Технология MPLS

MultiProtocol
Label Switching
Олифер Виктор
Олифер Наталья
30 часов
Рига - 2001
Программа курса
Тема 1. Общая характеристика MPLS
•Причины появления MPLS
•Гибридные технологии ускоренной маршрутизации –
предшественницы MPLS: NHRP, IP Switching, Tag switching
•Принципы работы MPLS
•Основные области применения MPLS: ускоренная
маршрутизация, интеграция IP c ATM и FR, конструирование
трафика, ремаршрутизация при отказах, обеспечение QoS,
VPN, общая плоскость сигнализации для оптического ядра
сети
Программа курса
Тема 2. Архитектура MPLS, основные
компоненты и протоколы
•Классы эквивалентности продвижения - FEC
•LSP, LSR, edge LSR
•Плоскость продвижения, формат заголовка MPLS
•Плоскость сигнализации
-
RSVP
-
LDP
-
BGP
•Плоскость маршрутизации – расширение протоколов OSPF и IS-IS
•Иерархия путей LSP
•Процесс стандартизации MPLS
Программа курса
Тема 3. MPLS для ускорения
маршрутизации – MPLS IGP
•Определение FEC
•Распространение меток с помощью протокола LPD
•Особенности работы MPLS поверх ATM и FR
•Конфигурирование MPLS IGP в маршрутизаторах Cisco
Программа курса
Тема 4. MPLS Traffic Engineering (TE) и
Fast ReRouting (FRR)
•Расширения протокола OSPF (CSPF)
•Сигнализация с помощью RSVP ext и CR-LDP
•Примеры конфигурирования путей MPLS TE
Программа курса
Тема 5. Поддержка качества
обслуживания с помощью MPLS
•MPLS DiffServ
•DiffServ Aware MPLS TE
•Функция AutoBandwidth компании Cisco
Программа курса
Тема 6. MPLS VPN
•Провайдерские VPN на основе протокола BGP
•MPLS VPN для протоколов канального уровня
Программа курса
Тема 7. Развитие MPLS - прокладка
путей в сетях SDH и DWDM (Generalized
MPLS)
•Цели GMPLS
•Архитектура GMPLS
•Расширения RSVP и CR-LDP для поддержки SDH
и DWDM
Миссия MPLS
Наделение классической технологии IP
новыми свойствами:
•Контроль над путями следования трафика – ручной и
автоматический
•Поддержка дифференцированного качества
обслуживания для устойчивых путей
•Повышение общей производительности сети
•Поддержка виртуальных частных сетей (VPN)
Технология MPLS - стандартизация техники
виртуальных каналов в IP-сетях
Цели разработчиков технологии:
•Улучшить соотношение цена/производительность
маршрутизации на сетевом уровне - ускорить маршрутизацию
за счет замены ее на коммутацию на определенных участках сети
•Улучшить масштабируемость сетевого уровня - иерархический
выбор пути: между AS, между крупными сетями, внутри сети
•Создать технологию коммутации, способную работать с любой
технологией канального уровня
•Повысить гибкость предоставления новых сервисов
маршрутизации
Основные задачи MPLS
Ускорить продвижение пакетов за счет замены
маршрутизации коммутацией - пути остаются прежними
(IGP)
Traffic Engineering – баланс нагрузки в целях максимизации
общей производительности сети
QoS для индивидуальных потоков (желательно DiffServ
aware – согласованно с DiffServ классами)
VPN – максимальная изоляция потоков разных абонентов,
качество обслуживания
Отказоустойчивость – автоматический и быстрый переход
на резервные пути
Поддержка групповой адресации (multicast)
Тесная интеграция с АТМ и FR
Интеграция всех транспортных сервисов
Соотношение коммутации и
маршрутизации – проверка
базовых знаний
•Опишите алгоритм коммутации в сетях с широковещанием
•Опишите алгоритм коммутации в сетях с виртуальными
каналами (PVC и SVC)
Задача на прокладку пути в сетях с виртуальными
каналами
Использовать метки из
S2
2
2 S1
4
1
3
диапазона 101-105
3
5
2
S4
4
S3
1
2
3
3
1
4
4
1
5
S1
S4
S3
Pвх
Lвх
Pвых
Lвых
1
101
4
101
Pвх
Lвх
Pвых
Lвых
1
102
3
102
1
101
2
101
2
101
4
102
2
101
1
101
3
102
1
102
2
102
4
101
4
101
1
101
3
101
5
101
4
102
2
101
4
101
2
102
?
