Problem Tradycyjnego Routingu IP

Internet w swej istocie działa jak ogromna usługa pocztowa. Twój komputer wysyła dane w małych kopertach zwanych pakietami, a każdy pakiet ma na sobie napisany szczegółowy adres docelowy IP. Zadaniem routerów sieciowych jest działanie jak pocztowe sortownie.

W tradycyjnym routingu IP, każda sortownia (router) na trasie musi wykonać to samo złożone zadanie:

1. Odebrać pakiet.
2. Zatrzymać pakiet i dokładnie przeczytać jego pełny adres docelowy IP.
3. Wyszukać ten adres w ogromnej, skomplikowanej książce telefonicznej (swojej tablicy routingu), aby dowiedzieć się, dokąd wysłać go dalej. To wyszukiwanie jest kosztowne obliczeniowo, ponieważ często wymaga dopasowania najdłuższego prefiksu na tle dziesiątek tysięcy tras.
4. Przekazać pakiet do następnej sortowni.

Ten proces powtarza się w każdym routerze, jaki pakiet napotka na swojej drodze. Działało to dobrze przez długi czas, ale w miarę jak sieci stawały się szybsze i bardziej złożone, kilka krytycznych ograniczeń stało się widocznych:

• Jest to powolne: Analiza złożonych nagłówków IP przez procesor routera, realizowana w oprogramowaniu, stanowi wąskie gardło w porównaniu z surową prędkością przełączania w sprzęcie.
• Jest to nieefektywne: Wszystkie decyzje routingowe opierają się wyłącznie na adresie docelowym. To jak w usłudze pocztowej, w której każdy list do Krakowa, niezależnie od priorytetu czy zawartości, musi jechać tą samą, zakorkowaną główną autostradą, nawet jeśli inne, zupełnie dobre drogi są puste. Nie ma łatwego sposobu na ominięcie zatorów.
• Brak separacji usług: Wszystkie pakiety są traktowane mniej więcej tak samo. Zapewnienie gwarantowanego, wysokiej jakości połączenia dla wideokonferencji przy jednoczesnej obsłudze nisko priorytetowych pobrań plików w tej samej sieci jest bardzo trudne.

Rozwiązanie MPLS: Od Czytania Adresów do Sortowania po Naklejkach

Wieloprotokołowe Przełączanie Etykiet (MPLS) zostało opracowane, aby rozwiązać te problemy. Wprowadza ono fundamentalnie nowy, znacznie szybszy i bardziej elastyczny sposób przekazywania pakietów.

Główna idea MPLS jest prosta: Podejmij złożoną decyzję routingową raz, a następnie używaj prostego identyfikatora do szybkiego przekazywania wszędzie indziej.

Wróćmy do naszej analogii z pocztą. W MPLS, gdy pakiet po raz pierwszy wchodzi do sieci, początkowy router (pierwsza sortownia) wykonuje jedno i jedyne, pełne i złożone wyszukiwanie adresu IP. Ustala całą ścieżkę, którą pakiet powinien pokonać do swojego ostatecznego celu. Ale zamiast po prostu wysłać pakiet w drogę, robi coś nowego: przykleja do pakietu prostą, jaskrawo kolorową, ponumerowaną naklejkę. Ta naklejka nazywa się etykietą (ang. label).

Teraz każdy kolejny router w rdzeniu sieci nie musi już czytać skomplikowanego adresu IP. Musi tylko spojrzeć na prostą etykietę. Na podstawie tej etykiety natychmiast wie, dokąd przekazać pakiet. Ten proces to już nie routing; to przełączanie etykiet, które można realizować w wyspecjalizowanym, szybkim sprzęcie, co jest radykalnie szybsze niż routing oparty na oprogramowaniu. Ostatni router na skraju sieci odkleja etykietę przed dostarczeniem oryginalnego pakietu IP do celu.

Kluczowa Terminologia MPLS

Świat MPLS ma swoje specyficzne słownictwo. Zrozumienie tych terminów jest kluczowe dla zrozumienia jego działania.

• Router Przełączający Etykiety (LSR):

  To każdy router w sieci z włączonym MPLS. Wszystkie LSR-y mają zdolność do przekazywania pakietów na podstawie ich etykiet.

• Brzegowy LSR (LER - Label Edge Router):

  To specjalny LSR, który znajduje się na granicy sieci MPLS. LER-y są punktami wejścia i wyjścia.

  • Ingress LER to miejsce, gdzie pakiet IP wchodzi do domeny MPLS i otrzymuje swoją pierwszą etykietę.
  • Egress LER to miejsce, gdzie oznaczony etykietą pakiet opuszcza domenę MPLS, a jego etykieta jest usuwana.
• Etykieta (Label):

  Krótki, o stałej długości, lokalnie znaczący identyfikator, który służy do kierowania pakietów przez sieć MPLS. To jest "naklejka" w naszej analogii.

• Klasa Równoważności Przekazywania (FEC):

  To fundamentalne pojęcie. FEC to grupa pakietów IP, które są traktowane w sieci w ten sam sposób. Wszystkie pakiety należące do tej samej klasy FEC otrzymają tę samą etykietę i będą przekazywane tą samą ścieżką. Decyzja o grupowaniu pakietów w FEC jest podejmowana przez Ingress LER, zazwyczaj na podstawie docelowej sieci IP.

