Wprowadzenie do MPLS

Technologia MPLS - MultiProtocol Label Switching - reprezentuje następny poziom w ewolucji standardów w połączeniu technologii przełączania w warstwie 2 (data link layer) z technologią routingu w warstwie 3 (network layer). Głównym celem procesu standaryzacyjnego MPLS (MultiProtocol Label Switching) jest stworzenie elastycznej struktury sieciowej, która będzie miała większą efektywność niż dotychczasowe sieci oraz będzie w większym stopniu skalowalna. W związku z tym muszą być zawarte w MPLS (MultiProtocol Label Switching) właściwości inżynierii ruchu (traffic engineering), która zaoferuje, np. aspekty Quality of Service (QoS) /Class of Service (CoS) i ułatwii użycie  Virtual Private Networks (VPNs).

MPLS (Multiprotocol Label Switching) jest zaprojektowany do pracy z różnorodnymi mechanizmami transportu, jednakże, początkowa implementacja skupia się na dwóch głównych technologiach ATM (Asynchronous Transfer Mode) i Frame Relay, które już są zaimplementowane w dużych sieciach operatorów sieciowych.

Artykuł ten przybliża wyzwania określane przez dostawców usług, jakie muszą zostać podjęte przy przejściu z dotychczasowych sieci IP do sieci wykorzystujących MPLS (Multiprotocol Label Switching). Przybliża on także podstawy koncepcyjne i przegląd technologii MPLS.

Podstawy MPLS

MPLS (Multiprotocol Label Switching) został zdefiniowany przez Internet Engineering Task Force (IETF) jako standard podstawowy do implementacji technologii przełączania etykiet (label switching) w sieciach o dużej skali. Grupa zajmująca się MPLS (MPLS Working Group) została założona w 1997 roku i do tej pory zdefiniowała szereg dokumentów, które osiągnęły status standardów. Zanim powstała MPLS Working Group, wielu producentów sprzętu zapowiedziało i/lub zbudowało swoje implementacje przełączania etykiet (label switching), w związku z tym inicjacja MPLS Working Group miała duże znaczenia dla tej technologii (ujednolicenie mechanizmu).

IETF zdefiniowała MPLS (Multiprotocol Label Switching) w odpowiedzi na szereg współbieżnych problemów, które wymagały natychmiastowej uwagi i rozwiązania. Problemy te zawierają: skalowanie sieci IP, aby sprostać wymaganiom na zwiększający się ruch w Internecie; zastosowanie (wprowadzenie) zróżnicowanych poziomów usług w oparciu o IP; połączenie różnorodnych typów ruchu w jednej sieci IP; oraz usprawnienie wydajności działania w konkurencyjnym środowisku. Należy tutaj zauważyć, że wielu sprzedawców usług internetowych (service providers) jest aktywnymi członkami w MPLS Working Group, toteż właściwości MPLS (Multiprotocol Label Switching) mają bezpośrednią korelację z problemami wyszczególnionymi powyżej. Wiele problemów, które należało rozwiązać zostało w pewnej mierze rozwiązanych w kilku implementacjach producenckich, z których MPLS (Multiprotocol Label Switching) czerpie doświadczenia i systematyzuje w standardzie. Tymi producenckimi rozwiązaniami są: IP Switching z Ipsilon (Nokia), Tag Switching z Cisco Systems, Aggregate Route-based IP Switching (ARIS) z IBM, Cell Switch Router (CSR) z Toshiba i IP Navigator z Cascade Communications (Ascend Communications).

Mimo, że MPLS (Multiprotocol Label Switching), jak sama nazwa wskazuje, może koncepcyjnie obsługiwać różnorodne protokoły (multiple protocols), początkowe prace skupiły się na integracji IPv4 z ATM i Frame Relay.

Przegląd technologii MPLS (MultiProtocol Label Switching)

ATM był wizją wszechobecnej sieci. Wiele osób myślało, że ATM może się rozciągać od komputera typu desktop do rdzenia sieci (core) i terminować na innym komputerze, jednym słowem homogeniczna sieć ATM. Do dziś dzień jest ta wizja popularyzowana. Jednak względy ekonomiczne wytyczają inną ścieżkę: sieć IP jako mechanizm transportowy dla danych użytkownika, przy wykorzystaniu dotychczasowych technologii transportowych w niższych warstwach jak Ethernet, ATM, Frame Relay itp. Budowanie sieci przyszłości jest ogromnym przedsięwzięciem ekonomicznym, toteż operatorzy nie mogą pozwolić sobie na zamianę dotychczasowych technologii i urządzeń, które wykorzystują do budowy sieci, na nowoczesne rewolucyjne technologie. Przejście to będzie stopniowe albo sieci następnej generacji będą budowane w oparciu o dotychczasowe technologie jak IP i ATM, działające już od lat.

