Многопротокольная коммутация по меткам

Размещено на http://www.allbest.ru/

MPLS (англ. multiprotocol label switching -- многопротокольная коммутация по меткам) -- механизм в высокопроизводительной телекоммуникационной сети, осуществляющий передачу данных от одного узла сети к другому с помощью меток.

MPLS является масштабируемым и независимым от каких-либо протоколов механизмом передачи данных. В сети, основанной на MPLS, пакетам данных присваиваются метки. Решение о дальнейшей передаче пакета данных другому узлу сети осуществляется только на основании значения присвоенной метки без необходимости изучения самого пакета данных. За счёт этого возможно создание сквозного виртуального канала, независимого от среды передачи и использующего любой протокол передачи данных.

История

В 1996 году группа инженеров из фирмы «Ipsilon Networks» разработала «Протокол управления потоком» (англ. flow management protocol; RFC 1953)^[1].

Основанная на этом протоколе технология «коммутации IP-пакетов» (англ. IP switching), работающая только поверх упрощенной сети ATM, не получила коммерческого успеха. Фирма «Cisco Systems» разработала похожую технологию «коммутации на основе тегов» (англ. tag switching), не ограниченную передачей поверх сети ATM^[2].

Данная технология, впоследствии переименованная в «коммутацию на основе меток» (англ. label switching), была закрытой разработкой фирмы «Cisco». Позднее она была передана в специальную комиссию интернет-разработок (IETF) для открытой стандартизации.



Достоинства

MPLS позволяет достаточно легко создавать виртуальные каналы между узлами сети.

Технология позволяет инкапсулировать различные протоколы передачи данных.

Основным преимуществом MPLS являются

· независимость от особенностей технологий канального уровня, таких как ATM, Frame Relay, SONET/SDH или Ethernet;

· отсутствие необходимости поддержания нескольких сетей второго уровня, необходимых для передачи различного рода трафика. По виду коммутации MPLS относится к сетям с коммутацией пакетов.

Технология MPLS была разработана для организации единого протокола передачи данных как для приложений с коммутацией каналов, так и приложений с коммутацией пакетов (подразумеваются приложения с датаграммной передачей пакетов). MPLS может быть использован для передачи различного вида трафика, включая IP-пакеты, ячейки ATM, фреймы SONET/SDH^[3] и кадры Ethernet.

Для решения идентичных задач ранее были разработаны такие технологии, как Frame Relay и ATM. Многие инженеры считали, что технология ATM будет заменена другими протоколами с меньшими накладными расходами на передачу данных и при этом обеспечивающими передачу пакетов данных переменной длины с установлением соединения между узлами сети. Технология MPLS разрабатывалась с учётом сильных и слабых сторон ATM. В настоящее время оборудование с поддержкой MPLS заменяет на рынке оборудование с поддержкой вышеупомянутых технологий. Вероятно, что в будущем MPLS полностью вытеснит данные технологии.

В частности, MPLS обходится без коммутации ячеек и набора сигнальных протоколов, характерных для ATM. При разработке MPLS пришло понимание того, что на уровне ядра современной сети нет необходимости в ячейках ATM маленького фиксированного размера, поскольку современные оптические сети обладают такой большой скоростью передачи данных, что даже пакет данных максимальной длины в 1500 байт испытывает незначительную задержку в очередях буферов коммутационного оборудования (необходимость сокращения таких задержек, например, для обеспечения заданного качества голосового трафика, повлияла на выбор ячеек малого размера, характерных для ATM).

В то же время в MPLS попытались сохранить механизмы оптимизации и управления трафиком (англ. traffic engineering) и управления отдельно от передаваемого потока данных, которые сделали технологии Frame relay и ATM привлекательными для внедрения в больших сетях передачи данных.

Несмотря на то, что переход на MPLS даёт преимущества управления потоками данных (улучшение надёжности и повышение производительности сети), существует проблема потери контроля потоков данных, проходящих через сеть MPLS, со стороны обычных IP-приложений^[6].

Принцип работы

Технология MPLS основана на обработке заголовка MPLS, добавляемого к каждому пакету данных. Заголовок MPLS может состоять из одной или нескольких «меток». Несколько записей (меток) в заголовке MPLS называются стеком меток.

Формат записи в стеке меток
32 бита
20 бит	3 бита	1 бит	8 бит
Label	TC	S	TTL

Каждая запись в стеке меток состоит из следующих четырёх полей:

· значение метки (англ. label); занимает 20 бит;

· поле «класс трафика» (англ. traffic class); используется для реализации механизмов качества обслуживания (QoS) и явного уведомления о перегрузке (англ. explicit congestion notification, ECN) (до RFC 5462 это поле называлось Exp (англ. experimental use)); занимает 3 бита;

· флаг «дно стека» (англ. bottom of stack); если флаг установлен в 1, то это означает, что текущая метка последняя в стеке; занимает 1 бит;

· поле TTL (англ. time to live); используется для предотвращения петель MPLS коммутации; занимает 8 бит.

