MPLS

Multiprotokol Label Switching - MPLS
1.Вовед

 MPLS ( англ. Multiprotokol Label Switching ) е механизам во телекомуникациските мрежи со високи перформанси кој ги упатува и пренесува  податоците од еден мрежен јазол до друг со помош на ознаки. MPLS овозможува полесно да се создаваат "виртуелни врски" помеѓу оддалечените јазли. Овој протокол може да ги концизира пакетите од различни мрежни протоколи.

MPLS е високоразмерлив, протокол агностик и механизам за пренос на податоци. Во MPLS мрежите, податочните пакети се доделени ознаки. Одлуката за препраќањето на пакетите се донесува исклучиво врз содржината на овие ознаки и притоа нема потреба да се испита самиот пакет. Ова овозможува да се создаваат крај-до-крај кола низ секаков вид транспортен медиум , со користење на било кој протокол. Основната добивка е елиминирање на зависноста на одредени технологии на слојот на податочна врска, како ATM, frame relay, SONET или Ethernet , како и елиминирање на потребата за повеќе мрежни нивоа 2 да ги задоволи различните видови на сообраќај. MPLS припаѓа на семејството packet-switched мрежи.

МПЛС работи на еден слој од OSI моделот кој генерално е сметан за лага помеѓу традиционалните дефиниции за ниво 2 (слојот за податочна врска) и ниво 3 (мрежно ниво) и поради тоа често се нарекува и "ниво 2.5" протокол. Тој беше дизајниран за да обезбеди обединет сервис за пренос на податоци за circuit-based и packet-switching клиенти кои обезбедуваат datagram сервисен модел. Ова може да се искористи за пренесување на повеќе различни видови на сообраќај, вклучувајќи ги и IP пакетите, како и природниот ATM , SONET  и Ethernet рамки.

Голем број на различни технологии претходно беа распоредени со суштински исти цели, како frame relay и ATM. MPLS технологиите еволуирале со предностите и слабостите на  ATM. Повеќето мрежни инженери се согласија дека ATMтреба да се замени со протокол кој бара помалку трошоци, истовремено обезбедувајќи конекциски ориентирани сервиси за рамки со променлива должина. MPLS моментално е замена на некои од овие технологии на пазарот. Голема е веројатноста дека MPLS во иднина целосно ќе ги замени овие технологии, со што ќе дојде до изедначување на овие технологии со сегашните и идни технолошки потреби.

Особено, MPLS раскина со cell-switching  и багажот на сигнализирачкиот протокол на ATM. MPLS признава дека малите АТМ ќелии не се потребни во јадрото на современите мрежи, бидејќи модерните оптички мрежи (како од 2008) се толку брзи (40 Gbit/s и повеќе) дури и целосната должина на пакетите од 1500 бајти не прави значителни вистински задоцнувања во редот ( потребата да се намалат ваквите доцнења - на пр. за поддршка на гласовниот сообраќај - беше мотивација на природните ќелии на АТМ ).

Во исто време MPLS се обиде да го зачува сообраќајното инженерство и надворешната контрола, кои направија податочни рамки и АТМ привлечни за имплементирање на големи мрежи.

Додека придобивките од мигрирањето на MPLS за управување со сообраќајот се доста вредни ( подобра сигурност, зголемена ефикасност ), сепак постои значителна загуба на видливоста и пристап во МПЛС облачноста за IT одделите.

Историја
MPLS првично е предложен од група на инженери од Ipsilon Networks, но нивната "IP switching" технологија  која е дефинирана да работи само над АТМ, не постигна доминација на пазарот. Cisco Systems, Inc. предложи предлог, неограничен со АТМ преносот, наречен "Tag switching". Тоа беше комерцијален предлог на Cisco и беше преименуван во "Label Switching". Овој предлог беше предаден на IETF  за отворена стандардизација. IETF работи на тој начин што вклучува предлози од други понудувачи, како и развој на консензус протокол кој комбинира одлики од неколку понудувачи на работа.

Една оригинална мотивација беше да се овозможи создавање на едноставни, со голема брзина прекинувачи, бидејќи за значителен период на време беше невозможно да се проследат IP пакетите во целост во хардвер. Сепак напредокот во VLSI ги направи таквите уреди можни. Затоа предностите на MPLS главно се вртат околу можноста за поддршка на повеќе сервисни модели и врши управување на сообраќајот. MPLS исто така нуди стабилна поправена  рамка која оди зад едноставни заштитни прстени на синхроните оптички мрежи (SONET/SDH).

