Сети MPLS

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:35, 26 января 2015.
Данная статья была согласована с её автором Р.А. Бельферым 28 апреля 2012 года.

__NUMBEREDHEADINGS__

Принцип работы сети MPLS

Рис. 1 Структура заголовка метки MPLS

Пока группа IETF разрабатывала модели интегрального и дифференцированного обслуживания, было найдено более эффективное решение проблемы обеспечения качества услуг при передаче мультимедийного трафика. Таким решением является многопротокольная коммутация по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching)[1][2], позволяющая передавать интернет-трафик по сети. Сеть MPLS ориентирована на надежный сервис с установлением соединения в отличии от ненадежных дейтаграммных сетей. При рассмотрении использования механизмов в IP-сетях модели IntServ и DiffServ оперируют соответственно в режиме сквозной передачи и на уровне транзитов. MPLS игнорирует протокол IP, так как нет полей заголовка IP-пакета, обрабатываемых в целях обеспечения качества услуг QoS. В технологии MPLS маршрутизация базируется не на адресе назначения, как в IP-сети, а на метках, которые вставляются в начало каждого пакета данных. Метод использования меток во многом близок к виртуальным каналам. Сети Х.25, Frame Relay, АТМ также устанавливают метки (идентификаторы виртуальных каналов), на основе которых осуществляется коммутация с помощью таблиц маршрутизации. Заголовок метки MPLS, состоящий из четырех байтов, предопределяет сетевой маршрут, который учитывает требуемый уровень QoS.

Заголовок MPLS-метки состоит из следующих полей (рис. 1):

  • метка (20 бит) используется для выбора соответствующего пути коммутации по меткам;
  • поле экспериментальных битов (EXP) содержит 3 бита, которые резервированы для дальнейших исследований и экспериментирования. В настоящее время проводится работа, направленная на создание согласованного стандарта использования этих битов для поддержания дифференцированного обслуживания разнотипного трафика и идентификации класса обслуживания. При предоставлении дифференцированных услуг MPLS-сети это поле может указывать определенный класс обслуживания, например, аналогичный классам DiffServ;
  • поле MPLS-стека содержит 1 бит и является средством поддержки иерархической структуры стека меток MPLS. В заголовке последней метки бит , а во всех остальных- бит ;
  • время жизни TTL (8 бит) дублирует аналогичное поле IP-пакета, которое является средством сброса пакетов в сети вследствие образования закольцованных маршрутов.

Заголовок MPLS-метки не образует полноценного уровня, а «вклинивается» в сетях IP, Ethernet, АТМ или Frame Relay между вторым и третьим уровнями модели OSI, оставаясь независимым от этих уровней. В технологии MPLS используются кадры второго уровня для помещения в них пакетов сетевого уровня, которым обычно является IP-пакет.

На рис. 2 показано положение заголовка метки в следующих типах кадров: PPP, Ethernet, Frame, Relay, ATM.

Рис. 2 Форматы заголовков нескольких разновидностей технологии MPLS

Одной из сильных сторон технологи MPLS является то, что она может использоваться совместно с различными протоколами уровня 2. Среди этих протоколов – РРР, АТМ, Frame Relay, Ethernet. Протокол PPP (Point-to-Point Protocol) применяется для передачи IP-пакетов по коммутируемым и выделенным каналам. РРР является стандартным протоколом Интернета. Он применяется в самых разных случаях, включая обеспечение соединения между маршрутизаторами, между пользователями и провайдерами. В отношении ячеек АТМ и кадров Frame Relay для MPLS используются форматы заголовков этих сетей, а во всех остальных случаях – вставку между заголовками второго и третьего уровней. В коммутаторах АТМ верхняя метка помещается в поле VPI/VCI заголовка ячейка АТМ, а данные о стеке меток MPLS – в поле данных ячеек АТМ.

Далее для упрощения изложения работы MPLS будем подразумевать, что используется канальный протокол РРР. При разработке протокола РРР за основу был взят другой протокол канального уровня HDLC (High-level Data Link Control, высокоуровневое управление линией связи). Для протокола HDLC характерно его функциональное разнообразие, которое выражается в подмножестве относящихся к нему протоколов. Протокол канального уровня сети Х.25 является одним из них и называется сбалансированным протоколом доступа к каналу LAP-B (Link Access Procedure Balanced). Протокол РРР отличается от подмножества протоколов HDLC в следующем.

  1. Не занимается упорядочиванием кадров и проверкой порядка их следования;
  2. Производит удаленную аутентификацию по протоколам РАР или СНАР (опционно);
  3. Поддерживает несколько протоколов сетевого уровня.

