Wprowadzenie: Poza Najkrótszą Ścieżką

Wyobraźmy sobie planowanie podróży samochodem z Warszawy do Krakowa. Standardowa nawigacja GPS, skupiona wyłącznie na najkrótszej odległości, może poprowadzić Cię przez Łódź. Taka jest logika tradycyjnego Wewnętrznego Protokołu Bramy (IGP), takiego jak OSPF. Skrupulatnie oblicza on matematycznie najtańszą ścieżkę i wysyła cały ruch tą trasą, niezależnie od innych czynników.

A co, jeśli w Łodzi jest ogromny korek? Standardowy GPS nie dba o to; uparcie będzie wysyłał Cię w sam środek zatoru, ponieważ na mapie to wciąż najkrótsza trasa. To jest fundamentalne ograniczenie standardowego routingu IP. Choć doskonale radzi sobie ze znajdowaniem ścieżek, jest fundamentalnie nieświadomy zasobów sieciowych, takich jak dostępna przepustowość. Nie widzi korków i nie ma mechanizmu, aby skierować ruch na nieco dłuższą, ale całkowicie pustą autostradę w celu ich ominięcia. W dużej sieci dostawcy usług prowadzi to do nieefektywnego wykorzystania zasobów: niektóre łącza rdzeniowe stają się mocno przeciążone, podczas gdy inne pozostają niewykorzystane.

Inżynieria Ruchu MPLS (MPLS-TE) jest rozwiązaniem tego problemu. Jest to zaawansowany zestaw narzędzi, który pozwala administratorom sieci wyjść poza prosty routing najkrótszą ścieżką i przejąć precyzyjną, inteligentną kontrolę nad ścieżkami, którymi podążają dane. Jest to sieciowy odpowiednik nowoczesnej aplikacji nawigacyjnej, jak Waze czy Mapy Google, która widzi bieżące warunki na drogach i może poprowadzić Cię wokół zatorów, nawet jeśli oznacza to nadłożenie drogi. MPLS-TE umożliwia sieci podejmowanie decyzji nie tylko na podstawie topologii, ale także na podstawie bieżących ograniczeń i dostępności zasobów sieciowych.

Trzy Filary Inżynierii Ruchu MPLS

MPLS-TE to nie pojedynczy protokół, ale system, który działa dzięki połączeniu trzech kluczowych komponentów funkcjonalnych.

1. Komponent Dystrybucji Informacji:

   Po pierwsze, routery muszą mieć sposób, aby zobaczyć "mapę ruchu na żywo". Potrzebują więcej informacji niż tylko prosty koszt łącza. MPLS-TE osiąga to poprzez dodanie rozszerzeń do istniejących protokołów IGP (takich jak OSPF lub IS-IS), co pozwala im na ogłaszanie nie tylko łączności, ale także informacji o zasobach, takich jak dostępna przepustowość na każdym łączu. Tworzy to bogatą bazę danych o ograniczeniach sieciowych.

2. Komponent Obliczania Ścieżki:

   Gdy router ma już tę szczegółową mapę, potrzebuje algorytmu do obliczenia ścieżki, która spełnia określone wymagania. Służy do tego zmodyfikowany algorytm zwany Constrained Shortest Path First (CSPF). Potrafi on odpowiedzieć na pytania typu: "Znajdź mi najkrótszą ścieżkę z Warszawy do Krakowa, która na każdym łączu ma co najmniej 1 Gb/s wolnej przepustowości."

3. Komponent Sygnalizacyjny:

   Po obliczeniu prawidłowej ścieżki potrzebny jest mechanizm do ustanowienia tunelu inżynierii ruchu w całej sieci. To zadanie protokołu sygnalizacyjnego, najczęściej RSVP-TE (Resource Reservation Protocol - Traffic Engineering). RSVP-TE podróżuje wzdłuż ścieżki obliczonej przez CSPF, "rezerwując" wymaganą przepustowość na każdym routerze i budując Ścieżkę Przełączaną Etykietami (LSP).

Filar 1: Budowanie Mapy Ruchu za Pomocą Rozszerzeń IGP

Standardowy router OSPF ogłasza tylko podstawowe informacje o swoich łączach w Ogłoszeniach Stanu Łącza (LSA): koszt łącza i podłączone do niego sieci. Wystarcza to do stworzenia podstawowej mapy topologicznej, ale nie daje żadnego wglądu w możliwości łącza ani jego aktualne obciążenie.

Aby umożliwić Inżynierię Ruchu, te protokoły zostały rozszerzone. OSPF-TE i IS-IS-TE dodają nowe, opcjonalne pola (zwane TLV - Type-Length-Value) do swoich komunikatów aktualizacyjnych. Te rozszerzenia pozwalają routerom na ogłaszanie wielu dodatkowych informacji o swoich łączach, w tym:

• Maksymalna Przepustowość Łącza: Całkowita skonfigurowana przepustowość łącza.
• Przepustowość do Zarezerwowania: Ile z całkowitej przepustowości jest dostępne dla rezerwacji przez tunele TE.
• Niezarezerwowana Przepustowość: Ile z przepustowości do zarezerwowania jest aktualnie wolne.
• Grupa Administracyjna (Kolor Łącza): Administrator może przypisać "kolory" (reprezentowane przez 32-bitową liczbę) do łączy, aby logicznie je grupować, na przykład oznaczając wszystkie łącza światłowodowe jako "niebieskie", a wszystkie satelitarne jako "czerwone".

