Přepínání štítků Multiprotocol - Multiprotocol Label Switching

„MPLS“ přeadresuje tady. Pro město USA viz Minneapolis .

Multiprotocol Label Switching ( MPLS ) je směrovací technika v telekomunikačních sítích, která směruje data z jednoho uzlu do druhého na základě štítků s krátkou cestou, nikoli podle dlouhých síťových adres, čímž se vyhnete složitému vyhledávání ve směrovací tabulce a zrychlíte toky provozu. Štítky identifikují virtuální odkazy ( cesty ) mezi vzdálenými uzly spíše než koncovými body . MPLS může zapouzdřit pakety různých síťových protokolů , proto je v názvu uveden odkaz „multiprotocol“. MPLS podporuje řadu přístupových technologií, včetně T1 / E1 , ATM , Frame Relay a DSL .

Role a fungování

MPLS je škálovatelný a nezávislý na protokolu. V síti MPLS jsou štítky přiřazeny datovým paketům. Rozhodování o předávání paketů se provádí výhradně na obsahu tohoto štítku, aniž by bylo nutné zkoumat samotný paket. To umožňuje vytvářet obvody typu end-to-end napříč jakýmkoli typem přenosového média pomocí libovolného protokolu. Primárním přínosem je eliminace závislosti na konkrétní technologii datové vrstvy (vrstvy 2) modelu OSI modelu , jako je Asynchronous Transfer Mode (ATM), Frame Relay , Synchronous Optical Networking (SONET) nebo Ethernet , a odstranění potřeby vícevrstvých 2 sítě pro uspokojení různých typů provozu. Přepínání štítků Multiprotocol patří do rodiny sítí s přepojováním paketů .

MPLS pracuje na vrstvě, která je obecně považována za ležící mezi tradičními definicemi OSI Layer 2 ( vrstva datového spojení ) a Layer 3 ( síťová vrstva ), a proto je často označována jako protokol vrstvy 2.5 . Byl navržen tak, aby poskytoval jednotnou službu přenosu dat jak pro klienty na bázi obvodů , tak pro klienty s přepínáním paketů, které poskytují model služby datagramu . Lze jej použít k přenosu mnoha různých druhů provozu, včetně IP paketů , stejně jako nativních rámců ATM, SONET a Ethernet .

Dříve byla nasazena řada různých technologií s v podstatě identickými cíli, jako jsou Frame Relay a ATM. Frame Relay a ATM používají „štítky“ k přesouvání snímků nebo buněk v síti. Záhlaví rámce relé rámce a buňky ATM odkazuje na virtuální obvod , na kterém se rámeček nebo buňka nachází. Podobnost mezi Frame Relay, ATM a MPLS je v tom, že při každém skoku v celé síti se změní hodnota „label“ v záhlaví. To se liší od předávání IP paketů. Technologie MPLS se vyvíjely s ohledem na silné a slabé stránky ATM. MPLS je navržen tak, aby měl nižší režii než ATM při poskytování služeb orientovaných na připojení pro rámce s proměnnou délkou, a nahradil mnoho používání ATM na trhu.

Zejména MPLS upouští od zavazadel ATM přepínání buněk a protokolů signalizace. MPLS uznává, že malé ATM buňky nejsou v jádru moderních sítí potřeba, protože moderní optické sítě jsou tak rychlé (od roku 2017, s rychlostí 200 Gbit/s a dále), že ani 1500 bajtové pakety plné délky nevytvářejí významné zpoždění ve frontě (potřeba omezit tato zpoždění - např . na podporu hlasového provozu - byla motivací pro buněčnou povahu ATM).

MPLS se zároveň pokouší zachovat dopravní inženýrství (TE) a řízení mimo pásmo , díky čemuž jsou Frame Relay a ATM atraktivní pro nasazení rozsáhlých sítí.