В MPLS - сетях пересылка пакетов выполняется коммутаторами. После того, как пакет принят сетью MPLS, обработка пакета больше не требуется. Пакет перемещается в сети, основываясь только на содержании метки MPLS.Поэтому сеть MPLS можно рассматривать для IP-пакета как один транзит. Маршрутизатор с поддержкой MPLS использует содержимое метки MPLS для указания маршрута, основываясь на требованиях приложения к уровню качества обслуживания QoS. Внутри сети MPLS содержимое заголовка IP-пакета больше не нуждается в рассмотрении для определения маршрута. Содержимое метки определяется в соответствии с несколькими критериями, которые объединены в определённый класс эквивалентности пересылки FEC (Forwarding Equivalency Class). Класс FEC может осуществлять сортировку пакетов по различной совокупности значений, в которую могут входить следующие:

  • адрес в заголовке IP-пакета;
  • номер TCP-порта

и другие. Технология сети MPLS позволяет использовать модель дифференцированного обслуживания DiffServ для обеспечения требований пользователя качеством обслуживании QoS. Поэтому FEC включает классы обслуживания. Они указываются в трех битах EXP заголовка метки, что позволяет реализовать до восьми комбинаций битов. Следует отметить отсутствие стандартизированного протокола реализации DiffServ в сети MPLS. На рисунке 3 приведен пример коммутации пакетов в сети MPLS. Под доменом MPLS понимается сеть MPLS, обслуживаемая одним оператором. Рассмотрим работу маршрутизаторов коммутации меток.

Маршрутизатор коммутации меток (LSR)

Маршрутизатор коммутации меток LSR (Label Switching Router)является «двигателем» домена MPLS. Маршрутизатор LSR определяется как любое устройство, способное поддерживать протокол MPLS. LSR может являться IP-маршрутизатором, коммутатором Frame Relay, коммутатором АТМ. Технология MPLS поддерживает несколько типов кадров: РРР, Ethernet, Frame Relay и АТМ. Это не означает то, что под MPLS работает какая-либо из перечисленных технологий. Это означает только то, что в технологии MPLS используются форматы кадров этих технологий для помещения в них пакета сетевого уровня, которым почти всегда является IP-пакет. Когда пакет, расширенный за счет заголовка метки MPLS, поступает на маршрутизатор LSR с помощью таблицы маршрутизации и определяется исходящий канал и значение новой метки в пакете. Смена меток производится также, как и в рассмотренных сетях связи с виртуальными каналами X.25, FR и ATM.

Граничный маршрутизатор коммутации меток (LER)

На границах домена MPLS стоят граничные LSR. Документация по MPLS не делает различий между LSR и граничным LSR за исключением их местоположения в домене. Возникающая в документах путаница, связанная с тем, что оба типа коммутаторов обозначались, как LSR, привела к введению термина Label Edge Router (LER, граничный коммутатор меток), позволяющего отличать граничные LSR от внутренних LSR. Разница между ними заключается в следующем важном моменте: LSR в домене MPLS должны коммутировать пакеты по метке MPLS и понимать протоколы MPLS, в то время как LER должен также поддерживать не имеющие отношения к MPLS функции, такие как обычная маршрутизация по IP-адресу, по крайней мере для одного порта. Одним из основных отличий MPLS от сетей связи с виртуальными каналами (X.25, FR и ATM) является способ построения таблицы маршрутизации. В сетях с виртуальными каналами пользователь, желающий установить соединение, посылает в адрес получателя сообщение запроса соединения. В результате создаётся путь и соответствующая запись в таблице маршрутизации.
Рис. 3. Пример коммутации пакетов «данные»
В MPLS вообще отсутствует фаза установления каждого соединения. На рисунке 3 приведён пример домена MPLS-сети, состоящий из двух граничных (LER1, LER2) и двух внутренних (LSR1, LSR2) маршрутизаторов коммутации меток. Граничный маршрутизатор выполняет функции назначения и удаления меток (LER1 вставляет метку 1 пакета между заголовком IP и заголовком уровня 2 (L2), a LER2 удаляет метку 4 в этом пакете IP). Путь следования пакетов в сети MPLS определяется тем классом эквивалентности при пересылке FEC, который установлен для этого потока во входном граничном маршрутизаторе LER. Такой путь носит название коммутируемого по меткам тракта LSP (Label-Switched Path) и идентифицируется набором меток во внутренних маршрутизаторах (LSR), расположенных на пути следования потока от отправителя к получателю. Внутренний маршрутизатор коммутирует пакет с меткой от одного интерфейса к другому интерфейсу с заменой метки. LER1 принимает пакет с меткой 1 и отправляет этот пакет LSR2 с меткой 5. LSR2 принимает пакет и отправляет LER2 с меткой 4. Таким образом, метка LER и LSR имеет локальное значение, как и логические номера виртуальных каналов в сетях ATM, Frame Relay, X.25. Как видно из рисунка 3 продвижение IP-пакета происходит на основе IP-адресной информации той технологии, которую MPLS использует на участке между оконечной станцией и доменом MPLS и на основе меток внутри домена MPLS. L2 здесь означает уровень 2.