Te dodatkowe informacje są rozgłaszane w całej sieci tak samo, jak standardowe informacje o stanie łącza. Każdy router z włączonym TE zbiera te dane i przechowuje je w osobnej bazie danych zwanej Bazą Danych Inżynierii Ruchu (TED). TED to bogata, szczegółowa, "żywa mapa ruchu", której MPLS-TE potrzebuje do podejmowania inteligentnych decyzji.

Filar 2: Obliczanie Ścieżki za Pomocą CSPF

Mając kompletną bazę TED, router wejściowy (na początku żądanego tunelu) może teraz obliczyć ścieżkę. Nie używa do tego standardowego algorytmu SPF. Zamiast tego używa algorytmu Constrained Shortest Path First (CSPF).

CSPF to rozszerzenie SPF. Przed uruchomieniem obliczeń najkrótszej ścieżki, najpierw przycina topologię sieci zapisaną w TED. Tymczasowo usuwa z mapy wszystkie łącza, które nie spełniają jawnych ograniczeń zdefiniowanych dla tunelu inżynierii ruchu.

CSPF w Akcji: Przykład Krok po Kroku

Administrator chce utworzyć tunel z Routera A do Routera F z gwarantowaną przepustowością $150 \text{ Mbps}$.

Router A wykona następujący proces CSPF:

1. Krok 1 (Odbiór Ograniczenia): Router otrzymuje żądanie utworzenia tunelu do F wymagającego $150 \text{ Mbps}$.
2. Krok 2 (Przycinanie Bazy TED): Router sprawdza swoją bazę TED. Patrzy na łącze A→B i widzi, że niezarezerwowana przepustowość wynosi tylko $100 \text{ Mbps}$. Ponieważ $100 < 150$, to łącze nie spełnia ograniczenia. CSPF tymczasowo usuwa łącze A→B z mapy na potrzeby tego obliczenia.
3. Krok 3 (Uruchomienie SPF na Przyciętej Topologii): CSPF uruchamia teraz standardowy algorytm SPF na pozostałej, zmodyfikowanej topologii. Na tej przyciętej mapie jedyną dostępną ścieżką jest A→C→D→F, która ma wystarczającą przepustowość na wszystkich segmentach.
4. Krok 4 (Zwrot Ścieżki): Algorytm dochodzi do wniosku, że najlepszą ścieżką z ograniczeniami jest A → C → D → F i zwraca tę jawną listę przeskoków.

Wynikiem jest ścieżka, która nie tylko działa, ale także spełnia specyficzne wymagania zasobów danej usługi.

Filar 3: Sygnalizacja Tunelu za Pomocą RSVP-TE

Obliczenie ścieżki to dopiero pierwszy krok. Teraz ta ścieżka musi zostać ustanowiona, a zasoby muszą być wzdłuż niej zarezerwowane. To jest rola protokołu sygnalizacyjnego, RSVP-TE.

RSVP (Resource Reservation Protocol) był pierwotnie zaprojektowany do rezerwacji zasobów dla indywidualnych strumieni danych, ale został rozszerzony o wsparcie dla specyficznych potrzeb Inżynierii Ruchu, tworząc RSVP-TE. Działa on przez wysyłanie dwóch kluczowych komunikatów wzdłuż ścieżki obliczonej przez CSPF.

Wymiana Komunikatów PATH i RESV

1. Komunikat PATH (Przejście w dół strumienia):

   Router wejściowy (A) tworzy komunikat RSVP PATH. Komunikat ten zawiera jawną ścieżkę obliczoną przez CSPF (A → C → D → F) oraz wymagane zasoby (np. przepustowość $150 \text{ Mbps}$). Wysyła ten komunikat do pierwszego przeskoku, Routera C.

   Router C otrzymuje komunikat PATH. Sprawdza, czy ma dostępne $150 \text{ Mbps}$ na swoim łączu do D. Jeśli tak, dokonuje tymczasowej rezerwacji i przekazuje komunikat PATH do Routera D. Router D robi to samo, przekazując komunikat do routera wyjściowego, F.

2. Komunikat RESV (Przejście w górę strumienia):

   Router wyjściowy (F) otrzymuje komunikat PATH. Potwierdza to, że istnieje ścieżka o wystarczających zasobach. Następnie inicjuje proces rezerwacji, wysyłając komunikat RSVP RESV (Rezerwacja) z powrotem w górę strumienia, podążając dokładnie odwrotną ścieżką. Ten komunikat RESV zawiera również etykietę, której powinien użyć router nadrzędny.

   Komunikat RESV dociera do Routera D. Potwierdza to rezerwację, a D wie teraz, że powinien używać etykiety dostarczonej przez F dla pakietów w tym tunelu. Router D następnie alokuje własną etykietę dla tunelu i dołącza ją do komunikatu RESV, który odsyła do Routera C. Proces ten trwa wstecz, aż komunikat RESV dotrze do routera wejściowego, A.

3. Tunel Ustanowiony:

   Gdy router wejściowy A otrzyma komunikat RESV od C, proces jest zakończony. Pełna, od końca do końca ścieżka LSP została zasygnalizowana, przepustowość została zarezerwowana na każdym łączu, a każdy router na ścieżce wie, której etykiety użyć do przekazywania ruchu przez nowo utworzony tunel. Router może teraz zacząć wysyłać ruch do tunelu MPLS-TE.