В MPLS-маршрутизаторе пакет с MPLS-меткой коммутируется на следующий порт после поиска метки в таблице коммутации вместо поиска по таблице маршрутизации. При разработке MPLS поиск меток и коммутация по меткам выполнялись быстрее, чем поиск по таблице маршрутизации или RIB (англ. routing information base -- информационная база маршрутизации), так как коммутация может быть выполнена непосредственно на коммутационной фабрике вместо центрального процессора. Маршрутизаторы, расположенные на входе или выходе MPLS-сети, называются LER (англ. label edge router -- граничный маршрутизатор меток). LER на входе в MPLS-сеть добавляют метку MPLS к пакету данных, а LER на выходе из MPLS-сети удаляет метку MPLS из пакета данных. Маршрутизаторы, выполняющие маршрутизацию пакетов данных, основываясь только на значении метки, называются LSR (англ. label switching router -- коммутирующий метки маршрутизатор). В некоторых случаях пакет данных, поступивший на порт LER, уже может содержать метку, тогда новый LER добавляет вторую метку в пакет данных. Метки между LER и LSR распределяются с помощью LDP (англ. label distribution protocol]] -- протокол распределения меток)^[7]. Для того, чтобы получить полную картину MPLS-сети, LSR постоянно обмениваются метками и информацией о каждом соседнем узле, используя стандартную процедуру. Виртуальные каналы (туннели), называемые LSP (англ. label switch path -- пути коммутации меток), устанавливаются провайдерами для решения различных задач, например, для организации VPN или для передачи трафика через сеть MPLS по указанному туннелю. Во многом LSP ничем не отличается от PVC в сетях ATM или Frame relay, за исключением того, что LSP не зависят от особенностей технологий канального уровня. При описании виртуальных частных сетей, основанных на технологии MPLS, LER, расположенные на входе или выходе сети, обычно называются PE-машрутизаторами (англ. provider edge -- маршрутизаторы на границе сети провайдера), а узлы, работающие как транзитные маршрутизаторы, называются P-маршрутизаторами (англ. provider -- маршрутизаторы провайдера)^[8].

Пространство значений меток

Поле значения метки в MPLS заголовке занимает 20 бит, таким образом максимально возможное значение метки равно 1 048 575.

Следующие номера меток зарезервированы для различных целей:

· метка с номером 0 может использоваться только как последняя метка в стеке. Наличие метки 0 означает, что заголовок MPLS должен быть удалён, и последующая маршрутизация пакета должна основываться на значении заголовка IPv4;

· метка с номером 1 имеет особое название -- «router alert label» (англ. router alert label -- метка оповещения маршрутизатора). Использование метки 1 аналогично использованию опции «Router alert option» при передаче в IP-пакетах. Метка 1 не может использоваться как последняя метка в стеке;

· метка с номером 2 может использоваться только как последняя метка в стеке. Наличие метки 2 означает, что заголовок MPLS должен быть удалён, и последующая маршрутизация пакета должна основываться на значении заголовка IPv6;

· метка с номером 3 имеет особое название -- «implicit NULL label» (англ. implicit NULL label -- неявная нулевая метка). Метку 3 может присваивать и рассылать LSR, но метка, в действительности, никогда не может использоваться в стеке меток. Если LSR встретит данную метку в стеке меток, то вместо замены одной метки на другую LSR удалит весь стек меток. Хотя в действительности метка 3 не может появиться в стеке меток, она должна быть указана в LDP;

· метки с номерами от 4 до 15 зарезервированы.

Установка и удаление туннелей

Для сети MPLS существует два стандартных протокола управления туннелями:

· LDP (англ. label distribution protocol -- протокол распределения меток);

· RSVP-TE (англ. resource reservation protocol -- протокола резервирования сетевых ресурсов) -- расширение протокола RSVP для оптимизации и управления трафиком^[9][10].

Также существуют расширения протокола BGP, способные управлять виртуальными каналами в сети MPLS^[11][12][13].

Заголовок MPLS не указывает тип данных, передаваемых в MPLS-туннеле. Если возникла необходимость передачи двух различных типов трафика между двумя маршрутизаторами так, чтобы они по разному обрабатывались маршрутизаторами ядра сети MPLS, требуется установить два различных MPLS-туннеля для каждого типа трафика.

Сравнение MPLS и IP

MPLS как протокол некорректно сравнивать с протоколом IP, поскольку MPLS работает совместно с IP и протоколами маршрутизации (IGP).

Основные преимущества технологии IP/MPLS:

· более высокая скорость продвижения IP-пакетов по сети за счёт сокращения времени обработки маршрутной информации;

· возможность организации информационных потоков в каналах связи. С помощью меток каждому информационному потоку (например, несущему телефонный трафик) может назначаться требуемый класс обслуживания (CoS (англ.)). Потоки с более высоким CoS получают приоритет перед всеми другими потоками. Таким образом, с помощью MPLS обеспечивается качество обслуживания (QoS), присущее сетям SDH и ATM;

· полное обособление друг от друга виртуальных корпоративных сетей за счёт создания для каждой из них своеобразных туннелей;

· прозрачный пропуск через ядро IP/MPLS трафика протоколов Ethernet, Frame relay или ATM, что позволяет подключать пользователей, использующих все эти разнообразные протоколы.

Построение сетей

Технология MPLS используется для построения IP-сетей.

На практике MPLS используется для передачи трафика IP и Ethernet.

Основными областями применения MPLS являются:

· оптимизация и управление трафиком (англ. traffic engineering);

· организация виртуальных частных сетей (VPN).

Альтернативы

На уровне транспортной сети с MPLS конкурируют такие технологии, как PBB и MPLS-TP. С помощью этих технологий так же возможно предоставлять услуги L2 VPN и L3 VPN. Также в качестве конкурентной MPLS технологии предлагается использование протокола L2TPv3, однако он не популярен для решения задач, характерных для MPLS.

MPLS - это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. Разрабатывался для построения высокоскоростных IP магистралей. Но это инкапсулирующий протокол, который может транспортировать множество других протоколов.

Архитектура MPLS обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки трафика и высокую гибкость при организации дополнительного сервиса. Она позволяет интегрировать сети IP и АТМ, создавать виртуальные частные сети и т.д.

В MPLS заложен принцип разделения функций транспортировки потоков и управления ими, что позволяет разрабатывать и модифицировать их по отдельности. Управляющая компонента задействует стандартные протоколы маршрутизации (OSPF, BGP) для обмена информацией с другими маршрутизаторами. Пересылающая компонента основана на использовании последовательных меток пакетов.

В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня FEC, каждый из который идентифицируется определенной меткой. FEC - это класс пакетов сетевого уровня, которые получают от сети одинаковое обслуживание как при выборе пути продвижения, так и с точки зрения доступа к ресурсам. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS.

В MPLS сетях имеется 2 вида сетевых узлов.