Кроме функции коммутации, каждый маршрутизатор MPLS выполняет функцию управления по формированию таблицы маршрутизации. Эта таблица называется таблицей пересылки LIB (Label Information Base). LIB состоит из входящей метки и одной или нескольких вложенных записей. Каждая такая запись включает выходную метку, номер выходного интерфейса и адрес следующего маршрутизатора в LSR.

Все узлы MPLS используют протоколы маршрутизации TCP/IP для обмена соответствующей информацией маршрутизации с другими узлами MPLS-сети при создании таблицы LIB. Внутренние LSR коммутируют эти служебные пакеты не по меткам, а по обычным IP-заголовкам. Продвижение кадра в MPLS-сети происходит на основе метки MPLS и техники коммутируемого по меткам тракта LSР, а не на основе адресной информации и той технологии, формат кадра которой использует MPLS. Например, если в MPLS применяется кадр Ethernet, то МАС-адреса источника и приемника, хотя и присутствуют в соответствующих полях Ethernet, но для продвижения кадра не задействуются.

Стек меток

Рис. 4. Пример четырёхуровнего стека меток MPLS

Функциональные возможности стека MPLS позволяют реализовать несколько функций и, в частности, объединить (агрегировать) несколько LSP в один. Концепция стека меток является развитием концепции двухуровневой адресации виртуальных каналов VPI/VPC, принятой в АТМ. Многоуровневый принцип создания путей сокращает время задержки передачи пакета.

Если в одном LSP сливается несколько потоков (каждый поток – со своим FEC и своей меткой), то этот LSP помещает сверху метку нового FEC, который соответствует объединенному потоку пакетов, образующемуся в результате слияния. В точке окончания такого объединенного тракта он разветвляется на составляющие его индивидуальные LSP. Так могут объединяться тракты, имеющую общую часть маршрута.Пример четырёхуровнего стека меток приведён на рисунке 4.

Здесь заголовок MPLS № 1 был первым заголовком MPLS, помещённым в пакет, затем в него были помещены заготовки № 2, № 3, № 4. Извлекаются заголовки меток из стека в обратной последовательности (4,3,2,1). Коммутация по меткам всегда использует верхнюю метку стека, метки удаляются из пакета сверху. Каждый заголовок MPLS имеет собственные значения поля ЕХР, S-бита и поля TTL. Заголовок метки №1 на рисунке 4 является самым нижним (S=1). MPLS может выполнять со стеком следующие операции: помещение метки в стек (push), удаление верхней метки из стека (pop), замену метки (swap). На рисунке 5 показан пример использования стека в MPLS при создании путей двух пакетов IP с разными адресами назначения и, соответственно, разными значениями FEC. Сеть состоит из двух MPLS - доменов. В LER1 начинаются два пути (коммутируемых по меткам тракта) - LSP1 и LSP2 (LSP1 для пакета IP1 с адресом получателя А в заголовке и LSP2 для пакета IP2 с адресом получателя В в заголовке). В LER1 метки каждого из этих пакетов (соответственно 305 для первого пакета и 14 - для второго пакета) проталкиваются (push) вниз, а верхней становится в обоих пакетах метка 256. Продвижение обоих пакетов производится по верхней метке, которая на выходе меняет значение (256 на 272).

На предпоследнем LSR2 домене производится удаление (pop) верхней метки. В результате верхней меткой для пакета IP1 становится метка 305, а для IP2 метка 14 уничтожается. LER2 завершает путь LSP2 пакета IP1, передавая его оконечному устройству. LER2 продвигает пакет IP1 на основе таблицы маршрутизации. LER2 заменяет метку 305 на метку 299 и далее через LER3 и LER4 продвигает его по пути LER2 до оконечного пункта А. Приведённый пример двухуровневого пути может быть расширен для любого количества уровней.

Рис. 5. Пример путей LSP1 и LSP2, проложенных в доменах 1 и 2

Таким образом, если в одном маршрутизаторе сливаются несколько потоков (каждый поток со своим FEC и со своей меткой), то этот коммутируемый по меткам тракт (путь) LSP не заменяет метки, связанные с названными потоками, а оставляет их, помещая сверху метку нового FEC, который соответствует объединенному потоку пакетов, образующемуся в результате слияния. Если в промежуточном маршрутизаторе такого объединенного потока происходит слияние еще с одним потоком, то на верху стека устанавливается еще одна метка. Путь LSP1: LERl, LSRl, LSR2, LER2, LER3, LSR3, LER4 пакета IP1 с адресом получателя пункт А. Путь LSP2: LER1, LSR1, LSR2, LER 2 пакета IP2 с адресом получателя пункт В. В результате стек меток позволяет создать древовидную структуру множества трактов LSP, заканчивающихся в одном маршрутизаторе (корне дерева).
Введем понятие уровня m тракта LSP. Маршрут LSP уровня m представляет собой последовательность маршрутизаторов, которая с входного LSR, помещающего в пакет метку уровня m (стек из m заголовков меток), содержит промежуточные LSR, каждый из которых принимает решение о пересылке пакета на основе метки уровня m и заканчивается входным LSR, где решение о пересылке принимается на основе метки уровня m-1 или на основе обычных (не MPLS, а IP) процедур пересылки. От предпоследнего LSR в выходной граничный маршрутизатор можно передавать пакеты со стеком метки глубины (m-1), поскольку метка уровня m выходному LSR не требуется. В предпоследнем LSR производится уничтожение верхней метки стека.

