Multiprotocol Label Switching
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Multiprotocol Label Switching (MPLS) ermöglicht die verbindungsorientierte Übertragung von Daten in einem verbindungslosen Netzwerk entlang eines zuvor aufgebauten („signalisierten“) Pfades. Dieses Protokoll wird überwiegend von Betreibern großer Transportnetzwerke eingesetzt, die Sprach- und Datendienste auf Basis von IP anbieten (IP Service Provider und nationale Carrier).
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[Bearbeiten] Was bedeutet verbindungsorientiert, was verbindungslos?
Können Daten von einem Endgerät spontan an einen Empfänger gesendet werden, und weiß jedes dazwischen liegende Datenvermittlungssystem (in der Regel Router) eigenständig, wie es die Daten weiterzuleiten hat, spricht man von verbindungsloser Datenübertragung. Muss vor dem Senden von Daten durch ein Endgerät erst ein Pfad durch das Netzwerk zum Empfänger signalisiert werden, spricht man von verbindungsorientierter Datenübertragung. In diesem Fall werden die Datenvermittlungssysteme (in der Regel Switches) mit den notwendigen Verbindungsinformationen versehen, um die gesendeten Daten korrekt weiterzuleiten (Label Switching).
Ein verbindungsorientiertes Netzwerk weist ein deterministisches und kontrollierbares Verhalten auf. Ressourcen in den Vermittlungssystemen können während der Signalisierungsphase reserviert werden. Dahingegen weist ein verbindungsloses Netzwerk ein stochastisches und eher zufälliges Verhalten auf. Daten können zu beliebiger Zeit und in beliebiger Menge im Vermittlungssystem eintreffen. Ressourcen sind nur eventuell vorhanden.
ATM-Netzwerke (ATM = Asynchronous Transfer Mode) arbeiten verbindungsorientiert. Die Vermittlungssysteme dieser Netzwerke nennt man Switch. Sie bearbeiten die Sprache und Daten auf Layer-2 des OSI-Modells. Das IP-Protokoll arbeitet verbindungslos. Die Vermittlungssysteme dieser Netzwerke nennt man Router. Sie behandeln Sprache (z.B. VoIP = Voice over IP) und Daten auf Layer-3 des OSI-Modells.
[Bearbeiten] Warum MPLS?
Betrachtet man die Zeitspanne der Netzwerk-Entwicklung ab Mitte der neunziger Jahre, mit Augenmerk auf die Weitverkehrsnetze (WANs= Wide Area Networks), so überwiegt die Sprachkommunikation deutlich. Unternehmen betreiben getrennte Netzwerke für die Daten- bzw. Sprachübertragung, was erhebliche Kosten verursacht. Die Datennetze bestehen aus Mietleitungen oder angemieteten Datenkanälen (64kbit/s - 2 MBit/s). Eine netzwerkweite Dienstequalität (QoS- Quality of Service) gibt es nicht. Vorhandene Sprachnetze bieten diese Dienste-Qualitäten für Sprachdienste, aber erforderliche Bandbreiten zur Datenübertragung sind nicht vorhanden oder extrem teuer. Es fehlt eine Übertragungsplatform, die beiden Netzwerktypen gerecht wird.
Die Einführung der ATM-Technologie löst diese Problematik in vielen Teilbereichen. Sprache und Daten werden nun über eine gemeinsame Infrastruktur übertragen. ATM nutzt P-NNI als Topologieprotokoll, um Pfade, bestehend aus VPI/VCI Tupeln, zu signalisieren. VPI steht als Abkürzung für Virtual Path Identifier (virtuelles Leitungsbündel), VCI für Virtual Channel Identifier (virtuelle Leitung). Allerdings stellt das ATM-Transportnetz keine IP-Routing-Funktionalitäten für die IP-basierte Datenübertragung zur Verfügung. Dieses geschieht weiterhin in Routern.