Расположенные на границе сети MPLS маршрутизаторы должны распознавать и анализировать поступающие IP потоки и направлять их по подходящим маршрутам. Это граничные маршрутизаторы - LER. Различают входной и выходной LER. Входной LER анализирует (как обычный маршрутизатор) IPзаголовок и устанавливает к какому классу эквивалентного обслуживания FEC при выборе адреса следующей передачи пакета он принадлежит. Объединение пакетов в FEC позволяет объединять большое количество потоков трафика, требующих одинаковой обработки. Объединенные в один FEC потоки трафика идентифицируются одной и той же меткой MPLS.

IP дейтограмма заключается в модуль данных протокола (PDU) технологии MPLS, а заголовок MPLS прикрепляется к дейтограмме. Далее LER принимает решение о выборе пути для данного пакета, посылая его к соответствующему транзитному маршрутизатору с коммутацией меток - LSR. Маршрутизатор LSR получает информацию о сети при помощи протоколов маршрутизации. При взаимодействии с соседними LSR, он распределяет метки. Каждый LSR содержит таблицу, где установлено соответствие между значениями «входной интерфейс - входная метка» и «префикс адреса получателя - выходная метка - выходной интерфейс». LSR получает PDU и использует метку MPLS для принятия решения о пересылке. Он также производит замену меток. Данный LSR не занимается обработкой IP заголовка, и принимает решение о пересылке на основе метки пакета а не на основе стандартной таблицы маршрутизации.

Далее, проходя через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который производит операцию разборки PDU, удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, который находится за пределами MPLS сети.

Пакеты, принадлежащие одному классу FEC, проходят путь от входного LER до выходного LER через множество транзитных LSR, образуя виртуальный коммутируемый по меткам путь LSP. Это соединение является симплексным. Для организации полудуплексного соединения необходимо установить два LSP.

Рассмотрим саму метку.

Метка - это короткий идентификатор фиксированной длины который предназначен для определения класса обслуживания пакета FEC при его пересылке по сети. Длина метки составляет 32 бита.

Поле «Метка» - содержит значение метки (20 бит).

Поле «CoS» - для предоставления различных услуг в сети MPLS (3 бит).

Поле «S» - поле стека для поддержки иерархического стека меток. Позволяет привязать префикс к стеку меток (нескольким меткам).

Поле «TTL» - время жизни. Используется для кодирования ретрансляционных участков (8 бит). Время жизни уменьшается на 1 каждый раз, когда пакет проходит через LSR. Когда значение этого поля станет равно нулю, пакет либо удаляется, либо отправляется для обработки ошибок к обычному сетевому уровню.

Использование меток значительно упрощает процедуру пересылки пакетов, т.к. маршрутизатор обрабатывает не весь заголовок IP пакета, а только метку, что занимает намного меньше времени.

В рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом разрешено передавать не одну метку, а несколько- стек. Бывают верхние и нижние метки. Нижняя метка будет обрабатываться самой последней по пути следования пакета. Верхняя обрабатывается первой. Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке. Результат коммутации задает лишь верхняя метка стека, нижние передаются прозрачно до операции изъятия верхней метки. Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовывать туннельные передачи.

Принцип работы сети MPLS

Рис. 1 Структура заголовка метки MPLS

Пока группа IETF разрабатывала модели интегрального и дифференцированного обслуживания, было найдено более эффективное решение проблемы обеспечения качества услуг при передаче мультимедийного трафика. Таким решением является многопротокольная коммутация по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching)^[1][2], позволяющая передавать интернет-трафик по сети. Сеть MPLS ориентирована на надежный сервис с установлением соединения в отличии от ненадежных дейтаграммных сетей. При рассмотрении использования механизмов в IP-сетях модели IntServ и DiffServ оперируют соответственно в режиме сквозной передачи и на уровне транзитов. MPLS игнорирует протокол IP, так как нет полей заголовка IP-пакета, обрабатываемых в целях обеспечения качества услуг QoS. В технологии MPLS маршрутизация базируется не на адресе назначения, как в IP-сети, а на метках, которые вставляются в начало каждого пакета данных. Метод использования меток во многом близок к виртуальным каналам. Сети Х.25, Frame Relay, АТМ также устанавливают метки (идентификаторы виртуальных каналов), на основе которых осуществляется коммутация с помощью таблиц маршрутизации. Заголовок метки MPLS, состоящий из четырех байтов, предопределяет сетевой маршрут, который учитывает требуемый уровень QoS.

Заголовок MPLS-метки состоит из следующих полей (рис. 1):

· метка (20 бит) используется для выбора соответствующего пути коммутации по меткам;

· поле экспериментальных битов (EXP) содержит 3 бита, которые резервированы для дальнейших исследований и экспериментирования. В настоящее время проводится работа, направленная на создание согласованного стандарта использования этих битов для поддержания дифференцированного обслуживания разнотипного трафика и идентификации класса обслуживания. При предоставлении дифференцированных услуг MPLS-сети это поле может указывать определенный класс обслуживания, например, аналогичный классам DiffServ;

· поле MPLS-стека содержит 1 бит и является средством поддержки иерархической структуры стека меток MPLS. В заголовке последней метки бит , а во всех остальных- бит ;

· время жизни TTL (8 бит) дублирует аналогичное поле IP-пакета, которое является средством сброса пакетов в сети вследствие образования закольцованных маршрутов.

Заголовок MPLS-метки не образует полноценного уровня, а «вклинивается» в сетях IP, Ethernet, АТМ или Frame Relay между вторым и третьим уровнями модели OSI, оставаясь независимым от этих уровней. В технологии MPLS используются кадры второго уровня для помещения в них пакетов сетевого уровня, которым обычно является IP-пакет.

На рис. 2 показано положение заголовка метки в следующих типах кадров: PPP, Ethernet, Frame, Relay, ATM.