На рис. 6 приведен пример древовидной структуры множества трактов LSP четырёх уровней (m=4) для тракта LSP4.

Рис. 6. Древовидная структура трактов LSP

В таблице 1 приведена структура этих уровней в маршрутизаторах LSR1, LSR2, LSR3, LSR4.

Таблица 1. Структура стека меток тракта LSP4
Уровни LSP Содержание метки
4 Общая метка LSP1, LSP2, LSP3, LSP4
3 Общая метка LSP2, LSP3, LSP4
2 Общая метка LSP3, LSP4
1 Метка LSP4

Аналогично для LSP3, LSP2, LSP1 древовидная структура представляет соответственно три (для LSP3) и два (для LSP1 и LSP2) уровня тракта LSP.

Маршрутизация пакетов в узле коммутации LSR

Когда пакет MPLS поступает в маршрутизатор коммутации по меткам LSR, этот маршрутизатор производит коммутацию пакета, используя имеющуюся у него таблицу информационной базы меток LIB (Label Information Base). Ниже приведён пример такой таблицы пересылки пакета в MPLS (табл. 2).

Таблица 2. Пример таблицы пересылки LIB
Входящая метка Первая запись Вторая запись
Значение входящей метки Исходящая метка Исходящая метка
Выходной интерфейс Выходной интерфейс
Адрес следующего LSR Адрес следующего LSR

Как видно из таблицы 2, пересылка пакета производится на выходной интерфейс на основании значения метки во входящем в LSR пакете MPLS. При этом в исходящем из LSR пакете указывается адрес следующего LSR и устанавливается новое значение метки. Несколько записей в таблице пересылки (в табл. 2 их две) требуются при многоадресной рассылке пакета. Программное обеспечение LSR может быть разработано в одном из двух вариантов LIB – либо одна общая таблица для LSR, либо их несколько по количеству интерфейсов LSR. Алгоритм формирования привязки метки к FEC предусматривает выделение в LSR отдельного пула «свободных» меток. Эти метки используются для их локальной привязки, а число таких «свободных» меток определяет максимальное число таких пар «метка – FEC», которое может быть установлено в текущий момент работы данного LSR.

Распределение меток

Сущность распределения меток – информировать смежные маршрутизаторы о привязке «FEC-метка». Выбор маршрута заключается в определении пути LSP для данного кода эквивалентности при пересылке FEC. Фактическая установка LSP заключается в двух типах привязки меток к FEC. При первом типе метка выбирается и назначается в LSR локально. При втором типе LSR получает от некоторого смежного LSR информацию о привязке метки, которая создана на нем. Такую привязку называют удаленной. Локальная и удаленная привязка распространяется только между смежными маршрутизаторами LSR. При локальной привязке маршрутизатор информирует назначенную метку данному классу FEC смежным LSR. Эти смежные LSR получают возможность правильно установить метки в пакеты, направленные LSR-создателю этой метки. При удаленной привязке создателем «FEC-метка» является LSR транзитного участка тракта LSP. Это позволит производить замену входящей на исходящую метку в пакетах, передаваемых LSR-создателем привязки. Таким образом, метки могут рассматриваться как в определенной степени аналог идентификаторам логических номеров виртуальных каналов глобальных сетей Х.25 (LCN), FR (DLCI), ATM (VPI/VCI). Архитектура MPLS позволяет использовать следующие протоколы распределения меток.

  1. Специальный протокол распределения меток LDP (Label Distribution Protocol) подлежащий рассмотрению в следующем разделе;
  2. Расширение возможностей протокола IP-сети BGP;
  3. Расширение возможностей протокола IP-сети RSVP.