Во 2000 година, првата итерација од чиста IP-MPLS беше имплементирана од страна на проектниот тим предводен од Престон Пул на Schlumberger NIS. Преку серија на истражувања со заеднички вложувања, овој тим успешно ја  направи, распореди и испорача првата светска трговска IP-MPLS мрежа. Првобитно содржејќи  35 точки на присуство (Points of presence –POP) во целиот свет, оваа мрежа беше првата замисла да и служи на заедницата за нафта и гас преку доделување на DeXa  комплет на услуги. Подоцнежните итерации на оваа трговска  IP-MPLS  мрежа  вклучува VSAT  сателитски пристап преку стратегиски телепортирачки врски, пристап до финансиски и банкарски апликации и центрите за обука. Понатамошниот развој во областа на IP-MPLS предводени од тимот на  г-дин Пул вклучува математички концепт и развој на најчесто употребуваните алгоритми за она што е познато денес како, Bandwidth on Demand (BoD), Video on Demand (VoD) и диференцијални сервиси за IP-MPLS.

Заедно со Cisco инженерите кои го развиле RFC2547bis, Престон Пул е назначен за еден од "основачките татковци " на MPLS, познати како MPLS пионери.

Како работи MPLS
MPLS работи со претставени пакети со MPLS заглавија, содржејќи една или повеќе ознаки. Ова се нарекува означен стек. Секој означен стек внатре содржи 4 полиња :
 20 bit означена вредност
 3 битно поле сообраќајна класа за QoS( quality of service ) приоритетот (експериментално) и ECN ( Explicit Congestion Notification )
 1 bit "дно на стек" знаменце. Ако ова е поставено, тоа означува дека моменталната ознака е последна во стекот.
 и 8 bit за TTL ( time to live ) полето

Овие MPLS означени пакети се вклучени по означените пребарувачи/прекинувачи  наместо  на пребарувањето во IP табелата. Како што споменавме погоре, кога MPLS беше замислена, означените пребарувачи и означените прeкинувачи  беа побрзи од насочувачките табели или RIB( Routing Information Base ) пребарувачи, бидејќи тие можат да заземат место директно во преклопничкиот материјал, а не во CPU.

Влезните и излезните точки на MPLS мрежата се нарекуваат label edge router или (LER), кои работат на следниот начин, притисни на MPLS ознаката врз дојдовен пакет и исфрли го појдовниот пакет. Насочувачите кои вршат насочување засновано само на ознаките се нарекуваат label switch router или  (LSR). Во некои апликации, пакет претставен на LER може веќе да има ознака, така да новиот LER  ја турка втората ознака врз пакетот.

Ознаките се дистрибуирани помеѓу LER и LSR со помош на " Label Distribution Protocol " или (LDP). Label Switch Routers во MPLS мрежата редовно ја менуваат ознаката и богатството на информации едни со други, користејќи стандардизирани процедури со цел да се изгради комплетна слика на мрежата така што потоа тие ќе можат да ја искористат за препраќање на пакети. Label Switch Paths (LSP) се поставени од мрежниот оператор за различни намени, како на пример да се создаде заснована на мрежа IP виртуелна приватна мрежа или за да се насочи сообраќајот по должината на одредени патеки низ мрежата. Во многу погледи, LSP не се разликува од PVC во АТМ или frame relay мрежите, освен дека тие не се зависни од одредена ниво 2 технологија.

Во специфичен контекст на MPLS - заснованите виртуелни приватни мрежи ( VPN - Virtual Private Network ), LSR кои функционираат како влезни и/или излезни насочувачи на VPN често се нарекуваат PE (Provider Edge) насочувачи. Уредите кои функционираат само како транзитни насочувачи се нарекуваат слично P ( Provider ) насочувачи. Задачата на овој Р насочувач е значително полесна од онаа на РЕ насочувачот, така што тие можат да бидат помалку сложени и можат да бидат повеќе зависни поради ова.

Кога еден неозначен пакет влегува во влезниот насочувач и треба да помине преку MPLS тунелот, насочувачот прво ја одредува forwarding equivalence class (FEC ) во која треба да биде пакетот, а потоа внесува една или повеќе ознаки во новоформираното MPLS заглавје. Пакетот потоа поминува на следниот хоп насочувач за овој тунел.

Кога означениот пакет е приман од MPLS насочувачот, врвните ознаки се испитуваат. Врз основа на содржината на ознаките за замена (swap), притисни (push)или исфрли (pop) операцијата може да биде изведена на означените стекови на  пакетите. Насочувачите можат да имаат преградени пребарувачки табели кои им кажуваат кој вид на операција да се направи врз основа на врвните ознаки на дојдовните пакети за да може да се обработат пакетите многу бргу.

