Введение
Схема маршрутизации сети на основе меток, идентифицирующих пути. Многопротокольное переключение пакетов (MPLS) — это техника маршрутизации в телекоммуникационных сетях, которая направляет данные от одного узла к другому на основе меток, а не сетевых адресов. В то время как сетевые адреса идентифицируют конечные точки, метки идентифицируют установленные пути между конечными точками. MPLS может инкапсулировать пакеты различных сетевых протоколов, что и отражено в названии "многопротокольное переключение". MPLS поддерживает различные технологии доступа, включая T1/E1, ATM, Frame Relay и DSL.
Multiprotocol Label Switching (MPLS) is a routing technique in telecommunications networks that directs data from one node to the next based on labels rather than network addresses. Whereas network addresses identify endpoints, the labels identify established paths between endpoints. MPLS can encapsulate packets of various network protocols, hence the multiprotocol component of the name. MPLS supports a range of access technologies, including T1/E1, ATM, Frame Relay, and DSL.
Роль и функционирование
В сети MPLS пакетам данных присваиваются метки. Решения о пересылке пакетов принимаются исключительно на основе содержимого этой метки, без необходимости анализа самого пакета. Это позволяет создавать сквозные каналы связи через любой тип транспортной среды, используя любой протокол. Основное преимущество заключается в устранении зависимости от конкретной технологии канального уровня модели OSI (уровня 2) и в исключении необходимости использования нескольких сетей уровня 2 для обслуживания различных типов трафика. Многопротокольная коммутация по меткам относится к семейству сетей с коммутацией пакетов. MPLS работает на уровне, который обычно рассматривается как промежуточный между традиционными определениями канального уровня OSI (уровня 2) и сетевого уровня (уровня 3), и поэтому часто называется протоколом уровня 2.5. Он был разработан для предоставления унифицированной службы передачи данных как для клиентов, использующих канальную коммутацию, так и для клиентов, использующих коммутацию пакетов, предоставляющих модель службы датаграмм. Его можно использовать для передачи различных типов трафика, включая IP-пакеты, а также встроенную асинхронную передачу (ATM), ретрансляцию кадров, синхронную оптическую сеть (SONET) или Ethernet. Ранее было развернуто несколько различных технологий с практически идентичными целями, таких как Frame Relay и ATM. Frame Relay и ATM используют метки для перемещения кадров или ячеек по сети. Заголовок кадра Frame Relay и ячейки ATM содержит информацию о виртуальной цепи, к которой принадлежит кадр или ячейка. Общим для Frame Relay, ATM и MPLS является то, что при каждом переходе по сети значение метки в заголовке изменяется. Это отличается от пересылки IP-пакетов. Технологии MPLS развивались с учетом сильных и слабых сторон ATM. MPLS разработан для обеспечения меньших накладных расходов, чем ATM, при предоставлении услуг с установлением соединения для кадров переменной длины, и во многом заменил использование ATM на рынке. MPLS избавляет от сложности коммутации ячеек и протоколов сигнализации, присущих ATM. MPLS учитывает, что небольшие ячейки ATM не требуются в ядре современных сетей, поскольку современные оптические сети достаточно быстры, чтобы даже полные пакеты размером 1500 байт не вызывали значительных задержек в очереди в реальном времени. В то же время MPLS стремится сохранить управление трафиком (TE) и внеполосное управление, которые сделали Frame Relay и ATM привлекательными для развертывания крупномасштабных сетей.
Маркировка коммутатора
MPLS-маршрутизатор, выполняющий маршрутизацию исключительно на основе метки, называется маркировочным коммутатором (LSR) или транзитным маршрутизатором. Это тип маршрутизатора, расположенный в центральной части сети MPLS. Он отвечает за переключение меток, используемых для маршрутизации пакетов. Когда LSR получает пакет, он использует метку, содержащуюся в заголовке пакета, как индекс для определения следующего шага на пути переключения меток (LSP) и соответствующей метки для пакета из таблицы поиска. Затем старая метка удаляется из заголовка и заменяется новой меткой, после чего пакет пересылается дальше.
