Глава 4. Многопротокольная коммутация по меткам

Заголовок 2 уровня Метка MPLS

IP-заголовок

Поле данных

4.1. Основы MPLS

Одним из перспективных направлений построения современной сетевой инфраструктуры является использование оптических технологий для организации высокоскоростной магистральной сети и единой системы сигнализации, позволяющей объединять различные типы сред и систем передачи информации. В качестве такой объединяющей технологии в настоящий момент рассматривается технология многопротокольной коммутации по меткам (Multiprotocol LabeLSwitch-ing, MPLS). Данная технология представляет собой попытку ускорить продвижение IP-пакетов и сохранить гибкость, характерную для IP-сетей, с помощью механизмов управления трафиком и поддержания качества обслуживания, применяющихся в сетях ATM. Внедрение технологии MPLS позволяет сохранить все лучшее, что присуще архитектуре IP-over-ATM (эффективное мультиплексирование и гибкость трафика, высокая производительность), и при этом она еще больше повышает масштабируемость сетей, упрощает их построение и эксплуатацию. Важно и то, что MPLS может использоваться не только с ATM, но и с любой другой технологией канального уровня. MPLS использует и развивает концепцию виртуальных каналов, используемых в сетях Х.25, Frame Relay, объединяя ее с техникой выбора путей на основе информации о топологии и текущей загрузке сети, получаемой с помощью протоколов маршрутизации сетей IP. Это упрощает переход к следующему поколению волоконно-оптических магистралей Интернет на основе технологий SDH/WDM или IP/WDM.

MPLS - это технология быстрой коммутации пакетов в многопротокольных сетях, основанная на использовании меток. MPLS сочетает в себе управление трафиком, характерное для технологий канального уровня, масштабируемость и гибкость протоколов сетевого уровня. Многопротокольность в названии технологии означает, что MPLS -инкапсулирующий протокол и может транспортировать множество других протоколов ( рис. 4.1) [1].

Сети ряда Интернет-провайдеров построены сегодня на основе многоуровневой модели, подразумевающей, что логическая маршрутизируемая IP-сеть функционирует поверх коммутируемой топологии второго уровня (ATM либо Frame Relay) и независимо от нее. Коммутаторы второго уровня обеспечивают высокоскоростные соединения, в то время как IP-маршрутизаторы на периферии сети, связанные!

Уровень 7

Уровень б

Уровень 5

Уровень 4

Уровень 3

Уровень 2

Уровень 1

Рис. 4.1. Технология MPLS в IP-сетях и модель OSI/ISO

друг с другом сетью виртуальных каналов второго уровня, осуществляют интеллектуальную пересылку IP-пакетов.

Таким образом, MPLS - это один из шагов на пути эволюционного развития сети Интернет в сторону упрощения ее инфраструктуры путем интеграции функций второго (коммутация) и третьего (маршрутизация) уровней.

В спецификации технологии MPLS заложен принцип разделения функций транспортировки потоков и управления ими (рис. 4.2). Отделение управляющей компоненты от пересылающей позволяет разрабатывать и модифицировать каждую из них независимо. Естественное обязательное требование состоит в том, чтобы управляющая компонента могла передавать информацию пересылающей компоненте через таблицу пересылки пакетов. Управляющая компонента задействует стандартные протоколы маршрутизации (OSPF, IS-IS, BGP-4) для обмена информацией с другими маршрутизаторами. На основе этой информации формируется и модифицируется сначала таблица маршрутизации, а затем, с учетом информации о смежных системах на каждом интерфейсе - таблица пересылки пакетов. Когда система получает новый пакет, пересылающая компонента анализирует информацию, содержащуюся в его заголовке, ищет соответствующую запись в таблице пересылки и направляет пакет на выходной интерфейс. Пересылающая компонента практически всех систем многоуровневой коммутации, включая и MPLS, основана на использовании последовательных меток пакетов. Метка - это короткое поле фиксированной длины в заголовке пакета.