Протокол распределения меток LDP

В сети MPLS в отличие от сетей связи Х.25, FR, ATM (VPI/VCI) с виртуальными каналами отсутствует фаза установления соединения по сообщению запроса пользователя. Метки в коммутируемом по меткам тракте LSP назначаются с помощью протокола распределения меток LDP (Label Distribution Protocol), причём существуют разныe способы такого распределения. Процедуры протокола LDP позволяют создать тракт LSP. Создание LSP означает создание таблиц коммутации по меткам во всех маршрутизаторах этого LSP. Функция протокола LDP состоит в частности, в определении каждой привязки «FEC - метка» в каждом LSR тракта LSP. Один из вариантов работы LDP состоит в следующем. При загрузке маршрутизатора выявляется, для каких маршрутов он является пунктом назначения (например, какие хвосты находятся в его локальной вычислительной сети). Для них создаётся один или несколько FEC и каждому из них выделяется метка, значение которой сообщается соседним LER. Эти LER. в свою очередь, заносят эти метки в свои таблицы пересылки и посылают новые метки своим соседним маршрутизаторам. Процесс продолжается до тех пор пока все маршрутизаторы не получат данные о маршрутах. По мере формирования путей могут резервироваться ресурсы, что позволяет обеспечить надлежащее качество обслуживания. Протокол LDP является протоколом прикладного уровня и использует оба протокола транспортного уровня - UDP и TCP (рис. 7).

Рис. 7. Стек протоколов при обмене сообщениями по протоколу LDP

Протокол LDP работает с использованием транспортного уровня по протоколу UDP только для передачи сообщения обнаружения DISCOVERY. При этом используются сообщения многоадресной рассылки Hello для получения информации о смежных с ним LSR. После обмена этими сообщениями устанавливается TCP-соединение и сеанс LDP с этими маршрутизаторами. Теперь MPLS позволяет LSR запросить у смежного LSR информацию о привязке «FEC-метка». Такой режим называется нисходящее распределение меток по требованию. Для этого LSR запрашивает метку, передав сообщение Label Request. В последнее сообщение входит FEC, для которого запрашивается метка. Если сообщение Label Request поступает в выходной граничный маршрутизатор, то в нем содержится метка, которая имеет локальное значение на участке между входным и соседним с ним вышестоящим маршрутизатором. Если на всех следующих далее вышестоящих LSR успешно произойдет привязка меток к FEC, то после обработки во входном LER сообщения Label Mapping, полученного от соседнего с ним нижестоящего маршрутизатора, маршрут для тракта LSP будет создан.

Назначение меток производится в сторону отправителя трафика, то есть противоположную направлению трафика. Такой LSR, где назначается метка называется нижним (расположен «ниже по течению»), а расположенный «выше по течению» верхним LSR. Метка всегда локальна, то есть обозначает некоторый FEC для пары маршрутизаторов, между которыми имеется прямая или коммутируемая связь. Напомним, что значения идентификатора виртуального пути VPI и виртуального канала VCI в сети ATM являются также локальными. Пересылка пакета данных MPLS с FEC, соответствующим установленной метке, производится от верхнего LSR к нижнему LSR. Для пересылки пакетов данных того же FEC к следующему маршрутизатору LSR используется другая метка, идентифицирующая этот FEC для новой пары маршрутизаторов, в которой маршрутизатор, бывший в предыдущей паре нижним, приобретает статус верхнего, а статус нижнего получает второй маршрутизатор этой новой пары. Отсюда ясно, что каждый маршрутизатор MPLS-сети, должен хранить соответствие между входящими и исходящими метками для всех FEC, которыми он оперирует. Напомним, что длина поля метки составляет 20 бит и означает, что маршрутизатор одновременно может оперировать 220 метками, которым соответствует определённые FEC.

Инжиниринг трафика

Рис. 8. Неэффективность кратчайших путей
Инжиниринг трафика ТЕ (Traffic Engineering) представляет функции мониторинга и управления трафиком с тем, чтобы обеспечить нужное качество обслуживания путём рационального использования сетевых ресурсов за счет сбалансированной их загрузки. Этому английскому термину ТЕ соответствует управление разнотипным трафиком в MPLS, отмечая связь рассматриваемых здесь механизмов с задачей обеспечивать разное качество обслуживания QoS трафика разных типов
Принятая в MPLS технология ТЕ позволяет снять ограничения, присущие протоколам маршрутизации в IP-сетях. Задача максимального использования ресурсов для IP-сетей, лежащих в основе Интернета не была первоочередной, т.к. Интернет не считался долгое время коммерческой сетью. Поэтому в сетях MPLS необходимо было изменить традиционные подходы к выбору маршрутов.
Известно, что все протоколы маршрутизации (RIP, OSPF и другие), выбирают для трафика, направленного в определенную сеть, кратчайший маршрут в соответствии с некоторой метрикой. Выбранный путь может быть более рациональным, например, если в расчёт метрики принимается номинальная пропускная способность каналов связи и менее рациональным, если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов (хопов) между исходной и конечной подсетями. Однако в любом из случаев выбирается единственный маршрут, даже если существует несколько альтернативных путей. Примером неэффективности является IP-сеть сеть с топологией, приведённой на рисунке 8. Недостаток методов маршрутизации трафика в IP - сетях заключается в том, что пути выбираются без учета текущей загрузки ресурсов сети. Даже если кратчайший путь уже перегружен, пакеты всё равно посылаются по этому пути. Так, в сети, представленной на рисунке 8, верхний путь будет продолжать использоваться даже тогда, когда его ресурсов перестанет хватать для обслуживания трафика от А к Е, а нижний путь будет простаивать хотя, возможно, ресурсов маршрутизаторов В и С хватило бы для более качественной передачи трафика. Отсюда видна неэффективность методов распределения ресурсов сети - одни ресурсы работают с перегрузкой, а другие не используются вовсе.

