Вычислительные сети. Технология MPLS

Теоретическая часть

Содержание

  Введение в архитектуру MPLS

  Принцип коммутации

  Процесс коммутации по меткам

  Label Switching Path

  Архитектура E-LSR/LSR

  Примеры таблиц маршрутизации и коммутации

  Применение MPLS

Введение в архитектуру MPLS

MPLS(Multiprotocol Label Switching) — это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS разрабатывается и позиционируется как способ построения высокоскоростных IP-магистралей, однако область ее применения не ограничивается протоколом IP, а распространяется на график любого маршрутизируемого сетевого протокола.

Традиционно главными требованиями, предъявляемыми к технологии магистральной сети, были высокая пропускная способность, малое значение задержки и хорошая масштабируемость. Однако современное состояние рынка диктует новые правила игры. Теперь поставщику услуг недостаточно просто предоставлять доступ к своей IP-магистрали. Изменившиеся потребности пользователей включают в себя и доступ к интегрированным сервисам сети, и организацию виртуальных частных сетей (VPN), и ряд других интеллектуальных услуг. Растущий спрос на дополнительные услуги, реализуемые поверх простого IP-доступа, обещает принести Intemet-провайдерам огромные доходы.

Для решения возникающих задач и разрабатывается архитектура MPLS, которая обеспечивает построение магистральных сетей, имеющих практически неограниченные возможности масштабирования, повышенную скорость обработки графика и беспрецедентную гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и АТМ, за счет чего поставщики услуг смогут не только сохранить средства, инвестированные в оборудование асинхронной передачи, но и извлечь дополнительную выгоду из совместного использования этих протоколов.

За развитие архитектуры MPLS отвечает рабочая группа с одноименным названием, входящая в секцию по маршрутизации консорциума IETF. В деятельности группы принимают активное участие представители крупнейших поставщиков сетевых решений и оборудования. В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех упомянутых разработок, и вскоре она должна превратиться в стандарт Internet благодаря усилиям IETF и компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении данной технологии на рынок.

В традиционных сетях IP, в общем случае, маршрутизация пакетов осуществляется на основе IP адреса назначения (destination IP address). Каждый маршрутизатор в сети обладает информацией о том, через какой интерфейс и какому соседу необходимо перенаправить пришедший IP-пакет.
Мультипротокольная коммутация по меткам предлагает несколько другой подход. Каждому IP-пакету назначается некая метка.

Метка — это короткий идентификатор фиксированной длины, который определяет класс FEC(Forwarding Equivalence Class – класс сетевого уровня). По значению метки пакета определяется его принадлежность к определенному классу на каждом из участков коммутируемого маршрута.

Маршрутизаторы принимают решение о передаче пакета следующему устройству на основании значения метки. Метка добавляется в составе MPLS заголовка, который добавляется между заголовком кадра (второй уровень модели OSI ( Open Systems Interconnection) - канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных; этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов) и заголовком пакета (третий уровень модели OSI - сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы; на этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса; сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.). Пример на рис. №1.

 

Рис. №1. Место MPLS заголовка в кадре.

Формат MPLS заголовка представлен на рис. №2.

Рис. №2. Формат MPLS-метки.

Описание полей MPLS-заголовка:

• Метка - собственно метка по которой и осуществляется коммутация;
• CoS - поле описывающее класс обслуживания пакета (аналог IP precedence);
• TTL - time-to-live - аналог IP TTL;
• S - Одному пакету может быть назначено несколько меток ("стек" меток). S - поле-флаг обозначающий то что метка последняя в "стеке".

В рамках архитектуры MPLS вместе с пакетом разрешено передавать не одну метку, а целый их стек. Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке (push/pop). Результат коммутации задает лишь верхняя метка стека, нижние же передаются прозрачно до операции изъятия верхней. Метка может принимать любое значение, кроме нескольких зарезервированных.

Такой подход позволяет создавать иерархию потоков в сети MPLS и организовывать туннельные передачи.

Пример стека изображён на рис №3.

 

Рис №3. Пример назначения стека меток.

• У последней метки в стеке значение поля "S" равно 1 (на рисунке это метка MPLS №1). У остальных меток (метка MPLS №2 и №3) значение поля "S" равно 0. Стек меток используется для реализации дополнительных возможностей сети на базе MPLS, например MPLS/VPN или MPLS/TrafficEnenirring.

