Технология многопротокольной коммутации с помощью меток (MPLS)

Технология MPLS (Multiprotocol Label Switching) [2] использует коммутацию пакетов с помощью меток и применяется для доставки информации в транспортной сети NGN (рисунок 13.5).

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

На рисунке 13.7 показан путь (Path), связывающий с помощью LSR два граничных маршрутизатора. В LSR пакеты коммутируются с помощью меток.

На рисунке 13.8 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 13.8 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.

На рисунке 13.9 показаны метки (L3, L5, L9, L20), уникальные в каждом звене, которые используются для коммутации пакетов в домéне MPLS.

Путь, созданный для доставки помеченных пакетов от входного граничного маршрутизатора LER A (слева на рисунке 13.9) до выходного маршрутизатора LER B, может состоять из нескольких звеньев. В каждом звене пути используется уникальная метка.

На рисунке 13.10 показан стек (Push) меток (L2/L1) и туннелирование потока пакетов через сеть 2.

Сеть 1 может принадлежать одному оператору, а сеть 2 - другому. Путь доставки помеченных пакетов может проходить через две сети и более. Для доставки пакетов между двумя граничными маршрутизаторами в сети 1 может использоваться нижняя метка L1, а при доставке тех же пакетов в транзитной сети 2 – верхняя метка стека L2. Таким образом, в сети 2 образуется туннель для помеченных пакетов с меткой L1.

На рисунке 13.11 показано создание пути, коммутируемого с помощью меток (Label Switched Path, LSP), и доставка пакетов IP через домéн MPLS.

Доставка пакетов IP по своей природе не требует установления соединения, так как маршрутизация каждого пакета осуществляется на основе информации, содержащейся в его заголовке.

Совокупности пакетов, поступающих на входной порт LER1, присваивается класс доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC). Для доставки этой совокупности пакетов LER1 запрашивает метку у LER4. Протокол распределения меток (Label Distribution Protocol, LDP) подготавливает путь (Label Switched Path) от LER1 к LER4, распределяя метки вдоль пути, коммутируемого с помощью меток. После этого помеченные пакеты будут передаваться от источника (Source) к получателю (Destination) по виртуальному соединению “LER1 – LSR1 – LSR2 – LSR3 – LER4” домéна MPLS. Распределение меток обеспечивает наличие у смежных маршрутизаторов общего отображения привязки меток к FEC (классу доставки).

В технологии MPLS используется принцип разделения маршрутизации и доставки (пересылки). На рисунке 13.12 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 13.13 приведен стек протоколов MPLS.

На прикладном уровне решаются задачи маршрутизации, распределения меток (LDP). Доставка сигнальных сообщений протокола LDP может быть поддержана протоколами TCPиUDP 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 13.14). 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.

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.

Если следующим шагом пакета является текущий LSR, тогда операцией над стеком меток должно быть “выталкивание метки из стека” (popping, pop).

Установление соответствия для входных меток (Incoming Label Map, ILM)

Операция ILM устанавливает соответствие каждой входящей метки набору NHLFE. Эта операция используется в случае, когда подлежащие переадресации пакеты являются помеченными (снабженными стеком меток).

Если ILM связывает определенную метку с набором NHLFE, который содержит более одного элемента, только один элемент должен быть выбран из набора, прежде чем пакет будет переадресован

Установление соответствия между FEC и NHLFE (FTN)

Методика “FEC-to-NHLFE” (FTN) устанавливает соответствие между каждым классом доставки (Forwarding Equivalence Class, FEC) и набором NHLFE. Она используется при переадресации непомеченных пакетов, при необходимости их пометки до переадресации.

Замена меток

Замена меток (Label swapping) представляет собой использование следующих процедур для переадресации пакетов. Для того чтобы переадресовать помеченный пакет, LSR рассматривает метку наверху стека. Он использует ILM для установления соответствия этой метки набору NHLFE. Используя информацию из NHLFE, LSR определяет адрес для переадресации пакета и выполняет некоторую операцию над стеком меток, затем записывает новую метку в стек и переадресует пакет.

Для того чтобы переадресовать непомеченный пакет, LSR анализирует заголовок сетевого уровня для определения FEC пакета. Затем он использует FTN, для того чтобы установить соответствие с NHLFE. Используя информацию NHLFE, LSR определяет адрес порта и выполняет некоторую операцию над стеком меток пакета. Извлечение метки из стека в этом случае будет нелегальным. Важно отметить, что при использовании коммутации с помощью меток следующий шаг переадресации всегда берется из NHLFE (Next Hop Label Forwarding).

Протокол распределения меток LDP

Пользователями LDP являются 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) основаны на UDP. Все другие - на TCP. Сообщения “Привет” посылаются на 646 порт UDP. Сообщения открытия сеанса связи посылаются на 646 порт TCP. В первой версии протокола LDP отсутствуют широковещание, доставка по нескольким путям и гарантии качества доставки.

Последовательность обмена сообщениями протокола LDP

На рисунке 13.15 приведен пример обмена сообщениями протокола LDP, переносимыми с помощью протоколов UDP и TCP.

Процесс присвоения пары “FEC-метка” потоку пакетов в каждом звене пути, коммутируемого с помощью меток, 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.