。 gmpls的lsr接口根据交换能力分成4种类型，分别是包交换接口、时分交换接口、波长交换接口和光纤交换接口，它们是由小到大、由里到外嵌套的关系。包交换接口：包交换接口即分组交换接口，可以识别分组边界并根据包头内容转发数据。例如 mpls的标签交换路由器 lsr基于“shim”标签转发数据。时分交换接口：根据数据在 tdm时隙循环中的时隙来转发数据。典型应用如 sdh的 dxc设备的电接口，可根据时隙交换 sdh帧。波长交换接口：根

39、据接收到的数据所在的波长转发数据。例如oxc设备是一种基于光波长级别的设备，可以基于光波长做出转发决定，更进一步还可以基于光波段做出转发决定，光波段交换是光波长交换的进一步扩展，它将一系列连续的光波长当作一个交换单元。使用光波段交换可以有效减少单波长交换所带来的波形失真，减少设备的光开关数量还可以使光波长之间的间隔减小。光纤交换接口：根据数据在物理空间的位置转发数据。例如 oxc设备可对一根或多根光纤进行连接操作。综上所述，我们可以看出mpls标签交换操作与不同电路交换操作的相似之处。但是 mpls网络的标签22是显式的，而其它网络中的“标签”是隐式的。如表2.1所示，列出了三种网络中各自的“

40、标签”。表 2.1不同类型的“标签”网络类型 “标签 ”十分复用时隙端口或者波长交换端口号波长交换波长因此可以看出，在tdm网络中，将从输入接口的一个时隙或得的数据交换到输出接口的一个时隙的原理与mpls标签交换的原理类似。但是它们的不同之处在于，mpls的标签的作用仅适用于数据包，而tdm交换则是在特定的电路通过交换机时才适用。于是可以推出这样的结论：mpls下，交换机中用来建立标签映射的控制平台机制可以用到电路交换网络中建立交叉连接表。在波长交换中，这是ietf在mps方面首屈一指的突出贡献。于是，在很多不同的电路交换网中使用了这样的比喻，同时，术语gmpls也被用来标识广义的mpls控制

41、平面，以支持多种类型的交换网络。在gmpls中，术语“lsp”被用来标识不同类型的电路，例如一条sonet/sdh连接、一条光网络路径、一条mpls lsp等等。 2.2 的协议体系 gmpls23协议主要有3种，如图2.1所示，分别是扩展后路由协议，信令协议和链路管理协议。扩展后路由协议支持gmpls中的网络拓扑资源发现功能，通过gmpls路由，可以给链路附加各种属性，并支持节点将其可连接性和属性信息传送到其它节点。链路属性在底层技术中实现时需要特殊的处理，比如当网络中拓扑节点间的连接比较密集时， gmpls路由可以将一对节点间的多条链路用一条流量工程链路代替。这在光网络中尤其重要，因为通常光网络中的邻居节点间有数十条链路。 gmpls还引入了共享风险链路组（srlg）的概念，用以查处光网络中的哪个节点设备会被一个普通的错误影响。扩展的信令协议用来处理多交换技术，是所规定的显式通道为通路预留相应的网络资源或基于路由协议选路的结果，实现端到端连接的建立、拆解、删除和修改等工作，同时提供光网络所必须的流量工程的能力。链路管理主要包括通道管理，链路连通性校验，链路属性关联和故障管理。光网络中的相邻节点间可能有数十或者更多条链路相连接，而每个节点都需要获得邻居节点的信息以及与它们连接性的详细信息。这些信息对