Die Routing-Systeme bekommen durch den Einsatz von ATM die Möglichkeit, wesentlich höhere Übertragungs-Bandbreiten zu nutzen. Die Signalisierung von Verbindungswegen bleibt dem ATM-Netzwerk überlassen, während die IP-Router verbindungslos, also stochastisch, ihre IP-Datenpakete übertragen. Eine netzwerkweite Dienstequalität (QoS) um Daten und Sprache, unter Nutzung der hohen Bandbreiten, zu integrieren, existiert nicht. Es entstehen sogenannte Overlay-Architekturen. Die ATM-Transportschicht sieht die IP-Netzwerkschicht nicht und umgekehrt.
Die verfügbaren Routersysteme erreichen durch die neu verfügbaren hohen Bandbreiten ihre Kapazitätsgrenzen. Zudem stellt das Zusammenfügen und Zerlegen von IP-Pakete (bis zu 1536 Byte oder mehr) in ATM-Zellen (53 Byte) eine schwer überwindbare Grenze für Geschwindigkeiten über 622 MBit/s dar. Bedingt durch die hohe Anzahl von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (ATM VCIs) zwischen den Routern (vollständig vermaschtes Netzwerk), stehen die verfügbaren Topologie-/Routing-Protokolle (IGPs) wie OSPF, RIP oder IS-IS unter Signalisierungsstress (n-square-Problematik). Dadurch kollabieren Router oder entwickeln sich zu permanenten Engpässen im Netzwerk. Die Übertragung von unterschiedlichen Diensten (Sprache, Daten, Video) über eine einheitliche und vereinfachte Platform existiert nicht.
MPLS bietet für die oben genannten Problempunkte Lösungen an.
[Bearbeiten] Was bietet MPLS?
MPLS bietet seit Ende der 90er Jahre die Möglichkeit, überlastete Routing-Systeme zu entlasten und die verfügbaren Bandbreiten der Weitverkehrs-Übertragungsleitungen zu 100% auszulasten.
Die Idee ist es, Datenpakete nicht mehr länger von einem Router zum nächsten Router (Hop-by-Hop) weiterzuleiten, und in jedem Router aufs Neue die Entscheidung für den günstigsten Weg zu treffen (kompletter IP-Lookup in der sogenannten Forwarding-Table), sondern diese an einem Eingangspunkt (Ingress-Router) auf einem vorsignalisierten Datenpfad zu senden und erst wieder am Ausgangspunkt (Egress-Router) die herkömmliche Hop-by-Hop Weiterleitung zu nutzen. Idealerweise liegen Ingress- und Egress-Router an den Grenzen eines Netzwerkes (z.B. bei Transit Providern). Das entlastet einen Großteil der Netzwerkrouter erheblich. Auf allen MPLS-fähigen Zwischenstationen (sog. Label-Switched-Routern) werden lediglich die den MPLS-Paketen vorgeschalteten Label ausgewertet. Dies erfolgt bereits direkt überhalb der Sicherungsschicht (Layer 2) und kann sehr leicht in entsprechender Hardware mit hoher Geschwindigkeit erfolgen.
MPLS bietet ein verbindungsorientiertes Verkehrsverhalten wie ATM für Datenpakete. Die Pfade werden vor der Paketweiterleitung signalisiert. Zudem können mit Hilfe zusätzlicher Protokolle/Protokollerweiterungen, wie CR-LDP oder RSVP-TE, Ressourcen auf den Routern reserviert oder die Wegewahl gezielt beeinflusst werden. Dies erlaubt, in einem gewissen Rahmen, QoS für die kombinierte Übertragung von Sprache, Daten und Video, netzwerkweit zu realisieren.
Trotzdem ist es wichtig zu verstehen, dass MPLS auch mit RSVP keine Bandbreiten reservieren kann, wie es ATM ermöglicht. Es ist möglich, ein gewisses deterministisches Verkehrsverhalten anzunähern, aber IP-Routing/Forwarding ist und bleibt in seinem Verhalten stochastisch, auch unter Nutzung von MPLS.