В рамках архитектуры MPLS различают следующие типы устройств:

• LSR - Label-Switch Router - маршрутизатор, поддерживающий коммутацию по меткам и традиционную IP-маршрутизацию.
• Edge LSR - маршрутизатор, подключённый к устройствам, не осуществляющим коммутацию по меткам (устройства могут используют другую политику маршрутизации или вообще не поддерживают MPLS).
• MPLS domain - MPLS-домен - группа соединённых устройств осуществляющих коммутацию по меткам, находящихся под единым административным подчинением и функционирующих в соответствии с единой политикой маршрутизации. MPLS домен образуется LSR-ами, а на границе домена размещаются устройства E-LSR.

Принцип коммутации

В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Значение метки уникально лишь для участка пути между соседними узлами сети MPLS. Метка передается в составе любого пакета, причем способ ее привязки к пакету зависит от используемой технологии канального уровня.

Маршрутизатор LSR получает топологическую информацию о сети, участвуя в работе алгоритма маршрутизации. Затем он начинает взаимодействовать с соседними маршрутизаторами, распределяя метки, которые в дальнейшем будут применяться для коммутации. Обмен метками может производиться с помощью как специального протокола распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP), так и модифицированных версий других протоколов сигнализации в сети (например, незначительно видоизмененных протоколов маршрутизации, резервирования ресурсов RSVP и др.).

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP). Каждый маршрутизатор LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре “входной интерфейс, входная метка” тройку “префикс адреса получателя, выходной интерфейс, выходная метка”. Получая пакет, LSR пo номеру интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к пакету метки определяет для него выходной интерфейс. (Значение префикса применяется лишь для построения таблицы и в самом процессе коммутации не используется.) Старое значение метки заменяется новым, содержавшимся в поле “выходная метка” таблицы, и пакет отправляется к следующему устройству на пути LSP.

Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при традиционной маршрутизации.

Сеть MPLS делится на две функционально различные области —ядро и граничную область. Ядро образуют устройства, минимальным требованием к которым является поддержка MPLS и участие в процессе маршрутизации графика для того протокола, который коммутируется с помощью MPLS. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией. Все функции классификации пакетов по различным FEC, а также реализацию таких дополнительных сервисов, как фильтрация, явная маршрутизация, выравнивание нагрузки и управление графиком, берут на себя граничные LSR. В результате интенсивные вычисления приходятся на граничную область, а высокопроизводительная коммутация выполняется в ядре, что позволяет оптимизировать конфигурацию устройств MPLS в зависимости от их местоположения в сети.

Таким образом, главная особенность MPLS — отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке, что открывает ряд привлекательных возможностей. Очевидным следствием описанного подхода является тот факт, что очередной сегмент LSP может не совпадать с очередным сегментом маршрута, который был бы выбран при традиционной маршрутизации. Поскольку на установление соответствия пакетов определенным классам FEC могут влиять не только IP-адреса, но и другие параметры, нетрудно реализовать, например, назначение различных LSP пакетам, относящимся к различным потокам RSVP или имеющим разные приоритеты обслуживания. Конечно, подобный сценарий удается осуществить и в обычных маршрутизируемых сетях, но решение на базе MPLS оказывается проще и к тому же гораздо лучше масштабируется.

Использование явно задаваемого маршрута в сети MPLS свободно от недостатков стандартной IP-маршрутизации от источника, поскольку вся информация о маршруте содержится в метке и пакету не требуется нести адреса промежуточных узлов, что улучшает управление распределением нагрузки в сети.

 

Процесс коммутации по меткам (label switching)

Рассмотрим схему, приведённую на рис №4. MPLS-домен образован двумя LSR-ами и двумя E-LSR-ами. К домену подключены два маршрутизатора использующие традиционную IP-маршрутизацию.

Рис. №4. Пример прохождения пакета через MPLS-домен.

Рассмотрим путь следования IP-пакета от маршрутизатора А к маршрутизатору В через MPLS домен. Адресом источника IP-пакета является 10.1.1.1 (на рисунке обозначено "s"). Адресом назначения IP-пакета является 10.2.1.1 (на рисунке обозначено "d"). Заголовки кадров не приведены. Таблицы IP-маршрутизации и MPLS-коммутации приведены в табл. №1-5. В таблицах приведены только используемые в примере записи.