?
?
?
5
101
3
101
Pвх
Lвх
Pвых
Lвых
Зачем нужна маршрутизация?
Чем отличается таблица маршрутизации от таблицы
коммутации?
Конфигурирование подсетей IP при работе через сети с
коммутацией 2-го уровня
ATM-облако
Какое минимальное количество IP-сетей можно определить на
данной топологии связей?
Конфигурирование подсетей IP при работе через сети с
коммутацией 2-го уровня
4 сети
Пример традиционного взаимодействия сетевого и канального
уровней – 2 варианта
192.40.15.4
R1
Как повлияет на
таблицу
маршрутизации
R1 ликвидация
виртуального
канала
Опишите действия
маршрутизатора
R1 по отправке пакета от
хоста 192.40.15.4 хосту
201.100.10.10
201.100.10.10
Сеть АТМ
195.10.200.0
198.10.203.0
196.10.201.0
197.10.202.0
Как влияет на работу
маршрутизаторов поддержка
сетью SVC?
202.200.10.10
В каких случаях следует выбирать маршрутизацию, а в каких
коммутацию?
Сравнение коммутаторов и
маршрутизаторов
Свойства
Скорость
Защита от «шторма»
Топология
Работа в
гетерогенной среде
Фильтрация
Контроль над
трафиком
Коммутаторы
локальных
сетей
Маршрути
сетей с поддержкой заторы
виртуальных
каналов
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
-
Разделение процессов продвижения и
управления в маршрутизаторах
Управление
Routing updates
RIP, OSPF
Routing protocol
Routing updates
RIP, OSPF
Routing table
Interface
Входящие
пакеты
IP-forwarding
Продвижение
Какие возможности дает эта схема?
Interface
Исходящие
пакеты
Тема 2. Архитектура MPLS,
основные компоненты и
протоколы
Базовые концепции MPLS
MPLS – связующее звено между
канальным и сетевым уровнем
Обобщение техники виртуальных каналов
Устранение избыточности при работе
через виртуальные каналы (2 раза сетевой
уровень, в АТМ: PNNI+Q.2931)
Базовые концепции MPLS
Использование сильных сторон каждой
технологии:
IP
• автоматический выбор маршрута по топологии и
состоянию сети
• предварительная настройка сети на передачу потоков
канальных технологий
• скорость
• контроль на путями следования трафика (PVC)
Элементы домена MPLS
LSP (Label Switching
Path) – путь коммутации
меток, однонаправленный
LSR3
Router
LER1
LER9
Router
LER5
LSR2
LSR4
LSR8
LSR7
Edge LSR (LER) –
пограничный LSR
LER6
Домен MPLS
Router
LSR (Label Switching Router) –
маршрутизатор IP с
поддержкой MPLS
Router
Элементы домена MPLS
Как устройство узнает, что
оно является LER?
Router
LSR3
Router
LER1
LER9
LER5
LSR2
LSR8
LSR4
LSR7
LER6
Router
Router
Домен MPLS – это непрерывный набор устройств,
поддерживающих MPLS и находящихся под одним
административным контролем
Основные понятия и
определения
LSR (Label Switching Router) –
маршрутизатор IP с поддержкой MPLS
LSP (Label Switching Path) – путь
коммутации меток
Edge LSR (LER) – пограничный LSR для
какого-либо пути (входной и выходной)
FEC (Forwarding Equivalence Class) –
класс эквивалентности продвижения
FEC (Forwarding Equivalence Class) –
класс эквивалентности продвижения
•FEC - группа IP-пакетов, предъявляющих одни и те же
требования к условиям транспортировки
(транспортному сервису)
•Все пакеты, принадлежащие к данному FEC,
продвигаются через сеть MPLS по одному
виртуальному пути LSP
FEC (Forwarding Equivalence Class) –
класс эквивалентности продвижения
Классификация осуществляется в LER
Оператор сети конфигурирует классификатор LER в соответствии с
конкретными задачами, решаемыми MPLS:
•Ускоренная маршрутизация - на основании IP-адреса назначения
(традиционные пути hop-by-hop IGP)
•Баланс нагрузки сети - (IP Source, IP Destination, Port Source, Port
Destination, входной интерфейс)
•В соответствии с требованиями QoS каждого потока приложения
•В соответствии с требованиями VPN - принадлежность к
определенной VPN клиента
•По типам приложениям – весь трафик IP-телефонии (RTP) по
отдельному пути
FEC (Forwarding Equivalence Class) –
класс эквивалентности продвижения
После принятия решения о принадлежности пакета к определенному
классу FEC, пакету назначается метка – Label – и пакет становится
неразличим в домене MPLS от других пакетов класса, все они
продвигаются по одному и тому же пути внутри домена!