Dějiny

  • 1994: Toshiba představila IETF BOF myšlenky Cell Switch Router (CSR)
  • 1996: Ipsilon, Cisco a IBM oznámily plány na změnu štítku
  • 1997: Založení pracovní skupiny IETF MPLS
  • 1999: První nasazení MPLS VPN (L3VPN) a TE
  • 2000: MPLS dopravní inženýrství
  • 2001: Vydán první požadavek MPLS na komentáře (RFC)
  • 2002: AToM (L2VPN)
  • 2004: GMPLS; Velké měřítko L3VPN
  • 2006: Velkoplošná TE „drsná“
  • 2007: Velkokapacitní L2VPN
  • 2009: Vícesměrové vysílání přepínání štítků
  • 2011: Transportní profil MPLS

V roce 1996 skupina z Ipsilon Networks navrhla „protokol pro řízení toku“. Jejich technologie „IP Switching“, která byla definována pouze pro práci přes ATM, nedosáhla dominance trhu. Společnost Cisco Systems představila související návrh, neomezený pouze na přenos ATM, nazvaný „Přepínání značek“ (s protokolem TDP pro distribuci značek). Byl to proprietární návrh společnosti Cisco a byl přejmenován na „Label Switching“. Byl předán pracovní skupině Internet Engineering Task Force (IETF) k otevřené standardizaci. Práce IETF zahrnovala návrhy od jiných dodavatelů a vývoj konsensuálního protokolu, který kombinoval funkce z práce několika prodejců.

Jednou původní motivací bylo umožnit vytvoření jednoduchých vysokorychlostních přepínačů, protože po značnou dobu nebylo možné předávat IP pakety zcela hardwarově. Pokroky ve VLSI však taková zařízení umožňují. Proto se výhody MPLS primárně točí kolem schopnosti podporovat více modelů služeb a provádět správu provozu. MPLS také nabízí robustní rámec pro obnovu, který přesahuje rámec jednoduchých ochranných prstenců synchronních optických sítí (SONET/SDH).

Úkon

MPLS funguje tak, že prefixuje pakety s hlavičkou MPLS, která obsahuje jeden nebo více popisků. Toto se nazývá zásobník štítků . Každá položka v zásobníku štítků obsahuje čtyři pole:

Štítek MPLS
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Označení TC: Provozní třída (QoS a ECN) S: Bottom-of-Stack TTL: Time-to-Live

Tyto pakety označené MPLS se přepnou po vyhledání/přepnutí štítku místo vyhledávání v tabulce IP. Jak bylo uvedeno výše, když byl MPLS koncipován, vyhledávání štítků a přepínání štítků bylo rychlejší než vyhledávání směrovací tabulky nebo RIB (Routing Information Base), protože se mohly odehrávat přímo v přepínané struktuře a nemusely používat OS .

Přítomnost takového štítku však musí být na routeru/přepínači oznámena. V případě ethernetových rámců se to provádí pomocí hodnot EtherType 0x8847 a 0x8848 pro připojení unicast a multicast .

Štítek přepínač routeru

Směrovač MPLS, který provádí směrování pouze na základě štítku, se nazývá směrovač přepínání štítků ( LSR ) nebo směrovač přenosu . Jedná se o typ routeru umístěného uprostřed sítě MPLS. Je zodpovědný za přepínání štítků používaných k směrování paketů.

Když LSR přijme paket, použije štítek obsažený v záhlaví paketu jako index k určení dalšího skoku na cestě přepínání štítků (LSP) a odpovídající návěští pro paket z vyhledávací tabulky . Starý štítek je poté odstraněn ze záhlaví a nahrazen novým štítkem, než je paket směrován dopředu.

Router se štítky na hraně

Router se štítkovým okrajem (LER, také známý jako edge LSR) je router, který pracuje na okraji sítě MPLS a slouží jako vstupní a výstupní body pro síť. LERs tlačit MPLS etiketu na příchozím paketu a pop ji odchozího paketu. Alternativně pod předposledním hopsáním může tuto funkci místo toho provádět LSR přímo připojený k LER.

Při předávání IP datagramu do domény MPLS používá LER směrovací informace k určení příslušného štítku, který má být připojen, paket podle toho označí a poté předá označený paket do domény MPLS. Podobně po přijetí označeného paketu, který je určen k opuštění domény MPLS, LER odstraní štítek a předá výsledný IP paket pomocí běžných pravidel pro předávání IP.

Poskytovatel routeru

Ve specifickém kontextu MPLS na bázi virtuální privátní sítě (VPN), LERs které fungují jako vniknutí a / nebo výstupních směrovačů k VPN jsou často nazývané PE (Provider EDGE) směrovače. Zařízení, která fungují pouze jako tranzitní směrovače, se podobně nazývají směrovače P (poskytovatel). Úloha routeru P je výrazně jednodušší než routeru PE , takže mohou být méně složité a mohou být díky tomu spolehlivější.

