Описание функционирования технологии mpls
Важно отметить, что построение сети MPLS или формирование LSP производится заранее, до поступления рабочих пакетов в сеть. LSP формируются либо автоматически по запросу, либо вручную администратором сети.
Когда PE-устройство присваивает какому-либо пакету метку на границе сети MPLS, эта метка точно определяет весь маршрут LSP, по которому будет передаваться данный пакет в этой сети.
Это происходит потому, что протокол LDP заранее определил, какая входящая метка будет заменяться на соответствующую исходящую метку на каждом P-маршрутизаторе с тем, чтобы пакет был доставлен в конечный пункт назначения. Поэтому MPLS представляет собой форму маршрутизации от источника, так как только на РЕ принимается решение о маршруте.
Необходимо отметить, что рассматриваемая в данном отчете технология MPLS L3, сохраняет главные принципы протокола IP, которые заключаются в пошаговой передаче пакетов от одного маршрутизатора к другому, в формировании очередей на передачу пакетов на выходном порту, в определенной последовательности выбора пакетов из очереди и в передаче его со скоростью, равной скорости линейного интерфейса. Таким образом, благодаря использованию меток технология MPLS представляет собой средство упрощенной маршрутизации пакетов и средство присвоения сформированным маршрутам различных свойств, причем даже тех свойств, которые не способен учесть стандартный IP-протокол. Здесь будет показано, каким образом присвоение с помощью метки маршрутам различных свойств позволяет обеспечить защиту и качество обслуживания (QoS) трафика в сети MPLS .
На рис.10.4 приводятся форматы заголовков при взаимодействии технологии MPLS с технологиями канального уровня РРР и Ethernet. Это означает не то, что под слоем MPLS работает полнофункциональная сеть с технологией канального уровня, например, сеть Ethernet, а лишь только то, что при передаче обязательно используются форматы кадров этих технологий для помещения IP-пакета (3-го уровня) в кадр канального уровня. Нужно отметить, что современные маршрутизаторы часто имеют оптический интерфейс, однако это не означает, что протокол IP (третий уровень модели OSI) непосредственно взаимодействует с физическим уровнем, т.е. с технологией DWDM (нижний подуровень первого, физического уровня модели OSI). На самом деле этом случае в маршрутизатор вложена аппаратура, выполняющая ту или иную технологию канального уровня (РРР или Ethernet), а также аппаратура, реализующая функции электрического физического уровня, например, технологию PoS (Packet over SDH), которая реализована с помощью вложенных (встроенных) мультиплексоров SDH в IP-маршрутизаторы.
Рис. 10.4 Схема расположения метки
Метка MPLS (рис.10.4) занимает 20 бит, из которых три бита занимает значение CoS (Class of Service – класс обслуживания), один бит S указывает конец стека метки, 11 бит занимает поле TTL (Time-To-Live) – время жизни пакета, которое корректируется при каждом прохождении пакета через маршрутизатор.
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. При этом заголовок MPLS каждого уровня имеет собственный набор полей: метка, CoS, TTL и S. Последовательность заголовков организована как стек, так что всегда имеется метка, находящаяся на вершине стека, и метка, находящаяся на дне стека, при этом последняя сопровождается признаком S = 1.
Отличие технологии MPLS от обычной IP-технологии отражается в изменении функций маршрутизаторов. На рис.10.5 и рис.10.6 приводятся упрощенные схемы обычного IP-маршрутизатора и маршрутизатора, поддерживающего коммутацию по меткам MPLS (т.е. LSR или Р).
Рис. 10.5. Упрощенная схема IP-маршрутизатора
Рис. 10.6. Упрощенная схема маршрутизатора MPLS
Из сравнения этих рисунков видно, что узел LSR имеет дополнительную таблицу продвижения по меткам, а также дополнительный блок продвижения по меткам, который передает пакет не на основе IP-адреса, а на основе поля метки. Из рис.10.6 видно, что к выходному интерфейсу поступают пакеты как в результате IP-продвижения, так и в результате продвижения по меткам. В выходной очереди пакеты технологии MPLS и пакеты с IP-продвижением смешиваются и обслуживаются согласно приоритетам, о чем подробнее будет сказано при описании обеспечения QoS.
На рис.10.7 приводится пример таблицы продвижения в технологии MPLS. В таблице продвижения на рис.10.7 поле следующего хопа является значением интерфейса или физического адреса порта, на который нужно передавать пакет, а поле действия содержит новое значение метки. Заметим, что если в таблицах IP-маршрутизации в поле следующего хопа записывается IP-адрес порта, который в IP-сети необходимо еще преобразовывать в физический или МАС адрес, то в случае использования технологии MPLS такое преобразование производить не требуется.
