ГЛАВА 20 Технология MPLS

Для реализации своей технологии компания Ipsilon встроила в устройства IP/ATM фирменные протоколы, ответственные за распознавание длительности потоков данных и установление виртуальных каналов для долговременных потоков. Эти протоколы были оформлены в виде проектов стандартов Интернета, но стандартами Интернета не стали.

Технология ІР-коммутации была разработана для сетей операторов связи. Эти сети при­ нимают на границе с другими сетями IP-трафик и ускоренно передают его через свою маги­ страль. Важным обстоятельством здесь является то, что одни поставщики услуг Интернета (ISP) могут применять эту технологию независимо от других, оставаясь для внешнего мира операторами обычной 1Р-сети.

Технология ІР-коммутации была сразу замечена операторами связи и стала достаточно популярной. Инициативу Ipsilon развила компании Cisco Systems, создав собственную технологию коммутации на основе тегов (tag switching), которая явилась значительным шагом вперед на пути объединения протоколов IP с техникой виртуальных соединений, однако она, так же как и ІР-коммутация, не стала стандартной технологией.

На базе этих фирменных технологий рабочая группа IETF, состоящая из специалистов различных компаний, создала в конце 90-х годов технологию MPLS.

ВMPLS был сохранен главный принцип технологий-предшественниц.

Водном и том же устройстве поддерживается два разных способа продвижения пакетов: дей­ таграммный на основе ІР-адресов и ориентированный на соединения механизм виртуальных каналов. В то же время протоколы маршрутизации используются для определения топологии сети иавтоматическогопостроениятаблиц!Р~маршутизации итаблицMPLS-продвижения. Ком­ бинированное устройство может задействовать любой из двух способов продвижения пакетов взависимости отконфигурационныхпараметров протокола MPLS.

Принцип объединения протоколов различных технологий иллюстрируют рис. 20.1 и 20.2. На первом из них показана упрощенная архитектура стандартного ІР-маршрутизатора, на втором —архитектура комбинированного устройства LSR, поддерживающего технологии

IP H MPLS.

Рис. 20.1. Архитектура ІР-маршругизатора

Рис. 20.2. Архитектура LSR

Так как устройство LSR выполняет все функции IP-маршрутизатора, оно содержит все блоки последнего, а для поддержки функций MPLS в LSR включен ряд дополнительных блоков, относящихся как к управлению, так и к продвижению данных.

В качестве примера можно указать на блок продвижения по меткам, который передает ІРпакет не на основе IP-адреса назначения, а на основе поля метки. При принятии решения овыборе следующего хопа блок продвижения по меткам использует таблицу коммутации, которая в стандарте MPLS носит название таблицы продвижения. Таблица продвижения в технологии MPLS похожа на аналогичные таблицы других технологий, основанных на технике виртуальных каналов (табл. 20.1).

Таблица 20.1. Пример таблицы продвижения в технологии MPLS

Внимательный читатель заметил, наверное, небольшое отличие данной таблицы от та­ блицы коммутации Frame Realy, представленной на рис. 19.8. Действительно, вместо поля выходного интерфейса здесь поле следующего хопа, а вместо поля выходной метки —поле действий. В большинстве случаев обработки MPLS-кадров эти поля используются точ­ но таким же образом, как соответствующие им поля обобщенной таблицы коммутации. Тоесть значение поля следующего хопа является значением интерфейса, на который нужно передать кадр, а значение поля действий —новым значением метки. Однако в некоторых случаях эти поля служат другим целям, о чем будет сказано позже.

Рассматриваемыетаблицыдля каждого устройства LSRформируются сигнальным протоколом. В MPLS используется два различных сигнальных протокола: протокол распределения меток

(label Distribution Protocol, LDP) и модификация уже знакомого нам протокола резервирования ресурсов RSVP.

Формируя таблицы продвижения наLSR, сигнальныДпрого!солпрокладываетчерезсеть вирту­ альныемаршруты, которые втехнологииMPUS называетпутями коммутации по меткам (Label Switching Path, LSP)*

В том случае, когда метки устанавливаются в таблицах продвижения с помощью протокола LDP, маршруты виртуальных путей LSP совпадают с маршрутами IP-трафика, так как они выбираются обычными протоколами маршрутизации стека TCP/IP. Модификация прото­ кола RSVP, который изначально был разработан для резервирования параметров QoS (см. раздел «Интегрированное обслуживание и протокол RSVP» в главе 18), используется для прокладки путей, выбранных в соответствии с техникой инжиниринга трафика, поэтому эта версия протокола получили название RSVP ТЕ (Traffic Engineering).