Преимущества техники продвижения MPLS по сравнению со
стандартным продвижением IP по адресу назначения:
•Можно различать потоки трафика по признакам, недоступным обычной
IP-маршрутизации:
•Интерфейс, с которого получен пакет
•LER, который получил пакет – в разных LER могут существовать
разные пути для продвижения пакетов с одними и теми же
признаками в заголовках
•LER получил явное описание пути – explicit rout
•Сложная настройка и конфигурирование выполняется только в LER
Метки (labels) MPLS
0
1
2
3
01234567890123456789012345678901
Label
| CoS|S|
TTL
Label = 20 бит
CoS (Experimental), 3 бита
S = дно стека меток, 1бит
TTL = Time to live, 8 бит
Вводятся новые значения кода протокола MPLS в
полях Ethertypes/PPP PIDs/LLC/SNAP и др.
Допускается использование в одном пакете более чем
одной метки – стек меток
MPLS LSRs always forward packets based on the value of the
label at the top of the stack
Форматы меток
PPP Header(Packet over
SONET/SDH)
Ethernet
Frame Relay
ATM Cell Header
GFC
PPP Header
Shim Header
Layer 3 Header
Ethernet Hdr
Shim Header
Layer 3 Header
FR HdrL
Shim Header
Layer 3 Header
VPI
VCI
PTI CLP HEC Shim H DATA
VCI
PTI CLP HEC Shim HDATA
Label
Subsequent cells GFC
VPI
Label
Формат пакета MPLS в FR
0
(Octets)0
n
1
(Octets)
+-----------------------+-----------------------+
|
|
/
Q.922 Address
/
/
(length 'n' equals 2 or 4)
/
|
|
+-----------------------+-----------------------+
|
.
|
/
.
/
/
MPLS packet
/
|
.
|
+-----------------------+-----------------------+
7
6
5
4
3
2
1
0
(bit
order)
(octet) 0
1
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|
DLCI(high order)
| 0 | 0 |
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| DLCI(low order)
| 0 | 0 | 0 | 1 |
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
DLCI = Label, Shim – остальные
метки стека
Функциональные компоненты LER
Протоколы
маршрутизации
класса «состояние
связей» - OSPF, IS-IS
(1).Сбор
топологической
информации
(2).Выбор путей
(3).Прокладка
пути
Протоколы маршрутизации
Блок принятия решений Traffic
Engineering, QoS, VPN
Протоколы сигнализации – LDP, CRLDP, RSVP, BGP
(4).Продвижение вдоль
установленного пути
Блок коммутации на
основе таблицы
NHLFE
1. Сбор и распространение
информации о топологии и
состоянии элементов сети
Топологическая информация – о физических
связях – потенциально возможных путях
Используется для выбора путей трафика в сети
Каждый LSR и LER должен обладать
информацией о
топологии сети
состоянии каналов и других LSR:
работоспособен/нет
•пропускная способность (Traffic Engineering)
•загруженность (длина очереди и т.п.) (Traffic
Engineering)
Реализуется стандартными протоколами маршрутизации + расширения
(в зависимости от типа задачи MPLS)
•IS-IS - дополнительные типы TLV (Type Length Value)
•OSPF - Opaque LSA
LSR3
Router
LER1
LER9
LER5
LSR2
LSR8
LSR4
LSR7
LER6
Router
Link: LSR7-LER6
State: up
Bandwidth = 155
Unreserved = 103
Router
Топологическая база LSR
3
1
9
5
2
4
8
7
6
2. Выбор путей
•Путь описывается последовательностью
идентификаторов LSR: 1-3-5-8
•Выполняется на основании топологической базы