Der anfängliche Geschwindigkeitsvorteil von MPLS in der Datenweiterleitung ist heutzutage nicht mehr relevant, da moderne Routingsysteme durchweg das IP-Forwarding in Hardware realisiert haben.
[Bearbeiten] MPLS in IP-Netzwerken: Begriffe und Funktion
Die Nutzung von MPLS in IP Netzwerken setzt eine funktionierende logische und physische IP-basierte Netzwerk-Infrastruktur (MPLS-fähige Router) voraus. Es ist wichtig zu verstehen, dass MPLS hier primär in den Grenzen eines sogenannten AS (Autonomous System) agiert. Zudem ist die Verwendung eines IGP (Interior Gateway Protocol) wie z.B. OSPF oder IS-IS, sinnvoll. Theoretisch möglich, aber wenig praktikabel, wäre auch die Nutzung statischer Routen in Kombination mit I-BGP.
Nachdem sichergestellt ist, dass die Router eines AS sich alle gegenseitig „sehen“ können (dies stellen z.B. OSPF oder IS-IS sicher), werden nun die MPLS-Wege (Pfade) zwischen den einzelnen Routern geschaltet. Diese Pfade nennt man LSP (Label Switched Path). Der Anfangsknoten eines LSPs wird als Ingress-Router bezeichnet, der Endpunkt als Egress-Router. Typischerweise liegen diese Anfangs- und Endknoten an Eingangs- und Ausgangspunkten eines AS (AS Boundary Router).
Das Schalten der LSPs kann vollständig manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch erfolgen.
Die manuelle Variante erfordert die Konfiguration jedes Routers, den ein LSP durchläuft. Bei ASen in der Größenordnung von mehreren Dutzend Routern ist dies bereits ein ineffizientes Verfahren.
Die halbautomatische Variante erfordert nur die manuelle Konfiguration von Teilen des LSPs, also zum Beispiel der Weg über die ersten 3 Router. Der Rest der Wegfindung für den LSP wird dem IGP überlassen.
Die vollautomatische Variante verlässt sich bei der Festlegung des Pfades für einen LSP vollständig auf das IGP. Somit erzielt man hinsichtlich der Pfadoptimierung keinerlei Vorteil. Allerdings erfolgt die Datenweiterleitung in den Routern nun auf Layer-2 (Label-Swapping, also Austauschen/Ändern von Labeln) statt auf Layer-3.
Im Ingress-Router bekommt ein Datenpaket (es muss nicht unbedingt IP sein) zusätzlich einen sogenannten MPLS-Header mit einer Länge von 4 Byte (32 Bit). Betrachtet man die ISO-Schicht-Informationen (siehe auch ISO/OSI-Referenzmodell) eines Datenpaketes, so wird dieser Header zwischen der Schicht-3-Information (Network-Layer-Header) und der Schicht-2-Information (Link-Layer-Header) eingefügt. Diesen Vorgang des Einfügens nennt man PUSH-Operation. Wird das Label eines LSPs durch einen Router entfernt, nennt man dies eine POP-Operation. Das Austauschen des Labels durch einen Router auf dem Pfad eines LSPs, nennt man SWAP-Operation.
Mit den 32 Bit des MPLS-Headers werden 4 Zusatzinformationen vermittelt:
- TTL (Time to Live): 8 Bit -> Definiert, wie viele MPLS-Router der LSP durchlaufen kann (Limit = 255 Router)
- S-Bit (Stacking-Bit): 1 Bit -> Definiert, ob es sich bei dem LSP um einen gestackten LSP handelt, ob also ein weiterer LSP im LSP transportiert wird.
- EXP (Experimental Bits): 3 Bit -> Werden momentan zur Übermittlung von QoS-Informationen verwendet (bis zu 8 Klassen)
- MPLS Label: 20 Bit -> