Концептуальные основы архитектуры многопротокольной коммутации на основе маркеров потока

В современных ИТС, ярким примером которых является Интернет-сеть, пакет сетевого уровня (IP-пакет) доставляется в дейтаграммном режиме от одного маршрутизатора к другому (следующему), и поэтому каждый маршрутизатор независимо принимает решение о дальнейшей доставке такого пакета. Т.е. каждый маршрутизатор анализирует заголовок IP-пакета (IP-заголовок), и каждый маршрутизатор реализует алгоритм маршрутизации на сетевом уровне. Каждый маршрутизатор независимо выбирает следующий ретрансляционный участок (РУ) для IP-пакета, основываясь на анализе IP-заголовка и результатов выполнения алгоритма маршрутизации.

IP-заголовки содержат значительно больше информации, чем это необходимо для простого выбора следующего РУ. Процедура выбора следующего РУ можно представить как выполнение композиции из двух функций (рис. 33.1). Первая функция разбивает (по заданному критерию) всю совокупность возможных IP-пакетов на множество эквивалентных классов доставки (Forwarding Equivalence Class — FEC). Вторая функция заключается в отображении каждого FEC-класса в следующий РУ. Так как это касается решения о доставке, различные IP-пакеты, подлежащие отображение в один и тот же FEC-класс, являются неразличимыми. Все IP-пакеты, принадлежащие соответствующему FEC-клас­су и которые поступают из соответствующего сетевого узла, затем будут следовать по одному и тому же РУ (или если используются некоторые типы многонаправленной маршрутизации, то они все будут следовать по одному из совокупности маршрутов, которые относятся к FEC-классу).

Как правило, при стандартной доставке IP-пакетов соответствующий маршрутизатор будет рассматривать два IP-пакета, как принадлежащие одному и тому же FEC-классу, если в маршрутной таблице этого маршрутизатора имеет место некоторый префикс Х IP-адреса, обладающий «наиболее длинным сов­падением» (по числу следующих друг за другом бит IP-адреса) при сравнении его с IP-адресом получателя в каждом IP-пакете. Так как IP-пакеты перемещаются по сети, то на каждом очередном РУ осуществляется «переоценка» IP-пакета и «отнесение» его к определённому FEC-классу.

Рис. 33.1. Формирование FEC-классов IP-пакетов и их доставка

по LSP-маршрутам в MPLS-сети

В MPLS-системах «отнесение» соответствующего IP-пакета к определённому FEC-классу выполняется только один раз, т.е. сразу после того, как IP-пакет поступил в сеть. FEC-класс, к которому был «приписан» IP-пакет, кодируется с помощью величины, имеющей небольшой фиксированный размер (длину), который именуется как «маркер потока» (или просто «маркер»). Когда IP-пакет доставляется на следующий РУ, то маркер передаётся вместе с ним. Т.е. IP-пакеты помечаются (маркируются) ещё до начала их доставки.

На последующих РУ анализ IP-заголовков не проводится. Более того, маркер используется в качестве индекса в таблице, по которому определяется следующий РУ и новый маркер. Старый маркер заменяется новым, а IP-пакет доставляется на свой следующий РУ.

Парадигмой доставки данных в MPLS-системах является то, что после «приписки» IP-пакета к FEC-классу все последующие маршрутизаторы больше не обрабатывают IP-заголовок. Вся доставка осуществляется на основе маркеров. Такой способ обладает рядом следующих преимуществ по сравнению с обычной доставкой данных (коммутацией пакетов на сетевом уровне):

- доставка данных в MPLS-системах может быть осуществлена с помощью коммутаторов, которые способны проанализировать и обновить (заменить) поступивший маркер, но которые, либо вообще не способны анализировать IP-заголовки (заголовки сетевого уровня), либо не способны анализировать IP-заголовки (заголовки сетевого уровня) с необходимой скоростью обработки;

- после того, как поступивший в сеть IP-пакет был отнесён к соответствующему FEC-классу, входной маршрутизатор (маршрутизатор доступа, ingress router), при определении принадлежности к FEC-классу, может использовать любую информацию о IP-пакете, которой он обладает, даже если эта информация не могла быть извлечена из IP-заголовка (заголовка сетевого уровня). Например, IP-пакеты, поступающие на вход через различные канальные интерфейсы, могут быть отнесены к различным FEC-классам. В то время как при стандартной коммутации и доставке IP-па­кетов, можно анализировать только ту информацию, которая содержится в IP-за­го­ловках пакетов сетевого уровня;

- IP-пакет (сетевого уровня), поступивший в сеть на соответствующий маршрутизатор, может получить маркер потока, который будет отличаться от того, который бы он получил, если бы поступил в сеть на другой маршрутизатор. В результате — решения о доставке, которые зависят от функциональности входного маршрутизатора, могли бы приниматься более легко. Это невозможно обеспечить при стандартной коммутации и доставке IP-пакетов, так как уникальный идентификатор (УИД) входного маршрутизатора не перемещается вместе с IP-пакетом;

