Inżynieria Ruchu MPLS

Wprowadzenie do inżynierii ruchu MPLS

Typowy taki jak OSPF oblicza ścieżkę o najniższym koszcie według swojej metryki. Zwykłe obliczenie SPF nie uwzględnia automatycznie parametrów TE, takich jak niezarezerwowana przepustowość, dlatego wiele tuneli może korzystać z tej samej ścieżki. Po zmianie topologii SPF może obliczyć trasę ponownie, lecz nadal optymalizuje przede wszystkim metrykę IGP.

Metryka IGP opisuje wybraną ścieżkę, lecz sama w sobie nie zawiera bieżącego stanu rezerwacji tuneli. W dużej sieci dostawcy usług kilka tras może więc obciążać te same łącza, podczas gdy równoległe łącza pozostają słabiej wykorzystane. Inżynieria ruchu uzupełnia obliczenia topologiczne o jawne ograniczenia zasobów i polityki operatora. Obliczenie może wskazać inną ścieżkę dla konkretnego LSP, nawet gdy nie jest ona najtańsza według zwykłego SPF.

Inżynieria Ruchu MPLS (MPLS-TE) to zestaw mechanizmów do obliczania i sygnalizowania ścieżek LSP z uwzględnieniem ograniczeń. Router może wykorzystać atrybuty TE, obliczyć ścieżkę spełniającą wymagania oraz ustanowić na niej tunel. Decyzja uwzględnia topologię, parametry łączy i zasoby przeznaczone do rezerwacji. LSP może mieć jawną listę przeskoków, rezerwację przepustowości albo ograniczenia wynikające z grup administracyjnych. Obliczenia dla żądanego tunelu wykonuje router wejściowy.

Trzy składniki MPLS-TE

MPLS-TE nie jest pojedynczym protokołem. W typowym rozwiązaniu współdziałają dystrybucja atrybutów TE, obliczanie ścieżki z ograniczeniami oraz sygnalizacja LSP.

Dystrybucja informacji:
Routery potrzebują atrybutów wykraczających poza zwykłą metrykę IGP. Rozszerzenia OSPF-TE i IS-IS-TE pozwalają ogłaszać parametry łączy, takie jak przepustowość maksymalna, rezerwowalna i aktualnie niezarezerwowana. Routery TE gromadzą te informacje w bazie danych ograniczeń. W OSPF dane TE są przenoszone w Opaque LSA, a IS-IS przenosi je w odpowiednich TLV. Ogłaszane wartości dotyczą konkretnego kierunku transmisji.
Obliczanie ścieżki:
Na podstawie bazy atrybutów router wybiera ścieżkę spełniającą wymagania tunelu. Stosuje się do tego metodę Constrained Shortest Path First (CSPF), która odrzuca łącza niespełniające ograniczeń i oblicza ścieżkę w pozostałej topologii. Przykładowe żądanie może wymagać co najmniej 1 Gb/s niezarezerwowanej przepustowości na każdym łączu. Po odfiltrowaniu łączy kryterium wyboru może nadal stanowić koszt TE lub inna metryka skonfigurowana przez operatora.
Sygnalizacja:
Po obliczeniu ścieżki trzeba utworzyć stan tunelu na kolejnych węzłach. Najczęściej służy do tego RSVP-TE (Resource Reservation Protocol, Traffic Engineering). Komunikat PATH przechodzi wyznaczoną ścieżką i tworzy stan ścieżki, a komunikat RESV sprawdza oraz ustanawia rezerwację wymaganych zasobów. W rezultacie powstaje Ścieżka Przełączana Etykietami (LSP). Stan RSVP-TE ma charakter miękki i jest odświeżany komunikatami, dlatego brak odświeżenia może usunąć rezerwację.

1. Atrybuty TE w rozszerzeniach IGP

Zwykłe obliczenie SPF w OSPF korzysta z topologii i kosztów łączy opisanych w bazie stanu łącza. Same te dane nie opisują rezerwacji zasobów TE ani przepustowości dostępnej dla nowego tunelu. OSPF-TE i IS-IS-TE uzupełniają bazę o atrybuty przeznaczone do obliczeń inżynierii ruchu.