Применение в MPLS механизма инжиниринг трафика ТЕ позволяют решить эту проблему, указав два разных пути от маршрутизатора А к маршрутизатору Е, то есть кроме А-В-Е маршрут A-C-D-E. ТЕ лучше использует сетевые ресурсы за счёт перевода части трафика с более загруженного на менее загруженный участок сети. При этом достигается более высокое качество обслуживания трафика, поскольку уменьшается вероятность перегрузки в сети. Кроме того, для услуг, которые требуют выполнения заданных норм качества обслуживания QoS (например, заданного коэффициента потерь пакетов, задержки, джиттера) инжиниринг трафика позволяет обеспечить надлежащее QoS путём назначения явно определённых маршрутов.
В технологии MPLS TE пути LSP называют TE-туннелями. TE-туннели не прокладываются распределенным способом вдоль путей, находимых обычными протоколами маршрутизации независимо в каждом отдельном устройстве LSR. Вместо этого TE-туннели прокладываются в соответствии с техникой маршрутизации от источника, когда централизовано задаются промежуточные узлы маршрута. В этом отношении TE-туннели подобны PVC-каналам в технологиях АТМ и Fame Relay. Инициатором задания маршрута для TE-туннеля выступает начальный узел туннеля, а рассчитываться такой маршрут может как этим же начальным узлом, так и внешней по отношению к сети программной системой или администратором.

MPLS TE поддерживает туннеля двух типов:

  1. Строгий TE-туннель – определяет все промежуточные узлы между двумя пограничными устройствами;
  2. Свободный TE-туннель – определяет только часть промежуточных узлов от одного пограничного устройства до другого, а остальные промежуточные узлы выбираются устройством LSR самостоятельно.
Рис. 9. Два типа TE-туннелей в технологии MPLS
На рисунке 9 показаны оба типа туннелей.Туннель 1 является примером строгого туннеля, при его задании внешняя система (или администратор сети) указана как начальный и конечный узлы туннеля, так и все промежуточные узлы, то есть последовательность IP-адресов для устройств LER1, LSR1, LSR2, LSR3, LSR4, LER3. Таким образом, внешняя система решила задачу инжиниринга трафика, выбрав путь с достаточной неиспользуемой пропускной способностью. При установлении туннеля 1 задается не только последовательность LSR, но и требуемая пропускная способность пути. Несмотря на то, что выбор пути происходит в автономном режиме, все устройства сети вдоль туннеля 1 проверяют, действительно ли они обладают запрошенной неиспользуемой пропускной способностью, и только в случае положительного ответа туннель прокладывается.

При прокладке туннеля 2 (свободного) администратор задает только начальный и конечный узлы туннеля, то есть устройства LER5 и LER2. Промежуточные устройства LSR4 и LSR2 находятся автоматически начальным узлом туннеля 2, то есть устройством LER5, а затем с помощью сигнального протокола устройства LER5 сообщает этим и конечному устройствам о необходимости прокладки туннеля.

Независимо от типа туннеля он всегда обладает таким параметром, как резервируемая средняя пропускная способность. В нашем примере туннель 1 резервирует для трафика 10 Мбит/с, а туннель 2 резервирует 36 Мбит/с. Эти значения определяются администратором, и технология MPLS TE никак не влияет на их выбор, она только реализует запрошенное резервирование. Чаще всего администратор оценивает резервируемую для туннеля пропускную способность на основании измерений трафика в сети, тенденций изменения трафика. Некоторые реализации MPLS TE позволяют затем автоматически корректировать величину зарезервированной пропускной способности на основании трафика, проходящего через туннель.

Методы инжиниринга трафика чаще применяют не к отдельным, а к агрегированным потокам, которые являются объединением нескольких потоков. Так как мы ищем общий маршрут для нескольких потоков, то агрегировать можно только потоки, имеющие общие точки входа и выхода. Агрегированное задание потоков позволяет упростить задачу выбора путей, так как при индивидуальном рассмотрении каждого пользовательского потока промежуточные коммутаторы должны хранить слишком большие объемы информации, поскольку индивидуальных потоков может быть очень много. Необходимо подчеркнуть, что агрегирование отдельных потоков в один возможно только в том случае, когда все потоки, составляющие агрегированный поток, предъявляют одни и те же требования к качеству обслуживания.

