9.3 Технология mpls

Технология многопротокольной коммутации с помощью меток

В решении задачи повышения качества услуг мультисервисных магистральных IP-сетей особая роль отведена технологии многопротокольной коммутации с помощью меток (Multiprotocol Label Switching, MPLS) [70].

В IP-сети выделяют домен MPLS (рисунок 9.8), состоящий из высокоскоростных коммутаторов (Label Switching Router, LSR), обеспечивающих коммутацию с помощью меток (Label) и доставку IP-пакетов без анализа заголовков пакетов.

Информация о классе трафика передается в поле класса услуги (CoS) метки MPLS. Выделение путей (Label Switched Path, LSP), в транзитных узлах которых коммутация пакетов выполняется с помощью меток, внутри домена MPLS обеспечивает протокол назначения меток (Label Distribution Protocol, LDP)  специфический протокол сигнализации.

Технология MPLS (Multiprotocol Label Switching) использует коммутацию пакетов с помощью меток и применяется для доставки информации в транспортной сети NGN.

На рисунке 9.9 приведен формат метки (Label), с помощью которой помечаются пакеты, пересылаемые в интерфейсе между соседними узлами (LER – LSR, LSR – LSR, LSR – LER) домена MPLS.

В формате метки имеется 4 поля: время жизни пакета (Time to Live)  8 бит; индикатор стека меток (Stack Identifier, SI)  1 бит (SI=1 – последняя (нижняя) метка стека); признак приоритетности кадра (Exp)  3 бита; собственно метка (Label) – 20 бит.

На рисунке 9.10 показаны граничные (Label Edge Router, LER) и транзитные маршрутизаторы (Label Switching Router, LSR) домéна MPLS, коммутирующие пакеты с помощью меток.

На рисунке 9.11 показан путь (Path) передачи помеченных пакетов от одного граничного маршрутизатора до другого через цепочку коммутаторов (LSR 2, LSR 3, LSR 4).

На рисунке 9.12 показан способ доставки данных двух классов (FEC - Forwarding Equivalence Class) в домéне MPLS.

Потоки пакетов IP пересылаются через Internet без гарантий качества доставки. Если информация пользователей чувствительна к задержке, потерям, джиттеру задержки, то для пакетов предварительно может быть создан путь в домéне MPLS, показатели качества доставки в котором гарантируются. Для каждого класса доставки (FEC) пакетов может быть создан отдельный путь.

На рисунке 9.12 показано два пути для помеченных пакетов классов A (стек меток L5, L7 домéна с технологией ATM) и B (стек меток L11, L33 домéна с технологией FR) с определенными гарантиями качества доставки информации.

Путь, созданный для доставки помеченных пакетов от входного граничного маршрутизатора LER 1 до выходного маршрутизатора LER 2, может состоять из нескольких звеньев. В каждом звене пути используется уникальная метка.

В технологии MPLS используется принцип разделения маршрутизации и доставки (пересылки). На рисунке 9.13 приведены протоколы маршрутизации прикладного уровня, которые используют план распределения информации (ПРИ) и топологию сети для формирования таблиц маршрутизации и коммутационных таблиц для коммутирующих маршрутизаторов LER и LSR.

Базовые компоненты MPLS разделены на следующие уровни:

• протокол маршрутизации сетевого уровня (network layer IP routing protocols);

• доставка данных вне сетевого уровня (edge of network layer forwarding);

• коммутация с использованием меток в ядре сети (core network label-based switching);

• детализация и схемотехника меток (label schematics and granularity);

• сигнальный протокол для распределения меток (signaling protocol for label distribution);

• управление трафиком (traffic engineering);

• совмещение вариантов доставки данных на 2-ом протокольном уровне [ATM, Frame Relay, PPP] - compatibility with various Layer-2 forwarding paradigms (ATM, Frame Relay, PPP).

На рисунке 9.14 приведен стек протоколов MPLS. На прикладном уровне решаются задачи маршрутизации, распределения меток (LDP). Доставка сигнальных сообщений протокола LDP может быть поддержана протоколами TCP и UDP транспортного уровня Internet. Протоколы маршрутизации и распределения меток используют оперативную информацию библиотеки программ и данных (LIB). Протокол маршрутизатора IP с функциями MPLS использует таблицу коммутации (MPLS Fwd) для присвоения пакетам меток. Дополнительные данные для маршрутизации пакетов в домене MPLS, отсутствующие в заголовке пакетов IP и учитывающие требования протоколов верхних уровней, могут быть получены из библиотеки программ и данных.

Стек меток

Помеченные пакеты могут нести в себе несколько меток, уложенных в порядке “последним пришел - первым вышел”. Будем называть это стеком меток. Обработка всегда базируется на верхней метке, без учета того, что некоторое число других меток лежало поверх данной в прошлом, или того, что какое-то их число лежит под ней сейчас (рисунок 9.15). Если стек меток имеет глубину m, то считается, что метка на дне стека размещена на уровне 1, метка над ней (если таковая имеется) имеет уровень 2, а метка наверху стека имеет уровень m.

Запись “следующая пересылка с помощью метки” (Next Hop Label Forwarding, NHLFE) используется при переадресации помеченных пакетов. Здесь содержится следующая информация:

• следующий шаг пакета;

• операция, которая должна быть произведена над стеком меток.

Возможны операции над стеком меток:

a) заместить метку наверху стека специфицированной новой меткой;

b) извлечь метку из стека;

c) заместить метку наверху стека специфицированной новой меткой и затем ввести в стек одну или более специфицированных меток.

Следующим шагом пакета в домене MPLS может стать текущий коммутирующий маршрутизатор (LSR). В этом случае LSR должен будет извлечь метку из стека и затем переадресовать полученный пакет самому себе. Затем он примет следующее решение переадресации, базирующееся на полученном состоянии стека меток. Это подразумевает, что в некоторых случаях LSR должен будет работать с IP-заголовком для того, чтобы переадресовать пакет в IP-сеть.

Протокол распределения меток LDP

Пользователями LDP являются коммутирующие маршрутизаторы LSR. Они обмениваются сообщениями LDP во время сеанса связи. В состав сообщений LDP входят:

• открытие / завершение сеанса связи;

• обнаружение, для извещения соседнего LSR (“Привет”);

• создание/удаление/изменение метки;

• уведомление об ошибках и советы.

Сообщения обнаружения (соседнего LSR) пересылаются с помощью протокола UDP. Все другие сообщения требуют гарантированной доставки и поэтому пересылаются с помощью протокола TCP. Сообщения “Привет” посылаются на порт 646 UDP. Сообщения открытия сеанса связи посылаются на порт 646 TCP. В первой версии протокола LDP отсутствуют широковещание, доставка по нескольким путям и гарантии качества доставки.

Процесс присвоения пары “FEC-метка” потоку пакетов в каждом звене пути внутри домена MPLS, является весьма ответственным. Поручать пересылку этой информации протоколу UDP нельзя из-за возможности потери. Для пересылки сообщений “запрос метки” и “присвоение метки” предварительно должен быть открыт сеанс связи с помощью протокола TCP. После установления виртуального соединения с помощью протокола TCP может состояться обмен сообщениями для присвоения метки с высокой вероятностью доставки информации.

Последовательность обмена сообщениями протокола LDP

На рисунке 9.16 приведен пример обмена сообщениями протокола LDP, переносимыми с помощью протоколов UDP и TCP.