Technologia label switching (przełączania etykiet) w MPLS jest rezultatem połączenia korzyści z technologii przełączania w rdzeniu sieci (core) z korzyściami technologii routingu IP na brzegach sieci (edge). Sieć hybrydowa wykorzystuje obie te technologie , tworząc problem najlepiej opisany przez słowa „jak sprawić by IP i ATM współdziałały”. Początkowo IETF i ATM Forum podjęły to wyzwanie i zdefiniowały standard IP over ATM (RFC 1577/2225) i Multiprotocol over ATM (MPOA), które umożliwiają pracę IP poprzez sieć ATM.

MPLS (Multiprotocol Label Switching) zajmuje się innym problemem, najlepiej opisanym jako „jak zintegrować najlepsze atrybuty tradycyjnych technologii warstwy 2 (data layer) i warstwy 3 (network layer)”. W związku z tym MPLS poszukuje jak połączyć najlepsze atrybuty technologii przełączania w warstwie 2, które są zawarte w ATM i Frame Relay, z najlepszymi atrybutami technologii routingu w warstwie 3, które oferuje świat IP. MPLS, jako podstawa wyściowa do label switchingu, właściwie definiuje zbiór protokołów i procedur, umożliwiających fast switching (szybkie przełączanie) w ATM i Frame Relay, które będą wykorzystywane przez sieci IP. Kluczową koncepcją w MPLS (Multiprotocol Label Switching) jest identyfikacja i znakowanie pakietów IP z labelami (etykietami) i przekazywanie ich do zmodyfikowanego przełącznika lub routera MPLS, który następnie użyje etykiet do przełączenia pakietu poprzez sieć. Etykiety MPLS są tworzone i przydzielane do pakietów IP w oparciu o informację uzyskaną z istniejących protokołów routingu IP. Jak każda technologia, MPLS ma swój własny zbiór terminów i akronimów (rys.1), które przytaczam poniżej:

datagram – jest to ogólny termin określający jednostkę informacji przesyłaną przez sieć;

Label Edge Router (LER) – router MPLS, który jest usytuowany na brzegu (edge) domeny MPLS i jest w stanie wykorzystać informację o routingu do przypisania etykiet MPLS do datagramów, a następnie przekierowywać je do domeny MPLS;

Label Switched Path (LSP) – jest to specyficzna ścieżka MPLS, którą datagram pokonuje sieć, bazując na etykiecie MPLS, która została przypisana do datagramu;

Label Switching – termin opisujący ogólnie technologię, która łączy technologię warstwy 2 i 3;

Label Switching Router (LSR) – router  rdzeniowy MPLS, który zazwyczaj jest umiejscowione w środku sieci i jest w stanie przekazywać datagramy w oparciu o etykiety MPLS. W wielu przypadkach w sieciach opartych o MPLS, LSR-em jest zmodyfikowany przełącznik ATM, który przekazuje datagramy w oparciu o etykiety znajdujące się w polach VPI/VCI;

MPLS – termin używany przez IETF do opisania technologii wykorzystującej label switching;

MPLS domain – fragment sieci, która zawiera urządzenia pracujące z MPLS.

rys.1. Elementy sieci MPLS

Wyzwania dla dostawców usług

Deregulacje w komunikacji, szczególnie w Stanach Zjednoczonych, spowodowały rozpowszechnienie się alternatywnych dostawców usług, którzy konkurują w tej niszy rynkowej, zarówno ze sobą jak i z tradycyjnymi operatorami i dostawcami usług. To mocno konkurujące środowisko biznesowe prowadzi dostawców usług do ścisłego badania własnej sieci pod kątem kosztów całej struktury, włączając zarówno koszty infrastruktury jak i koszty operacyjne.

Wprowadzenie homogenicznego mechanizmu transportu sieciowego jest oceniane jako rozwiązanie najbardziej efektywne pod względem kosztów i elastyczności. Zwiększenie konkurencyjności zmusiło dostawców usług do poszukiwania nowatorskich rozwiązań dla rozszerzenia swojego portfolio usług tak, aby wyróżniać się na rynku i specyficznym segmencie rynkowym.

Dziś społeczność dostawców usług oferuje szeroką gamę usług, które ewoluowały w ciągu ostatnich lat używane w specyficznych sieciach, aby spełnić specyficzne wymagania. Przedsiębiorstwa nie są zainteresowane  połączeniami przez wiele sieci i żadają mieszanych (hybrydowych) usług z pojedyńczym elastycznym dostępem, a w przyszłości z jednorodnym protokołem dostępu.