Рис. 2 Форматы заголовков нескольких разновидностей технологии MPLS

Одной из сильных сторон технологи MPLS является то, что она может использоваться совместно с различными протоколами уровня 2. Среди этих протоколов - РРР, АТМ, Frame Relay, Ethernet. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol) применяется для передачи IP-пакетов по коммутируемым и выделенным каналам. РРР является стандартным протоколом Интернета. Он применяется в самых разных случаях, включая обеспечение соединения между маршрутизаторами, между пользователями и провайдерами. В отношении ячеек АТМ и кадров Frame Relay для MPLS используются форматы заголовков этих сетей, а во всех остальных случаях - вставку между заголовками второго и третьего уровней. В коммутаторах АТМ верхняя метка помещается в поле VPI/VCI заголовка ячейка АТМ, а данные о стеке меток MPLS - в поле данных ячеек АТМ.

Далее для упрощения изложения работы MPLS будем подразумевать, что используется канальный протокол РРР. При разработке протокола РРР за основу был взят другой протокол канального уровня HDLC (High-level Data Link Control, высокоуровневое управление линией связи). Для протокола HDLC характерно его функциональное разнообразие, которое выражается в подмножестве относящихся к нему протоколов. Протокол канального уровня сети Х.25 является одним из них и называется сбалансированным протоколом доступа к каналу LAP-B (Link Access Procedure Balanced). Протокол РРР отличается от подмножества протоколов HDLC в следующем.

1. Не занимается упорядочиванием кадров и проверкой порядка их следования;

2. Производит удаленную аутентификацию по протоколам РАР или СНАР (опционно);

3. Поддерживает несколько протоколов сетевого уровня.

В MPLS - сетях пересылка пакетов выполняется коммутаторами. После того, как пакет принят сетью MPLS, обработка пакета больше не требуется. Пакет перемещается в сети, основываясь только на содержании метки MPLS.Поэтому сеть MPLS можно рассматривать для IP-пакета как один транзит. Маршрутизатор с поддержкой MPLS использует содержимое метки MPLS для указания маршрута, основываясь на требованиях приложения к уровню качества обслуживания QoS. Внутри сети MPLS содержимое заголовка IP-пакета больше не нуждается в рассмотрении для определения маршрута. Содержимое метки определяется в соответствии с несколькими критериями, которые объединены в определённый класс эквивалентности пересылки FEC (Forwarding Equivalency Class). Класс FEC может осуществлять сортировку пакетов по различной совокупности значений, в которую могут входить следующие:

· адрес в заголовке IP-пакета;

· номер TCP-порта

и другие. Технология сети MPLS позволяет использовать модель дифференцированного обслуживания DiffServ для обеспечения требований пользователя качеством обслуживании QoS. Поэтому FEC включает классы обслуживания. Они указываются в трех битах EXP заголовка метки, что позволяет реализовать до восьми комбинаций битов. Следует отметить отсутствие стандартизированного протокола реализации DiffServ в сети MPLS. На рисунке 3 приведен пример коммутации пакетов в сети MPLS. Под доменом MPLS понимается сеть MPLS, обслуживаемая одним оператором. Рассмотрим работу маршрутизаторов коммутации меток.

Маршрутизатор коммутации меток (LSR)

Маршрутизатор коммутации меток LSR (Label Switching Router) является «двигателем» домена MPLS. Маршрутизатор LSR определяется как любое устройство, способное поддерживать протокол MPLS. LSR может являться IP-маршрутизатором, коммутатором Frame Relay, коммутатором АТМ. Технология MPLS поддерживает несколько типов кадров: РРР, Ethernet, Frame Relay и АТМ. Это не означает то, что под MPLS работает какая-либо из перечисленных технологий. Это означает только то, что в технологии MPLS используются форматы кадров этих технологий для помещения в них пакета сетевого уровня, которым почти всегда является IP-пакет. Когда пакет, расширенный за счет заголовка метки MPLS, поступает на маршрутизатор LSR с помощью таблицы маршрутизации и определяется исходящий канал и значение новой метки в пакете. Смена меток производится также, как и в рассмотренных сетях связи с виртуальными каналами X.25, FR и ATM.

Граничный маршрутизатор коммутации меток (LER)

На границах домена MPLS стоят граничные LSR. Документация по MPLS не делает различий между LSR и граничным LSR за исключением их местоположения в домене. Возникающая в документах путаница, связанная с тем, что оба типа коммутаторов обозначались, как LSR, привела к введению термина Label Edge Router (LER, граничный коммутатор меток), позволяющего отличать граничные LSR от внутренних LSR. Разница между ними заключается в следующем важном моменте: LSR в домене MPLS должны коммутировать пакеты по метке MPLS и понимать протоколы MPLS, в то время как LER должен также поддерживать не имеющие отношения к MPLS функции, такие как обычная маршрутизация по IP-адресу, по крайней мере для одного порта. Одним из основных отличий MPLS от сетей связи с виртуальными каналами (X.25, FR и ATM) является способ построения таблицы маршрутизации. В сетях с виртуальными каналами пользователь, желающий установить соединение, посылает в адрес получателя сообщение запроса соединения. В результате создаётся путь и соответствующая запись в таблице маршрутизации.

Рис. 3 Пример коммутации пакетов «данные»

В MPLS вообще отсутствует фаза установления каждого соединения. На рисунке 3 приведён пример домена MPLS-сети, состоящий из двух граничных (LER1, LER2) и двух внутренних (LSR1, LSR2) маршрутизаторов коммутации меток. Граничный маршрутизатор выполняет функции назначения и удаления меток (LER1 вставляет метку 1 пакета между заголовком IP и заголовком уровня 2 (L2), a LER2 удаляет метку 4 в этом пакете IP). Путь следования пакетов в сети MPLS определяется тем классом эквивалентности при пересылке FEC, который установлен для этого потока во входном граничном маршрутизаторе LER. Такой путь носит название коммутируемого по меткам тракта LSP (Label-Switched Path) и идентифицируется набором меток во внутренних маршрутизаторах (LSR), расположенных на пути следования потока от отправителя к получателю. Внутренний маршрутизатор коммутирует пакет с меткой от одного интерфейса к другому интерфейсу с заменой метки. LER1 принимает пакет с меткой 1 и отправляет этот пакет LSR2 с меткой 5. LSR2 принимает пакет и отправляет LER2 с меткой 4. Таким образом, метка LER и LSR имеет локальное значение, как и логические номера виртуальных каналов в сетях ATM, Frame Relay, X.25. Как видно из рисунка 3 продвижение IP-пакета происходит на основе IP-адресной информации той технологии, которую MPLS использует на участке между оконечной станцией и доменом MPLS и на основе меток внутри домена MPLS. L2 здесь означает уровень 2.