OSPF-TE i IS-IS-TE dodają opcjonalne pola TLV (Type-Length-Value) do informacji o stanie łączy. Rozszerzenia pozwalają ogłaszać między innymi:

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 maskę bitową) do łączy, aby logicznie je grupować, na przykład oznaczając wszystkie łącza światłowodowe jako "niebieskie", a wszystkie satelitarne jako "czerwone".

Atrybuty są rozgłaszane w domenie jako informacje o stanie łączy. Router z włączonym TE gromadzi je w osobnej Bazie Danych Inżynierii Ruchu (TED). TED opisuje znaną routerowi topologię oraz wartości atrybutów otrzymane w ostatnich ogłoszeniach, więc zmienia się wraz z aktualizacją stanu sieci.

2. Obliczanie ścieżki metodą CSPF

Router wejściowy, który rozpoczyna żądany tunel, korzysta z TED do obliczenia ścieżki. Wybiera Constrained Shortest Path First (CSPF), czyli metodę obliczania ścieżki z ograniczeniami, która może łączyć filtrowanie topologii z obliczeniem SPF.

Przed obliczeniem ścieżki CSPF przycina topologię zapisaną w TED. Tymczasowo pomija łącza, które nie spełniają jawnych ograniczeń tunelu, takich jak wymaganie przepustowości lub przynależność do grupy administracyjnej.

CSPF w działaniu: przykład

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

Router A wykona następujący proces CSPF:

Krok 1 (Odbiór Ograniczenia): Router otrzymuje żądanie utworzenia tunelu do F wymagającego $150 \text{ Mbps}$ .
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.
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.
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 spełniająca ograniczenie przepustowości z przykładu oraz pozostałe wymagania określone dla usługi. Wartości 150 Mb/s i 100 Mb/s są danymi tego przykładu, a decyzja w rzeczywistej sieci zależy od aktualnych ogłoszeń TED.

3. Sygnalizacja tunelu przez RSVP-TE

Obliczenie ścieżki jest pierwszym etapem. Ścieżka musi jeszcze zostać ustanowiona, a wymagane zasoby sprawdzone i zarezerwowane na kolejnych odcinkach. Służy do tego protokół sygnalizacyjny RSVP-TE.

RSVP (Resource Reservation Protocol) służy do sygnalizowania wymagań odbiorcy i stanu rezerwacji. Wariant RSVP-TE zawiera mechanizmy dla tuneli inżynierii ruchu, w tym jawnej trasy i etykiet. Wymiana opiera się na dwóch kluczowych komunikatach wysyłanych wzdłuż ścieżki obliczonej przez CSPF. PATH niesie informacje o żądaniu w dół strumienia, a RESV potwierdza zasoby i etykiety w kierunku przeciwnym.

Wymiana komunikatów PATH i RESV

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 może obsłużyć żądanie $150 \text{ Mbps}$ na swoim łączu do D, zapisuje stan ścieżki i przekazuje komunikat PATH do Routera D. Router D robi to samo, przekazując komunikat do routera wyjściowego, F.
Komunikat RESV (Przejście w górę strumienia):
Router wyjściowy (F) otrzymuje komunikat PATH i, jeśli ścieżka oraz polityka dopuszczają żądane zasoby, wysyła komunikat RSVP RESV (Rezerwacja) w górę strumienia po odwrotnej ścieżce. Komunikat RESV może zawierać etykietę, której powinien użyć router poprzedzający.
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.
Tunel Ustanowiony:
Gdy router wejściowy A otrzyma komunikat RESV od C, rezerwacja została zaakceptowana na kolejnych odcinkach tej ścieżki. LSP ma sygnalizowany stan, a routery znają etykiety używane do przekazywania ruchu przez tunel. Router A może rozpocząć wysyłanie ruchu do tunelu MPLS-TE.