Mimo, że tradycyjne usługi telekomunikacyjne i ostatnie usługi danych, takie jak dostęp do Intranetu/Internetu, może być konwergowany w jednej sieci, to przedsiębiorstwa nieustannie szukają nowych zaawansowanych i specyficznych usług skrojonych na ich konkretne potrzeby. Umożliwia to przedsiębiorstwom dynamiczne regulowanie ich wymagań dla sieci, bazując na wskaźnikach takich jak obciążenie ruchu na aplikację (przydział pasma) i wydajność aplikacji (QoS/CoS).

Dzisiejsze sieci IP są dalekie od osiągnięcia wymagań dostawców usług i ich klientów. Właściwiści i zdolności wbudowane w MPLS (Multiprotocol Label Switching) są zaprojektowane do wyjścia na przeciw wymaganiom na zunifikowany (jednorodny) mechanizm transportowy w sieciach o dużych rozmiarach i zbudowany jest w oparciu o istniejącą koncepcję tworzenia sieci IP.

Sieci publiczne dzisiaj

Rozrost sieci IP

Początki budowy sieci IP sięgają lat 70-tych w środowiskach akademickich. Do dzisiaj, główną cechą przesyłania informacji w sieci było jej pewne i niezawodne dostarczenie. Dostarczanie pakietów z określoną przepływnością (pasmem) lub opóźnieniem nie było wskaźnikiem kształtującym trendy. Pomimo to IP ma wbudowany mechanizm zróżnicowania transportowanych pakietów oparty o typ usługi (TOS), ale nie był on konsekwentnie wykorzystywany. W skutku tego, sieci IP i sieć Internet zostały zbudowane przy użyciu modelu bezpołączeniowego przełączania pakietów, który nie umożliwia zróżnicowania jakości usług (quality of service differentiation). Rozrost Internetu i pojawienie się World Wide Web (WWW) dostarczyło siły napędowej dla IP (Internet Protocol), który stanął na przodzie świata komunikacyjnego. Zarówno sieć Internet jak i sieci korporacyjne (Intranety), używają IP jako podstawy dla działania całej sieci danych, toteż wielu dostawców usług buduje i consoliduje swoich operatorów sieciowych w jedną infrastrukturę sieciową opartą o IP. Jednakże, wymagania transportowe dla głosu, danych i multimediów kolosalnie się różnią, wobec tego architektura TCP/IP i sam protokół IP musi ulec ewolucji, by sprostać tym różniącym się wymaganiom.

Rola routingu

Pakiet IP zawiera wystarczającą informację w nagłówku, która umożliwia jego przekazywanie poprzez sieć. Przekazywanie pakietów jest tradycyjnie budowane w oparciu o routing datagramów. Technika routingu datagramów używana w sieciach IP jest wykonywana w postaci routingu opartego na przeznaczeniu. Oznacza to, że pakiet IP jest kierowany poprzez sieć w oparciu o adres przeznaczenia zawarty w nagłówku pakietu, a mechanizn przekazywania w sieciach IP jest routingiem "hop-by-hop", co oznacza, że każdy pakiet przychodzący do routera jest analizowany (przetwarzany) i podejmowana jest decyzja, gdzie przesłać pakiet ( jaki jest następny skok pakietu „next hop”). W taki właśnie sposób pakiet jest kierowany od źródła do przeznaczenia. W związku z tym, że pakiet jest routowany indywidualnie poprzez sieć  i nie jest przekazywany po wcześniej wyznaczonej ścieżce, sieć IP uważamy za bezpołączeniową.

W celu poprawnego routingu pakietu, router musi wyznaczyć dla niego następny skok (next hop).Protokoły routingu, takie jak Open Shortest Path First (OSPF), umożliwiają routerom nauczenie się topologii sieci. Wykorzystując informacje z protokołów routingu, router buduje swoją bazę przekazywania pakietów (tabelę routingu), która identyfikuje następne skoki dla wszystkich znanych przeznaczeń IP. (Trzeba zaznaczyćw tym miejscu, że router przechowuje prefiksy IP, a nie kompletne adresy IP). W dzisiejszych routerach funkcje przekazywania są zaimplementowane w sprzęcie z oprogramowaniem sterowania/routingu, w przeciwieństwie do ich wcześniejszych poprzedników, gdzie funkcje routingu realizowane były tylko programowo, co wymagało dużej mocy procesorów.

