Uogólniony MPLS (GMPLS)

Wprowadzenie: GMPLS poza przełączaniem pakietów

W dotychczasowym opisie sieci MPLS służy do przekazywania pakietów z użyciem etykiet w rdzeniu dostawcy. Dostarcza też mechanizmy inżynierii ruchu i usług VPN, lecz jego klasyczny model dotyczy przede wszystkim przełączania pakietów.

Klasyczny MPLS opisywał sieć przede wszystkim jako zbiór routerów przekazujących . Pod warstwą routerów znajdują się technologie transportowe o innych zasadach działania. Infrastruktura sieci obejmuje adresy IP, kable światłowodowe, systemy TDM i przełączniki optyczne.

Historycznie każda z tych warstw była zarządzana oddzielnie, z własnym systemem zarządzania i logiką sterowania. Zespoły odpowiedzialne za ścieżki optyczne nie korzystały z tych samych mechanizmów co zespoły obsługujące ruch pakietowy MPLS. Utrudniało to automatyczne uruchamianie usług i wspólne planowanie zasobów całej sieci.

Uogólniony MPLS (GMPLS) rozszerza koncepcje płaszczyzny sterowania MPLS poza przełączanie pakietów. Jedna rodzina mechanizmów może opisywać zasoby i ustanawiać ścieżki w sieciach pakietowych, TDM, WDM oraz w przełącznikach włókien. GMPLS porządkuje współpracę warstwy sterowania z różnymi technologiami transportowymi.

Cztery rozszerzenia GMPLS

GMPLS uogólnia podstawowe koncepcje MPLS: etykiety, LSP i protokoły sygnalizacyjne. Stosuje je także do technologii, które nie przekazują tradycyjnych pakietów. Generalizacja obejmuje cztery obszary.

1. Uogólniona Etykieta

W klasycznym MPLS etykieta jest 20-bitową wartością. W GMPLS pojęcie etykiety zostaje rozszerzone na informację identyfikującą użyteczny zasób na danym łączu, na przykład szczelinę, długość fali, włókno albo port.

Dla Sieci z Komutacją Pakietów (PSC): Etykieta to znana 20-bitowa liczba używana w MPLS.
Dla Sieci z Multipleksowaniem Czasowym (TDM): Etykieta reprezentuje określoną w powtarzającej się ramce TDM. Ustanowienie połączenia oznacza zarezerwowanie tej samej szczeliny czasowej na wielu urządzeniach.
Dla Sieci z Multipleksacją Falową (WDM): Etykieta reprezentuje określoną (lub kolor światła) na kablu światłowodowym. W tym przypadku etykieta wskazuje wybraną długość fali.
Dla Sieci Światłowodowych: W przełączaniu włókien etykieta może reprezentować pojedyncze włókno w wiązce albo określony port na przełączniku włókien.

2. Uogólniona Ścieżka z Przełączaniem Etykiet (LSP)

Ponieważ etykieta jest uogólniona, ścieżka, którą definiuje (LSP), również nabiera nowego znaczenia. LSP w GMPLS może być wirtualnym tunelem dla pakietów albo reprezentować fizyczny, sztywny obwód w sieci. Zbliża to model przełączania pakietów do modelu komutacji łączy. Ta sama płaszczyzna sterowania może być używana do udostępniania obu rodzajów usług.

3. Uogólnione Typy Interfejsów

GMPLS definiuje typy zdolności przełączania, które węzły i ich interfejsy mogą ogłaszać, więc sieć może uwzględniać możliwości każdego urządzenia:

Packet-Switch Capable (PSC): Standardowe routery MPLS.
Layer-2 Switch Capable (L2SC): Urządzenia takie jak przełączniki Ethernet.
Time-Division Multiplex Capable (TDM): Urządzenia mogące przełączać obwody TDM, jak krosownice SONET/SDH.
Lambda-Switch Capable (LSC): Urządzenia optyczne mogące przełączać pojedyncze długości fali światła.
Fiber-Switch Capable (FSC): Przełączniki optyczne mogące kierować całe fizyczne włókna z jednego portu na inny.