Protokol distribuce štítků

Štítky mohou být distribuovány mezi LER a LSR pomocí Label Distribution Protocol (LDP) nebo Resource Reservation Protocol (RSVP). LSR v síti MPLS si mezi sebou pravidelně vyměňují informace o štítcích a dosažitelnosti pomocí standardizovaných postupů, aby si vytvořili úplný obraz o síti, aby pak mohli tyto informace použít k předávání paketů.

Cesty přepínané se štítky

Cesty s přepínáním štítků (LSP) jsou stanoveny provozovatelem sítě pro různé účely, například pro vytváření virtuálních privátních sítí IP založených na síti nebo pro směrování provozu po zadaných cestách po síti. V mnoha ohledech se LSP neliší od trvalých virtuálních obvodů (PVC) v sítích ATM nebo Frame Relay, kromě toho, že nejsou závislé na konkrétní technologii vrstvy 2.

Směrování

Když neoznačený paket vstoupí do směrovače vniknutí a musí být předán do tunelu MPLS , router nejprve určí třídu ekvivalence přesměrování (FEC) pro paket a poté vloží jeden nebo více štítků do nově vytvořeného záhlaví MPLS paketu. Paket je pak předán dalšímu směrovači směrování pro tento tunel.

MPLS záhlaví je mezi přidá síťové vrstvy záhlaví a linkové vrstvě záhlaví modelu OSI .

Když směrovač MPLS přijme označený paket, prozkoumá se nejvyšší štítek. Na základě obsahu štítku je v zásobníku štítků paketu provedena operace swap , push ( impose ) nebo pop ( dispose ). Směrovače mohou mít předem připravené vyhledávací tabulky, které jim řeknou, jaký druh operace provést na základě nejvyššího štítku příchozího paketu, aby mohli paket velmi rychle zpracovat.

  • V odkládací operaci je štítek vyměnil s novou etiketou a paket je předán podél cesty spojené s novou značkou.
  • V operaci push je nový štítek zasunut na existující štítek, což efektivně "zapouzdří" paket do jiné vrstvy MPLS. To umožňuje hierarchické směrování MPLS paketů. Zejména to používají MPLS VPN .
  • V pop operaci je štítek odstraněn z paketu, což může odhalit vnitřní štítek níže. Tento proces se nazývá „dekapsulace“. Pokud byl vyskočený štítek posledním v zásobníku štítků, paket „opustí“ tunel MPLS. To lze provést výstupním směrovačem, ale viz níže Předposlední hop hop (PHP).

Během těchto operací není zkoumán obsah paketu pod zásobníkem štítků MPLS. Tranzitní směrovače obvykle stačí pouze prozkoumat nejvyšší štítek v zásobníku. Předávání paketů se provádí na základě obsahu popisků, což umožňuje „předávání paketů nezávislé na protokolu“, které se nemusí dívat na směrovací tabulku závislou na protokolu, a vyhýbá se drahé shodě s nejdelší předponou IP při každém skoku.

Když je na výstupním routeru vysunutý poslední štítek, zůstane pouze užitečné zatížení. Může to být IP paket nebo kterýkoli z řady dalších druhů paketů užitečného zatížení. Výstupní směrovač proto musí mít směrovací informace pro užitečné zatížení paketu, protože jej musí přeposílat bez pomoci tabulek pro vyhledávání štítků. Přepravní router MPLS takový požadavek nemá.

Obvykle (standardně s pouze jedním štítkem v zásobníku, podle specifikace MPLS) se poslední štítek vyskočí na předposledním skoku (skok před výstupním routerem). Tomu se říká předposlední hop hop (PHP). To může být zajímavé v případech, kdy výstupní router má mnoho paketů opouštějících tunely MPLS, a proto na to tráví nadměrné množství času CPU. Pomocí PHP mohou tranzitní směrovače připojené přímo k tomuto výstupnímu směrovači účinně snižovat zátěž tím, že samy popíší poslední štítek. V protokolech distribuce popisků je tato akce popu popisků PHP inzerována jako hodnota štítku 3 «implicitní-null» (která se v popisku nikdy nenachází, protože to znamená, že štítek má být vyskakován).