•Выбор пути происходит вручную (статически) или
автоматически (динамически) блоками выбора пути,
соответствующих разным постановкам задачи (IGP,
TE, VPN, QoS)
•Осуществляется либо одним маршрутизатором,
либо всеми маршрутизаторами MPLS-домена
•Результат передается блоку сигнализации для
прокладки путей
Пример выбора для задачи TE
Нужно проложить путь от 1 к 6 для потока с суммарной
скоростью 4 Мбит/с
3
1
9
5
2
4
8
7
6
Путь LSP: 1-2-8-4-7-6
Типы путей LSP (Label Switching Path)
1. Hop-by-hop route - каждый LSR вычисляет путь независимо,
как это всегда делают IP-маршрутизаторы – для ускоренной
маршрутизации. Часто называют IGP-путем
2. Explicit route - явный путь (маршрутизация от источника)
Пограничный маршрутизатор LER вычисляет путь, который затем
устанавливается в сети
Явные пути - мощный инструмент для решения многих задач Traffic
Engineering и QoS
Явный путь может быть задан строго (strict) или свободно (loose)
Строгие и свободные явные
пути
3
1
9
5
2
4
8
7
6
Строгий (strict) путь LSP: 1-2-8-4-7-6
Свободный (loose) путь: 1-7-6
Как выбирается путь между опорными LSR?
Выбор явного пути может быть сделан:
• динамически (on-line)
•статически (off-line)
Динамически - с помощью Constrained Routing Protocol
(например, OSPF с расширениями - CSPF) + эвристический алгоритм
выбора множества путей с максимизацией общей целевой функции
Статически - методы оптимизации и моделирования, результаты вводятся
вручную в LER
3. Сигнализация
«Протокол сигнализации» - «Протокол распределения меток»
(Label Distribution Protocol) - синонимы
Протокол сигнализации необходим для:
•уведомлении маршрутизаторов LSR вдоль пути о необходимости
настройки меток
•согласования значения меток – чтобы они относились к одному и
тому же пути в разных LSR
Технология MPLS допускает использование различных
протоколов сигнализации:
•LDP (Label Distribution Protocol) - специальный протокол для
MPLS IGP
•расширение RSVP – Traffic Engineering
•CR-LDP - расширение LDP - Traffic Engineering
•расширение BGP - VPN
Проложенный путь
201
Ingress LER
3
1
2
4
217
146
9
5
156
8
Egress LER
7
null
6
Метки расставляются в обратном порядке – от
последнего LSR (egress LER) к первому (ingress LER)
Downstream assigned
«Соседи» по сети
LSR9
LSR3
LSR7
Для LSR9 относительно потока,
направленного сети 192.100.0.0/16 по IGP:
•LSR7 – downstream neighbour
192.100.0.0/16
•LSR3 – upstream neighbour
Соседей LSR узнает по протоколам распределения
меток (сигнализации) MPLS,
При MPLS IGP downstream neighbour – это Next Hop
Договоренность о
привязывании метки
LSR9
LSR7
LSR3
FEC: 192.100.0.0/16
L = 123
Назначил LSR9
Outgoing label для LSR3
Incoming label для LSR9
Методы распределения меток
On Demand - распределение по
запросу. Downstream LSR получает запрос от
Upstream LSR и назначает метку запрошенному
FEC
• Downstream
•Downstream Unsolicited - распределение без
запроса в нисходящем направлении. Downstream
LSR назначает метку FEC без предварительного
запроса и передает ее Upstream LSR.
Выбор метода зависит от задачи, решаемой MPLS (IGP,
Traffic Engineering и т.п.)