С помощью MPLS можно решать следующие задачи: - интеграцию ATM и Frame Relay с IP;

~ ускоренное продвижение пакетов внутри сети оператора вдоль кратчайших традиционных маршрутов;

Обновление маршрутной информации

Управление

Протокол маршрутизации

Таблица маршрутизации

Пересылка пакетов

Входящие пакеты

Обновление маршрутной информации

Таблица пересылок

Обработка пакетов

. J

I

Сетевой адаптер

Коммутирующая инфраструктура

Сетевой адаптер

Исходящие пакеты

Рис. 4.2. Функциональные компоненты маршрутизации

- создание виртуальных частных сетей (VPN);

- выбор и установление путей с учетом загрузки ресурсов (Traffic Engineering, ТЕ).

В книге не рассматриваются детально все возможности технологии IVIPLS. Желающие могут ознакомиться с ними, используя [2]. IVIbi ограничимся одним из наиболее важных применений технологии IVIPLS, а именно, службой VPN.

4.2. Элементы сети MPLS

В сетях, многопротокольной коммутации по меткам (IVIPLS-ceTflx), используются два вида сетевых узлов. Расположенные на границе сети IVIPLS маршрутизаторы должны распознавать и анализировать поступающие IP-потоки и направлять их по подходящим маршрутам. Эти устройства называются пограничными маршрутизаторами с коммутацией меток (Label Edge Router,LER), Различают входной и выходной LER.

Входной LER анализирует, как и обычный маршрутизатор, IP-заголовок и устанавливает, к какому классу эквивалентного обслу-

живания (Forwarding Equivalency Class, FEC) при выборе адреса следующей передачи пакета он принадлежит. FEC - класс пакетов сетевого уровня, которые получают от сети одинаковое обслуживание как при выборе пути продвижения пакета, так и с точки зрения доступа к ресурсам.

Абстрагирование отдельных пакетов в класс эквивалентности (или класс эквивалентного обслуживания, что одно и то же) FEC позволяет объединять большое количество потоков трафика, требующих одинаковой обработки. Объединенные в класс эквивалентности FEC потоки трафика идентифицируются одной и той же MPLS-меткой. Возможность объединения потоков трафика независимо от адреса сетей назначения значительно увеличивает возможность MPLS к масштабированию за счет уменьшения объема информации о маршрутах, хранимой и обрабатываемой маршрутизаторами коммутации меток (LSR-маршрутизаторами).

IP-дейтаграмма заключается в модуль данных протокола (Protocol Data Unit, PDU) технологии MPLS, a заголовок MPLS прикрепляется к дейтаграмме. Если заголовок объединен с операцией QoS (например, DiffServ), то входной LER будет рассматривать трафик в соответствии с правилами DiffServ. Далее LER принимает решение о выборе пути для данного пакета, посылая его к соответствующему транзитному маршрутизатору с коммутацией меток (Label Switch Routers, LSR). LSR получает PDU и использует заголовок MPLS для принятия решений пересылки. Он также производит замену меток. Данный LSR не занимается обработкой заголовка третьего уровня (IP-заголовка), а принимает решение о пересылке на основе метки пакета, а не на основе таблицы маршрутизации, и пересылает пакет дальше.

Далее, проходя, в общем случае, через несколько LSR, пакет попадает к выходному LER, который производит операцию разборки PDU, удаляет из пакета метку, анализирует заголовок пакета и направляет его к адресату, находящемуся вне MPLS-сети (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Элементы сети MPLS

Пакеты, принадлежащие одному классу FEC, проходят путь от входного LER до выходного LER через множество транзитных LSR, образуя виртуальный коммутируемый по меткам тракт или путь (Label Switched Path, LSP). Установленное соединение является симплексным. Для организации полудуплексного соединения должны быть установлены два LSP. LSP всегда начинается на крае сети, заканчивается на противоположном конце, проходя через несколько транзитных маршрутизаторов.