Кроме функции коммутации, каждый маршрутизатор MPLS выполняет функцию управления по формированию таблицы маршрутизации. Эта таблица называется таблицей пересылки LIB (Label Information Base). LIB состоит из входящей метки и одной или нескольких вложенных записей. Каждая такая запись включает выходную метку, номер выходного интерфейса и адрес следующего маршрутизатора в LSR.

Все узлы MPLS используют протоколы маршрутизации TCP/IP для обмена соответствующей информацией маршрутизации с другими узлами MPLS-сети при создании таблицы LIB. Внутренние LSR коммутируют эти служебные пакеты не по меткам, а по обычным IP-заголовкам. Продвижение кадра в MPLS-сети происходит на основе метки MPLS и техники коммутируемого по меткам тракта LSР, а не на основе адресной информации и той технологии, формат кадра которой использует MPLS. Например, если в MPLS применяется кадр Ethernet, то МАС-адреса источника и приемника, хотя и присутствуют в соответствующих полях Ethernet, но для продвижения кадра не задействуются.

Стек меток

Рис. 4 Пример четырёхуровнего стека меток MPLS

Функциональные возможности стека MPLS позволяют реализовать несколько функций и, в частности, объединить (агрегировать) несколько LSP в один. Концепция стека меток является развитием концепции двухуровневой адресации виртуальных каналов VPI/VPC, принятой в АТМ. Многоуровневый принцип создания путей сокращает время задержки передачи пакета.

Если в одном LSP сливается несколько потоков (каждый поток - со своим FEC и своей меткой), то этот LSP помещает сверху метку нового FEC, который соответствует объединенному потоку пакетов, образующемуся в результате слияния. В точке окончания такого объединенного тракта он разветвляется на составляющие его индивидуальные LSP. Так могут объединяться тракты, имеющую общую часть маршрута. Пример четырёхуровнего стека меток приведён на рисунке 4.

Здесь заголовок MPLS № 1 был первым заголовком MPLS, помещённым в пакет, затем в него были помещены заготовки № 2, № 3, № 4. Извлекаются заголовки меток из стека в обратной последовательности (4,3,2,1). Коммутация по меткам всегда использует верхнюю метку стека, метки удаляются из пакета сверху. Каждый заголовок MPLS имеет собственные значения поля ЕХР, S-бита и поля TTL. Заголовок метки №1 на рисунке 4 является самым нижним (S=1). MPLS может выполнять со стеком следующие операции: помещение метки в стек (push), удаление верхней метки из стека (pop), замену метки (swap). На рисунке 5 показан пример использования стека в MPLS при создании путей двух пакетов IP с разными адресами назначения и, соответственно, разными значениями FEC. Сеть состоит из двух MPLS - доменов. В LER1 начинаются два пути (коммутируемых по меткам тракта) - LSP1 и LSP2 (LSP1 для пакета IP₁ с адресом получателя А в заголовке и LSP2 для пакета IP₂ с адресом получателя В в заголовке). В LER1 метки каждого из этих пакетов (соответственно 305 для первого пакета и 14 - для второго пакета) проталкиваются (push) вниз, а верхней становится в обоих пакетах метка 256. Продвижение обоих пакетов производится по верхней метке, которая на выходе меняет значение (256 на 272).

На предпоследнем LSR2 домене производится удаление (pop) верхней метки. В результате верхней меткой для пакета IP₁ становится метка 305, а для IP₂ метка 14 уничтожается. LER2 завершает путь LSP2 пакета IP1, передавая его оконечному устройству. LER2 продвигает пакет IP₁ на основе таблицы маршрутизации. LER2 заменяет метку 305 на метку 299 и далее через LER3 и LER4 продвигает его по пути LER2 до оконечного пункта А. Приведённый пример двухуровневого пути может быть расширен для любого количества уровней.

Рис. 5 Пример путей LSP1 и LSP2, проложенных в доменах 1 и 2

Таким образом, если в одном маршрутизаторе сливаются несколько потоков (каждый поток со своим FEC и со своей меткой), то этот коммутируемый по меткам тракт (путь) LSP не заменяет метки, связанные с названными потоками, а оставляет их, помещая сверху метку нового FEC, который соответствует объединенному потоку пакетов, образующемуся в результате слияния. Если в промежуточном маршрутизаторе такого объединенного потока происходит слияние еще с одним потоком, то на верху стека устанавливается еще одна метка. Путь LSP1: LERl, LSRl, LSR2, LER2, LER3, LSR3, LER4 пакета IP1 с адресом получателя пункт А. Путь LSP2: LER1, LSR1, LSR2, LER 2 пакета IP2 с адресом получателя пункт В. В результате стек меток позволяет создать древовидную структуру множества трактов LSP, заканчивающихся в одном маршрутизаторе (корне дерева).

Введем понятие уровня m тракта LSP. Маршрут LSP уровня m представляет собой последовательность маршрутизаторов, которая с входного LSR, помещающего в пакет метку уровня m (стек из m заголовков меток), содержит промежуточные LSR, каждый из которых принимает решение о пересылке пакета на основе метки уровня m и заканчивается входным LSR, где решение о пересылке принимается на основе метки уровня m-1 или на основе обычных (не MPLS, а IP) процедур пересылки. От предпоследнего LSR в выходной граничный маршрутизатор можно передавать пакеты со стеком метки глубины (m-1), поскольку метка уровня m выходному LSR не требуется. В предпоследнем LSR производится уничтожение верхней метки стека.