Можно также формировать таблицы MPLS-продвижения вручную, создавая там статиче­ ские записи, подобные статическим записям таблиц маршрутизации.

Пути коммутации по меткам

Архитектура MPLS-сети описана в RFC 3031 (http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc3031.txt).

Основные элементы этой архитектуры представлены на рис. 20.3, где MPLS-сеть взаимо­ действует с несколькими ІР-сетями, возможно, не поддерживающими технологию MPLS.

Рис. 20.3. MPLS-сеть

Устройство LER, являясь функционально более сложным, принимает трафик от других сетей в форме стандартных ІР-пакетов, а затем добавляет к нему метку и направляет вдоль

соответствующего пути к выходному устройству LER через несколько промежуточных устройств LSR. При этом пакет продвигается не на основе IP-адреса назначения, а на основе метки.

Как и в других технологиях, использующих технику виртуальных каналов, метка имеет локальное значение в пределах каждого устройства LER и LSR, то есть при передаче пакета свходного интерфейса на выходной выполняется смена значения метки.

Пути LSP прокладываются в MPLS предварительно в соответствии с топологией сети, аналогично маршрутам для IP-трафика (и на основе работы тех же протоколов марш­ рутизации). Кроме того, существует режим инжиниринга трафика, когда пути LSP про­ кладываются с учетом требований к резервируемой для пути пропускной способности и имеющейся свободной пропускной способности каналов связи сети.

LSP представляет собой однонаправленный виртуальный канал, поэтому для передачи тра­ фика между двумя устройствами LER нужно установить, по крайней мере, два пути комму­ тации по меткам —по одному в каждом направлении. На рис. 20.3 показаны две пары путей коммутации по меткам, соединяющие устройства LER2 и LER3, а также LER1 и LER4.

LER выполняет такую важную функцию, как направление входного трафика в один из ис­ ходящих из-LER путей LSP. Для реализации этой функции в MPLS введено такое понятие, как класс эквивалентности продвижения (Forwarding Equivalence Class, FEC).

Классэквивалентности продвижения —это группа IP-пакетов, имеющиходни ите же требования кусловиям транспортировки (транспортному сервису). Все пакеты, принадлежащие к данному классу, продвигаются через MPLS-сеть по одному виртуальному пути LSR

В LER существует база данных классов FEC; каждый класс описывается набором элемен­ тов, а каждый элемент описывает признаки, на основании которых входящий пакет относят ктому или иному классу.

Классификация FEC может выполняться различными способами. Вот несколько при­ меров:

□На основании IP-адреса назначения. Это наиболее близкий к принципам работы IPсетей подход, который состоит в том, что для каждого префикса сети назначения, имеющегося в таблице LER-маршрутизации, создается отдельный класс FEC. Прото­ кол LDP, который мы далее рассмотрим, полностью автоматизирует процесс создания классов FEC по этому способу.

□В соответствии с требованиями инжиниринга трафика. Классы выбираются таким образом, чтобы добиться баланса загрузки каналов сети.

□В соответствии с требованиями VPN. Для конкретной виртуальной частной сети кли­ ента создается отдельный класс FEC.

□По типам приложений. Например, трафик ІР-телефонии (RTP) составляет один класс FEC, а веб-трафик —другой.

□По интерфейсу, с которого получен пакет.

□По МАС-адресу назначения кадра, если это кадр Ethernet.

Как видно из приведенных примеров, при классификации трафика в MPLS могут ис­ пользоваться признаки не только из заголовка IP-пакета, но и многие другие, включая информацию канального (МAC-адрес) и физического (интерфейс) уровней.

После принятия решения о принадлежности пакета к определенному классу FEC его нужно связать с существующим путем LSP. Для этой операции LER использует таблицу FTN (FEC То Next hop —отображение класса FEC на следующий хоп). Таблица 20.2 пред­ ставляет собой пример FTN.

На основании таблицы FTN каждому входящему пакету назначается соответствующая метка, после чего этот пакет становится неразличим в домене MPLS от других пакетов того же класса FEC, все они продвигаются по одному и тому же пути внутри домена.

Сложная настройка и конфигурирование выполняются только в LER, а все промежуточные устройства LSR выполняют простую работу, продвигая пакет в соответствии с техникой виртуального канала.

Выходное устройство LER удаляет метку и передает пакет в следующую сеть уже в стан­ дартной форме IP-пакета. Таким образом, технология MPLS остается прозрачной для остальных ІР-сетей.

