Сетевая технология MPLS

Архитектура мультипротокольной коммутации с помощью меток MPLS (Multi Protocol Label Switching) была разработана для построения магистральных сетей, имеющих возможности масштабирования, повышенную скорость обработки трафика и гибкость с точки зрения организации дополнительных сервисов. Кроме того, технология MPLS позволяет интегрировать сети IP и ATM. В основе MPLS лежит принцип обмена меток. Любой передаваемый пакет ассоциируется с тем или иным классом сетевого уровня FEC (Forwarding Equivalence Class), который идентифицируется определенной меткой.

Значение метки уникально только для участка пути между соседними узлами, которые называют маршрутизатороми, коммутирующим по меткам LSR (Label Switching Router). Метки передаются в составе любого пакета. Маршрутизаторы LSR получают идентификацию о топологии сети, путем анализа и алгоритма маршрутизации. Этот маршрутизатор взаимодействует с соседними маршрутизаторами, распределяет метки, которые будут применяться для коммутации.

Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри домена МPLS путей с коммутацией по меткам LSR (Label Switching Path). Каждый маршрутизатор формирует таблицу, которая ставит в соответствие паре входной интерфейс - входная метка, тройку «префикс» адреса получателя, выходной интерфейс - выходная метка. Получив пакет, LSR по номеру интерфейса и по значению привязанной к пакету метке определяет выходной интерфейс. Старое значение метки заменяется новым. Вся операция требует одноразовой идентификации значений полей в одной строке таблицы. Такой процесс занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адресов отправителя и адресных префиксов в таблице маршрутизации, которое использовалось при традиционной маршрутизации. Сеть MPLS делится на две функционально различные области: ядро и граничную область. Маршрутизаторы ядра занимаются только коммутацией. Все функции классификации пакетов по разным FEC берут на себя пограничные маршрутизаторы LER (Label switch Edge Routers). Главная особенность MPLS – отделение процесса коммутации пакета от анализа IP-адресов в его заголовке.

Очевидным следствием описанного подхода является тот факт, что очередной сегмент LSR 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. Каждый класс FEC определяется отдельно от остальных, не только потому, что для него строится свой путь, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе канала и буферному пространству). В результате технология MPLS позволяет эффективно поддерживать требуемое качество обслуживания. Заголовки MPLS, которые добавляют в кадр канального уровня, содержат четыре поля (рис. 6.8).

Рисунок 6.8

Поле метка имеет 20 бит и используется для указания соответствующего пути коммутации. Затем следует поле, указывающее класс обслуживания CoS, используемого для указания класса трафика. Следующее поле S – указатель для тела S. Последнее поле – время жизни TTL, которое дублирует аналогичное поле заголовка IP-пакета. В рамках архитектуры MPLS разрешено вместе с пакетом передавать ни одну метку, а целый их стек. Поэтому всегда имеется метка, расположенная на вершине стека, имеет также метка, расположенная на дне. Стек меток позволяет создавать систему объединенных путей LSP. Кадр, перемещаемый по объединенному пути, должен включать столько заголовков, сколько уровней иерархии содержит путь. Продвижение MPLS-кадров осуществляется только на основе метки, расположенной на вершине стека, нижние метки передаются прозрачно до операции изъятия верхней. Операции добавления/изъятия метки определены как операции на стеке (push/pop).

Рисунок 6.9

На рис. 6.9 показано как формируется коммутируемый путь одного уровня. Этот путь состоит из последовательного набора участков, коммутация на которых происходит с помощью меток данного уровня. LERO и LER5 - граничные маршрутизаторы пути нулевого уровня (метка М0). Маршрутизаторы LSR 1 и LSR 3 играют ту же роль для пути второго уровня (метка М1). Первый из них проводит операцию добавления метки М1 в стек, LSR-3 – выполняет её изъятие.

С точки зрения трафика нулевого уровня LSR первого уровня является прозрачным туннелем. В любом сегменте LSR можно выделить по отношению к трафику верхний и нижний LSR. Например, для сегмента LSR4 – LSR-5 четвертый маршрутизатор будет верхним, пятый – нижним.

Назначение или привязка меток проводится с помощью специального протокола распределения меток LDR (Label Distribution Protocol).

Под привязкой понимают соответствие между определенным классом FEC и значением метки данного сегмента LSP, после чего информация в ней распространяется только в направлении от нижнего к верхнему.