4. Nowe Możliwości Agregacji Łącz

GMPLS wprowadza możliwość agregacji wielu fizycznych łączy w jedno logiczne łącze TE. Agregat opisuje zasób złożony z łączy składowych. Routing i sygnalizacja mogą operować na jednej reprezentacji, przy zachowaniu informacji o zasobach fizycznych i ryzyku awarii.

Płaszczyzna Sterowania: Rozszerzenie Protokołów

Aby obsłużyć te zasoby, rozszerzono protokoły płaszczyzny sterowania MPLS. Zmiany objęły protokoły routingu, które ogłaszają nowe możliwości, oraz protokoły sygnalizacyjne, które żądają i ustanawiają uogólnione ścieżki.

Rozszerzenia IGP dla GMPLS

Podobnie jak w MPLS-TE, GMPLS używa rozszerzeń do protokołów IGP stanu łącza, takich jak OSPF i IS-IS, w celu dystrybucji informacji. Routery używają tych protokołów do rozgłaszania nowych informacji w całej sieci, wypełniając Bazę Danych Inżynierii Ruchu (TED) każdego z nich. Te rozszerzenia dodają możliwość ogłaszania:

GMPLS nie narzuca jednego medium ani jednego protokołu sygnalizacyjnego. Rozszerzenia OSPF i IS-IS opisują zdolności przełączania oraz zasoby, a RSVP-TE przenosi uogólnione żądania i etykiety. Płaszczyzna danych wykonuje później przełączenie krosownicy, wybór szczeliny czasowej albo wybór długości fali zgodnie z ustanowioną ścieżką.

Znaczenie etykiety zależy od typu przełączania i kontekstu łącza. Wartość 22 w przykładzie WDM nie jest globalnie unikalnym identyfikatorem całej sieci.

Zdolności przełączania każdego interfejsu routera (PSC, LSC, FSC itp.).
Współdzielonych Grup Ryzyka Łącza (SRLG), w celu identyfikacji łączy, które mogą ulec wspólnej awarii (np. wiele włókien w tej samej rurze kablowej).
Mapowania między zagregowanymi Łączami TE a ich składowymi łączami fizycznymi.

Sygnalizacja z Rozszerzeniami RSVP-TE

Protokół Rezerwacji Zasobów - Inżynieria Ruchu (RSVP-TE) jest jednym z protokołów sygnalizacyjnych używanych w GMPLS. Rozszerzono go o obiekty obsługujące uogólnione wymagania:

Uogólnione Żądanie Etykiety:Gdy router wejściowy wysyła komunikat RSVP PATH, używa obiektu "Uogólnione Żądanie Etykiety". Obiekt określa kodowanie LSP, typ przełączania i identyfikator protokołu ładunku, a wymagania dotyczące zasobów przenoszą towarzyszące obiekty sygnalizacyjne. Przykładem jest pełnodupleksowy obwód SDH STM-16.
Obiekt Uogólnionej Etykiety:Komunikat RSVP RESV, który wraca od routera wyjściowego do wejściowego, niesie przypisaną "Uogólnioną Etykietę". Dla sieci WDM ten obiekt zawierałby konkretny numer długości fali, który został zarezerwowany na danym łączu.
Obiekt Jawnej Trasy (ERO): Tak jak w MPLS-TE, ten obiekt przenosi dokładną, jawnie określoną ścieżkę hop-by-hop, którą LSP ma podążać, obliczoną przez algorytm CSPF.

Przykład dydaktyczny: prowizjonowanie długości fali

Poniższy przykład dydaktyczny używa umownych danych. Bank w Warszawie potrzebuje dedykowanego połączenia o przepustowości 10 Gb/s do centrum danych w Gdańsku w celu odtwarzania danych po awarii. Wymagane zabezpieczenia zapewniają dodatkowe mechanizmy. Zamiast wirtualnego tunelu pakietowego bank zamawia dedykowany obwód światła, czyli ścieżkę optyczną (lightpath). W przyjętym scenariuszu ręczna konfiguracja wymagałaby ustawień w każdym węźle, a GMPLS może przekazać żądanie i uruchomić sygnalizację w całej ścieżce.