Tato optimalizace již není tak užitečná (jako u počátečních důvodů pro MPLS - jednodušší operace pro směrovače). Několik služeb MPLS (včetně správy QoS typu end-to-end a 6PE ) implikuje zachování označení i mezi předposledním a posledním routerem MPLS, přičemž dispozice štítku se vždy provádí na posledním routeru MPLS: „Ultimate Hop Popping“ ( UHP). Pro toto použití byly zvláště vyhrazeny některé specifické hodnoty štítků:

  • 0: «explicitní-null» pro IPv4
  • 2: «explicitní-null» pro IPv6

Cesta přepnutá na štítku

Štítkově přepínaná cesta (LSP) je cesta přes síť MPLS, nastavená NMS nebo signalizačním protokolem, jako je LDP , RSVP-TE , BGP (nebo nyní zastaralý CR-LDP ). Cesta je nastavena na základě kritérií ve FEC .

Cesta začíná u routeru s okrajem štítku (LER), který na základě příslušného FEC rozhoduje o tom, který štítek předepíše k paketu. Pak předá paket dalšímu směrovači v cestě, který zamění vnější štítek paketu za jiný štítek, a předá jej dalšímu směrovači. Poslední směrovač v cestě odebere štítek z paketu a předá paket na základě záhlaví jeho další vrstvy, například IPv4 . Vzhledem k tomu, že předávání paketů přes LSP je neprůhledné do vyšších vrstev sítě, je LSP někdy také označován jako tunel MPLS.

Směrovač, který nejprve předpíše záhlaví MPLS k paketu, se nazývá příchozí směrovač . Poslední router v LSP, který vysílá štítek z paketu, se nazývá výstupní router . Směrovače mezi nimi, které potřebují pouze vyměnit štítky, se nazývají tranzitní směrovače nebo směrovače přepínačů štítků (LSR).

Všimněte si, že LSP jsou jednosměrné; umožňují označit paket přes síť MPLS z jednoho koncového bodu do druhého. Protože je obvykle požadována obousměrná komunikace, mohou výše uvedené protokoly dynamické signalizace nastavit LSP v opačném směru, aby to kompenzovaly.

Pokud se uvažuje o ochraně, LSP lze kategorizovat jako primární (pracovní), sekundární (záložní) a terciární (LSP poslední instance). Jak je popsáno výše, LSP jsou obvykle P2P (point to point). Nedávno byl představen nový koncept LSP, které jsou známé jako P2MP (point to multi-point). Ty se používají hlavně pro účely vícesměrového vysílání.

Instalace a odebrání cest

Pro správu cest MPLS existují dva standardizované protokoly: Label Distribution Protocol (LDP) a RSVP-TE , rozšíření protokolu RSVP ( Resource Reservation Protocol ) pro dopravní inženýrství. Kromě toho existují rozšíření protokolu Border Gateway Protocol (BGP), které lze použít ke správě cesty MPLS.

Hlavička MPLS neidentifikuje typ dat přenášených uvnitř cesty MPLS. Pokud chce někdo přenášet dva různé typy provozu mezi stejnými dvěma směrovači s odlišným zpracováním ze strany hlavních směrovačů pro každý typ, musí pro každý typ provozu vytvořit samostatnou cestu MPLS.

Vícesměrové adresování

Vícesměrové vysílání bylo z velké části myšlenkou na design MPLS. Byl představen RSVP-TE point-to-multipoint. K přenosu širokopásmového videa přes MPLS byl řízen požadavky poskytovatele služeb . Od vzniku RFC  4875 došlo k obrovskému nárůstu zájmu a nasazení vícesměrového vysílání MPLS, což vedlo k několika novým vývojům jak v IETF, tak v přepravních produktech.

Náboj & paprskový vícebodový LSP je také představen IETF, zkratkou HSMP LSP . HSMP LSP se používá hlavně pro vícesměrové vysílání, synchronizaci času a další účely.