Rola przełączania (switchingu)

Zarówno dostawcy usług jak i przedsiębiorstwa budujące duże sieci IP, uświadomiły sobie, że budowanie sieci opartych o routing stwarza pewne problemy, w głównej mierze związane z softaware’owymi komponentami przekazywania pakietów w routerach IP, dużymi kosztami zakupu szybkich routerów oraz trudności w prognozowaniu wydajności w dużych sieciach opartych o topologię „mesh” bazujących na tradycyjnym routingu.

Technologie przełączania oparte na ATM (Asynchronous Transfer Mode) i Frame Relay, wykorzystują całkiem inny algorytm przekazywania, który jest właściwie algorytmem wymiany etykiet (label-swapping). Z powodu prostoty algorytmu, jest on implementowany w sprzęcie, przynosząc korzyść w postaci lepszej ceny/wydajności, jeśli porównamy go z tradycyjnym routingiem IP. ATM i Frame Relay są technologiami zorientowanymi połączeniowo, co oznacza, że ruch między dwoma punktami jest przenioszony wtedy, gdy zostanie ustalona (predefiniowana) ścieżka. W związku z tym, technologie zorientowane połączeniowo tworzą sieć bardziej przewidywalną i lepiej zarządzaną. Kombinacja tych cech pozwala zatem lepiej wyjaśnić, dlaczego rdzeń sieci (core) jest budowany w oparciu o urządzenia przełączające.

Łączenie routingu i switchingu

Podczas, gdy technologie przełączania przejęły rdzeń sieci (core network), to routing IP kontynuuje swoją eksapansję na brzegu sieci (edge network). Połączenie tych dwóch różnych technologii stworzyło konieczność użycia sieci nakładkowej, gdzie technologia dostępowa (IP) została nałożona na szczyt technologii rdzeniowej ATM i Frame Relay. Model nakładkowy rozciąga pewne korzyści technologii przełączania na całą sieć. Odtąd ścieżka pomiędzy routerami przechodzi przez przełączniki, które zorientowane są połączeniowo (potrzeba zestawienia połączenia), to lepsze stało się zarządzanie siecią i jej przewidywalność.

Stworzenie modelu nakładkowego sieci znacząco wpłynęło na działanie routowanej części sieci. Odkąd sieć IP jest nałożona na sieć przełączaną jaką np. jest sieć ATM, wszystkie routery są połączone bezpośrednio w warstwie sieciowej. Dlatego też, model nakładkowy wymaga by każdy router miał sąsiedztwo z dowolnym innym routerem w sieci. Ponieważ sąsiedztwo między nimi musi być zestawiane przez połączenia (np. ATM VC), sieć wymaga zastosowania struktury pełnej siatki (full mesh) połaczeń VC, w celu ich połączenia. Wraz ze wzrostem liczby routerów wzrasta też liczba połączeń VC z szybkościa n(n-1)/2. W rezultacie mamy sieć z wielką liczbą połączeń VC, która stwarza problemy skalowalności i trudności w zarządzaniu.

Wyzwania dla sieci o dużych rozmiarach

Ewolucja w telekomunikacji w ostatnich 100 latach wymusiła na infrastrukturze koncepcję niezawodności działania rzędu 99.999%, co w przybliżeniu daje 5 minut zawodności w ciągu roku. Urządzenia, które spełnią te ostre wymagania nazywamy urządzeniami typu carrier-class. Cecha ta jest uzyskiwana na wiele sposobów, które są kluczowe dla celów dostawców usług, ekonomiczności sieci i bogatej oferty usługowej.

Skalowalność

W związku z gwałtownym wzrostem wymagań na pasmo, wymuszonym przez zwiększone użycie komputerów bogatych w różnego rodzaju aplikacje, nowoczesna sieć musi być skalowana do prawie nieskończonej pojemności. Dotychczasowe techniki przesyłania IP przez ATM/Frame Relay, model nakładkowy, dowiodły ograniczenia z dwóch technicznych perspektyw: działania protokołów routingu IP i administratorskiego punktu widzenia, zbyt duży nakład na zarządzanie wielką liczbą połączeń wirtualnych VC.

Wytrzymałość i solidność

Najważniejszym aspektem w dzisiejszych sieciach telekomunikacyjnych, szczególnie w sieci PSTN (Public Switched Telephone Network), jest niezawodność działania. Przedsiębiorstwa i społeczeństwo, oczekuje, że kiedykolwiek podniosą słuchawkę telefoniczną to usłyszą sygnał zgłoszenia. Również dzisiejsze sieci danych muszą rozwijac się w kierunku takiego samego poziomu działania.