 

Этап №1 - маршрутизатор А пересылает обыкновенный IP-пакет в сторону E-LSR.
Этап №2 - E-LSR получает IP-пакет и на основе таблиц IP-маршрутизации (табл. №1) определяет, что данному пакету должна быть назначена метка 1000 (на рисунке обозначено "l") и пакет должен быть переслан в сторону LSR1. Данный процесс называется "назначение метки" (label imposing).

Этап №3 - LSR1 получает IP-пакет с меткой 1000 и на основе таблицы MPLS-коммутации (табл. №2) определяет, что метка пакета должна быть сменена на 330 и пакет должен быть переслан в сторону LSR2. Данный процесс называется переписывание метки (label swapping).
Этап №4 - LSR2 получает IP-пакет с меткой 330 и на основе таблицы MPLS-коммутации (табл. №3) определяет, что пакет должен быть переслан в сторону LSR2 без меток (значение pop). Возможен так же вариант, когда LSR2 пересылает пакет в сторону E-LSR с меткой (в нашем случае 540). Если пакет следует по этапу №4 то такое поведение называется Penultimate Hop Popping. Поведение LSR в соответствии с этапом №4а является классическим для MPLS.
Этап №5 - E-LSR получает IP-пакте (как с меткой, так и без) и на основании таблиц IP-маршрутизации (табл. №5) или MPLS-коммутации (табл. №6) определяет, что данный пакет должен быть переслан, как обыкновенный IP-пакет (без метки) в сторону маршрутизатора В. Если пакет был получен без метки (Penultimate Hop Popping), то E-LSR должен выполнять только анализ таблицы IP-маршрутизации. Если пакет получен с меткой, то маршрутизатор должен сначала проанализировать таблицу MPLS-коммутации, на основании её определить, что для данного пакета необходимо выполнить анализ таблицы IP-маршрутизации. И только после анализа таблицы IP-маршрутизации определяется тот сосед, которому должен быть переслан пакет. Именно для исключения промежуточного анализа таблицы MPLS-коммутации на E-LSR-е применяется Penultimate Hop Popping.

Label Switch Path

В примере, приведённом выше, IP-пакет проследовал через "маршрут коммутации по меткам" - Label Switch Path (LSP). LSP - это последовательность устройств в MPLS домене, через которые проследовал пакет с меткой при фиксированном размере стека меток. Принципиально важно в определении LSP, то что, на всем пути размер стека не меняется. То есть, если где-то на пути следования пакета к одной метке добавляется другая (в стеке получается две метки), то LSR-ы коммутирующие по второй (внешней метке) из LSP исключаются. Для нашего примера LSP это последовательность: E-LSR, LSR1, LSR2, E-LSR. При использовании PHP, строго говоря, второй E-LSR не должен быть включён в LSP, так как при пересылке ему стек меток был пуст. Но для PHP допускается исключение.

На LSR для каждой "входящей" метки на основе таблицы MPLS-коммутации однозначно определяется "выходящая" метка и интерфейс, через который пакет должен быть переслан. Поэтому, первая метка, устанавливаемая E-LSR-ом, однозначно определяет весь маршрут следования пакета через MPLS домен. Этот маршрут и называется LSP.

Forwarding Equivalence Classes

E-LSR каждому LSP в соответствие устанавливает некоторое множество подсетей. Пакеты, предназначенные этим подсетям, передаются E-LSR-ом по одному LSP. В примере, описанном выше, подсети 10.2.1.0/24 соответствует LSP: E-LSR, LSR1, LSR2, E-LSR. Таким образом, уже на E-LSR становиться однозначно понятно по какому маршруту будет коммутироваться пакет. Множество подсетей, поставленное в соответствии конкретному LSP, называется Forwarding Equivalence Classes (FEC).

Архитектура E-LSR/LSR

LSR выполняет два процесса: маршрутизации и коммутации по меткам. Процесс маршрутизации функционирует на базе внутреннего протокола маршрутизации (например, OSPF). Процесс маршрутизации получает маршрутную информацию от соседей и формирует таблицу маршрутизации. Таблица маршрутизации используется для маршрутизации обыкновенных IP-пакетов.
Процесс коммутации функционирует на базе протокола обмена метками между соседями (Label Distribution Protocol). Протокол обмена метками согласует конкретные значения меток для создания целостных маршрутов коммутации по меткам (LSP).