Маркировка краев маршрутизатора
Крайний маршрутизатор (LER, также известный как крайний LSR) – это маршрутизатор, работающий на границе сети MPLS и служащий точками входа и выхода из сети. LER накладывает метку MPLS на входящий пакет и удаляет ее из исходящего пакета. В качестве альтернативы, при использовании механизма удаления метки на предпоследнем участке пути, эту функцию может выполнять LSR, непосредственно подключенный к LER. При пересылке IP-датаграммы в домен MPLS, LER использует информацию о маршрутизации для определения соответствующей метки, присваивает пакету эту метку и затем пересылает помеченный пакет в домен MPLS. Аналогично, при получении помеченного пакета, предназначенного для выхода из домена MPLS, LER удаляет метку и пересылает полученный IP-пакет, используя стандартные правила IP-маршрутизации.
Провайдер маршрутизатора
В конкретном контексте виртуальной частной сети (VPN) на основе MPLS, LER, выполняющие функции входных или выходных маршрутизаторов для VPN, часто называют маршрутизаторами граничной сети провайдера (PE). Устройства, выполняющие только функцию транзитных маршрутизаторов, аналогично называются маршрутизаторами провайдера (P). Задача P-маршрутизатора значительно проще, чем задача PE-маршрутизатора.
Протокол распределения этикеток
Этикетки могут распространяться между LER и LSR с использованием протокола распределения меток (LDP) или протокола резервирования ресурсов (RSVP). LSR в сети MPLS регулярно обмениваются информацией о метках и доступности между собой, используя стандартизированные процедуры, чтобы сформировать полное представление о сети и затем использовать эту информацию для пересылки пакетов.
Переключенные на этикетку пути
Маркированные пути переключения (LSP) устанавливаются оператором сети для различных целей, например, для создания виртуальных частных IP-сетей на основе сети или для маршрутизации трафика по заданным путям в сети. Во многом LSP не отличаются от постоянных виртуальных каналов (PVC) в сетях ATM или Frame Relay, за исключением того, что они не привязаны к конкретной технологии второго уровня.
Маркировка переключения пути
Переключенный путь (LSP) — это путь в сети MPLS, устанавливаемый системой управления сетью (NMS) или протоколом сигнализации, таким как LDP, RSVP TE, BGP (или устаревший CR LDP). Путь устанавливается на основе критериев, определенных в FEC. Путь начинается с LER, который принимает решение о том, какую метку добавить к пакету, основываясь на соответствующем FEC. Затем он пересылает пакет следующему маршрутизатору в пути, который заменяет внешнюю метку пакета на другую и пересылает его дальше. Последний маршрутизатор в пути удаляет метку из пакета и пересылает пакет на основе заголовка следующего уровня, например IPv4. Поскольку пересылка пакетов через LSP непрозрачна для верхних уровней сети, LSP также иногда называют MPLS-туннелем. Маршрутизатор, который впервые добавляет заголовок MPLS к пакету, является входящим маршрутизатором. Последний маршрутизатор в LSP, который удаляет метку из пакета, называется исходящим маршрутизатором. Маршрутизаторы между ними, которым требуется только заменять метки, называются транзитными маршрутизаторами или маршрутизаторами переключения меток (LSR). Важно отметить, что LSP являются однонаправленными; они обеспечивают переключение пакетов через сеть MPLS от одной конечной точки к другой. Поскольку обычно требуется двунаправленная связь, вышеупомянутые протоколы динамической сигнализации могут автоматически установить отдельный LSP в обратном направлении. При рассмотрении защиты каналов связи, LSP можно классифицировать как первичные (действующие), вторичные (резервные) и третичные (LSP крайней необходимости).