Во операцијата замена ознаките се заменети со нови ознаки, а пакетот е препратен по должината на патот поврзан со новата ознака.

Во операцијата притискање, новите ознаки се туркаат на врвот на постоечките ознаки, ефикасно " енкапсулирајќи " пакет во друго ниво од MPLS. Ова овозможува хиерархиско насочување на MPLS пакетите. Имено, ова се користи од страна на MPLS VPN.

Во операцијата исфрлање ознаката е отстранета од пакетот, кој може да се открие под внатрешната ознака. Овој процес е наречен " декапсулација". Ако исфрлената ознака беше последна на означениот стек, пакетот го " напушта " MPLS тунелот. Ова обично се прави од страна на излезниот насочувач.

Во текот на овие операции, содржината на пакетот под МПЛС означениот стек не се испитува. Навистина транзитните насочувачи треба само да ја испитаат врвната ознака на стекот. Препраќањето на пакетот е направено врз основа на содржината на ознаките, која овозможува " препраќање на пакетите независно од протоколот " и која не треба да погледне во насочувачките табели зависни од протоколот и не дозволува скапи IP долги претставни натпревари во секој хоп.

На излезниот насочувач, кога последната ознака беше исфрлена, само товарот останува. Ова може да биде IP пакет или било кој од голем број на други видови товар пакети. Излезниот насочувач мора да има информации за насочување на пакетите кои се товар, бидејќи мора да ги препрати без помош на табелите за пребарување на ознаки. МПЛС транзитниот насочувач нема таков услов.

Во специјални случаи, последната ознака исто така може да биде исфрлена во претпоследниот хоп ( хоп пред излезниот насочувач ). Ова се нарекува Penultimate Hop Popping (PHP). Ова може да биде интересно во случаи кога излезниот насочувач има многу пакети кои ги напуштаат MPLS тунелите, а со тоа троши и нередовни количини на процесорско време на ова. Со користење на PHP, транзитните насочувачи кои се поврзани директно со излезниот насочувач ефикасно се растоваруваат, со исфрлање на последната ознака сама од себе.

MPLS може да користи постоечка АТМ мрежа или инфраструктура на frame relay, како свои означени текови кои можат да означени како АТМ или како frame relay идентификароти на виртуелно коло, и обратно.

Инсталирање и преместување на МПЛС патеките
Постојат два стандардизирани протоколи за управување со MPLC патеки: LDP  ( Label Distribution Protocol ) и RSVP-TE , продолжување на Resource Reservation Protocol за сообраќајното инженерство. Исто така постојат екстензии за BGP  протокол, кој може да се користи за управување на една MPLS патека.

MPLS заглавјето не го идентификува видот на податоците кои се пренесуваат внатре во MPLS патеката. Ако некој сака да носи два различни вида на сообраќај помеѓу два исти насочувачи, со различен третман од страна на јадрените насочувачи за секој вид, еден од нив мора да формира посебна патека за секој вид на сообраќај.

MPLS и IP
MPLS не може да се спореди со IP како посебен ентитет, бидејќи MPLS работи конјунктивно  со IP-адреси и IP-ови IGP протоколи за насочување. MPLS LSP-овите обезбедува динамични, транспарентни виртуелни мрежи, со поддршка за сообраќајното инженерство, способноста да се транспортира Ниво 3 (IP) VPN-ови  со преклопувачки адресни простори, како и поддршка за ниво 2 псевдокаблите со користење на Pseudowire Emulation Edge-to-Edge (PWE3) кои се способни да транспортираат различни транспортни товари (IPv4, IPv6, ATM, Frame Relay, итн.). MPLS способните уреди се познати како LSR-ови. LSR уредите овозможува функциите на сообраќајното инженерство да можат да се дефинираат со употреба на :
 Експлицитна хоп-по-хоп конфигурација
 Динамички насочен од Constrained Shortest Path First (CSPF) алгоритамот или
 Конфигурирани како лабав пат со кој се избегнува одредена IP или што е делумно експлицитно и делумно динамично

Во една чиста IP мрежа, најкраткиот пат до одредиштето е избран дури и кога станува повеќе пренатрупан. Во меѓувреме, во IP мрежа со MPLS сообраќано инженерство  CSPF насочување, ограничувањата како што се RSVP пропусниот опсег на поминатите врски исто така можат да се сметат, како на пр. најкраткиот пат со пропусен опсег којшто е на располагање исто така ќе биде избран. MPLS сообраќајното инженерство се потпира врз употребата на ТЕ екстензии до OSPF или IS-IS и RSVP. И покрај ограничувањата на RSVP пропусниот опсег, корисниците можат да си дефинираат сопствени ограничувања со впишување атрибути на линк и посебни услови за тунелите на патот (или не на патот) над врските со одредени атрибути.