Oto jak działa zautomatyzowany proces prowizjonowania:

Żądanie:Administrator w Systemie Zarządzania Siecią (NMS) wydaje polecenie węzłowi brzegowemu w Warszawie: "Utwórz LSP typu ścieżka optyczna 10 Gb/s do węzła brzegowego w Gdańsku".
Obliczanie ścieżki (CSPF):Węzeł w Warszawie działa jako węzeł wejściowy. Sprawdza bazę TED wypełnioną przez rozszerzony OSPF-TE. Uruchamia CSPF, aby znaleźć najkrótszą fizyczną ścieżkę światłowodową spełniającą warunek wspólnej, nieużywanej długości fali na każdym segmencie. Załóżmy, że CSPF ustala trasę Warszawa → Łódź → Toruń → Gdańsk i że długość fali nr 22 jest wolna na wszystkich trzech łączach.
Sygnalizacja - Komunikat PATH: Router w Warszawie generuje komunikat RSVP-TE PATH. Komunikat ten zawiera jawną trasę (ERO: Łódź, Toruń, Gdańsk) i Uogólnione Żądanie Etykiety, określające potrzebę długości fali 10 Gb/s. Wysyła ten komunikat do routera w Łodzi. Router w Łodzi przekazuje go do Torunia, a Toruń do Gdańska.
Sygnalizacja - komunikat RESV: Węzeł w Gdańsku otrzymuje komunikat PATH. Wie, że jest celem. Wybiera dostępną długość fali dla ostatniego łącza (Toruń → Gdańsk): długość fali nr 22, zgodnie z warunkiem obliczeń ścieżki. Tworzy komunikat RSVP-TE RESV zawierający Obiekt Uogólnionej Etykiety o wartości 22 na tym łączu. Konfiguruje przełącznik optyczny, aby połączyć port wejściowy od Torunia z portem klienta, i wysyła komunikat RESV z powrotem do Torunia.
Ustanawianie ścieżki:Węzeł w Toruniu otrzymuje komunikat RESV. Odczytuje wartość 22 i rezerwuje długość fali nr 22 na swoim łączu do Gdańska. Następnie konfiguruje krosownicę optyczną, aby połączyć światłowód przychodzący z Łodzi ze światłowodem wychodzącym do Gdańska na tej długości fali. Alokuje własną lokalną wartość dla łącza Łódź → Toruń (przyjmijmy, że również jest to długość fali nr 22), dołącza ją do komunikatu RESV i odsyła go z powrotem do Łodzi.
Ustanowienie usługi: Proces kontynuuje się aż do Warszawy. Gdy węzeł w Warszawie otrzyma ostateczny komunikat RESV, ścieżka LSP od końca do końca jest ustanowiona. Przy założeniu dostępności wymaganych zasobów powstaje dedykowany fizyczny obwód światła o przepustowości 10 Gb/s do Gdańska. Płaszczyzna sterowania automatycznie udostępniła usługę Warstwy 1.

Funkcje operacyjne i uwarunkowania wdrożenia GMPLS

GMPLS zapewnia mechanizmy wspólnej płaszczyzny sterowania dla wielu warstw sieciowych. Ułatwia to następujące zadania:

Zautomatyzowane Prowizjonowanie:Zastępuje powolną, podatną na błędy ręczną konfigurację szybkim, zautomatyzowanym procesem tworzenia usług, co zmniejsza koszty operacyjne i pozwala na oferowanie nowych usług typu "przepustowość na żądanie".
Optymalizacja Wielowarstwowa: Zunifikowana płaszczyzna sterowania może podejmować inteligentniejsze decyzje, optymalizując zasoby zarówno na warstwie IP/pakietowej, jak i na leżącej pod nią warstwie transportu optycznego jednocześnie.
Zwiększona Odporność na Awarie: Umożliwia zaawansowane, wielowarstwowe schematy ochrony i odtwarzania, automatycznie przekierowując ruch wokół awarii zarówno na poziomie pakietów, jak i optycznym.

Protokoły GMPLS mogą dostarczać mechanizmów płaszczyzny sterowania używanych w architekturach wielowarstwowych. Automatycznie Przełączana Sieć Optyczna (ASON) jest architekturą opisaną w zaleceniu ITU-T G.8080. Wspólne sterowanie może automatyzować zestawianie usług, optymalizację zasobów oraz ochronę i odtwarzanie po awarii.