Vztah k internetovému protokolu

MPLS funguje ve spojení s internetovým protokolem (IP) a jeho směrovacími protokoly, obvykle protokoly vnitřní brány (IGP). MPLS LSP poskytují dynamické, transparentní virtuální sítě s podporou dopravního inženýrství, schopnost Transport Layer-3 (IP) VPN s překrývajícími adresový prostor a podporu pro vrstvy 2 pseudowires použitím pseudowire emulace od okraje k okraji (PWE3), které jsou schopné přepravovat různé přepravní užitečné zatížení ( IPv4 , IPv6 , ATM, Frame Relay atd.). Zařízení podporující MPLS se označují jako LSR. Cesty, které LSR zná, lze definovat pomocí explicitní konfigurace hop-by-hop, nebo jsou dynamicky směrovány algoritmem CSPF ( the shortest path first) , nebo jsou konfigurovány jako volná trasa, která se vyhýbá konkrétní IP adrese nebo která je částečně explicitní a částečně dynamický.

V čisté síti IP je nejkratší cesta k cíli zvolena, i když je cesta přetížená. Mezitím lze v síti IP se směrováním CSPF MPLS Traffic Engineering zohlednit také omezení, jako je šířka pásma RSVP procházených odkazů, takže bude zvolena nejkratší cesta s dostupnou šířkou pásma. MPLS Traffic Engineering spoléhá na použití rozšíření TE pro Open Shortest Path First (OSPF) nebo Intermediate System To Intermediate System (IS-IS) a RSVP. Kromě omezení šířky pásma RSVP mohou uživatelé také definovat svá vlastní omezení zadáním atributů propojení a zvláštních požadavků na tunely, které mají směřovat (nebo ne směrovat) přes odkazy s určitými atributy.

Pro koncové uživatele není použití MPLS přímo viditelné, ale lze to předpokládat při provádění traceroute : pouze uzly, které provádějí úplné směrování IP, jsou zobrazeny jako skoky v cestě, tedy nikoli uzly MPLS používané mezi nimi, proto když vidíte že paket přeskakuje mezi dvěma velmi vzdálenými uzly a téměř žádným jiným 'hopem' je vidět v síti tohoto poskytovatele (nebo AS ), je velmi pravděpodobné, že síť používá MPLS.

Místní ochrana MPLS

Hlavní článek: Místní ochrana MPLS

V případě selhání síťového prvku při použití mechanismů obnovy na IP vrstvě může obnovení trvat několik sekund, což může být pro aplikace v reálném čase, jako je VoIP, nepřijatelné . Naproti tomu lokální ochrana MPLS splňuje požadavky aplikací v reálném čase s dobou zotavení srovnatelnou s dobou přemosťovacích sítí nejkratších cest nebo prstenců SONET kratších než 50 ms.

Srovnání

MPLS může využívat stávající síť ATM nebo infrastrukturu Frame Relay, protože její označené toky lze mapovat na identifikátory virtuálních obvodů ATM nebo Frame Relay a naopak.

Rámové relé

Frame Relay si kladl za cíl efektivnější využití stávajících fyzických zdrojů, které umožňují nedostatečné poskytování datových služeb telekomunikačními společnostmi (telcos) jejich zákazníkům, protože klienti pravděpodobně nebudou využívat datovou službu 100 procent času. V důsledku toho je podáno příliš mnoho kapacit ze strany telekomunikační společnosti (nadměrná šířka pásma překnihování ) a finančně výhodný pro poskytovatele, může přímo ovlivnit celkový výkon.

Telcos často prodává Frame Relay podnikům, které hledají levnější alternativu k vyhrazeným linkám ; jeho použití v různých geografických oblastech do značné míry závisí na politikách vládních a telekomunikačních společností.

Mnoho zákazníků přešlo z Frame Relay na MPLS přes IP nebo Ethernet, což v mnoha případech sníží náklady a zlepší správu a výkon jejich rozsáhlých sítí.

Režim asynchronního přenosu

Přestože se základní protokoly a technologie liší, MPLS i ATM poskytují službu orientovanou na připojení pro přenos dat přes počítačové sítě. V obou technologiích jsou spojení signalizována mezi koncovými body, stav připojení je udržován na každém uzlu v cestě a k přenosu dat přes připojení se používají techniky zapouzdření. Vyloučením rozdílů v signalizačních protokolech (RSVP/LDP pro MPLS a PNNI : Rozhraní privátní sítě a sítě pro ATM) stále existují značné rozdíly v chování technologií.