Процесс коммутации по меткам при составлении таблиц коммутации использует так же таблицу IP-маршрутизации. Взаимосвязь процессов коммутации по меткам и IP-маршрутизации приведена на рис. №5. Описание основных функций выполняемых E-LSR/LSR-ами приведено в табл. №5.

Рис. 5. Взаимосвязь процессов MPLS-коммутации и IP-маршрутизации на LSR/E-LSR.

 

Табл. №5. Основные функции выполняемые E-LSR/LSR-ами.

 

Примеры таблиц маршрутизации и коммутации.

Примеры таблиц IP-маршрутизации и MPLS-коммутации приведены в табл. №6-7.
Табл. №6. Пример таблицы IP-маршрутизации на E-LSR.

Табл. №7. Пример таблицы MPLS-коммутации на E-LSR/LSR.

Необходимо отметить, что уникальность меток обеспечиваться только на уровне интерфейса. То есть для двух разных входных интерфейсов могут встречаться одинаковые значения меток (в таблице коммутации первая и вторая запись). Таким образом, пакет, пришедший с меткой 100 с интерфейса Serial1 и пакет, пришедший с меткой 100 с интерфейса Ethernet2, проследуют по разным LSP. Уникальной комбинацией является входящий интерфейс и метка. И для этой уникальной комбинации однозначно определяется выходной интерфейс и операция, которая должна быть произведена над меткой. Такой подход позволяет образовывать целостные LSP между E-LSR-ами.

Различные производители могут по-разному реализовывать архитектуру LSR/E-LSR. Например, возможно использовать объединённую таблицу IP-маршрутизации и MPLS-коммутации. Или использовать три таблицы: одна только для традиционной IP-маршрутизации, другая для назначения меток, третья для MPLS-коммутации. Приведённая архитектура LSR/E-LSR лишь абстрактная модель.

Применение MPLS

Высокоскоростная коммутация внутри MPLS домена

Рассмотрим схему сети представленную на рисунке.

Рис. №6. Схема организации маршрутизации.

MPLS домен образован двумя LSR-ами и двумя E-LSR-ами. Внутри домена для маршрутизации используется протокол OSPF. OSPF запущен только на внутренних соединения MPLS-домена и технологические интерфейсах маршрутизаторов (loopback). E-LSR-ы образуют единую автономную систему BGP. Между E-LSR-ами установлена IBGP сессия. E-LSR-ы подключены к обыкновенным маршрутизаторам А и В. Маршрутизаторы А и В образуют разные автономные системы BGP. Между E-LSR1 и маршрутизатором А установлена EBGP сессия. И между E-LSR2 и маршрутизатором В установлена так же установлена EBGP cecия. Маршрутизатор А передают E-LSR1 по EBGP таблицу маршрутизации (допустим это будет таблица Интернет). Дальше маршрутная информация от E-LSR1 по IBGP передаётся E-LSR2 и далее по EBGP передаётся маршрутизатору В. Таким образом таблица маршрутизации Интернет будет присутствовать на маршрутизаторах А, В, E-LSR1 и E-LSR2.

Примечание: BGP на маршрутизаторах E-LSR1 и E-LSR2 настроен таким образом, что атрибут next-hop у сетей передаваемых по IBGP устанавливается адресом передающего E-LSR-а, не внешнего соседа по EBGP (маршрутизатор А или В). Так же на маршрутизаторах E-LSR отключена синхронизация таблицы BGP и OSPF.

При такой конфигурации маршрутизатору В не будет доступна сеть Интернет, так как LSR1 и LSR2 не имеют таблицы маршрутизации Интернет и не смогут маршрутизировать пакеты предназначенные для сети Интернет.  Рассмотрим таблицу маршрутизации E-LSR2 (пока без MPLS).

При попытке E-LSR маршрутизировать пакет пришедший от маршрутизатора В и предназначенный для сети 60.50.0.0/16 произойдёт следующее:

• В таблице маршрутизации будет найдена запись №1, которая соответствует подсети 60.50.0.0/16.
• Так как запись №1 не содержит выходящего интерфейса, но содержит адрес next-hop, то E-LSR будет искать адрес E-LSR1 в таблице маршрутизации (рекурсивный поиск).
• В результате будет найдена запись №3 и пакет будет переслан через int3 в сторону LSR2.
• Так как LSR2 не обладает маршрутной информацией о сети 60.50.0.0/16 (на LSR2 нет BGP), то данный пакет будет уничтожен.