Установка и удаление дорожек
Существует два стандартизированных протокола для управления MPLS-путями: протокол распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP) и RSVP TE, расширение протокола резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP) для управления трафиком. Кроме того, существуют расширения протокола граничных шлюзов (Border Gateway Protocol, BGP), которые могут использоваться для управления MPLS-путем.
Адресация многоканального вещания
Мультикаст в основном не учитывался при проектировании MPLS и был добавлен позже с помощью point-to-multipoint RSVP TE. Это было вызвано потребностями операторов связи в передаче широкополосного видео по MPLS. IETF также представила многоточечный LSP (HSMP LSP). HSMP LSP в основном используется для мультикаста, синхронизации времени и других задач.
Отношение к Интернет-протоколу
MPLS работает в сочетании с протоколом Интернет (IP) и его протоколами маршрутизации, обычно протоколами внутренних шлюзов (IGP). MPLS LSP обеспечивают динамические, прозрачные виртуальные сети с поддержкой трафиковой инженерии, возможностью транспортировки VPN-сетей уровня 3 (IP) с перекрывающимися адресными пространствами и поддержкой псевдопроводов уровня 2 с использованием Pseudowire Emulation Edge to Edge (PWE3), способных транспортировать различные транспортные полезные нагрузки (IPv4, IPv6, ATM, Frame Relay и т.д.). Устройства, поддерживающие MPLS, называются LSR. Пути, известные LSR, могут быть определены с помощью явной пошаговой конфигурации, динамически маршрутизированы алгоритмом Constrained Shortest Path First (CSPF) или настроены как свободный маршрут, избегающий определенный IP-адрес, либо как частично явный и частично динамический маршрут. В чистой IP-сети выбирается кратчайший путь к месту назначения, даже если этот путь становится перегруженным. В то же время, в IP-сети с маршрутизацией MPLS Traffic Engineering CSPF учитываются и такие ограничения, как пропускная способность RSVP на проходящих по маршруту каналах связи, благодаря чему выбирается кратчайший путь с доступной пропускной способностью. MPLS Traffic Engineering опирается на использование TE-расширений для протоколов Open Shortest Path First (OSPF) или Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) и RSVP. Помимо ограничения пропускной способности RSVP, пользователи могут определять собственные ограничения, указывая атрибуты каналов связи и специальные требования к туннелям для маршрутизации (или исключения маршрутизации) через каналы с определенными атрибутами. Конечные пользователи не видят использование MPLS напрямую, но могут предположить его при выполнении трассировки маршрута: в пути отображаются только узлы, выполняющие полную IP-маршрутизацию, а не узлы MPLS, используемые между ними. Поэтому, если пакет переходит между двумя очень удаленными узлами, и в сети этого провайдера (или AS) практически не видно других "переходов", то, скорее всего, эта сеть использует MPLS.
MPLS локальная защита
В случае отказа сетевого элемента при использовании механизмов восстановления на уровне IP, восстановление может занять несколько секунд, что может быть неприемлемо для приложений реального времени, таких как VoIP. В отличие от этого, локальная защита MPLS удовлетворяет требованиям приложений реального времени, обеспечивая время восстановления, сопоставимое с временем восстановления в сетях с использованием технологии shortest path bridging или кольцах SONET, составляющее менее 50 мс.
Сравнения
MPLS может использовать существующие сети ATM или инфраструктуру Frame Relay, поскольку его помеченные потоки могут быть сопоставлены с идентификаторами виртуальных каналов ATM или Frame Relay, и наоборот.
Реле рамки
Frame Relay был разработан для более эффективного использования существующих физических ресурсов, что позволяло телекоммуникационным компаниям (телекомам) предоставлять услуги передачи данных с недостаточной пропускной способностью, поскольку клиенты редко использовали эти услуги на 100% от максимальной мощности. Соответственно, избыточная продажа пропускной способности телекомами, хотя и финансово выгодная для провайдера, могла напрямую влиять на общую производительность сети. Телекомы часто предлагали Frame Relay предприятиям в качестве более дешевой альтернативы выделенным линиям; его применение в различных географических регионах в значительной степени зависело от политики правительств и телекоммуникационных компаний. Многие клиенты перешли с Frame Relay на MPLS по IP или Ethernet, что во многих случаях позволило снизить затраты и повысить управляемость и производительность их глобальных сетей.