Bogactwo elementów

Dostawcy usług tradycyjnie oferują  bogaty zbiór cech i elementów przez instalowanie specjalizowanych sieci, które spełnią wymagania danej usługi. Unikalne wyzwania operatorów są kształtowane z siłą konkurencyjności w materii redukcji kosztów, zwiększenia ogólnej wydajności i wprowadzaniu nowych usług w kombinacji z już istniejącymi. Zgodnie ustalono, że sieć pakietowa, zwłaszcza IP, od końca do końca (end-to-end), najlepiej nadaje się do spełnienia tych wymagań. Jednakże, sieci IP, same w sobie, oferują usługę przesyłania danych opartą o mechanizm dostarczania best effort, co jest wystarczające. Przy transporcie deterministycznego ruchu, jakim jest głos poprzez sieci IP, wymagana jest ewolucja mechanizmów używanych do kierowania i transportu IP.

Ewolucja sieci

Poczynione inwestycje przez dostawców usług i przedsiębiorstwa w sieciach, w dziedzinach wyposażenia zasadniczego i tuningu eksploatacyjnego, podpowiadają, że nowe usługi i rozrost sieci musi być dokonywany przy minimalnym przerwaniu pracy sieci. Zawiera się w tym wprowadzenie deterministycznych usług w nie-deterministycznej sieci IP, dopuszczenie zestawiania różnorodnych typów ruchu IP oraz umożliwienie tworzenia i zarządzania sieci VPN (Virtual Private Network) w oparciu o IP.

MPLS jako rozwiązanie

MPLS (MultiProtocol Label Switching) jest zaprojektowany tak, by spełnić wszystkie główne cechy wielkoskalowych sieci carrier-class. Jest na tyle postępowym rozwiązaniem, że wykorzystuje istniejące protokoły routingu warstwy 3 jak i wszystkie szeroko dostępne mechanizmy transportowe i protokoły warstwy 2, takie jak ATM, Frame Relay,linie dzierżawione/PPP i Ethernet. W wielkich sieci publicznych, Frame Relay, a w szczególności ATM, cieszą się dużym zainteresowaniem, głównie dlatego, że ich fundamentem jest wspieranie jakości usług (QoS) i klas usług (CoS).

MPLS (MultiProtocol Label Switching) rozwiązuje problem integracji najlepszych cech tradycyjnych technologii warstwy 2 i warstwy 3. Osiąga to przez zdefiniowanie nowej metodologii działania sieci. Głównym komponentem w sieci MPLS (MultiProtocol Label Switching) jest router przełączania etykiet (label switching router), który jest w stanie zrozumieć i uczestniczyć w routowniu IP i przełączaniu w warstwie 2. Przez połączenie tych technologii w jedną technikę działania (scalenie), MPLS unika problemów związanych z oparacjami w obu warstwach, gdyż sam zarządza nimi. Mimo, że MPLS wymaga zastosowania label switching routera (LSR) w celu uczestnictwa w routingu IP, to aspekty przekazywania pakietów w MPLS znacząco różnią się od routingu hop-by-hop. LSR uczestniczy w routingu IP w celu zrozumienia topologii sieci z punktu widzenia warstwy 3, wiedza o routingu jest wykorzystywana do przydzielenia etykiet (labels) do pakietów. Etykiety są analogiczne do VPI/VCI używanych w ATM i Frame Relay. Z punktu widzenia end-to-end, etykiety definiują ścieżki pomiędzy końcami połączenia, które nazywamy label switched paths (LSP). LSP są podobne do połączeń VC w technologiach przełączania (ATM, Frame Relay) i umożliwiają lepsze zarządzanie siecią. W dodatku LSP wykorzystują mechanizm przekazywania w warstwie 2 (czyli label-swapping, którego implementacja w sprzęcie jest bardzo tania).

Podsumowanie

MPLS (MultiProtocol Label Switching) wprowadza korzyści, których desperacko potrzebują dostawcy usług w swoich sieciach. Są to: przewidywalność zachowania się sieci, skalowalność sieci i zarządzanie całą siecią. Dodatkowo, prace nad MPLS (Multiprotocol Label Switching) kierują się w stronę inżynierii ruchu (traffic engineering), aby dać dostawcom usług możliwość oferowania zróżnicowanych usług. Wprawdzie MPLS (Multiprotocol Label Switching) wymaga pewnych zmian w sprzęcie sieciowym, ale co ważne nie zmusza do wymiany całych urządzeń, czyli wprowadza najważniejszą cechę: oszczędność kosztów przy implementacji nowej technologii.