MPLS

MPLS (Multi Protocol Label Switching - многопротокольная коммутация по меткам) - технология многопротокольной коммутации с использованием меток.

MPLS 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 трафик любого маршрутизируемого сетевого протокола.

Технология многопротокольной коммутации по меткам (Multiprotocol Label Switching - MPLS), разработанная комитетом IETF, явилась результатам слияния нескольких разных механизмов, таких как IP Switching (Ipsilon), Tag Switching (Cisco Systems), Aris (IBM) и Cell Switch Router (Toshiba). В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех упомянутых механизмов, и благодаря усилиям-IETF и компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении этой технологии на рынке, она превратилась в стандарт Internet.

В обычных IP-сетях любой маршрутизатор, находящийся на пути следования пакетов, анализирует заголовок каждого пакета, чтобы определить, к какому потоку этот пакет относится, и выбрать направление для его пересылки к следующему маршрутизатору. При использовании технологии MPLS соответствие между пакетом и потоком устанавливается один раз, на входе в сеть MPLS. Более точно, соответствие устанавливается между пакетом и так называемым «классом эквивалентности пересылки» FEC (Forwarding Equivalence Class);к одному FEC относятся пакеты всех потоков, пути следования которых через сеть (или часть сети) совпадают. С точки зрения выбора ближайшего маршрутизатора, к которому их надо пересылать, все пакеты одного FEC неразличимы. Пакеты снабжаются метками -идентификаторами небольшой и фиксированной длины, которые определяют принадлежность каждого пакета тому или иному классу FEC. Метка имеет локальное значение - она действительна на участке между двумя соседними маршрутизаторами, являясь исходящей меткой определенного FEC для одного из них и входящей - для второго. Второй маршрутизатор, пересылая пакет этого FEC к следующему маршрутизатору, снабжает его другой меткой, которая идентифицирует тот же FEC на следующем участке маршрута, и т.д. Таким образом, каждый FEC имеет свою систему меток. Использование меток значительно упрощает процедуру пересылки пакетов, так как маршрутизаторы обрабатывают не весь заголовок IP-пакета, а только метку, что занимает значительно меньше времени. На рис. 1 показана, в качестве примера, простейшая MPLS-сеть, содержащая маршрутизаторы двух типов:• пограничные маршрутизаторы MPLS (Label Edge Routers - LER),• транзитные маршрутизаторы MPLS (Label Switching Routers - LSR).По отношению к любому потоку пакетов, проходящему через -- MPLS-сеть, один LER является входным, а другой LER - выходным. Входной LER анализирует заголовок пришедшего извне пакета, устанавливает, какому FEC он принадлежит, снабжает этот пакет меткой, которая присвоена данному FEC, и пересылает пакет к соответствующему LSR. Далее, пройдя, в общем случае, через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети.

Рис. 1 Сеть, построенная на базе технологии MPLS

Последовательность (LER^, LSR,,..., LSR„, LER^) маршрутизаторов, через которые проходят пакеты, принадлежащие одному FEC, образует виртуальный коммутируемый по меткам тракт LSP (Label Switched Path). Так как один и тот же LER для одних потоков является входным, а для других-выходным, в сети, содержащей N LER, в простейшем случае может существовать N(N-1) FEC и, соответственно, N(N-1)LSP.

Заметим, однако, что потоки пакетов из разных FEC, приходящие к одному выходному LER от разных входных LER, могут в каких-то LSR сливаться в более мощные потоки, каждый из которых образует новый FEC со своей системой меток. Возможно и обратное, то есть группа потоков может идти до некоторого LSR по общему маршруту и, следовательно, принадлежать одному и тому же FEC, а затем разветвиться, и тогда каждая ветвь будет иметь свой FEC (со своей системой меток). Кроме того, существует возможность образования внутри некоторого LSP одного или нескольких вложенных в него LSP (так называемых LSP-туннелей).

То обстоятельство, что система меток, присваиваемых пакету, может изменяться, приводит к образованию так называемого «стека меток». При переходе потока пакетов в другой FEC, метка нового FEC помещается поверх метки прежнего FEC и используется для коммутации, а прежняя метка сохраняется под ней, но не используется до тех пор, пока не восстановится прежний FEC. Ясно, что если FEC пакета меняется несколько раз, в стеке накапливается несколько меток.

