Úvod do MPLS
Multi-Protocol Label Switching (MPLS) bol vo svojej podstate predstavený ako cesta k zvýšeniu rýchlosti smerovania, ale v súčasnosti sa vynára jeho využitie ako rozhodujúci technologický štandard, ktorý ponúka nové možnosti pre širokú škálu IP sietí. Riadenie prevádzky (Traffic Engineering-TE), ako schopnosť sieťových operátorov určovať cestu, ktorou bude smerovaná prevádzka v ich sieti a podpora virtuálnych privátnych sietí (Virtual Private Network-VPN) sú príkladom dvoch aplikácii MPLS.
Ak je MPLS používané spolu s diferencovanými službami (DiffServ), vynúteným smerovaním (constraint routing) a plánovaním prevádzky (TE), môžeme v oblasti IP sietí reálne dosahovať požadované parametre kvality služby (Quality of Services - QoS).
Riadenie prevádzky umožňuje predchádzať zahlteniu siete optimálnym rozložením záťaže, čím prispieva k efektívnejšiemu využívaniu prenosových médií, čo je v súčasnom rastúcom zaťažení sietí doslova nevyhnutné. MPLS je zavádzaná práve kvôli zvýšeniu optimalizácie IP sietí a dosiahnutiu požadovaných hodnôt parametrov oneskorenia, zvýšenie priepustnosti, zníženie stratovosti paketov a vo všeobecnosti zvýšenia výkonnosti siete s čo najvyššou spoľahlivosťou.
Podstata MPLS je vo vytváraní krátkych značiek (Label) pevnej dĺžky, ktoré vystupujú ako reprezentácie IP hlavičiek jednotlivých paketov. V sieti pracujúcej na báze MPLS protokolu, sú IP pakety enkapsulované spolu s týmito značkami v prvom zariadení pri vstupe do siete MPLS.
MPLS hlavička (Shim Header) sa vkladá medzi hlavičku protokolu druhej a tretej vrstvy. To umožňuje rýchlejšie prepínanie paketov, lebo smerovač rozbaľuje prichádzajúce pakety len po MPLS hlavičku, na základe ktorej je paket následne smerovaný. Protokol MPLS sa aj preto nazýva „Layer 2“ protokol.
MPLS hlavička má zásobníkový charakter a umožňuje vrstvenie značiek a vytváranie hierarchických dátových tokov (Label Switch Path - LSP). Aby LSR vedel, ktorá značka je na vrchole zásobníka, obracia sa najskôr na pole Stack, v ktorom je to jasne identifikované.
Vloženie MPLS hlavičky do IP paketu a Formát MPLS hlavičky.
Shim hlavička pozostáva z 32 bitov rozdelených do štyroch častí:
- Značka (Label) – 20 bitová pole použité na značku,
- EXP (Experimental) – 3 bitové pole pre experimentálne použitie (napr. DiffServ),
- S (Bottom of Stack) – 1 bitové pole, identifikátor umiestnenia značky v zásobníku,
- TTL (Time To Live) – 8 bitové pole, čas žitia paketu, ktorý má podobný význam ako TTL v hlavičke IP paketu.
MPLS okrajový smerovač (Ingress Edge-Label Switch Router, I-LSR) analyzuje obsah IP hlavičky a vyberá vhodnú značku, s ktorou je paket enkapsulovaný. I-LSR prichádzajúce pakety priraďuje do jednotlivých smerovacích tried (Forwarding Equivalence Class-FEC). FEC je množina paketov s rovnakým cieľovým uzlom a rovnakým smerovaním, do ktorej môže byť paket priradený na základe parametrov akými sú vstupný uzol, výstupný port, cieľová adresa, atď.
Paket je následne prepínaný vnútornými smerovačmi (Core-LSR) v sieti len podľa značky. Pri výstupe paketu z MPLS siete je okrajový smerovač (Egress-LSR), ktorý príslušnú značku odstráni a paket sa ďalej šíri samostatne na základe IP hlavičky.
LSR vykonávajú operácie so značkami podľa obsahu poľa Instruction v ich smerovacích tabuľkách (Label Information Base-LIB). LSR môžu vložiť novú značku, vymeniť ju za inú, alebo značku odstrániť.
Smerovacie tabuľky môžu byť napĺňané dvoma spôsobmi s ohľadom na to, či sa jedná o hop-by-hop smerovanie alebo explicitné smerovanie. Pri hop-by-hop smerovaní sú LIB napĺňané na základe informácii zo smerovacích protokolov (OSPF, IS-IS) rozposielaných ostatnými smerovačmi. Jedná sa v princípe o vytvorenie LSP pre FEC na základe smerovania používaného v IP sieťach. Avšak s tým rozdielom, že pri MPLS sa vytvorí LSP a teda dané smerovače nerozhodujú o ďalšom smerovaní pre každý paket nezávisle, ale pakety sú smerované podľa FEC, ktorá určuje do ktorej LSP daný paket patrí.
