17.1. MPLS (siet)

17. MPLS

• Vysvetlite skratku MPLS a rozdiel medzi prepínanou a smerovanou sieťou (uveďte výhody aj nevýhody).
• Objasnite zmeny v IP hlavičke a charakterizujte jednotlivé políčka v hlavičke.
• Načrtnite základnú štruktúru MPLS siete a popíšte jednotlivé prvky siete.

 

1. Vysvetlite skratku MPLS a rozdiel medzi prepínanou a smerovanou sieťou (uveďte výhody aj nevýhody).

Posielanie paketov v MPLS sieti

V MPLS (Multiprotocol Label Switching) sieti je preposielanie paketov realizované iným spôsobom. Na vstupe do MPLS siete je paket označený značkou (label) a v rámci siete sa už žiadny smerovač (Obr. 1) (presnejšie LSR – Label Switch Router) nezaujíma o cieľovú IP adresu paketu, ale práve o túto značku.

Obr. 1 Princíp smerovania paketu v MPLS sieti

Smerovač príjme označkovaný paket, pozrie sa do prepínacej tabuľky a podľa jej obsahu pošle paket (stále označený) na príslušné výstupné rozhranie. Môže pritom zmeniť hodnotu značky. Takto je paket transportovaný celou MPLS sieťou až k jej okraju, kde je značka odobratá, paket je ďalej smerovaný klasickým spôsobom podľa cieľovej IP adresy.

Posielanie paketov v bežnej IP sieti

Základné princípy posielania paketov v bežných IP sieťach.

o jednotlivé siete a uzly sú jednoznačne identifikované IP adresou

o preposielanie paketov medzi sieťami realizujú smerovače

o smerovače smerujú pakety na základe ich cieľovej IP adresy

o smerovač sa pri rozhodovaní kam paket poslať riadia svojou smerovacou tabuľkou.

Každý smerovač sa rozhoduje sám, nezávisle na ostatných Smerovacia tabuľka je plnená na základe informácii poskytnutých dynamickým smerovacím protokolom RIP (Routing information protocol), OSPF (Open shortest path first), alebo statickými záznamami zadanými pri konfigurácii smerovača.

Prideľovanie značiek a ich propagácia v MPLS sieti

Príklad vyššie naznačil, že značky boli jednotlivým uzlom prideľované na základe cieľovej IP adresy. Čiže každá  sieť dostupná v systéme má pridelenú konkrétnu značku [4]. To však nie je jediná možná stratégia. Značka môže byť paketu pridelená napr.

Na základe týchto kritérií:

• podľa cieľovej IP adresy a QoS parametrov, ktoré majú byť splnené
• podľa príslušnosti paketu do VPN konkrétneho zákazníka
• podľa multicastovej adresy

Pomocou kritérií, ktoré slúžia pre pridelenie značky, je definovaná tzv. Forwarding Equivalence Class (FEC), teda množina paketov vyhovujúcich danému kritériu. Každá FEC obdrží svoju značku a tou je potom určené akou cestou budú cestovať po MPLS sieti pakety patriace do jednej FEC. V prípade normálneho unicastového smerovania zodpovedá FEC jednému prefixu v smerovacej tabuľke LSR (Label Switch Router).

Napr. pakety smerujúce do siete 192.168.0.0./16 tvorí jednu FEC a dostanú značku 46. Šírenie informácii o značkách, teda o väzbe medzi FEC a značkou, môžeme realizovať samostatným, pre tento účel vytvoreným protokolom, alebo po rozšírení o potrebné atribúty môžu byť využité aj súčasné protokoly (smerovacie, signalizačné). Záleží na konkrétnej aplikácii MPLS.

2. Objasnite zmeny v IP hlavičke a charakterizujte jednotlivé políčka v hlavičke.

Značka – label

Značka veľkosti 20 bitov (Obr. 2) je umiestnená v rámci 32 bitovej MPLS hlavičky, ktorej súčasťou sú aj:           

·         experimntálne bity využívané pre potreby klasifikácie paketu v rámci definície QoS (podobne ako IP precedense v IP hlavičke)

·         1 bit (Bottom of Stack) označuje, či sa jedná o prvú MPLS značku vloženú do paketu (niektoré MPLS aplikácie potrebujú pre svoju činnosť umiestniť značiek niekoľko)

·         8 bitov TTL, s rovnakým významom ako identifikácia v IP hlavičke

Obr.2. MPLS hlavička

MPLS hlavička je súčasťou rámca druhej vrstvy a je vložená medzi hlavičku rámca a transportovaný IP paket (Obr. 3). Ako technológiu druhej vrstvy použijeme Ethernet, PPP alebo Frame Relay. Dá sa použiť aj ATM, ale tu sa jedná o špecifické použitie. ATM bunka neobsahuje žiadnu špeciálnu MPLS hlavičku a ku značkovaniu sú používané štandardné ATM hlavičky.

Obr. 3 Umiestnenie MPLS hlavičky

Smerovač LSR

LSR (Label Switch Router) je zariadenie, ktoré prepína pakety na základe MPLS značky a zároveň implementuje ďalšie vlastnosti (protokoly), ktoré sú pre funkciu MPLS potrebné. Špeciálnym prípadom je krajný (edge) LSR (LER), ktorého úlohou je vložiť (v prípade vstupného – Ingress LSR) resp. odoberať (v prípade výstupného – Egress LSR) značky na hranici MPLS siete. LSR nie je žiadne špeciálne zariadenie, ale normálny smerovač podporujúci MPLS.

