Презентация "MPLS (MultiProtocol Label Switching)"


Подписи к слайдам:
IP-сети

MPLS

  • MultiProtocol Label Switching.

Почему MPLS?

  • Интеллектуальная маршрутизация IP-трафика
  • Высокоскоростная передача данных
  • Поддержка транзита трафика СПД предыдущих поколений
  • Сопряжение мультитехнологичных сетей
  • Поддержка QoS в СПД
  • Удобная основа для VPN

Базис MPLS

  • До MPLS использовались технологии, имеющие схожие цели и возможности (FR, ATM)
  • MPLS вытесняет их т.к. лучше соответствует потребностям современных и будущих сетей и технологий
  • MPLS отказывается от деления трафика на ячейки и сигнальных протоколов ATM, т.к. даже 1,5 kb пакеты не вызывают значительных задержек
  • MPLS использует имеющиеся наработки по TE
  • До недавнего времени отсутствовала возможность реализовывать маршрутизацию IP аппаратно

Предыстория

  • Cell Switching (Toshiba)
  • IP Switching (Ipsilon)
  • Tag Switching (Cisco)
  • ARIS (IBM)
  • MPLS
  • IETF

Принцип коммутации по меткам

  • Маршрутизация
    • 3 уровень OSI
    • Задача – принятие решения о выборе следующего адресата на пути от отправителя к получателю
  • Коммутация
    • 2 уровень OSI
    • Задача – соединение портов узла коммутации с целью передачи данных

  • Архитектура сети MPLS

Теория MPLS

  • Пакеты не маршрутизируются а коммутируются на основе меток
  • Метки помещаются в заголовках пакетов
  • Основные операции:
    • Входной LER (Label Edge Router) помещает метку в IP пакет
    • LSR (Label Switch Router) выполняет «label swapping»
    • Выходной LER удаляет метку
  • Служебные операции: сформировать таблицу маршрутизации и коммутации
    • IGP
    • Сигнальные протоколы MPLS

Основные понятия

  • Метка (Label)
  • FEC – Forwarding Equivalency Class
  • LSP – Label Switched Path
  • LSR – Label Switching Router

Кодирование стека меток

FEC

  • Класс эквивалентной пересылки - форма представления группы пакетов с одинаковыми требованиями по их передаче, т.е. все пакеты в такой группе обрабатываются одинаково на пути их следования к пункту назначения.
  • FEC:
      • Элемент FEC
      • … … …
      • Элемент FEC
  • Элементы FEC:
      • Address Prefix – содержит адресный префикс
      • Host Address – полный адрес хоста

Классификация пакетов на входе в сеть

LABEL Forwarding Information Base на граничном LSR

LSR и LSP

  • LSR – коммутатор, способный анализировать метки и на их основании принимать решение о направлении передачи данных
  • LSP – путь коммутации по меткам, представляет собой последовательность узлов и меток в узлах на пути следования потока от отправителя к получателю

LSP на сети

Уровень управления и уровень передачи данных

  • LFIB
  • Маршру-тизация
  • Процессы
  • MPLS
  • RIB
  • LIB
  • FIB
  • Поиск и составление маршрутов
  • Привязка меток к маршрутам
  • IP Трафик
  • MPLS Трафик
  • Уровень управления
  • Уровень передачи данных

Стек меток и LSP-туннели

Стек меток

  • Несколько подряд идущих меток составляют стек
  • Нижние метки могут идентифицировать услуги/FEC и т.д.
    • например VPN, fast re-route, альтернативные маршруты
  • Верхние метки используются для маршрутизации трафика
    • (так в VPN, верхняя метка может использоваться для передачи трафика по магистральной сети, а нижняя для доставки к конкретной VPN заказчика.
  • Делает возможным следующие услуги:
    • MPLS VPN
    • Traffic engineering и fast re-route
    • Any transport over MPLS (AToM)
  • Нижнияя метка
  • Верхняя метка
  • IP Header
  • TE Label
  • IGP Label
  • VPN Label