MPLS локална заштита ( брзо прерутитање )
Во случај на неуспех на мрежните елементи кога обновувачките механизми се вработени во IP слојот, реставрацијата може да трае неколку секунди што е неприфатливо за апликации во реално време, како што се VоIP. Спротивно на тоа, MPLS локалната заштита ги исполнува барањата на апликациите во реално време со обновување на временски споредливите со оние на SONET прстени на помалку од 50 ms.

MPLS и Multicast
Multicast беше во најголем дел по-мисла во MPLS дизајнот. Тој беше воведен од страна на точка-до-повеќе  RSVP-TE. Тој бил управуван од барањата на семрежниот услужник за пренос на широкопојасно видео преку MPLS. Од основањето на RFC 4875 има огромен пораст на интересот и распоредувањето на MPLS multicast и тоа доведе до неколку нови случувања и во IETF и во преносот на производи.

Споредба на MPLS наспроти Frame Relay
Frame relay со цел да се направи поефикасно искористување на постоечките материјални ресурси, кои овозможуваат подпровизија на сервисот за податоци од страна на телекомуникационите компании ( telcos )  на нивните клиенти, како клиенти веројатно било дека нема да го користат сервиот на податоци 100% од времето. Во последниве години, frame relay има стекнато лоша репутација на некои пазари, поради прекумерниот пребукиран пропусен опсег од овие телекомуникациони компании.

Telcos често ги продаваат frame relay на  бизнисите во потрага по поевтина алтернатива за посветени линии; нивната употреба во различни географски области во голема мера зависи од политиката и политиката на телекомуникациските компании.

AT&T во моментов ( заклучно со јуни 2007) е најголемиот семрежен услужник на Frame Relay во САД, со локални мрежи во 22 држави, плус национални и меѓународни мрежи. Оваа бројка се очекува да се промени во периодот помеѓу 2007 и 2009 година, кога повеќето од овие frame relay договори истекуваат. Многу клиенти најверојатно ќе мигрираат од Frame Relay во  MPLS преку  IP или Ethernet, во следните две години, што во многу случаи ќе ги намали трошоците и ќе ја подобри управливоста и перформансите на wide area networks - WAN.

Споредба на MPLS наспроти ATM
Додека основните протоколи и технологии се многу различни, и MPLS и ATM обезбедуваат конекциски-ориентирани сервиси за пренос на податоци низ комјутерските мрежи. Во двете технологии, врските се сигнализирани помеѓу крајните точки, конекциската сосотојба се одржува во секој јазол на патеката,  енкапсулираните техники се користат за пренос на податоци преку врски. Со исклучок на разликите во сигнализациските протоколи ( RSVP/LDP за MPLS и PNNI:Private Network-to-Network Interface за ATM ) сè уште постојат значителни разлики и во однесувањето на технологиите.

Најзначајната разлика е во транспортот и енкапсулирачките методи. MPLS е во можност да работи со пакети со променлива должина, а АТМ пренесува ќелии со фиксна должина  (53 byte). Пакетите мора да бидат сегментирани, транспортирани и реасемблирани преку АТМ мрежа со употреба на адаптациски слој, кој додава значителна сложеност и  трошење на потокот на податоци. MPLS од друга страна пак, едноставно додава ознака на главата на секој пакет и ги пренесува низ мрежата.

Разлики постојат и во природата на врските. MPLS врските ( LSP ) се еднонасочни - овозможуваат проток на податоци само во една насока помеѓу две крајни точки. Воспоставувањето двонасочна комуникација помеѓу крајните точки бара еден пар од LSP-ови да се утврди. Бидејќи 2 LSP - ови се потребни за поврзување, податоците што течат во насока напред можат да користат различна патека од податоците што течат во обратна насока. АТМ точка-до-точка врските, од друга страна пак се двонасочни, овозможувајќи проток на податоци во двата правци на една иста патека ( и двете SVC и PVC ATM врски се двонасочни ).

И двете и ATM и MPLS поддржуваат тунелирање на врските во нивната внатрешност. MPLS користи означен стек за да се постигне ова, додека АТМ користи виртуелни патеки. АТМ virtual path indicator  ( VPI ) и virtual circuit indicator ( VCI ) и двата се пренесуваат заедно во заглавјето на ќелиите, ограничувајќи го АТМ на едно ниво на тунелирање.