Podľa LSP je v konkrétnom LSR uzle hlavička paketu rozšírená o značku, ktorá slúži na identifikáciu LSP pre ďalšie LSR. Pre vytvorenie LSP sa používajú rôzne smerovacie protokoly v závislosti na tom, či sa jedná o smerovanie vo vnútri siete alebo smerovanie medzi jednotlivými sieťami WAN. V prípade smerovania vo WAN sa požíva rozšírený BGP (Border Gateway Protocol) smerovací protokol.
Pri explicitnom smerovaní sú smerovacie tabuľky vytvárané administrátorom siete, ktorý tak určí explicitnú trasu paketov. Vytvorená cesta môže, ale aj musí byť optimálna, je definovaná na základe pohľadu na topológiu MPLS siete. Ak sa zistí, že v niektorej časti siete sú linky príliš vyťažené a v inej časti menej, administrátor siete môže pre niektoré toky vytvoriť novú LSP a tým rozmiestniť záťaž na celú sieť.
Ak je LSP vytvorená podľa požiadaviek na QoS, je to nazývané ako „vynútené smerovanie“. Pre vytvorenie LSP na základe QoS sa používajú signalizačné protokoly. Ich úlohou je vytvoriť LSP, ako aj rozšíriť potrebné informácie o danej LSP medzi uzlami, ktoré sa priamo zúčastňujú na vytvorení danej LSP. Explicitné smerovanie je základom plánovania prevádzky (TE) v sieti MPLS.
Základný model architektúry MPLS siete
LER – Label Edge Router
LBR – Label Switch Router
Distribúcia Značiek
LSR smerovače musia vedieť ako spracovať pakety s prichádzajúcimi značkami, na čo im slúži cross-connect tabuľka, označovaná aj LIB (Label Information Base). Každý smerovač si vytvára svoju vlastnú LIB.
Sú dva používané spôsoby ukladania do tejto tabuľky:
- Nezávislé Riadenie (Independent Control),
- Závislé Riadenie (Ordered Control).
Nezávislé riadenie nastane, keď v sieti nie je určený manažér značiek (label manager).
Výhody nezávislého Riadenia:
Zabezpečí rýchlu sieťovú konvergenciu. Ak smerovač zistí zmenu smerovania, môže prenášať informáciu k všetkým ostatným smerovačom.
Nevýhody nezávislého Riadenia:
Nemá bod na control making traffic, čo robí riadenie ťažším.
Pri závislom riadení má jeden smerovač funkciu manažéra značiek, ktorý zabezpečuje distribúciu značiek v celej sieti.
Výhody závislého riadenia:
Lepšie riadenie prevádzky a zabezpečenie kontroly siete.
Nevýhody závisleho riadenia:
Pomalá časová konvergencia a manažér značiek je častým zdrojom poruchy.
Závislé riadenie používa dve významné metódy spustenia distribúcie značiek:
- V smere toku nežiadaný (down-stream unsolicited),
- V smere toku vyžiadaný (down-stream on demand).
Smerovanie v sieti MPLS
Metódy smerovania
Implicitné smerovanie
Implicitné smerovanie známe ako hop-by-hop smerovanie, ktoré sa používa v MPLS sieťach je rozdielne od smerovania v sieti IP.
V IP sieti sa smerovanie vykonáva na základe cieľovej IP adresy, ktorá sa nachádza v hlavičke IP paketu. Smerovanie sa robí na tretej sieťovej vrstve a ide o smerovanie bez spojenia. Každý smerovač v sieti sa samostatne rozhoduje o tom, ktorou trasou pôjde daný paket. Protokoly využívané v IP však nezahŕňajú iné parametre ako napríklad oneskorenie, alebo zahltenie siete, čo neumožňuje zabezpečiť požiadavky na kvalitu služieb. V IP sa využívajú smerovacie protokoly ako napríklad OSPF (Open Shortest Path First), alebo RIP (Routing Information Protocol).
Princíp smerovania v IP sieti
Hop-by-hop smerovanie v sieti MPLS vytvára LSP pre FEC na základe IP smerovania používaného v IP sieťach. Rozdielom je, že pri MPLS sa vytvorí LSP a zodpovedné smerovače už ďalej nerozhodujú o ďalšom smerovaní pre každý paket nezávisle, ale pakety sú smerované podľa FEC, na základe ktorej je jednoznačne určené do ktorej LSP daný paket patrí. Pre danú LSP je paketu v konkrétnom LER uzle priradená značka, ktorá bude slúžiť na identifikáciu LSP pre ostatné smerovače LSR. Smerovač LSR zmení pôvodnú značku inou novou značkou, podľa ktorej sa bude rozhodovať ďaľší smerovač LSR o jeho nasledujúcom smerovaní. Na vytvorenie LSP sa používajú rôzne smerovacie protokoly a tie závisia od toho, v akom prostredí sa smeruje.