Сопряжение IP и ATM

Установление LSP

  • На базе традиционных протоколов маршрутизации
  • Явная маршрутизации

Topology vs. Data vs. Control

  • <number>
  • Что побуждает LSR создавать привязку между меткой и FEC?
  • Получение пакетов данных, которые должны быть маршрутизированы LSR
  • Указание от модуля маршрутизации
  • Указание сигнальных протоколов CR-LDP и RSVP-TE
  • Три режима привязки меток
    • Data-driven : вызывается пакетами данных
    • Topology-driven вызывается пакетами маршрутных протоколов.
    • Control-driven: вызывается сообщениями протоколов управления

Традиционная маршрутизация

  • IGP (протокол внутреннего шлюза):
  • OSPF
  • IS-IS
  • EGP (протокол внешнего шлюза):
  • BGP

Протокол LDP

  • Label Distribution Protocol (LDP)
    • Набор процедур, при помощи которых LSR устанавливают LSP
    • Привязка информации маршрутизации к путям коммутации по меткам
  • Для обмена информацией о привязке меток устанавливаются LDP сессии

Режимы работы LDP

  • Режимы распределения меток:
  • Unsolicited downstream
  • Downstream-on-demand
  • Режимы приёма меток:
  • Консервативный
  • Либеральный

Пространства меток

  • Используются при назначении меток
  • Два типа пространств меток
    • На интерфейсной основе – метки, специфичные для некоторого интерфейса, возможно используют ресурсы интерфейса
    • На платформенной основе – несколько интерфейсов платформы делят одно пространство меток

Типы сообщений LDP

  • Cообщения обнаружения (discovery messages)
  • Сеансовые сообщения (session messages)
  • Сообщения-объявления (advertisement messages)
  • Уведомляющие сообщения (notification messages)

Сообщения LDP

  • Сообщения-объявления
  • Label Request
  • Label Abort Request
  • Label Mapping
  • Label Withdraw
  • Label Release
  • Сеансовые сообщения
  • Initialization
  • Shutdown
  • Address
  • Address Withdraw
  • Сообщения обнаружения:
  • Hello
  • KeepAlive
  • Уведомляющие сообщения:
  • Notification

Работа протокола LDP

Заголовок PDU

  • LDP идентификатор – указывает пространство меток
  • 4 байта – IP адрес LSR
  • 2 байта – идентификатор пространства меток
  • Для меток на платформенной основе идентификатор пространства меток заполняется нулями
  • 0
  • 16
  • 31

Формат сообщений LDP

  • 0
  • 16
  • 31
  • U - Unknown

MPLS-TE

  • Технология MPLS поддерживающая Traffic Engineering

История

  • Начало 1990-х:
    • Маршрутизаторы ядра сети соединены трактами E1/T1 и E3/T3
    • Небольшая часть маршрутизаторов и звеньев управляема
    • Конфигурация сети производится вручную
    • Достаточно IGP протокола с SPF моделью

История

  • Середина 1990х
    • ISP хотят увеличения магистральных сетей IP
    • Ожидается рост трафика
    • Маршрутизаторы слишком медленны
    • Метрики IGP усложняются
    • Расчёт маршрута IGP относительно топологии, а не относительно трафика

Цель (RFC 2702)

  • «…Основная цель Traffic Engineering в Интернет – добиться эффективного и надёжного функционирования сети, одновременно оптимизируя загрузку и производительность сетевых ресурсов»

Traffic Engineering

  • Traffic Engineering - методы и механизмы достижения сбалансированности загрузки всех ресурсов сети за счет рационального выбора путей прохождения трафика через сеть

Два аспекта TE

  • Трафик ориентированный – повышение QoS потоков трафика и минимизация потерь пакетов
  • Ресурсно-ориентированный – оптимизация загрузки и эффективное управление полосой пропускания

Наложенные сети

  • Коммутаторы ATM имеют предсказуемую производительность
  • ISP создают «наложенные» сети, предоставляющие виртуальную топологию граничным маршрутизаторам
  • С использованием виртуальных каналов ATM, виртуальная сеть может быть реконфигурирована без изменения физической топологии
  • Преимущества:
    • Полный контроль над трафиком
    • Статистика для каждого звена
    • Балансировка нагрузки

Пример наложенной сети

  • ATM ядро с IP маршрутизаторами на границе сети
  • Физическая
  • топология
  • ATM
  • A
  • B
  • C
  • A
  • B
  • C
  • Логическая
  • топология
  • IP