Однако сама по себе прокладка в MPLS-сети TE-туннеля еще не означает передачи по нему трафика. Она означает только то, что в сети действительно существует возможность передачи трафика по туннелю со средней скоростью, не превышающей зарезервированное значение. Для того чтобы данные были переданы по туннелю, администратору предстоит еще одна ручная процедура – задание для начального устройства туннеля условий, определяющих, какие именно пакеты должны передаваться по туннелю. Такими условиями могут быть классы эквивалентности пересылки FEC и классы обслуживания. Устройство LER должно сначала провести классификацию трафика, удостоверившись, что средняя скорость потока не превышает зарезервированную, а затем начать маркировать пакеты, используя начальную метку TE-туннеля, чтобы передать трафик через сеть MPLS.

Для выбора и проверки TE-туннелей используются расширенный протокол маршрутизации OSPF-TE, который распространяет следующую информацию:

  • максимальная пропускная способность звена (то есть между маршрутизаторами);
  • максимальная пропускная способность звена, доступная для резервирования;
  • резервированная на звене пропускная способность;
  • текущее использование пропускной способности звена.

Располагая такими значениями, а также параметрами потоков, для которых нужно определить TE-туннели, маршрутизатор LER может найти решение наиболее рационального использования ресурсов сети. В качестве критерия для этого используется обычно значение min (max Ki) для всех возможных путей.

В общем случае администратору необходимо проложить несколько туннелей для различных агрегированных потоков. С целью упрощения задачи оптимизации выбор путей для этих туннелей обычно осуществляется по очереди, причем администратор определяет очередность на основе своей интуиции. Очевидно, что поиск TE-путей по очереди снижает качество решения – при одновременном рассмотрении всех потоков в принципе можно было бы добиваться более рациональной загрузки ресурсов. Покажем это на примере.

Пример выбора путей

В примере, показанном на риc. 10, ограничением является максимально допустимое значение коэффициента использования ресурсов, равное 0,65. В варианте 1 решение было найдено при очередности рассмотрения потоков 1, 2, 3. Для первого потока был выбран путь А-В-С, так как в этом случае он, с одной стороны, удовлетворяет ограничению (все ресурсы вдоль пути – каналы А-В, В-С и соответствующие интерфейсы маршрутизаторов оказываются загруженными на 50/155=0,32). Пропускная способность каналов А-В и B-C равна В=155, а каналов А-D, D-Е, Е-C равна В=100. Для второго потока также был выбран путь А-В-С, так как и в этом случае ограничение удовлетворяется - результирующий коэффициент использования оказывается равным 50+40/155=0,58. Третий поток направляется по пути А-D-Е-С и загружает ресурсы каналов А- D, D-Е и Е-С на 30/100=0,3. Решение 1 можно назвать удовлетворительным, так как коэффициент использования любого ресурса в сети не превышает 0,58.

Рис. 10. Зависимость коэффициента использования ресурсов сети от стратегии выбора туннелей

Однако существует лучший способ, представленные в варианте 2. Здесь потоки 2 и 3 были направлены по верхнему пути А-В-С, а поток 1 по нижнему А-D-Е-С. Ресурсы верхнего пути оказываются загруженными на 0,45, и нижнего -на 0,5, то есть на лицо более равномерная загрузка ресурсов, а максимальный коэффициент использования всех ресурсов сети не превышает 0,5. Этот вариант может быть получен при одновременном рассмотрении всех трех потоков с учетом ограничения min (max Ki) или же при рассмотрении потоков по очереди в последовательности 2, 3 ,1.

Несмотря на не оптимальность решения, в производимом сегодня оборудовании применяется вариант технологии MPLS TE с последовательным рассмотрением потоков. Он проще в реализации и ближе к стандартным для протоколов OSPF процедурам нахождения кратчайшего пути по одной сети назначения. В отсутствие ограничений найденное решение для выбора кратчайших путей не зависит от последовательности учета сетей, для которых производится поиск. Кроме того, при изменении ситуации – появлении новых потоков или изменении интенсивности существующих – найти путь удается только для одного потока.

В технологии MPLS TE информация о найденном рациональном пути используется полностью, то есть запоминаются IP-адреса источника, всех транзитных маршрутизаторов и конечного узла. Поэтому достаточно, чтобы поиском путей занимались только пограничные устройства сети (LER), а промежуточные устройства (LSR) лишь поставляли им информацию о текущем состоянии резервирования пропускной способности каналов. После нахождения пути независимо от того, найден он был устройством LER или администратором, его необходимо зафиксировать. Для этого в MPLS TE используется расширение уже рассмотренного нами протокола резервирования ресурсов (RSVP), который часто в этом случае называют протоколом RSVP TE.