На рис. 6 приведен пример древовидной структуры множества трактов LSP четырёх уровней (m=4) для тракта LSP4.

Рис. 6 Древовидная структура трактов LSP

В таблице 1 приведена структура этих уровней в маршрутизаторах LSR1, LSR2, LSR3, LSR4.

Таблица 1. Структура стека меток тракта LSP4

Уровни LSP Содержание метки 4 Общая метка LSP1, LSP2, LSP3, LSP4 3 Общая метка LSP2, LSP3, LSP4 2 Общая метка LSP3, LSP4 1 Метка LSP4

Аналогично для LSP3, LSP2, LSP1 древовидная структура представляет соответственно три (для LSP3) и два (для LSP1 и LSP2) уровня тракта LSP.

Маршрутизация пакетов в узле коммутации LSR

Когда пакет MPLS поступает в маршрутизатор коммутации по меткам LSR, этот маршрутизатор производит коммутацию пакета, используя имеющуюся у него таблицу информационной базы меток LIB (Label Information Base). Ниже приведён пример такой таблицы пересылки пакета в MPLS (табл. 2).

Таблица 2

Пример таблицы пересылки LIB

Входящая метка	Первая запись	Вторая запись
Значение входящей метки	Исходящая метка	Исходящая метка
	Выходной интерфейс	Выходной интерфейс
	Адрес следующего LSR	Адрес следующего LSR

Как видно из таблицы 2, пересылка пакета производится на выходной интерфейс на основании значения метки во входящем в LSR пакете MPLS. При этом в исходящем из LSR пакете указывается адрес следующего LSR и устанавливается новое значение метки. Несколько записей в таблице пересылки (в табл. 2 их две) требуются при многоадресной рассылке пакета. Программное обеспечение LSR может быть разработано в одном из двух вариантов LIB - либо одна общая таблица для LSR, либо их несколько по количеству интерфейсов LSR. Алгоритм формирования привязки метки к FEC предусматривает выделение в LSR отдельного пула «свободных» меток. Эти метки используются для их локальной привязки, а число таких «свободных» меток определяет максимальное число таких пар «метка - FEC», которое может быть установлено в текущий момент работы данного LSR.

Распределение меток

Сущность распределения меток - информировать смежные маршрутизаторы о привязке «FEC-метка». Выбор маршрута заключается в определении пути LSP для данного кода эквивалентности при пересылке FEC. Фактическая установка LSP заключается в двух типах привязки меток к FEC. При первом типе метка выбирается и назначается в LSR локально. При втором типе LSR получает от некоторого смежного LSR информацию о привязке метки, которая создана на нем. Такую привязку называют удаленной. Локальная и удаленная привязка распространяется только между смежными маршрутизаторами LSR. При локальной привязке маршрутизатор информирует назначенную метку данному классу FEC смежным LSR. Эти смежные LSR получают возможность правильно установить метки в пакеты, направленные LSR-создателю этой метки. При удаленной привязке создателем «FEC-метка» является LSR транзитного участка тракта LSP. Это позволит производить замену входящей на исходящую метку в пакетах, передаваемых LSR-создателем привязки. Таким образом, метки могут рассматриваться как в определенной степени аналог идентификаторам логических номеров виртуальных каналов глобальных сетей Х.25 (LCN), FR (DLCI), ATM (VPI/VCI). Архитектура MPLS позволяет использовать следующие протоколы распределения меток.

1. Специальный протокол распределения меток LDP (Label Distribution Protocol) подлежащий рассмотрению в следующем разделе;

2. Расширение возможностей протокола IP-сети BGP;

3. Расширение возможностей протокола IP-сети RSVP.



Протокол распределения меток LDP

метка канал сеть коммутация

В сети MPLS в отличие от сетей связи Х.25, FR, ATM (VPI/VCI) с виртуальными каналами отсутствует фаза установления соединения по сообщению запроса пользователя. Метки в коммутируемом по меткам тракте LSP назначаются с помощью протокола распределения меток LDP (Label Distribution Protocol), причём существуют разныe способы такого распределения. Процедуры протокола LDP позволяют создать тракт LSP. Создание LSP означает создание таблиц коммутации по меткам во всех маршрутизаторах этого LSP. Функция протокола LDP состоит в частности, в определении каждой привязки «FEC - метка» в каждом LSR тракта LSP. Один из вариантов работы LDP состоит в следующем. При загрузке маршрутизатора выявляется, для каких маршрутов он является пунктом назначения (например, какие хвосты находятся в его локальной вычислительной сети). Для них создаётся один или несколько FEC и каждому из них выделяется метка, значение которой сообщается соседним LER. Эти LER. в свою очередь, заносят эти метки в свои таблицы пересылки и посылают новые метки своим соседним маршрутизаторам. Процесс продолжается до тех пор пока все маршрутизаторы не получат данные о маршрутах. По мере формирования путей могут резервироваться ресурсы, что позволяет обеспечить надлежащее качество обслуживания. Протокол LDP является протоколом прикладного уровня и использует оба протокола транспортного уровня - UDP и TCP (рис. 7).

Рис. 7 Стек протоколов при обмене сообщениями по протоколу LDP

Протокол LDP работает с использованием транспортного уровня по протоколу UDP только для передачи сообщения обнаружения DISCOVERY. При этом используются сообщения многоадресной рассылки Hello для получения информации о смежных с ним LSR. После обмена этими сообщениями устанавливается TCP-соединение и сеанс LDP с этими маршрутизаторами. Теперь MPLS позволяет LSR запросить у смежного LSR информацию о привязке «FEC-метка». Такой режим называется нисходящее распределение меток по требованию. Для этого LSR запрашивает метку, передав сообщение Label Request. В последнее сообщение входит FEC, для которого запрашивается метка. Если сообщение Label Request поступает в выходной граничный маршрутизатор, то в нем содержится метка, которая имеет локальное значение на участке между входным и соседним с ним вышестоящим маршрутизатором. Если на всех следующих далее вышестоящих LSR успешно произойдет привязка меток к FEC, то после обработки во входном LER сообщения Label Mapping, полученного от соседнего с ним нижестоящего маршрутизатора, маршрут для тракта LSP будет создан.

