Презентация "MPLS (MultiProtocol Label Switching)"

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