  Analogia: FEC to miasto docelowe. Wszystkie listy wysyłane do Krakowa są traktowane tak samo i otrzymują tę samą naklejkę w punkcie wejścia.

• Ścieżka z Przełączaniem Etykiet (LSP):

  LSP to jednokierunkowa ścieżka przez sieć MPLS, którą będą podążać pakiety należące do określonej klasy FEC. Jest to predefiniowany tunel od Ingress LER do Egress LER. Pomyśl o tym jak o specjalnie wyznaczonej autostradzie ekspresowej dla całego ruchu z określoną naklejką.

• Protokół Dystrybucji Etykiet (LDP):

  To protokół, którego używają LSR-y do komunikacji między sobą i uzgadniania, które etykiety będą używane dla których klas FEC. W ten sposób routery koordynują budowę LSP w całej sieci.

Zalety MPLS nad Tradycyjnym Routingiem IP

Przejście na ten model oparty na etykietach zapewnia szereg potężnych korzyści, które rozwiązują wady klasycznego routingu IP.

• Zwiększona Wydajność i Szybkość

  To była pierwotna siła napędowa MPLS. Wyszukiwanie małej etykiety o stałej długości w tabeli jest znacznie prostsze i szybsze dla routera niż wykonywanie złożonego dopasowania najdłuższego prefiksu dla 32-bitowego (lub 128-bitowego) adresu IP. Pozwala to na podejmowanie kluczowych decyzji o przekazywaniu w wysoce zoptymalizowanym sprzęcie (ASIC) zamiast w głównym procesorze, co skutkuje znacznie wyższymi prędkościami przekazywania pakietów.

• Inżynieria Ruchu (TE)

  Jest to prawdopodobnie najpotężniejsza cecha MPLS dzisiaj. Standardowe protokoły IGP, takie jak OSPF, zawsze będą kierować ruch wzdłuż matematycznie najkrótszej ścieżki. Z MPLS administrator może utworzyć jawną ścieżkę LSP, która zmusza ruch do podążania określoną, z góry zdefiniowaną trasą, nawet jeśli nie jest to najkrótsza ścieżka. Pozwala to na inteligentne równoważenie obciążenia i unikanie zatorów. Na przykład, jeśli najkrótsza ścieżka jest zatłoczona, administrator może utworzyć nową LSP, aby skierować mniej krytyczny ruch na dłuższą, mniej obciążoną trasę zapasową.

• Wirtualne Sieci Prywatne (VPN)

  MPLS niezwykle ułatwia tworzenie bezpiecznych, skalowalnych sieci VPN warstwy 3 dla klientów. Używając stosu dwóch etykiet: wewnętrznej do identyfikacji celu klienta i zewnętrznej do przeprowadzenia pakietu przez rdzeń sieci dostawcy, dostawca usług może bezpiecznie przenosić ruch dla setek różnych klientów przez tę samą fizyczną infrastrukturę. Ponieważ routery w rdzeniu patrzą tylko na zewnętrzną etykietę, wewnętrzne adresy IP klientów (które mogą się nawet pokrywać) nigdy nie są przez nie widziane, co zapewnia całkowitą separację.

• Jakość Usługi (QoS)

  Chociaż sam MPLS nie jest protokołem QoS, dostarcza potężnych narzędzi do jego implementacji. Nagłówek MPLS zawiera 3-bitowe pole "Experimental" (EXP). Pole to może być używane do oznaczania pakietów różnymi poziomami priorytetu. Routery w rdzeniu MPLS mogą być następnie skonfigurowane tak, aby traktować pakiety z wyższym priorytetem w sposób preferencyjny (np. mniejsze opóźnienie, mniejsza szansa na odrzucenie), co czyni go idealnym do przenoszenia ruchu w czasie rzeczywistym, jak VoIP i wideokonferencje.

Dlaczego Nazywa się "Wieloprotokołowe"?

Litery "MP" w MPLS oznaczają Wieloprotokołowe. Odnosi się to do jego zdolności do pracy z różnymi protokołami zarówno na Warstwie Sieciowej (Warstwa 3), jak i na Warstwie Łącza Danych (Warstwa 2).

• Na Warstwie 3: Chociaż głównie używany do przekazywania pakietów IPv4, koncepcja FEC jest ogólna. MPLS może być również używany do tworzenia LSP dla ruchu IPv6, a nawet dla protokołów innych niż IP.
• Na Warstwie 2: To jest kluczowa cecha. Etykieta MPLS jest "wstrzykiwana" między nagłówek Warstwy 2 a nagłówek Warstwy 3. Oznacza to, że MPLS nie jest przywiązany do żadnej pojedynczej technologii Warstwy 2. Może działać przez Ethernet, ale także przez starsze technologie, takie jak Frame Relay, ATM czy PPP przez SONET/SDH. Zapewnia spójny mechanizm przekazywania niezależnie od podstawowej technologii łącza.

Ta elastyczność pozycjonuje MPLS jako protokół Warstwy 2.5, tworząc most między technologiami łączy fizycznych a warstwą routingu sieciowego.