Назначение меток производится в сторону отправителя трафика, то есть противоположную направлению трафика. Такой LSR, где назначается метка называется нижним (расположен «ниже по течению»), а расположенный «выше по течению» верхним LSR. Метка всегда локальна, то есть обозначает некоторый FEC для пары маршрутизаторов, между которыми имеется прямая или коммутируемая связь. Напомним, что значения идентификатора виртуального пути VPI и виртуального канала VCI в сети ATM являются также локальными. Пересылка пакета данных MPLS с FEC, соответствующим установленной метке, производится от верхнего LSR к нижнему LSR. Для пересылки пакетов данных того же FEC к следующему маршрутизатору LSR используется другая метка, идентифицирующая этот FEC для новой пары маршрутизаторов, в которой маршрутизатор, бывший в предыдущей паре нижним, приобретает статус верхнего, а статус нижнего получает второй маршрутизатор этой новой пары. Отсюда ясно, что каждый маршрутизатор MPLS-сети, должен хранить соответствие между входящими и исходящими метками для всех FEC, которыми он оперирует. Напомним, что длина поля метки составляет 20 бит и означает, что маршрутизатор одновременно может оперировать 2²⁰ метками, которым соответствует определённые FEC.

Инжиниринг трафика

Рис. 8 Неэффективность кратчайших путей

Инжиниринг трафика ТЕ (Traffic Engineering) представляет функции мониторинга и управления трафиком с тем, чтобы обеспечить нужное качество обслуживания путём рационального использования сетевых ресурсов за счет сбалансированной их загрузки. Этому английскому термину ТЕ соответствует управление разнотипным трафиком в MPLS, отмечая связь рассматриваемых здесь механизмов с задачей обеспечивать разное качество обслуживания QoS трафика разных типов.

Принятая в MPLS технология ТЕ позволяет снять ограничения, присущие протоколам маршрутизации в IP-сетях. Задача максимального использования ресурсов для IP-сетей, лежащих в основе Интернета не была первоочередной, т.к. Интернет не считался долгое время коммерческой сетью. Поэтому в сетях MPLS необходимо было изменить традиционные подходы к выбору маршрутов.

Известно, что все протоколы маршрутизации (RIP, OSPF и другие), выбирают для трафика, направленного в определенную сеть, кратчайший маршрут в соответствии с некоторой метрикой. Выбранный путь может быть более рациональным, например, если в расчёт метрики принимается номинальная пропускная способность каналов связи и менее рациональным, если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов (хопов) между исходной и конечной подсетями. Однако в любом из случаев выбирается единственный маршрут, даже если существует несколько альтернативных путей. Примером неэффективности является IP-сеть сеть с топологией, приведённой на рисунке 8. Недостаток методов маршрутизации трафика в IP - сетях заключается в том, что пути выбираются без учета текущей загрузки ресурсов сети. Даже если кратчайший путь уже перегружен, пакеты всё равно посылаются по этому пути. Так, в сети, представленной на рисунке 8, верхний путь будет продолжать использоваться даже тогда, когда его ресурсов перестанет хватать для обслуживания трафика от А к Е, а нижний путь будет простаивать хотя, возможно, ресурсов маршрутизаторов В и С хватило бы для более качественной передачи трафика. Отсюда видна неэффективность методов распределения ресурсов сети - одни ресурсы работают с перегрузкой, а другие не используются вовсе.

Применение в MPLS механизма инжиниринг трафика ТЕ позволяют решить эту проблему, указав два разных пути от маршрутизатора А к маршрутизатору Е, то есть кроме А-В-Е маршрут A-C-D-E. ТЕ лучше использует сетевые ресурсы за счёт перевода части трафика с более загруженного на менее загруженный участок сети. При этом достигается более высокое качество обслуживания трафика, поскольку уменьшается вероятность перегрузки в сети. Кроме того, для услуг, которые требуют выполнения заданных норм качества обслуживания QoS (например, заданного коэффициента потерь пакетов, задержки, джиттера) инжиниринг трафика позволяет обеспечить надлежащее QoS путём назначения явно определённых маршрутов.

В технологии MPLS TE пути LSP называют TE-туннелями. TE-туннели не прокладываются распределенным способом вдоль путей, находимых обычными протоколами маршрутизации независимо в каждом отдельном устройстве LSR. Вместо этого TE-туннели прокладываются в соответствии с техникой маршрутизации от источника, когда централизовано задаются промежуточные узлы маршрута. В этом отношении TE-туннели подобны PVC-каналам в технологиях АТМ и Fame Relay. Инициатором задания маршрута для TE-туннеля выступает начальный узел туннеля, а рассчитываться такой маршрут может как этим же начальным узлом, так и внешней по отношению к сети программной системой или администратором.

MPLS TE поддерживает туннеля двух типов:

1. Строгий TE-туннель - определяет все промежуточные узлы между двумя пограничными устройствами;

2. Свободный TE-туннель - определяет только часть промежуточных узлов от одного пограничного устройства до другого, а остальные промежуточные узлы выбираются устройством LSR самостоятельно.

Рис. 9 Два типа TE-туннелей в технологии MPLS

На рисунке 9 показаны оба типа туннелей.Туннель 1 является примером строгого туннеля, при его задании внешняя система (или администратор сети) указана как начальный и конечный узлы туннеля, так и все промежуточные узлы, то есть последовательность IP-адресов для устройств LER1, LSR1, LSR2, LSR3, LSR4, LER3. Таким образом, внешняя система решила задачу инжиниринга трафика, выбрав путь с достаточной неиспользуемой пропускной способностью. При установлении туннеля 1 задается не только последовательность LSR, но и требуемая пропускная способность пути. Несмотря на то, что выбор пути происходит в автономном режиме, все устройства сети вдоль туннеля 1 проверяют, действительно ли они обладают запрошенной неиспользуемой пропускной способностью, и только в случае положительного ответа туннель прокладывается.

