Сети и телекоммуникации (заочное обучение, бакалавриат)

MPLS (multiprotocol label switching, многопротокольная коммутация по меткам), методом инкапсуляции MPLS и форматом меток. Ключевое внимание уделяется процессу переадресации данных с помощью протокола MPLS.

lВ традиционной модели переадресации IP-пакетов физический уровень получает пакет от порта на маршрутизаторе, а затем отправляет его на канальный уровень.

lПосле удаления инкапсулированной информации на канальном уровне данные отправляются на соответствующий сетевой уровень согласно информации, содержащейся в поле протокола пакета.

lНа сетевом уровне проверяется, на это ли устройство отправлен пакет; если пакет отправлен на это устройство, то происходит удаление инкапсулированной информации с сетевого уровня и ее последующая отправка на протокол верхнего уровня. Если нет, то происходит поиск маршрута в таблице маршрутизации согласно IP-адресу назначения пакета. При соответствии маршрута пакет будет отправлен на канальный уровень соответствующего порта и, после инкапсуляции на канальном уровне, передан дальше. При отсутствии соответствий пакет отбрасывается.

lВ традиционной модели переадресации IP-пакетов используется переадресация данных в режиме hop-by-hop (последовательная передача). Процесс реализуется на каждом маршрутизаторе, через который проходит пакет (как показано на рисунке, RTA получает пакет данных с IP-адресом назначения 10.2.0.1, затем просматривает таблицу маршрутизации и производит передачу согласно сопоставимому маршруту; такие же действия выполняют RTB, RTC и RTD). Эффективность такой передачи низка, так как всем маршрутизаторам необходимо обладать информацией обо всех маршрутах во всей сети или маршрутах по умолчанию.

lКроме того, традиционная модель переадресации IP-пакетов не ориентирована на установление соединения, поэтому трудно произвести развертывание QoS.

lMPLS — это технология переадресации меток, в которой используются плоскость управления, не ориентированная на соединение (connectionless control plane), и плоскость данных, ориентированная на соединение (connection oriented data plane). Плоскость управления, не ориентированная на соединение, реализует маршрутную передачу и распределение меток, а плоскость данных, ориентированная на соединение, реализует передачу пакетов по установленному ранее LSP (маршруту с коммутацией меток).

lВ сетевом домене MPLS маршрутизатору не нужно анализировать каждый IP-адрес назначения пакета: он производит передачу в соответствии с меткой, добавленной перед IP-заголовком (как показано на рисунке, RTB получает от RTA пакет, содержащий метку, затем производит передачу в соответствии с меткой; аналогичная процедура совершается и для RTC). По сравнению с традиционной переадресацией IP-пакетов, переадресация меток с помощью MPLS значительно повышает эффективность передачи данных.

lОднако, с развитием технологии ASIC (application-specific integrated circuit, «интегральная схема специального назначения») скорость поиска маршрутов уже не является «узким местом» для развития сети. Повышение скорости переадресации перестало быть очевидным преимуществом сети MPLS.

lMPLS объединяет в себе преимущества двух технологий переадресации: мощную функцию маршрутизации уровня 3 IP-сети и высокоэффективный механизм переадресации в традиционной сети уровня 2; плоскость переадресации MPLS ориентирована на соединение и напоминает уже существующий метод переадресации в сети уровня 2.

lТаким образом, MPLS может легко и эффективно реалализовывать сочетание IP-сетей и АТМ, Frame Relay и других сетей уровня 2, а также предоставляет лучшее решение для ТЕ (Traffic Engineering, инжиниринг трафика), VPN (Virtual Private Network, виртуальная частная сеть), QoS (Quality of Service, качество обслуживания) и других сценариев применения.

lVPN, основанная на MPLS, может сочетать в себе различные ответвления частной сети, формируя единую сеть. Также такая VPN поддерживает управление связью между различными VPN. Как показано на рисунке, СЕ является пограничным устройством пользователя; РЕ – пограничный маршрутизатор поставщика услуг, расположенный в магистральной сети. P – магистральный маршрутизатор в сети поставщика услуг; маршрутизатор P не соединяется напрямую с СЕ. Данные VPN передаются по LSP (маршруту с коммутацией по меткам), в который инкапсулирована метка MPLS.

lMPLS TE объединяет технологию MPLS и TE, резервирует ресурсы посредством установления туннелирования LSP к назначенному пути, позволяет избежать перегрузки узла и, таким образом, достичь цели — балансировки сетевого трафика.

lКак показано на рисунке, 70% трафика от сети А к сети В передается по маршруту RTB-RTC-RTD, а 30% трафика — по маршруту RTB-RTG-RTH-RTD.

lТакой же объем трафика передается от сети В к сети С.