Обычно в MPLS-сетях используется усовершенствованный по сравнению с описанным алгоритм обработки пакетов. Усовершенствование заключается в том, что удаление метки выполняет не последнее на пути устройство, а предпоследнее. Действительно, после того как предпоследнее устройство определит на основе значения метки следующий хоп, метка в MPLS-кадре уже не нужна, так как последнее устройство, то есть выходное устройство LER, будет продвигать пакет на основе значения IP-адреса. Это небольшое изменение алгоритма продвижения кадра позволяет сэкономить одну операцию над MPLS-кадром. В противном случае последнее вдоль пути устройство должно было бы удалить метку, а уже затем выполнить просмотр таблицы IP-маршрутизации. Эта техника получила название техники удаления метки на предпоследнем хопе (Penultimate Hop Popping, РНР).

Заголовок MPLS и технологии канального уровня

Заголовок MPLS состоит из нескольких полей (рис. 20.4):

□Метка (20 бит). Используется для выбора соответствующего пути коммутации по меткам.

□Время жизни (TTL). Это поле, занимающее 8 бит, дублирует аналогичное поле IPпакета. Это необходимо для того, чтобы устройства LSR могли отбрасывать «заблудив­ шиеся» пакеты только на основании информации, содержащейся в заголовке MPLS, не обращаясь к заголовку IP.

□Классуслуги (Class of Service, CoS). Поле CoS, занимающее 3 бита, первоначально было зарезервировано для развития технологии, но в последнее время используется в основ­ ном для указания класса трафика, требующего определенного уровня QoS.

□Признак дна стека меток. Этот признак (S) занимает 1 бит.

Концепцию стека меток мы рассмотрим в следующем разделе, а пока для пояснения меха­ низма взаимодействия MPLS с технологиями канального уровня рассмотрим ситуацию, когда заголовок MPLS включает только одну метку.

А А ДанныеATM

Метка

Рис. 20.4. Форматы заголовков нескольких разновидностей технологии MPLS

Как видно из рисунка, технология MPLS поддерживает несколько типов кадров: РРР,

Ethernet, Frame Relay и ATM. Это не означает, что под слоем MPLS работает какая-либо из перечисленных технологий, например Ethernet. Это означает только то, что в техноло­ гии MPLS используются форматы кадров этих технологий для помещения в них пакета сетевого уровня, которым сегодня почти всегда является 1Р-пакет.

В связи с тем, что заголовок MPLS помещается между заголовком канального уровня и за­ головком IP, его называют заголовком-вставкой (shim header).

Продвижение кадра в MPLS-сети происходит на основе метки MPLS и техники LSP, а не на основе адресной информации и техники той технологии, формат кадра которой MPLS использует. Таким образом, если в MPLS применяется кадр Ethernet, то МАС-адреса ис­ точника и приемника хотя и присутствуют в соответствующих полях кадра Ethernet, но для продвижения кадров не используются. Исключение составляет случай, когда между двумя соседними устройствами LSR находится сеть коммутаторов Ethernet —тогда МАСадрес назначения MPLS-кадра потребуется для того, чтобы кадр дошел до следующего устройства LSR, а уже оно будет продвигать его на основании метки.

В кадрах РРР, Ethernet и Frame Relay заголовок MPLS помещается между оригинальным заголовком и заголовком пакета 3-го уровня. С ячейками ATM технология MPLS поступает по-другому: онапользуется имеющимися полями VPI/VCI взаголовкахэтих ячеекдля меток виртуальныхсоединений. Поля VPI/VCI нужны толькодля хранения поля метки, остальная частьзаголовка MPLS сполями CoS, SиTTL размещается вполеданных ATM-ячееки при пе­ редачеячеек ATM-коммутаторами, поддерживающими технологию MPLS, не используется.

Далее для определенности при рассмотрении примеров мы будем подразумевать, что ис-

nnirunwTra rbnmiQT i/oяплп MDT Q /DDD

Стек меток

r ,T,

Ш,к*г'’'РАК

*- *>і *„ -M&fi

Стек меток позволяет создавать систему агрегированных путей LSP с любым количеством уровней иерархии. Для поддержки этой функции MPLS-кадр, который перемещается вдоль иерархически организованного пути, должен включать столько заголовков MPLS, сколько уровней иерархии имеет путь. Напомним, что заголовок MPLS каждого уровня имеет соб­ ственный набор полей: метка, CoS, TTL и S. Последовательность заголовков организована как стек, так что всегда имеется метка, находящаяся на вершине стека, и метка, находя­ щаяся на дне стека, при этом последняя сопровождается признаком S * 1. Над метками выполняются следующие операции, задаваемые в поле действий таблицы продвижения:

□Push —поместить метку в стек. В случае пустого стека эта операция означает простое присвоение метки пакету. Если же в стеке уже имеются метки, в результате этой опера­ ции новая метка сдвигает «старые» в глубь стека, сама оказываясь на вершине.