Режимы управления распределением меток
2 режима (mode) управления распределением:
•Независимый - Independent Label Distribution Control
Каждый LSR может выполнить назначение и распространение метки,
не дожидаясь получения метки от нисходящего LSR - обычно, при
обнаружении нового маршрута (по протоколу маршрутизации)
- при методе Downstream On Demand - не дожидаясь, когда
нисходящий LSR ответит на запрос
- при методе Downstream Unsolicited - в любой момент, когда
данный LSR готов объявить о привязке метки к FEC
•Упорядоченный - Ordered Label Distribution Control
Начать процесс назначения метки может только последний LSR на
пути (egress LSR)
Применяется при Constraint-based Routing - путь выбирается не только
по адресу назначения
Таблицы LSR – создаются
при работе протоколов распределения меток
Таблица FEC-To-NHLFE, FTN:
Признаки FEC
Метка
123.20.0.0 255.255.0.0
106
194.20.0.0 255.255.255.0
107
Используется в ingress LER для непомеченных
пакетов, которые нужно пометить для передачи
вдоль пути LSP
Таблицы LSR – создаются
при работе протоколов распределения меток
Таблица продвижения Next Hop Label Forwarding
Entry (NHLFE)
Входной
порт
Входная
метка
Next Hop
(порт, MAC)
Действие
(сменить
метку,
удалить
метку,
вставить
метку…)
Serial 1
-
Serial 1
Push 245
Serial 1
-
Serial 2
Pop
Serial 2
106
Serial 3
Swap 107
Несколько входов в NHLF для одной
метки
Входной
порт
Входная
метка
Next Hop
(порт, MAC)
Действие
(сменить
метку,
удалить
метку,
вставить
метку…)
Serial 1
106
Serial 1
Swap 215
Serial 1
106
Serial 2
Swap 345
Serial 1
106
Serial 3
Swap 124
Цели: баланс нагрузки, отказоустойчивость
Вопрос:
Может ли быть задан в качестве Next Hop тот же
LSR, который выполняет продвижение пакета на
основе метки?
Как задать такую операцию?
Какое действие можно задать для нее?
4. Продвижение пакетов
•Коммутация на основе заранее проложенных путей –
таблиц FTN и NHFLE
•При входе в домен MPLS первый LSR (LER) вставляет
заголовок Shim между заголовками канального и
сетевого уровня и назначает первую метку по таблице
FTN
•Заголовок IP-уровня не анализируется в
промежуточных LSR
•При выходе из домена MPLS выходной LSR удаляет
Shim-заголовок и продвигает пакет на основе IP-адреса
Функциональная схема LSR
Блок выбора
пути Traffic
Engineering
IGP-выбор
маршрута
Стандартная база
топологической
информации
Сбор и
распространение
информации.
IP
IP(FEC)
Таблица
маршрутизации
База топологической
информацииTraffic
Engineering
Сигнали
зация
RSVP
Сигнали
зация
LDP
Протоколы маршрутизации
OSPF, IS-IS, BGP
Блок продвижения IP
Блок продвижения MPLS
Таблица
NHLFE
Трансформация пакета вдоль пути LSP
Предпоследний LSR (penultimate LSR) может:
1. Выполнить операцию «swap null» (показано на рис.)
2. Или операцию pop – удалив метку вместо egress LSR
Вопрос:
Какой вариант поведения предпоследнего LSR
предпочтительнее для ускорения операций
продвижения?
Вопрос:
Что должен делать LSR, если получен пакет с
меткой, которой нет ни в одной записи NHFLE?
Поле TTL
Назначение:
•Борьба с зацикливанием в петлях
•Ограничение области действия пакета
(scope), например, при групповом вещании
Можно применять только в случае полноценного
заголовка MPLS-пакета:
•PPP, Ethernet
Для АТМ и FR использовать нельзя – поля в заголовке
ATM/FR нет!
Борьба с зацикливанием пакетов в
доменах MPLS-ATM/FR
Первый LSR домена non-TTL оценивает длительность
передачи пакета по этом домену в хопах и отбрасывает
пакет, если количество хопов оказывается больше или
равно TTL во входящем пакете
Если хопов меньше, чем значение TTL, то производится
декремент TTL на количество хопов и пакет направляется
downstream LSR.
Оценка TTL – из сообщений протокола распределения
меток