Најголемата предност што MPLS ја има над АТМ е тоа што уште од почеток беше дизајниран да биде комплементарен на IP. Современите насочувачи се способнни да ги поддржат и MPLS и IP природно низ заеднички интерфејс дозволувајќи на мрежните оператори голема флексибилност во дизајнот на мрежите и операциите. Некомпатибилноста на АТМ  со IP бара сложена адаптација, што го прави релативно непогоден за денешните претежно IP мрежи.

MPLS распоредување
MPLS е моментално во употреба во IP – само мрежи и е стандардизиран од  IETF во RFC 3031. Тој е распореден за да поврзе неколку како два објекти во многу големи ангжмани. На пример, во малопродажниот сектор, не е невообичаено да се види распоредување на 2000-5000 локации да ги комуницираат трансакциите на податоци во седиштето на центарот за податоци.

Во пракса, MPLS главно се користи да ги препраќа IP datagram-ите и Ethernet сообраќајот. Големи апликации на MPLS се инженерството на телекомуникацискиот сообраќај и MPLS VPN.

Конкуренти на MPLS
MPLS можат да постојат и во двете, IPv4 животна средина ( користејќи IPv4 насочувачки протоколи ) и во IPv6 животната средина ( користејќи IPv6 насочувачки протоколи ). Основната цел на развојот на MPLS беше зголемувањето на брзината на насочување. Оваа цел веќе не е важна поради користењето на новите методи на преклопување како што се: ASIC, TCAM и CAM-заснованото преклопување. Сега затоа главна примена на MPLS е да се спроведе ограничен сообраќај инженерство и ниво3/ниво2 "тип на семрежен услужник" VPN-ови над IPv4 мрежите.

Главни конкуренти на MPLS се Provider Backbone Bridges (PBB) и MPLS-TP. Овие исто така обезбедуваат услуги како што се семрежниот услужник од ниво 2 и ниво 3 VPN. L2TPv3 се појавуваат како конкурент, но не е постигнат поширок успех. Некои услужници нудат различни услуги за клиентите заедно со MPLS. Овие услуги вклучуваат претежно National Private Lease Circuit (NPLC), ILL, IPLC итн. Како пример за NPLC, се смета Градот А и Градот Б. Организацијата има канцеларии во секој град. Организацијата бара поврзаност помеѓу овие канцеларии. ISP ќе има пристап пристап до РоР во секој град и затоа има врски помеѓу РоР-овите. За да се поврзат канцелариите на PoP-овите поврзувањето преку  локалните јамки ќе биде овластено за секоја канцеларија. На овој начин е дадена една NPLC.

Пристап до MPLS технологии
MPLS поддржува голем број на технологии за пристап, вклучувајќи T1, ATM, frame relay и DSL.

Поврзано
 IPv4
 IPv6
 VPLS, virtual private LAN service over MPLS.
 IEEE 1355, Spacewire A family of simplified physical-layer standards very similar to MPLS.

Литература
 Applied Data Communications (A Business-Oriented Approach) James E. Goldman & Phillip T. Rawles, 2004 (ISBN 0-471-34640-3)
 Routers Hold key to MPLS Measurement 
 Y. Rekhter et al., Tag switching architecture overview, Proc. IEEE 82 (December, 1997), 1973–1983
 Framework for Multi-Protocol Label Switching (MPLS)-based Recovery, RFC 3469, V. Sharma & F. Hellstrand, February 2003




 starting with RFC 4364 BGP/MPLS IP Virtual Private Networks (VPNs)
 Carrying Label Information in BGP-4, RFC 3107, Rekhter Y and Rosen E, May 2001.
 Graceful Restart Mechanism for BGP with MPLS, RFC4781, Yakov Rekhter and Rahul Aggarwal, January 2007.





  http://ieeexplore.ieee.org/iel5/7321/19793/00916720.pdf. Retrieved 2006 октомври 27.
 RRFC 4461: Extensions to Resource Reservation Protocol — Traffic Engineering (RSVP-TE) for Point-to-Multipoint TE Label Switched Paths (LSPs), R. Aggarwal, D. Papadimitriou, S. Yasukawa, Eds.
 "AT&T — Frame Relay and IP-Enabled Frame Relay Service (Product Advisor)" , Research and Markets, June 2007.

Книги
 "Deploying IP and MPLS QoS for Multiservice Networks: Theory and Practice" by John Evans, Clarence Filsfils (Morgan Kaufmann, 2007, ISBN 0 декември 370549-5)
 Rick Gallaher's MPLS Training Guide (ISBN 1932266003)

 Надворешни врски 
 MPLS Working Group, IETF.
 MPLS IP Specifications , Broadband Forum.

Категорија:Семрежни стандарди