- анализ, на основе которого определяется FEC-класс IP-пакета, может становиться всё более и более сложным, но без каких-либо последствий для всех тех маршрутизаторов, которые доставляют только маркированные IP-пакеты;

- иногда весьма желательно «принуждать» IP-пакет следовать по соответствующему маршруту, который был однозначно выбран в момент поступления IP-пакета в сеть или раньше, точнее ещё до того, как стандартный алгоритм динамической маршрутизации «сделает свой выбор» относительно продвижения IP-пакета по сети. Такое решение может основываться на положениях сетевой политики (например, доставки или безопасности), либо зависеть от стратегии управления потоками (трафиком) в сети. При стандартной коммутации и доставке IP-пакетов это означает, что IP-пакет должен быть снабжён кодом, определяющим его маршрут доставки (так называемый «маршрут, определяемый источником»). При MPLS-коммутации маркер потока может использоваться для указания маршрута, и при этом нет необходимости указывать в IP-пакете УИД точного маршрута доставки.

Некоторые маршрутизаторы анализируют IP-заголовок (заголовок сетевого уровня) не только для определения следующего РУ доставки пакета, но и для определения приоритета (precedence) или категории обслуживания (class of service) IP-пакета. Более того, они могут использовать различные правила обслуживания или пороговые значения для уничтожения разных IP-пакетов. MPLS-системы позволяют (но не требуют) определять приоритет или категорию обслуживания IP-пакета полностью или частично из самого маркера потока. В этом случае говорят, что маркер потока представляет собой сочетание FEC-класса и приоритет или категорию обслуживания IP-пакета.

Аббревиатура «MPLS» означает «Multiprotocol Label Switching» — многопротокольная коммутация на основе маркеров потока. Термин «многопротокольный» (multiprotocol) означает, что этот вариант способа коммутации пакетов приемлем для любого протокола сетевого уровня. В данном стандарте речь пойдёт о IP-протоколе (Internetworking Protocol— протокол межсетевого взаимодействия), как протоколе сетевого уровня. Маршрутизатор, который поддерживает MPLS-коммутацию, именуется как «Label Switching Router» или LSR-маршрутизатор.

Маркеры

Маркер представляет собой идентификатор локального значения, имеющий небольшую фиксированную длину и используемый для обозначения FEC-класса. Маркер, размещённый в соответствующем IP-пакете, представляет собой FEC-класс (эквивалентный класс доставки), к которому «приписан» этот IP-пакет.

Как правило, IP-пакет приписывается к FEC-классу (полностью или частично) на основе имеющегося в его заголовке адреса получателя сетевого уровня (IP-адреса). Однако сам маркер никогда не кодируется (формируется) на основе этого адрес.

Обозначим два LSR-маршрутизатора как «R_u» и «R_d», тогда они могут согласовать параметры доставки следующим образом: когда R_u транслирует IP-пакет R_d, первый будет маркировать IP-пакет, используя величину L, только в том случае, если IP-пакет принадлежит соответствующему FEC-классу F. Т.е. они могут согласовать «связку» маркера L с FEC-классом F только для тех IP-пакетов, которые транслируются от R_u к R_d. В результате такого согласования маркер L становится «исходящим маркером» для R_u, и «входящим маркером» для R_d, отображая, таким образом, FEC-класс F.

Следует заметить, что маркер L не обязательно представляет FEC-класс F в каких-либо других IP-пакетах, которые отличаются от IP-пакетов, транслируемых от R_u к R_d. Маркер L является произвольно выбранным значением, «связываемым» с F, которое, в свою очередь, является локальным по отношению к R_u и R_d.

Когда речь идёт о «доставке» IP-пакетов от R_u к R_d, это совсем не означает, что R_u является источником IP-пакета или R_d является его конечным получателем. В дальнейшем предполагается, что все IP-пакеты, являющиеся «транзитными», также относятся к IP-пакетам, обрабатываемым одним или обоими LSR-маршрутизаторами.

Иногда весьма трудно или почти невозможно сказать, что в IP-пакет, поступивший в R_d и содержащий маркер L, последний был помещён именно R_u, а никаким другим LSR-маршрутизатором. (Это типичный случай, когда R_u и R_d не являются напрямую связанными соседями.) в таких ситуациях R_d должен гарантировать, что привязка маркера к FEC-классу является взаимно однозначной. Т.е., R_d обязан не согласовывать с R_u1 привязку маркера L к FEC-классу F₁, а также — привязку маркера L к другому FEC-классу F₂ с некоторым другим LSR-маршрутизатором R_u2, но до тех пор, пока R_d не сможет в любой момент сказать, когда он получил IP-пакет с входящим маркером L, и был ли маркер помещён в IP-пакет R_u1 или был ли помещён R_u2.

Каждый LSR-маршрутизатор несёт ответственность за предоставление гарантий того, что он может однозначно интерпретировать свои входящие маркеры.