Недостатки наложенной сети

  • Рост виртуальных каналов ATM (PVC) в зависимости от размеров сети
    • 5 маршрутизаторов, добавляем 1 => 10 новых PVC
    • 200 маршрутизаторов, добавляем 1 => 400 новых PVC
    • Протоколы IGP исчерпали свои возможности
  • Перегрузка из-за служебной информации ATM – до 20% ПП

Недостаток SPF. «Рыба»

  • Все звенья имеют одинаковые значения метрики
  • Весь трафик от A к E,F и G, согласно SPF идёт через маршрутизатор B
  • Маршрут A->B->E перегружен
  • Ресурс A->C->D->E используется неэффективно
  • A
  • B
  • C
  • E
  • D
  • F
  • G

Traffic Engineering

  • Node
  • Next-Hop
  • Cost
  • B
  • B
  • 10
  • C
  • C
  • 10
  • D
  • C
  • 20
  • E
  • B
  • 20
  • F
  • Tunnel0
  • 30
  • G
  • Tunnel1
  • 30
  • A
  • B
  • C
  • E
  • D
  • F
  • G
  • «A» анализирует загруженность звеньев
  • «A» рассчитывает маршрут по ограничениям, отличный от SP
  • Нет перегрузок!

Traffic Engineering. Теория

  • MPLS-TE позволяет направлять трафик по маршруту отличному от SPF
    • Возможности traffic engineering ATM/FR в IP сети
    • Установление соединений с учётом имеющейся пропускной способности.
  • Виртуальная выделенная линия
    • Гарантированная пропускная способность
    • Гарантированные задержки

Фундаментальные требования

  • Направлять трафик на LSP
  • Измерять трафик
  • Назначать явный маршрут для LSP
    • Полностью известный маршрут
    • Частично известный маршрут
  • Определять параметры LSP
    • Полоса пропускания
    • Приоритеты
    • Поддержка «цветов»
  • Ремаршрутизация или выбор альтернативного LSP

Явно заданный LSP

Нестрогий маршрут

  • Router B
  • Router C
  • Router E
  • Router D
  • .2
  • .1
  • .2
  • .1
  • 10.0.31/30
  • Router G
  • Router F
  • 192.168.16.1
  • 192.168.0.1
  • 192.168.2.1
  • 192.168.5.1
  • 192.168.8.1
  • 192.168.12.1
  • 192.168.24.1
  • Router A
  • .1
  • .2
  • 10.0.13/30
  • 10.0.0/30
  • 10.0.24/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.1/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.8/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.2/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.16/30
  • .2
  • .1
  • 10.0.15/30
  • .2
  • .1
  • «Loose» пересылка до G , затем G-D
  • Маршрут до G рассчитывает IGP

Строгий маршрут

  • Router B
  • Router C
  • Router E
  • Router D
  • .2
  • .1
  • 10.0.31/30
  • Router G
  • Router F
  • 192.168.16.1
  • 192.168.0.1
  • 192.168.2.1
  • 192.168.5.1
  • 192.168.8.1
  • 192.168.12.1
  • 192.168.24.1
  • Router A
  • .1
  • .2
  • 10.0.0/30
  • 10.0.24/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.1/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.8/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.2/30
  • .1
  • .2
  • 10.0.16/30
  • .2
  • .1
  • 10.0.15/30
  • .2
  • .1
  • .2
  • .1
  • 10.0.13/30
  • A–F–G–E–C–D

Основные компоненты подсистемы TE в MPLS

  • Пользовательский интерфейс для управления политикой Traffic Engineering
  • IGP-компонент
  • (расширенная версия OSPF или IS-IS)
  • Маршрутизация на основе ограничений (напр. мод. алг. Дийкстры)
  • Компонент сигнализации
  • (RSVP-TE или CR-LDP)
  • Компонент пересылки данных

OSPF-TE и IS-IS-TE

  • Оба протокола распространяют одинаковую информацию:
  • Идентификация звена
  • Метрики TE
  • Информация о полосе пропускания (максимальная ПП, максимальная доступная для резервирования ПП)