Для реализации этой функции RSVP-TE расширяется новым объектом- ERO (Explicit Route Object). Объект переносится в сообщении Path и содержит явно заданный маршрут, по которому должно идти сообщение. Пересылка такого сообщения маршрутизатором определяется не адресом получателя, содержащимся в заголовке IP-пакета, а содержанием объекта ERO. Эта функция позволяет автоматически (или в результате действий администратора) ремаршрутизировать LSP в обход перегружаемых областей. При установлении нового пути в сигнальном сообщении наряду с последовательностью адресов пути указывается также и резервируемая пропускная способность. Каждое устройство LSR, получив такое сообщение, вычитает запрашиваемую пропускную способность из пула свободной пропускной способности соответствующего интерфейса, а затем объявляет остаток в сообщениях протокол маршрутизации, например OSPF. Таким образом протокол RSVP-TE выполняет свою традиционную функцию обеспечения требований QoS пользователей в соответствии с моделью интегрального обслуживания.

В заключение рассмотрим вопрос отношения технологий MPLS TE и QoS. Как видно из описания, основной целью MPLS TE является использование возможностей MPLS для достижения внутренней цели поставщика услуг, а именно сбалансированной загрузки всех ресурсов сети. Однако при этом так же создается основа для предоставления транспортных услуг с гарантированными параметрами QoS, так как трафик по TE-туннелям передается при соблюдении некоторого максимального уровня коэффициента использования ресурсов. Коэффициент использования ресурсов оказывает решающее влияние на процесс образования очереди, так что потоки, передаваемые по TE-туннелям, передаются с некоторым гарантированным уровнем QoS.

Для того чтобы обеспечить параметры QoS для разных видов трафика, поставщику услуг необходимо для каждого класса эквивалентности пересылки установить в сети отдельную систему туннелей. При этом для чувствительного к задержкам FEC требуется выполнить резервирование таким образом, чтобы максимальный коэффициент использования ресурсов туннеля находился в диапазоне 0,2-0,3, иначе задержки пакетов и их вариации выйдут за допустимые пределы.

Быстрая ремаршрутизация

Кроме основной задачи гибкого управления трафиком подсистема ТЕ выполняет c помощью стека меток ещё одну функцию – быструю ремаршрутизацию FRR (Fast Reroute). В случае выхода из строя канала связи в сетях с коммутацией пакетов требуется повторное установление соединения с оконечного пункта. При этом происходят задержки и потери пакетов (ячеек, кадров) данных, значительно влияющих на показатели QoS. FRR в MPLS-сети обеспечивает защиту от этих потерь, ремаршрутизируя трафик, проходящий по LSP, в обход повреждённого канала в течении 50 мсек. Приведённый на рис. 11 пример показывает, каким образом FRR используется.

Рис. 11 Пример применения FRR.


Как видно из рис. 11, когда LSR2 обнаружит, что канал между LSR2 и LSR3 неисправен, трафик в LSR3 будет переведён на резервный туннель (через LSR5 и LSR6). Это выполняется помещением метки 38 наверх стека с помощью процедуры push. Предварительно производится процедура замены метки (swap) 25 на 9. Продвижение пакета через LSR5 происходит по верхней метке. На LSR6 верхняя метка удаляется. В результате верхней меткой, по которой происходит коммутация, становится метка 9, т.е. та же самая, что и в случае исправного канала между LSR2 и LSR3 (т.е. когда в LSR2 метка 25 заменяется на метку 9).

Преимущества MPLS по сравнению с IP-сетью

Кратко сформулируем преимущества MPLS-сети по сравнению с транспортной IP-сетью.

  1. Технология MPLS поддерживает показатели качества обслуживания QoS, предоставляя различные классы обслуживания. IP-сети не предоставляют такой возможности.
  2. Технология MPLS позволяет сбалансировать нагрузку в сети, осуществляя перераспределение потоков (инжиниринг трафика). Это повышает показатели QoS за счет оптимизации использования полосы пропускания на недостаточно загруженных маршрутах. Протоколы IP-сети такой возможности не предусматривают.
  3. При использовании технологии MPLS провайдеры служб могут создавать так называемые виртуальные частные сети VPN (Virtual Private Network). VPN-сети содержат географически удаленные друг от друга узлы, которые могут безопасно связывать их по совместно используемой магистрали. В отличие от IP-сетей технология MPLS позволяет создавать VPN-сети без необходимости использовать дорогостоящее шифрование. Подробно построению VPN-сетей на базе MPLS посвящена следующая глава.
  4. Быстрая ремаршрутизация при отказах в каналах связи.

Примечания

  1. Гольдштейн Ф.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. СПБ.: БХВ-Петербург, 2005. 304с.
  2. Оливейн В. Структура и реализация современной технологии MPLS. М.:Вильямс, 2004. 480с.