4.3. Некоторые особенности технологии MPLS

4.3.1. Метки и способы маркировки

Метка - короткий идентификатор фиксированной длины, используемый на локальном участке сети, предназначен для определения класса эквивалентного обслуживания пакета при его пересылке по сети. На сегодняшний день стандартом определен формат 32-битной метки, располагаемой между заголовками второго уровня (Layer 2) и третьего уровня (Layer 3). Для примера рассмотрим включение метки в IP-пакет заголовка Ethernet (рис. 4.4).

- Поле Метка - состоит из 20 бит и содержит собственное значение метки, используемое для определения маршрутизатора следующего шага, т. е. для продвижения пакетов.

- Cos (Class of Service) - поле необходимо для предоставления дифференциальных услуг в MPLS-сети. Для сквозного обеспечения QoS на границе MPLS-сети можно скопировать поле IP-приоритета в поле CoS. Поле состоит из 3 бит. Таким образом, в нем может передаваться только 3-битовое поле IP-приоритета, а 6-битового поля дифференцированной услуги (Differentiated Services Code Point, DSCP) - нет. При необходимости CoS может передаваться в виде одной из меток MPLS-стека. Поле метки способно вместить как поле IP-приоритета, так и поле DSCP.

- S - поле стека предназначено для поддержки иерархического стека меток. Бит S устанавливается в единицу для последней метки в стеке и в ноль для всех остальных меток стека. Это позволяет

Ethernet

Рис. 4.4. Формат метки MPLS

привязать префикс к нескольким меткам, другими словами - к стеку меток. Каждая метка стека имеет свои собственные значения поля CoS, S-бита и поле TTL.

- Время жизни (Time То Live , TTL) - 8 бит, используемых для кодирования количества ретрансляционных участков.

Поле Время жизни является ключевым полем в заголовке IP-пакета. Обычно в объединенной IP-сети это поле уменьшается на единицу на каждом участке маршрута, и когда значение счетчика достигает нуля, пакет отбрасывается. Это делается для того, чтобы избежать зацикливания пакета или слишком долгого пребывания пакета в объединенной сети из-за неверной маршрутизации. Поскольку LSR не исследует IP-заголовок, поле времени жизни включается в метку, что позволяет сохранить функциональность этого поля. Правила обработки поля времени жизни в метке:

1. Когда IP-пакет прибывает на входной пограничный маршрутизатор MPLS-домена (домен - это MPLS-сеть), в стек пакета помещается одна метка. Значение поля времени жизни этой метки устанавливается равным значению поля времени жизни IP-заголовка.

2. Когда MPLS-пакет прибывает на очередной транзитный маршрутизатор MPLS-домена, значение поля времени жизни в метке, находящейся на вершине стека, уменьшается на единицу.

- Если получившееся значение времени жизни нулевое, MPLS-пакет дальше не передается. В зависимости от значения метки в стеке, пакет либо просто отбрасывается, либо передается соответствующему обычному сетевому уровню для обработки ошибок (например, для формирования сообщения об ошибке с использованием протокола межсетевых управляющих сообщений - Internet Control Message Protocol, 1С MP) [2].

- Если получившееся значение времени жизни положительное, оно помещается в поле времени жизни в верхней записи стека для исходящего MPLS-пакета, после чего сам MPLS-пакет перенаправ-

, ляется дальше. Исходящее значение поля времени жизни является функцией только входящего значения поля времени жизни и не зависит от того, были ли помещены в стек или извлечены из стека какие-либо метки до того, как переправить пакет дальше. Значения полей времени жизни в записях, не находящихся на

вершине стека, на ход обработки не влияют. : 3. Когда MPLS-пакет прибывает на выходной пограничный маршрутизатор MPLS-домена, значение поля времени жизни, единственной находящейся в стеке записи, уменьшается на единицу, после чего метка извлекается из стека и стек меток становится пустым. В этом случае пакет выдается пользователю либо на сетевой уровень для обработки ошибок.