Алгоритм поиска маршрута по ограничениям

  • Модифицированный SPF
  • Находит кратчайший маршрут по метрикам IGP, но удовлетворяющий ограничениям
  • Интегрированная TED
    • IGP топология
    • Доступная пропускная способность
    • Цвет ресуросв
  • Возможные ограничения
    • Максимальное количество пересылок
    • Полоса пропускания
    • Строгий/не строгий маршрут

Сигнализация в MPLS-TE

  • CR-LDP – добавить LDP функции обеспечения QoS
  • RSVP-TE – добавить RSVP функции распространения меток

CR-LDP

  • Новые возможности:
  • явная маршрутизация
  • спецификация параметров трафика
  • резервирование ресурсов
  • закрепление маршрута (route pinning)
  • механизм приоритетного вытеснения LSP
  • введён LSPID
  • введены классы (цвета) сетевых ресурсов

RSVP-TE

  • Новые возможности:
  • Запрос/объявление меток
  • Явная маршрутизация
  • Обнаружение петель
  • Приоритетность сеансов
  • Работа с туннелями
  • Сообщения Hello
    • Hello
    • Hello Request
    • Hello Ack
      • Src_Instance
      • Dst_Instance

SESSION (IPv4/IPv6)

  • Работа с виртуальными каналами:
  • Адрес выходного узла туннеля
  • Идентификатор туннеля (16 бит)
  • Расширенный идентификатор туннеля
    • IP адрес входного узла

Sender Template (IPv4/IPv6)

  • Адрес отправителя данных туннеля
  • LSP ID
  • Такой же формат у LSP TUNNEL FILTER SPEC (IPv4/IPv6)

Основные отличия RSVP-TE и CR-LDP

  • Направление резервирования
  • Транспортный протокол
  • Жесткое и нежесткое состояние
  • Способ закрепления маршрута
  • Устойчивость к отказам

Приоритетное вытеснение

  • Определяет относительную важность LSP на маршрутизаторе LSR
  • Модуль маршрутизации использует приоритеты чтобы оптимизировать маршруты
  • Более приоритетные LSP
    • Устанавливаются в первую очередь
    • Прокладываются по оптимальному маршруту
    • Могут вытеснять незкоприоритетные при ремаршрутизации
  • Управляется приоритетами вытеснения и удержания

Балансировка трафика LSP

  • При наличии равноценных маршрутов
    • Выбирается один маршрут для LSP
      • Случайно
      • Наиболее загруженный
      • Наименее загруженный
    • Балансировка трафика по нескольким LSP

Fast ReRoute

  • Кратковременное решение для уменьшения потерь пакетов
  • Ремаршрутизация трафика на резервный путь ~100 мс
  • Резервный маршрут рассчитывается по TED
  • Если узел или звено выходит из строя, верхний узел
    • Немедленно ремаршрутизирует трафик
    • Извещает о аварии граничный узел

Fast ReRoute

Ремаршрутизация LSP

  • Инициируется входным LSR
  • Причины
    • Доступен новый оптимальный маршрут
    • Сбой вдоль LSP
    • Произошло приоритетное вытеснение
    • Конфигурация вручную
  • Алгоритм
    • Установить новый LSP с SE фильтром
    • Направить трафик на новый LSP
    • Разорвать старый LSP

T-MPLS (Transport Multiprotocol Label Switching )

  • Концепция распределённого коммутационного поля

Предпосылки T-MPLS

  • В крупных транспортных сетях используются оптические каналы
  • Транспортная сеть должна быть масштабируемой
  • В транспортной сети небольшое количество долговременных соединений с широкой полосой пропускания
  • Транспортная сеть предъявляет повышенные требования к надёжности

T-MPLS как транспорт

  • Кадры Ethernet переносятся в неизменном состоянии
  • через туннель псевдолиний PWE3.