В сети MPLS переадресация пакетов производится в соответствии с меткой. Но как генерируется метка? Какой механизм используется MPLS для реализации переадресации данных?

MPLS включает две плоскости: плоскость управления и плоскость данных.

Плоскость управления предназначена для генерирования и сохранения информации о маршрутах и метках. Плоскость данных выполняет стандартную переадресацию IP-пакетов и пакетов с метками. В плоскости управления модуль протокола маршрутизации используется для передачи информации о маршруте, формирования таблицы маршрутизации. Протокол распределения меток используется для завершения обмена метками и установления маршрута коммутации по меткам.

pПлоскость данных включает в себя таблицу IP-переадресации и таблицу переадресации меток. Если идет стандартная переадресация IP-пакетов, то при получении стандартных IP-пакетов происходит поиск маршрута в таблице маршрутизации и дальнейшая передача; если же идет переадресация меток, то передача совершается по таблице переадресации меток. Если необходимо совершить передачу по меткам, то при получении пакетов с метками передача должна осуществляться по таблицам переадресации меток; если необходимо передать данные в IP-сеть, то необходимо удалить метки и осуществить передачу в соответствии с маршрутом в таблице IP-маршрутизации.

MPLS имеет два режима инкапсуляции: режим кадров (frame mode) и режим ячеек (cell mode). (АТМ использует режим инкапсуляции ячеек MPLS, который не включен в данный курс.) В режиме инкапсуляции кадров между заголовками уровней 2 и 3 пакета добавляется заголовок метки MPLS. Данный режим инкапсуляции используется в Ethernet и РРР.

Метки MPLS используются для передачи информации MPLS. Маршрутизаторы обмениваются метками для передачи данных по установленным маршрутам переадресации меток.

Длина заголовка MPLS составляет 32 бита и включает в себя: поле метки (20 битов; используется для переадресации данных); EXP (3 бита; используется для передачи приоритета IP-пакета); S (1 бит, находится на дне стека метки и указывает, последняя ли это метка, так как возможно наличие нескольких вложенных меток MPLS); TTL (8 битов, его функция аналогична функции TTL IP-заголовка; TTL используется для предотвращения зацикливания данных).

Поле протокола PID в заголовке уровня 2 указывает, что полезная нагрузка начинается с пакета, имеющего инкапсулированную метку, или IP-заголовка. Например, в протоколе Ethernet PID=0x8847 указывает, что полезная нагрузка кадра — это пакет многоадресной передачи MPLS. PID=0x8848 указывает, что полезная нагрузка кадра — пакет одноадресной передачи MPLS. PID=0x0800 указывает, что полезная нагрузка кадра — IP-пакет одноадресной передачи. В протоколе РРР, PID=0x8281 указывает, что полезная нагрузка кадра — пакет одноадресной передачи MPLS. PID=0x8283 указывает, что полезная нагрузка кадра — это пакет многоадресной передачи MPLS.

S-бит в заголовке MPLS указывает, является ли следующий заголовок другой меткой или IP-заголовком уровня 3.

Обычно MPLS назначает пакету только одну метку, но в некоторых передовых сценариях применения MPLS используется несколько меток. Например, в MPLS VPN используются 2 уровня меток (в сложных случаях количество уровней меток может достигать 3); внешняя метка (out-label) используется для передачи данных в общедоступной сети, а внутренняя метка (in-label) — для обозначения того, к какой VPN относится пакет. В MPLS ТЕ также используются два или более уровня меток; самая верхняя метка используется для указания туннелирования TE, а внутренняя метка указывает на адрес назначения пакета.

Примечание: Метка 1, Метка 2, Метка 3 означают 4 байта заголовка MPLS, который включает в себя информацию о метках размером 20 битов.