Входной интерфейс |
Метка |
Следующий хоп |
Действия |
S0 |
415 |
S1 |
116 |
S0 |
37 |
S2 |
72 |
… |
… |
… |
… |
Рис. 10.7 Таблица продвижения в технологии MPLS
Вообще говоря, заголовки пакета содержат значительно больше информации, чем нужно для выбора следующего хопа при передаче пакета. Выбирая следующий шаг, требуется выполнять две процедуры:
делить весь набор пакетов на классы FEC (Forwarding Equivalence Class – множество потоков, поставленное в соответствии конкретному LSP);
ставить в соответствие каждому FEC следующий шаг маршрута, анализируя метку, которая соответствует данному FEC.
Таким образом, одно значение FEC определяет все маршруты с одним узлом назначения, проходящие по одному пути. В MPLS присвоение пакету определенного FEC делается только раз, когда пакет входит в сеть MPLS на узел РЕ (LER), где клиент может указывать класс обслуживания. В этом случае, можно сказать, что FEC полностью определяет путь потока, принадлежащего к данному FEC с учетом классов обслуживания. Если же потоки, идущие в одном направлении, имеют разные классы обслуживания, их необходимо включать, вообще говоря, в разные FEC. Т.е. чтобы иметь возможность обрабатывать пакеты в очередях промежуточных маршрутизаторов с учетом приоритета, пакеты различных классов должны иметь разные метки, адресующие пакеты к различным очередям.
Проблема учета приоритетов пакетов может быть решена лишь при использовании протокола MPLS-ТЕ, где для прохождения пакетов с различными классами обслуживания формируются разные туннели, которым соответствуют очереди с разными приоритетами обслуживания. Другими словами, без использования протокола MPLS-ТЕ не имеется возможности обрабатывать пакеты с учетом классов обслуживания
В той части, которая касается переадресации, разные пакеты, поставленные в соответствие определенному FEC, неразличимы. Все пакеты, которые принадлежат определенному FEC, будут следовать одним и тем же путем (или в случае многомаршрутного протокола, они будут следовать через один и тот же набор путей, ассоциированный с FEC).
В парадигме переадресации MPLS, поскольку пакет приписан определенному FEC, никакого последующего анализа заголовков в маршрутизаторах по пути следования не должно производиться, а переадресация выполняется исключительно на основе меток. Такой подход обладает рядом преимуществ перед традиционной маршрутизацией на сетевом уровне.
MPLS-переадресация может быть выполнена программно-аппаратными переключателями, которые способны осуществлять просмотр меток и их замещение, но не могут анализировать заголовки сетевого уровня (во всяком случае, с достаточной скоростью).
Так как пакет поставлен в соответствие определенному FEC, когда он входит в сеть, входной маршрутизатор может использовать при определении соответствия любую информацию, которую он имеет о пакете, даже если такая информация не может быть извлечена из заголовка сетевого уровня. Например, пакеты, приходящие через разные порты, могут быть связаны с разными FEC. Традиционная переадресация может рассматривать только информацию, которая транспортируется внутри пакета в его заголовке.
Пакет, который входит в сеть через определенный маршрутизатор, может быть помечен иначе, чем такой же пакет, вошедший в сеть через другой маршрутизатор, и в результате решение о переадресации зависит от входного маршрутизатора и может быть легко осуществлено. Это не может быть сделано традиционной переадресацией, так как идентичность входного маршрутизатора не «путешествует» вместе с пакетом.
Соображения, которые определяют то, как пакету ставится в соответствие FEC, могут становиться даже более сложными, без каких-либо последствий для маршрутизаторов, которые просто переадресуют помеченные пакеты.
Иногда желательно заставить пакеты следовать определенным маршрутом, который выбран перед входом или во время входа пакета в сеть, вместо следования нормальному динамическому протоколу маршрутизации. Это может быть сделано в соответствии с разной политикой, или с привлечением техники управления трафиком. При традиционной переадресации для следования пакета по строго определенному маршруту требуется, чтобы пакет нес в себе информацию о маршруте, по которому он должен двигаться (маршрутизация отправителя). В MPLS метка может использоваться для предоставления определенного маршрута, так что идентичность маршрута не переносится вместе с пакетом.
Опишем пошаговую передачу пакета по сети, в которой реализована технология MPLS (рис.10.8).
Рис. 10.8. Передача пакета по сети MPLS
Этап 1. Формирование таблиц маршрутизации.
Сеть автоматически формирует таблицы маршрутизации IP. В этом процессе участвуют маршрутизаторы, установленные в сети сервис-провайдера. При этом используются внутренние протоколы маршрутизации, такие как OSPF или IS-IS.
Этап 2. Распространение информации о метках.
Протокол распределения меток (Label Distribution Protocol — LDP) использует отраженную в таблицах маршрутизации IP топологию маршрутов для определения значений меток, указывающих на соседние устройства. В результате этой операции формируются маршруты с коммутацией по меткам LSP (Label Switched Paths) или переконфигурированный путь изменения меток между исходной точкой и точкой назначения. Автоматическое присвоение меток MPLS выгодно отличает эту технологию от технологии частных виртуальных каналов ATM PVC, требующих исключительно ручного присвоения идентификаторов VCI/VPI.