T-MPLS

  • T-MPLS это пакетная транспортная технология, требующая предварительного установления соединения. Централизованная система управления устанавливает соединения типа «точка – точка».
  • Архитектура T-MPLS базируется на модели G.805
  • T-MPLS избавлена от протоколов маршрутизации, протоколов распределения меток (OSPF,BGP,LDP,RSPV-TE)
  • Единый Control Plane
  • Поддержка традиционных методик OAM
  • Поддержка защитного переключения 50 мск. Кольцевые и линейные схемы защиты в соответствии с ITU-T Y.1720
  • Нет ограничений на наложенные сети. Любые технологии «сверху» и «снизу»

Стандарты T-MPLS

  • G.8110.1 основные принципы архитектуры
  • G.8112 - Интерфейсы для иерархии T-MPLS
  • G.8121 - Характеристики функциональных блоков оборудования T-MPLS
  • G.8131 - Защитное переключение для сетей T-MPLS.
  • G.8151 - Аспекты управления сетью T-MPLS

Инкапсуляция T-MPLS

  • Инкапсуляция данных Ethernet, IP, OAM в пакеты T-MPLS
  • Инкапсулировать данные в пакет T-MPLS
  • Првести N-мерное туннелирование для Traffic Engeniriing
  • Преобразовать в физический кадр/контейнер (OTN, SDH,ETH etc)
  • Передать по оптической среде полученные данные

Структура интерфейсов

  • T-MPLS допускает использование любого физического стандарта и интерфейса
  • T-MPLS не накладывает ограничений на технологию, для которой она является транспортом

Модель G.805

Сеть уровня MPLS

Управление сетью T-MPLS

GMPLS

  • Generalized MultiProtocol Label Switching

Зачем GMPLS?

  • Generalized Multi-Protocol Label Switching – универсальная MPLS
  • GMPLS – технология оптических сетей
  • Что хотят провайдеры:
  • Проблемы
    • Сложность в управлении несколькими уровнями
    • Неэффективное использование полосы пропускания
  • Решение: устранить средние уровни IP/WDM
  • IP
  • ATM\TDM
  • SONET/SDH
  • DWDM
  • Приложения и услуги
  • Traffic Engineering
  • Транспорт/защита
  • Ёмкость

Суть GMPLS

  • В GMPLS специфицируются объекты и процедуры, позволяющие MPLS функционировать в окружении «не пакетных» интерфейсов
  • Единый Control Plane для всех транспортных уровней

GMPLS и MPLS

  • GMPLS – развитие MPLS
    • Применение техник уровня управления MPLS в оптических коммутаторах и алгоритмов IP маршрутизации для управления трактами оптической сети
  • Изменения
    • Отделение сигнального канала и канала данных
    • Поддержка большего количества интерфейсов
    • И т.д.

Интерфейсы

  • Поддержка интерфейсов:
  • Packet-Switch Capable (PSC)
    • Маршрутизатор/ATM коммутатор/FR коммутатор
  • Time-Division Multiplex Capable (TDM)
    • SONET/SDH
  • Lambda Switch Capable (LSC)
    • Оптический кросс-коннектор
  • Fiber-Switch Capable (FSC)

Что необходимо добавить?

  • Новый протокол LMP для оптической коммутаторов
  • Расширения для OPSF
  • Расширения для RSVP и LDP
  • Улучшение масштабиремости:
        • Hierarchical LSP
        • Обьединение каналов “link bundling”
        • Адресация к узлам и каналам «не-IP»

GMPLS и MPLS: плоскость управления

  • Сходства
    • Поддержка пакетной передачи
      • GMPLS тоже работает!
    • Канал управления через IP
    • Поддержка QoS
      • GMPLS напрямую с WDM
    • Устойчивость
      • FRR только для пакетов
      • Альтернативы для оптики
  • Общая архитектура
      • Протоколы IGP с TE для маршрутизации
      • Модели Peer vs Overlay
  • Различия
    • Метки могут не изменяться по пути LSP
      • Например длина волны
    • Двунаправленные LSP
    • Ограничение на диапазон меток
    • Сигнализация Out of Band
      • control plane <> data plane - разные физ. Среды
    • + Протокол LMP
      • Появились не-PSC интерфейсы и каналы

GMPLS и MPLS: плоскость данных

  • Сходства
    • Для пакета IP ничего не изменилось
    • Метку можно вставить
      • Shim header работает!
    • Псевдолинии PW3
      • Можно организовать и в GMPLS
  • Различия
    • Поддержка без пакетных интерфесов и коммутаций
      • Лямбда, порт, vlan, тайм-слот
    • Метка как часть формата данных
      • напр. Поля Ethertype, VID, MAC
  • + Иерархия LSP
      • С помощью overlay
      • С помошью Forwarding Adjency