Protokol LDP

LDP (Label Distribution Protocol) je protokol umožňujúci vytvárať FEC na základe prefixu IP adresy s tým, že ďalšie atribúty môžu byť ešte špecifikované v budúcnosti. Zároveň zaisťuje distribúciu značiek patriacich jednotlivým FEC medzi uzlami MPLS siete. Protokol vznikol štandardizáciou protokolu TDP vyvinutého spoločnosťou Cisco Systems, ktorá hrala a stále hrá pri vývoji MPLS vedúcu úlohu.

Základné vlastnosti protokolu LDP:

·         nachádza a udržuje väzbu so susedmi pomocou pravidelných Hello paketov, ktoré sú posielané v pravidelných intervaloch (podobne ako OSPF)

·         medzi susedmi je potom vytvorené TCP spojenie slúžiace pre vzájomnú komunikáciu (výmena informácii o značkách, signalizácia chýb, keepalive, atď.)

·         pri použití LDP sa počíta so súbežne fungujúcim smerovacím protokolom (OSPF, IS-IS)

·         okrem LDP môže byť v systéme prevádzkovaný ešte ďalší protokol pre distribúciu značiek

3. Načrtnite základnú štruktúru MPLS siete a popíšte jednotlivé prvky siete.

Na Obr. 4 príklade vidno princíp fungovania LDP. Smerovač B obdržal od smerovacieho protokolu informáciu o existencii siete X. Záznam o sieti sa objaví v smerovacej tabuľke a zároveň smerovač B vygeneruje značku pre túto sieť (25) a túto informáciu pomocou LDP odovzdá svojím susedom. Tým susedom oznamuje, že pokiaľ cez neho chcú posielať paket do siete X je potrebné, aby ho vybavila značkou 25. Táto značka má iba lokálnu platnosť.

Obr. 4 Princíp fungovania LDP

Rovnakú operáciu spravia aj ostatné smerovače v MPLS sieti. Každý si pre prefix X vygeneruje vlastnú značku a tú oznámi susedom. Smerovač C vygeneruje 30, D vygeneruje značku 1 a E vygeneruje značku 51. Pokiaľ príde paket na krajný smerovač A s cieľovou adresou v sieti X, je mu pridelená značka 25 a je poslaná na LSR B.

Smerovač B má na výber dve cesty, so značkou 30 cez C, alebo so značkou 51 cez E. Voľbu optimálnej cesty nerieši LDP, ale použitý smerovací protokol. V tomto príklade je z pohľadu použitého protokolu vhodnejšia cesta cez smerovač C. LSR B si teda do svojej prepínacej tabuľky napíše, že pokiaľ mu príde paket označený značkou 25, tak ho má preznačkovať na 30 a poslať na LSR C. Paket teda prichádza na C so značkou 30, je preznačkovaný na 1 a s touto značkou odchádza na D, ktoré je krajným LSR. Zaistí teda odobratie značky a doručenie paketu cieľovej stanici. Tým sme opísali prepínanú cestu (Label Switched Path - LSP) pre FEC do ktorej patrí sieť X. LSP je jednosmerná cesta popisujúca LSR, ktorými musí paket patriaci do určitej FEC prejsť.

Dôležité je uvedomiť si, že o tom, do akej FEC bude paket zaradený a teda aj o tom kadiaľ bude následne MPLS sieťou putovať, rozhoduje Ingress LSR. Ostatné LSR už len túto voľbu musia akceptovať a prepínať podľa značky, s ktorou im paket príde. Vzhľadom na to, že LSR D už pre doručenie do siete X značku nepotrebuje (naopak, ho zbytočne zdrží dvojaký pohľad na paket – najprv na značku a po ich odstránení ešte na cieľovú IP adresu), je paket z LSR C odoslaný už bez značky. Tento princíp je označovaný ako Penultime Hop Popping, čiže voľne preložené ako odoberanie na predposlednom skoku.

Popísaný spôsob distribúcie značiek sa  označuje ako nevyžiadaná distribúcia. „Aj keď to odo mňa susedia nevyžadovali, posielam im všetkým informácie o značke, ktorú som pre určitú FEC vygeneroval.“ Druhá možnosť, ktorú LDP používa, je distribúcia na vyžiadanie. Informuje iba toho suseda, ktorý si takúto informáciu explicitne vyžiada. Rovnako aj samotné generovanie značiek môže prebiehať dvojakým spôsobom. V našom príklade si každý LSR generoval jednu značku pre FEC. Nezávisle na tom, cez ktoré rozhranie príde paket spadajúci do danej FEC, je očakávaná rovnaká značka. Existuje ešte možnosť, že LSR si (pre danú FEC) vygeneruje jedinečnú značku na každom rozhraní. Na jednom rozhraní potom môže byť očakávaný pre danú FEC iná značka ako na druhom.

To, aká metóda generovania a distribúcie značiek je používaná, môže súvisieť s technológiou linkovej vrstvy nad ktorou je MPLS prevádzkované. Svoje špecifiká má hlavne technológia ATM.