Пути LSP в сети MPLS могут быть проложены двумя способами:
с помощью протокола LDP;
на основе технологии инжиниринга трафика MPLS-ТЕ с помощью протоколов RSVP (Recourse Reservation Protocol – протокол резервирования ресурсов) или CR-LDP.
Прокладка LSP означает создание так называемых таблиц продвижения или для VPN – таблиц VRF (VPN Routing and Forwarding) маршрутизации по меткам для всех граничных и промежуточных маршрутизаторах, образующих данных путь.
Каждое устройство MPLS PE поддерживает по одной таблице продвижения на каждый LSP или таблице VRF для каждой VPN. В таблицах продвижения или таблицах VRF хранятся данные обо всех маршрутах LSP или VPN, известных устройству РЕ. Маршрутизатор РЕ идентифицирует маршруты, относящиеся к сети определенного клиента с помощью специального индекса - различителя маршрутов (Route Distinguisher — RD), который присваивается всем маршрутам соответствующего CE. Эти различители маршрутов (RD) имеют значение только для PE-устройств, так как P-маршрутизаторы коммутируют ячейки или пакеты только на основании информации, заключенной в метках.
В структуре MPLS магистральная адресация, которая используется для подключения P-маршрутизаторов, полностью отделена от адресации, используемой для подключения CE-маршрутизаторов. Эти две схемы маршрутизации никак не взаимодействуют между собой. PE-маршрутизаторы сохраняют адреса опорной сети в глобальной таблице маршрутизации, которая хранится отдельно от таблиц продвижения или VRF, где находятся данные о маршрутах каждого LSP или VPN. Каждая таблица имеет так называемую политику импорта (import policy), которая определяет, какие обновления PE следует принять, и политику экспорта (export policy), определяющую, какие маршруты следует объявлять. С помощью различных политик на магистральной сети MPLS могут быть сформированы пользовательские сети с различной структурой (полносвязная, звезда и пр.).
Этап 3. Обработка пакета на входном пограничном LSR (называемом, обычно LER или PE).
Входящий пакет поступает на LER, который определяет, какие услуги 3-го уровня необходимы этому пакету (например, QoS или управление полосой пропускания). На основе учета всех требований маршрутизации и правил верхнего уровня (policies), LER выбирает FEC и присваивает метку, которая записывается в заголовок пакета, после чего пакет передается дальше.
В магистральных P-маршрутизаторах метка MPLS сравнивается с соответствующим полем записи таблиц коммутации. Таблицы рассчитываются заранее, что снимает необходимость повторной обработки пакетов в каждой точке передачи. Такая схема не только позволяет разделить с помощью меток разные типы трафика (например, отделить неприоритетный трафик от критически важного). Метки имеют только локальное значение (она уникальна только для каждого входного или выходного интерфейса в каждом узле P) и многократно повторно используются в крупных сетях, поэтому исчерпать запас меток практически невозможно. В рамках предоставления IP-услуг различного вида самое главное преимущество MPLS заключается в способности присваивать метки, имеющие специальное значение. Наборы меток могут определять не только место назначения, но и тип приложения, и класс обслуживания.
Этап 4. Обработка пакета на LSR.
Устройство LSR (или P), находящееся в опорной сети, считывает метки каждого пакета, заменяет старые метки новыми (новые метки определяются по локальной таблице) и передает пакет дальше. Эта операция повторяется в каждой точке передачи пакета по опорной сети.
Этап 5. Обработка пакета на выходном LER.
На выходе пакет попадает в пограничный LSR (т.е. LER или, иначе, PЕ), который удаляет метку, считывает заголовок пакета и передает его по месту назначения на основе IP-адреса, содержащегося в заголовке.
На рис.10.9 показан пример работы таблиц продвижения. Сеть, представленная на рис.10.9, состоит из двух граничных LER (периферийный LSR), устанавливаемых на границе MPLS-сети, и одного маршрутизатора LSR.
Рис. 10.9. Сеть MPLS и таблица продвижения по сети
Входной LER. Входящий пакет поступает на периферийное устройство LSR (LER), которое считывает префикс назначения, 128.89. Затем устройство LER обращается к таблице коммутации и вставляет необходимую метку 4, а затем передает пакет на интерфейс 1.
LSR. Устройство LSR в опорной сети считывает метку, находит для нее соответствие в своей таблице коммутации, заменяет метку 4 на метку 9 и передает пакет на интерфейс 0.
Выходной LER. Маршрутизатор в точке выхода (LER) считывает метку и находит соответствие метке 9 в своей таблице, где говорится, что эту метку нужно удалить и направить пакет на интерфейс 0. Заметим при этом, что в опорной сети маршрутная информация IP используется только для построения таблиц коммутации меток и не связана напрямую с процессом передачи.