Иерархия LSP

Иерархия LSP: Peer vs Overlay

  • Overlay (Наложенная сеть)
  • Оптический домен прозрачен для маршрутизаторов
  • Маршрутизатор – клиент оптической сети
  • data plane layer : control plane inst = n:n
  • Один экземпляр control plane для установления LSP
  • Еще один экземпляр использует этот LSP как канал TE
  • Маршрутизатор PE контактирует только с соседним core - роутером
  • Не обязательно делать upgrade PE до GMPLS

Иерархия LSP: Peer vs Overlay

  • Peer (Одноранговая модель)
  • Все участники GMPLS сети «равноправны» с точки зрения маршрутизации
  • Граничные маршрутизаторы участвуют в маршрутизации, известна топология core сети
  • data plane layer : control plane inst = n:1
  • Иерархия благодаря Forwarding Adjacencies Один экземпляр control plane для установления LSP
  • Forwarding Adjacency – LSP, который обьявляется и участвет в маршрутизации, как один канал TE .Записи в таблицах роутеров об обычных каналах и FA – равноправны.
  • Техника требует расширений протоколов OSPF и RSVP

Сложности

  • Маршрутизация
    • Ограниченное количество меток
    • Большое количество звеньев
      • Идентификация звена
      • Масштабируемость маршрутных протоколов
  • Сигнализация
    • Большое время конфигурации метки
    • Необходимость двунаправленных LSP
  • Управление
    • Обнаружение сбоев
    • Защита от сбоев и восстановление

Универсальная метка

  • Объект Generalized Label может переносить метку идентифицирующую конкретное волокно в пучке, частотный диапазон в волокне, определённую длину волны в частотном диапазоне (или волокне), временные интервалы, переносимые некоторой длиной волны, традиционную метку MPLS, метки Frame Relay и ATM.
  • Запрос универсальной метки
  • Дополнительно:
  • LSP encoding type (8 бит) - тип кодирования LSP
  • Switching Type (8 бит) - тип коммутации на звене
  • Generalized PID (16 бит) – тип передаваемой нагрузки

Предлагаемая метка

  • Suggested Label – посылается верхним LSR нижнему. Это позволяет верхнему узлу начинать конфигурировать оборудование до объявления метки нижним узлом. Нижний LSR может подтвердить использование предлагаемой метки или назначить другую.

Предлагаемая метка

  • Предлагаемая
  • метка= 
  • Коммутация X
  • Предлагаемая
  • метка = 
  • Зарезервированная
  • метка= 
  • Зарезервированная
  • метка= 
  • Убедиться в готовности
  • Запрос
  • Коммутация X
  • Запрос
  • Привязка = 
  • Привязка = 
  • Без предлагаемой метки
  • С предлагаемой меткой

Двунаправленные LSP

  • Преимущества:
  • Снижается время установления двусторонней связи, а также время её восстановления при сбоях
  • Используется меньше служебных сообщений
  • Заключается в одновременном назначении меток для передачи данных Upstream и Downstream

Установка двунаправленных LSP

  • Предлагаемая = 
  • Upstream = a
  • Предлагаемая = 
  • Upstream = b
  • Зарезервированная = 
  • Зарезервированная= 
  • a
  • b
  • 
  • 

Разделение контрольного канала

  • В GMPLS возможно объединение каналов таким образом, чтобы затем объявлять их протоколам маршрутизации как единый объект.
  • При этом используется общий контрольный канал, в котором реализуется идентификация каналов данных, к которым относится переносимая служебная информация
  • Расширения OSPF, RSVP:
  • Адресация к IP unnumbered каналам
  • Маршрутизация для вторичных каналов, созданных поверх других (Иерархия LSP)
  • Обнаружение резервного маршрута
  • Коммутация диапазонов длин волн

Link Management Protocol

  • Проблемы
    • Как локализовать неисправность?
    • Как убедиться в связности узлов?
  • LMP:
    • Управление контрольным каналом
    • Проверка целости соединения
    • Корреляция свойств звена
    • Управление ошибками
    • Аутентификация

Дополнительные возможности GMPLS

  • Назначение инициатором связи меток на явно заданных маршрутах
  • Запрос типа защиты необходимой для устанавливаемого LSP