Асинхронный режим передачи
Хотя базовые протоколы и технологии различны, и MPLS, и ATM предоставляют сервис, ориентированный на установление соединения, для передачи данных по компьютерным сетям. В обеих технологиях соединения устанавливаются между конечными точками, состояние соединения поддерживается на каждом узле маршрута, и используются методы инкапсуляции для передачи данных по соединению. Помимо различий в протоколах сигнализации (RSVP/LDP для MPLS и PNNI для ATM), сохраняются существенные различия в поведении этих технологий. Наиболее значительное различие заключается в методах транспортировки и инкапсуляции. MPLS способен работать с пакетами переменной длины, в то время как ATM использует ячейки фиксированной длины (53 байта). Пакеты должны быть сегментированы, переданы и повторно собраны в сети ATM с использованием адаптационного уровня, что значительно усложняет поток данных и увеличивает накладные расходы. MPLS, напротив, просто добавляет метку в начало каждого пакета и передает его по сети. Существуют также различия в природе соединений. Соединение MPLS (LSP) однонаправленное, обеспечивая передачу данных только в одном направлении между двумя конечными точками. Для организации двусторонней связи между конечными точками требуется установка пары LSP. Поскольку используются два LSP, данные, передаваемые в прямом направлении, могут использовать другой маршрут, чем данные, передаваемые в обратном направлении. Соединения ATM (виртуальные каналы), напротив, двунаправленные, позволяя передавать данные в обоих направлениях по одному и тому же маршруту. И ATM, и MPLS поддерживают туннелирование соединений внутри соединений. MPLS использует укладку меток для этого, а ATM – виртуальные пути. MPLS может укладывать несколько меток для создания туннелей внутри туннелей. Индикатор виртуального пути (VPI) и индикатор виртуального канала (VCI) ATM передаются вместе в заголовке ячейки, ограничивая ATM одним уровнем туннелирования. Главное преимущество MPLS перед ATM заключается в том, что он изначально разрабатывался как дополнение к IP. Современные маршрутизаторы могут поддерживать как MPLS, так и IP нативно через общий интерфейс, предоставляя операторам сети большую гибкость в проектировании и эксплуатации сети. Несовместимость ATM с IP требует сложной адаптации, что делает его менее подходящим для современных сетей, ориентированных преимущественно на IP.
Развертывание
MPLS стандартизирован IETF. Он может использоваться для соединения всего двух объектов, а также в очень крупных сетях. На практике MPLS в основном применяется для пересылки IP-протокольных пакетов (PDU) и трафика Ethernet в рамках технологии VPLS. Основные области применения MPLS – это управление трафиком в телекоммуникациях и MPLS VPN.
Эволюция
MPLS изначально был разработан для обеспечения высокопроизводительной пересылки трафика и управления трафиком в IP-сетях. Однако он развился в Generalized MPLS (GMPLS), чтобы также позволить создание каналов LSP в сетях, не являющихся изначально IP, таких как сети SONET/SDH и оптические сети с коммутацией по длине волны.
Протоколы конкурентов
MPLS может функционировать как в среде IPv4, так и в среде IPv6, используя соответствующие протоколы маршрутизации. Главной целью разработки MPLS было повышение скорости маршрутизации. Эта цель утратила свою актуальность благодаря применению более современных методов коммутации (способных пересылать обычный IPv4 трафик с той же скоростью, что и MPLS-пакеты с метками), таких как коммутация на основе ASIC, TCAM и CAM. В настоящее время основное применение MPLS – реализация ограниченной организации трафика и VPN типа "провайдер услуг" 3-го и 2-го уровней поверх сетей IPv4.