Распространение информации о привязке может инициироваться запросом от верхнего устройства LSR.

Сначала посредством многоадресной рассылки сообщений по протоколу UDP маршрутизаторы определяют свое «соседство». Затем два соседа обмениваются информацией для инициализации версии используемого протокола, режимах функционирования, диапазонах меток. После того, как обе стороны придут к соглашению об общем подмножестве функциональных параметров, процедура назначения может быть начата с установления соседства, после чего LDP открывает транспортное соединение между участниками сеанса поверх TCP. Затем по этому соединению передается информация о привязке меток.

Если применять MPLS в качестве базового механизма коммутации можно расширить возможности сетей IP, объединить разные технологии доступа, сделать сети IP столь же пригодными для передачи голоса и видео, как сети АТМ, в которых обеспечение качества и резервирования ресурсов для передачи разнородного трафика заложено на протокольном уровне. Таким образом, чтобы придать сетям IP свойства сетей АТМ, сделать их более пригодными для критического по времени сервисов и разных видов трафика, потребовалось создание такой технологии, как MPLS.

Уступая АТМ в средствах резервирования ресурсов и обеспечения качества услуг, гибкая технология MPLS объединяет в себе достоинства коммутации АТМ и маршрутизации IP. По сравнению с IP основным преимуществом MPLS является коммутация по меткам и разделение управляющей составляющей трафика с транспортной. Коммутация по меткам позволяет создать сервисы, которые трудно или невозможно реализовать на базе IP. Кроме того, MPLS имеет более низкую стоимость на единице объема трафика по сравнению с АТМ. MPLS рассматривается как эффективная и экономичная основа для мультисервисного транспорта. Современные коммутирующие маршрутизаторы способны одновременно и с одинаковой производительностю обрабатывать трафик АТМ, IP и MPLS.

Внедрение MPLS позволяет повысить уровень сервиса, предоставить услуги на базе IP с гарантированным уровнем качества, включая создание виртуальных частных сетей VPN, передачу голосу поверх IP (VOIP), надежность маршрутизации в приложениях Triple Play (голос, данные, видео).

В настоящее время существует несколько областей практического применения MPLS-технологии, позволяющие повысить эффективность использования компьютерных сетей. Одно из простейших применений - уско­рение продвижения пакетов сетевого уровня, перемещающихся по маршрутам, составленных на основе стандартных внутренних шлюзовых протоколов IGP. При использовании технологии MPLS-IGP пути коммутации по меткам прокладываются в соответствии с существующей топологией IP-сетей, связанных MPLS-доменом, и не зависит от интенсивности трафика между этими сетями. Протокол MPLS-IGP ускоряет продвижение пакетов за счет сокращения просматриваемых таблиц продвижения по меткам, так как обычная таблица маршрутизации содержит намного больше записей, чем таблица продвижения. Эффективность функционирования MPLS заметно повышается на крупных магистральных сетях, где маршрутизаторы оперируют с таблицами в несколько десятков тысяч записей.

Другим типовым назначением сетей MPLS является обеспечение гарантированной средней пропускной способности на основе применения методов рационального распределения трафика ТЕ (Traffic Engineering). В этом состоит основное отличие технологии MPLS-TE от технологии MPLS-IGP, так как последняя обеспечивает прокладку путей коммутации по меткам только на основе топологии составной сети, а интенсивность трафика при этом не учитывается. Кроме того, в отличие от MPLS-IGP, в технологии MPLS-TE пути коммутации по меткам, называемые ТЕ-туннелями, не прокладываются автоматически, а задаются администратором сети. ТЕ-туннели подобны постоянным виртуальным каналам PVC в технологиях ATM и Frame relay.

Третья область применения MPLS-технологии - построение частных виртуальных сетей VPN. Создание таких сетей возможно за счет разграничения трафика, без необходимости обязательного шифрования данных. Трафик такой сети прозрачно проходит через объединенную сеть, причем можно легко отделять этот трафик от остальных пакетов объединенной сети, предоставляя гарантии производительности и безопастности.

Таким образом, основным преимуществом MPLS-технологии, с точки зрения пользователя, является качество обслуживания QoS, а следующим по важности - упрощение защиты и процедуры доступа к частным виртуальным сетям VPN.