Рассмотрим, что произойдёт, если между LSR-ами и E-LSR-ами будет включён MPLS. В этом случае таблица IP-маршрутизации на E-LSR2 будет иметь следующий вид.

При включении MPLS, внутри MPLS домена будет осуществляться построение LSP с использованием внутреннего протокола маршрутизации - OSPF и протокола распространения меток - LDP. Для E-LSR2 маршрутизатор E-LSR1 будет доступен через LSP начинающийся меткой 100 и интерфейсом int3 (запись №3). В записях №1 и 2 будет назначена метка 100 и выходной интерфейс int3, так как данные подсети так же доступны через E-LSR1. То есть, если пакет будет переслан от E-LSR2 с меткой 100 через интерфейс int3, то пакет будет доставлен до E-LSR1 без использования IP-маршрутизации. LSR2 будет использовать процесс и таблицу коммутации по меткам. Таким образом, LSR2 передаст пакет для сети 60.50.0.0/16, не осуществляя IP-маршрутизацию. Заметим, что все подсети Интернет, доступные через E-LSR1 будут образовывать на E-LSR2 единый FEC, так как при прохождении через MPLS домен от E-LSR2 до E-LSR1 они будут использовать один LSP.
Использование MPLS позволяет освободить LSR-ы от необходимости обладать всей маршрутной информацией. Им достаточно только владеть маршрутной информацией о сетях внутри домена, что бы обеспечить корректное построение LSP. В нашем случае объем маршрутных таблиц на E-LSR будет составлять более 100 тысяч записей, объем же таблиц MPLS-коммутации на LSR будет на несколько порядков меньше, и зависит только от количества устройств и соединений в MPLS домене.

Разделение функций между устройствами

Вернёмся к схеме, описанной в предыдущем разделе. Для устройств E-LSR, LSR можно выделить следующие основные функции:

Резюмируя информацию, представленную в таблице можно сказать следующее:

• Устройства за пределами MPLS домена не "видят" изменений внутри домена, так как изменения внутри домена не влияют на распространение маршрутной информации за пределы MPLS домена (за редким исключением).
•  Никакие изменения в маршрутной информации за пределами MPLS домена остаются незамеченными для LSR-ов.

Иначе говоря, при использовании IP-маршрутизации все устройства существуют в едином и неделимом хаосе. При использовании MPLS хаос делиться на два: глобальный (за пределами MPLS домена) и локальный (внутри MPLS домена). Хаосы существуют практически независимо. LSR-ы живут в локальном хаосе, E-LSR-ы существуют в обоих хаосах. Заметим, сумма хаоса локального и глобального даст нам хаос исходный. То есть для E-LSR-ов жизнь особенно не упрощается. С другой стороны для устройств вне MPLS-домена общий хаос уменьшается, так как из него уходит хаос локальный для MPLS-домена.

Создание базы для внедрения нового функционала на сети

На базе MPLS возможна организация следующих сервисов:

• MPLS/VPN - возможность создания распределённых VPN на крупных сетях без участия туннелей и шифрования;
• MPLS/TrafficEnginering - возможность гибко управлять потоками трафика внутри MPLS домена, и соответственно более полно использовать канальную инфраструктуру сети;
• AnyTransportOverMPLS - достаточно загадочный функционал, суть которого в том, что через MPLS домен становиться возможным, прозрачно передавать кадры ATM, Frame Relay, Ethernet и т.п.

Заметим, что весь этот функционал может быть востребован не только операторами связи, но и крупные, распределённые сети предприятий так же могут с успехом использовать MPLS/VPN и MPLS/TrafficEnginering.

Некоторые преимущества технологии MPLS

• Отделение выбора маршрута от от анализа IP-адреса (даёт возможность предоставлять широкий спектр дополнительных сервисов при сохранении масштабируемости сети)
• Ускоренная коммутация (сокращает время поиска в таблицах)
• Гибкая поддержка QoS , интегрированных сервисов и виртуальных частных сетей.
• Эффективное использование явного маршрута
• Разделение функциональности между ядром и граничной областью сети.

Источники:

1. Юшков Т. "Архитектура MPLS" (http://www.mpls-exp.ru/mplsarchitecture.html)

2. Статья "MPLS: Введение в технологию" (http://old.ruslan-com.ru/marconi/MPLS/mpls_intro.htm)