□Swap —заменить текущую метку новой.

□Pop —выталкивание (удаление) верхней метки, в результате все остальные метки стека поднимаются на один уровень.

Продвижение MPLS-кадра всегда происходит на основе метки, находящейся в данный мо­ мент на вершине стека. Рассмотрим сначала продвижение MPLS-кадра по одноуровневому пути в MPLS-сети, показанной на рис. 20.5.

Сеть состоит из трех MPLS-доменов. На рисунке показаны путь LSP1 в домене 1 и путь LSP2 в домене 2. LSP1 соединяет устройства LER1 и LER2, проходя через устройства LSR1, LSR2 и LSR3. Пусть начальной меткой пути LSP1 является метка 256, которая была при­ своена пакету пограничным устройством LER1. На основании этой метки пакет поступает на устройство LSR1, которое по своей таблице продвижения определяет новое значение метки пакета (272) и переправляет его на вход LSR2. Устройство LSR2, действуя аналогич­ но, присваивает пакету новое значение метки (132) и передает его на вход LSR3. Устрой­ ство LSR3, будучи предпоследним устройством в пути LSP1, выполняет операцию Pop и удаляет метку из стека. Устройство LER2 продвигает пакет уже на основании 1Р-адреса.

На рисунке также показан путь LSP2 в домене 2. Он соединяет устройства LER3 и LER4, проходя через устройства LSR4, LSR5 и LSR6, и определяется последовательностью меток 188,112,101.

Для того чтобы IP-пакеты могли передаваться на основе техники MPLS не только внутри каждого домена, но и между доменами (например, между устройствами LERI и LER4), существует два принципиально разных решения.

□Первое решение состоит в том, что между LER1 и LER4 устанавливается од™ одноуров­ невый путь коммутации по меткам, соединяющий пути LSP1 и LSP2 (которые в этом случае становятся одним путем). Это простое, на первый взгляд, решение, называемое сшиванием путей LSP, плохо работает в том случае, когда MPLS-домены принадлежат разным поставщикам услуг, не позволяя им действовать независимо друг от друга.

□Вторым более перспективным решением является применение многоуровневого подхода к соединению двух MPLS-доменов, принадлежащих, возможно, разным поставщикам услуг.

MPLS-домен 1

^ ^ LSP1 MPLS-домен 2

LSP2

Рис. 20.5. Пути LSP1 и LSP2, проложенные в доменах 1 и 2 MPLS-сети

Для реализации второго подхода в нашем примере нужно создать путь коммутации по мет­ кам второго уровня (LSP3), соединяющий устройства LER1 и LER4. Этот путь определяет последовательность хопов между доменами, а не между внутренними устройствами LSR каждого домена. Так, LSP3 состоит из хопов LERI —LER2 —LER3 —LSR4. В этом от­ ношении многоуровневый подход MPLS концептуально очень близок подходу протокола BGP, определяющего путь между автономными системами.

Рассмотри более детально, как работает технология MPLS в случае путей коммутации по меткам двух уровней (рис. 20.6).

В устройстве LER1 начинаются два пути —LSP1 и LSP3 (последний показан на рисунке серым цветом), что обеспечивается соответствующей записью в таблице продвижения устройства LER1 (табл. 20,3).

Рис. 20.6. Использование стека меток иерархией путей

IP-пакеты, поступающие на интерфейс SO устройства LER1, продвигаются на его вы­ ходной интерфейс S1, где для них создается заголовок MPLS, включающий метку 315 верхнего уровня (LSP3), которая на этот момент является верхушкой стека меток. Затем эта метка проталкивается на дно стека (операция Push), а верхней становится метка 256, относящаяся к LSP1.

Далее MPLS-кадр с меткой 256 поступает на выходной интерфейс S1 пограничного устрой­ ства LER1 и передается на вход LSR1. Устройство LSR1 обрабатывает кадр в соответствии со своей таблицей продвижения (табл. 20.4). Метка 256, находящаяся на вершине стека, заменяется меткой 272. (Отметьте, что метка 315, находящаяся ниже в стеке, устройством LSR1 игнорируется.)

Аналогичные действия выполняет устройство LSR2, которое заменяет метку меткой 132 и отправляет кадр следующему по пути устройству LSR3 (табл. 20.5).