При прокладке туннеля 2 (свободного) администратор задает только начальный и конечный узлы туннеля, то есть устройства LER5 и LER2. Промежуточные устройства LSR4 и LSR2 находятся автоматически начальным узлом туннеля 2, то есть устройством LER5, а затем с помощью сигнального протокола устройства LER5 сообщает этим и конечному устройствам о необходимости прокладки туннеля.

Независимо от типа туннеля он всегда обладает таким параметром, как резервируемая средняя пропускная способность. В нашем примере туннель 1 резервирует для трафика 10 Мбит/с, а туннель 2 резервирует 36 Мбит/с. Эти значения определяются администратором, и технология MPLS TE никак не влияет на их выбор, она только реализует запрошенное резервирование. Чаще всего администратор оценивает резервируемую для туннеля пропускную способность на основании измерений трафика в сети, тенденций изменения трафика. Некоторые реализации MPLS TE позволяют затем автоматически корректировать величину зарезервированной пропускной способности на основании трафика, проходящего через туннель.

Методы инжиниринга трафика чаще применяют не к отдельным, а к агрегированным потокам, которые являются объединением нескольких потоков. Так как мы ищем общий маршрут для нескольких потоков, то агрегировать можно только потоки, имеющие общие точки входа и выхода. Агрегированное задание потоков позволяет упростить задачу выбора путей, так как при индивидуальном рассмотрении каждого пользовательского потока промежуточные коммутаторы должны хранить слишком большие объемы информации, поскольку индивидуальных потоков может быть очень много. Необходимо подчеркнуть, что агрегирование отдельных потоков в один возможно только в том случае, когда все потоки, составляющие агрегированный поток, предъявляют одни и те же требования к качеству обслуживания.

Однако сама по себе прокладка в MPLS-сети TE-туннеля еще не означает передачи по нему трафика. Она означает только то, что в сети действительно существует возможность передачи трафика по туннелю со средней скоростью, не превышающей зарезервированное значение. Для того чтобы данные были переданы по туннелю, администратору предстоит еще одна ручная процедура - задание для начального устройства туннеля условий, определяющих, какие именно пакеты должны передаваться по туннелю. Такими условиями могут быть классы эквивалентности пересылки FEC и классы обслуживания. Устройство LER должно сначала провести классификацию трафика, удостоверившись, что средняя скорость потока не превышает зарезервированную, а затем начать маркировать пакеты, используя начальную метку TE-туннеля, чтобы передать трафик через сеть MPLS.

Для выбора и проверки TE-туннелей используются расширенный протокол маршрутизации OSPF-TE, который распространяет следующую информацию:

· максимальная пропускная способность звена (то есть между маршрутизаторами);

· максимальная пропускная способность звена, доступная для резервирования;

· резервированная на звене пропускная способность;

· текущее использование пропускной способности звена.

Располагая такими значениями, а также параметрами потоков, для которых нужно определить TE-туннели, маршрутизатор LER может найти решение наиболее рационального использования ресурсов сети. В качестве критерия для этого используется обычно значение min (max Ki) для всех возможных путей.

В общем случае администратору необходимо проложить несколько туннелей для различных агрегированных потоков. С целью упрощения задачи оптимизации выбор путей для этих туннелей обычно осуществляется по очереди, причем администратор определяет очередность на основе своей интуиции. Очевидно, что поиск TE-путей по очереди снижает качество решения - при одновременном рассмотрении всех потоков в принципе можно было бы добиваться более рациональной загрузки ресурсов. Покажем это на примере.



Пример выбора путей

В примере, показанном на риc. 10, ограничением является максимально допустимое значение коэффициента использования ресурсов, равное 0,65. В варианте 1 решение было найдено при очередности рассмотрения потоков 1, 2, 3. Для первого потока был выбран путь А-В-С, так как в этом случае он, с одной стороны, удовлетворяет ограничению (все ресурсы вдоль пути - каналы А-В, В-С и соответствующие интерфейсы маршрутизаторов оказываются загруженными на 50/155=0,32). Пропускная способность каналов А-В и B-C равна В=155, а каналов А-D, D-Е, Е-C равна В=100. Для второго потока также был выбран путь А-В-С, так как и в этом случае ограничение удовлетворяется - результирующий коэффициент использования оказывается равным 50+40/155=0,58. Третий поток направляется по пути А-D-Е-С и загружает ресурсы каналов А- D, D-Е и Е-С на 30/100=0,3. Решение 1 можно назвать удовлетворительным, так как коэффициент использования любого ресурса в сети не превышает 0,58.

Рис. 10 Зависимость коэффициента использования ресурсов сети от стратегии выбора туннелей

Однако существует лучший способ, представленные в варианте 2. Здесь потоки 2 и 3 были направлены по верхнему пути А-В-С, а поток 1 по нижнему А-D-Е-С. Ресурсы верхнего пути оказываются загруженными на 0,45, и нижнего -на 0,5, то есть на лицо более равномерная загрузка ресурсов, а максимальный коэффициент использования всех ресурсов сети не превышает 0,5. Этот вариант может быть получен при одновременном рассмотрении всех трех потоков с учетом ограничения min (max Ki) или же при рассмотрении потоков по очереди в последовательности 2, 3,1.

Несмотря на не оптимальность решения, в производимом сегодня оборудовании применяется вариант технологии MPLS TE с последовательным рассмотрением потоков. Он проще в реализации и ближе к стандартным для протоколов OSPF процедурам нахождения кратчайшего пути по одной сети назначения. В отсутствие ограничений найденное решение для выбора кратчайших путей не зависит от последовательности учета сетей, для которых производится поиск. Кроме того, при изменении ситуации - появлении новых потоков или изменении интенсивности существующих - найти путь удается только для одного потока.