Все это, с одной стороны, демонстрирует, насколько широки возможности MPLS в части распределения ресурсов сети при ее проектировании и в части их оперативного перераспределения при эксплуатации, но, с другой стороны, предъявляет непростые требования к средствам, с помощью которых устанавливается соответствие «FEC-метка» в каждом LER и LSR сети.

Итак, метка, помещаемая в некоторый пакет, представляет FEC, к которому этот пакет относится. Как правило, отнесение пакета к определенному классу производится на основе сетевого адреса получателя. Метка может быть помещена в пакет разными способами -вписываться в специальный заголовок, «вставляемый» либо между заголовками уровня звена данных и сетевого уровня, либо в свободное и доступное поле заголовка какого-то одного из этих двух уровней, если таковое имеется. В любом случае этот специальный заголовок содержит поле, куда записывается значение метки, и несколько служебных полей, среди которых имеется и то, которое представляет особый интерес с точки зрения данной главы - поле QoS (три бита, т.е. до восьми классов качества обслуживания).

Метки для каждого FEC всегда назначаются «снизу», то есть либо выходным LER, либо тем LSR, который является для этого FEC «нижним» (расположенным ближе к адресату), и распределяются им по тем маршрутизаторам, которые расположены «выше» (ближе к отправителю).

Распределение меток может быть независимым или упорядоченным. В первом случае LSR может уведомить вышестоящий LSR о привязке метки к FEC еще до того, как получит информацию о привязке «метка-FEC» от нижестоящего маршрутизатора. Во втором случае высылать подобное уведомление разрешается только после получения таких сведений «снизу». Метки могут выдаваться нижним маршрутизатором как по собственной инициативе, так и по запросу верхнего. Наконец, возможен «либеральный» или «консервативный» режим распределения меток. В либеральном режиме нижний LSR раздает метки вышестоящим LSR, как имеющим с ним прямую связь, так и доступным лишь через промежуточные LSR. В консервативном режиме вышестоящий LSR обязан принять метку, если ее выдает смежный LSR, но может отказаться от метки, пришедшей к нему транзитом.

Как уже отмечалось, метка должна быть уникальной лишь для каждой пары смежных LSR. Поэтому одна и та же метка в любом LSR может быть связана с несколькими FEC, если разным FEC принадлежат пакеты, идущие от разных маршрутизаторов, и имеется возможность определить, от которого из них пришел пакет с данной меткой. В связи с этим обстоятельством вероятность того, что пространство меток будет исчерпано, очень мала.

Для распределения меток может использоваться либо специальный протокол LDP (Label Distribution Protocol), либо модифицированная версия одного из существующих протоколов сигнализации (например, протокола RSVP).

Каждый LSR содержит таблицу, которая ставит в соответствие паре величин «входной интерфейс, входящая метка» пару величин «выходной интерфейс, исходящая метка». Получив пакет, LSR определяет для него выходной интерфейс (по входящей метке и по номеру интерфейса, куда пакет поступил). Входящая метка заменяется исходящей (записанной в соответствующем поле таблицы), и пакет пересылается к следующему LSR. Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений в полях одной строки таблицы и занимает гораздо меньше времени, чем сравнение IP-адреса отправителя с адресным префиксом в таблице маршрутов при традиционной маршрутизации.

MPLS предусматривает два способа пересылки пакетов. При одном способе каждый маршрутизатор выбирает следующий участок маршрута самостоятельно, а при другом заранее задается цепочка маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет. Второй способ основан на том, что маршрутизаторы на пути следования пакета действуют в соответствии с инструкциями, полученными от одного из LSR данного LSP (обычно - от нижнего, что позволяет совместить процедуру «раздачи» этих инструкций с процедурой распределения меток).

Поскольку принадлежность пакетов тому или иному FEC определяется не только IP-адресом, но и другими параметрами, нетрудно организовать разные LSP для потоков пакетов, предъявляющих разные требования к QoS. Каждый FEC обрабатывается отдельно от остальных - не только в том смысле, что для него образуется свой LSP, но и в смысле доступа к общим ресурсам (полосе пропускания канала, буферному пространству). Поэтому технология MPLS позволяет очень эффективно поддерживать требуемое QoS, соблюдая предоставленные пользователю гарантии.

Конечно, подобный результат удается получить и в обычных IP-сетях, но решение на базе MPLS проще и гораздо лучше масштабируется.