Nejvýznamnější rozdíl je v transportních a zapouzdřovacích metodách. MPLS je schopen pracovat s pakety s proměnnou délkou, zatímco ATM transportuje buňky s pevnou délkou (53 bajtů). Pakety musí být segmentovány, transportovány a znovu sestavovány prostřednictvím sítě ATM pomocí adaptační vrstvy, což zvyšuje významnou složitost a režii datového toku. MPLS na druhé straně jednoduše přidá štítek do hlavy každého paketu a přenese jej v síti.

Rozdíly existují také v povaze spojení. Připojení MPLS (LSP) je jednosměrné - umožňuje tok dat pouze jedním směrem mezi dvěma koncovými body. Vytvoření obousměrné komunikace mezi koncovými body vyžaduje vytvoření dvojice LSP. Protože jsou pro připojení vyžadovány 2 LSP, data proudící v dopředném směru mohou používat jinou cestu než data proudící v opačném směru. Připojení ATM point-to-point (virtuální obvody) jsou na druhé straně obousměrné , což umožňuje tok dat v obou směrech po stejné cestě (připojení ATM SVC i PVC jsou obousměrná. Zkontrolujte ITU-T I.150 3.1. 3.1).

ATM i MPLS podporují tunelování připojení uvnitř připojení. MPLS k tomu používá skládání štítků, zatímco ATM používá virtuální cesty . MPLS může skládat více štítků a vytvářet tunely v tunelech. Indikátor virtuální cesty ATM (VPI) a indikátor virtuálního okruhu (VCI) jsou oba neseny společně v záhlaví buňky, což omezuje ATM na jedinou úroveň tunelování.

Největší výhodou, kterou má MPLS oproti ATM, je to, že byl od začátku navržen tak, aby doplňoval IP. Moderní směrovače jsou schopny podporovat MPLS i IP nativně přes společné rozhraní, což umožňuje provozovatelům sítí velkou flexibilitu při návrhu a provozu sítě . Nekompatibilita ATM s IP vyžaduje komplexní přizpůsobení, takže je pro dnešní převážně IP sítě relativně méně vhodná.

Rozvinutí

MPLS se v současné době (od března 2012) používá v sítích pouze pro IP a je standardizován IETF v RFC  3031 . Nasazuje se k připojení až dvou zařízení k velmi velkým nasazením.

V praxi se MPLS používá hlavně k předávání datových jednotek IP protokolu (PDU) a ethernetového provozu Virtual Private LAN Service (VPLS). Hlavní aplikace MPLS jsou inženýrství telekomunikačního provozu a MPLS VPN .

Vývoj

MPLS byl původně navržen tak, aby umožňoval vysoce výkonné předávání provozu a dopravní inženýrství v sítích IP. Vyvinul se však v generalizovaném MPLS (GMPLS), aby umožňoval vytváření cest s přepínáním štítků (LSP) také v nepůvodních sítích IP, jako jsou sítě SONET/SDH a optické sítě s přepínáním na vlnové délce .

Protokoly konkurence

MPLS může existovat v prostředí IPv4 i IPv6 pomocí příslušných směrovacích protokolů. Hlavním cílem vývoje MPLS bylo zvýšení rychlosti směrování. Tento cíl již není relevantní kvůli použití novějších metod přepínání (schopných předávat prostý IPv4 tak rychle jako pakety označené MPLS), jako je přepínání na bázi ASIC , TCAM a CAM . Nyní je tedy hlavní aplikací MPLS implementace omezeného provozního inženýrství a sítí VPN typu „poskytovatele služeb“ vrstvy 3 / vrstvy 2 přes sítě IPv4.

Kromě GMPLS jsou hlavními konkurenty MPLS Bridging Shortest Path Bridging (SPB), Provider Backbone Bridges (PBB) a MPLS-TP . Ty také poskytují služby, jako jsou VPN poskytovatele služeb vrstvy 2 a vrstvy 3.

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

  • „Deploying IP and MPLS QoS for Multiservice Networks: Theory and Practice“ od John Evans, Clarence Filsfils (Morgan Kaufmann, 2007, ISBN  0-12-370549-5 )
  • Rick Gallaher MPLS Training Guide ( ISBN  1932266003 )

externí odkazy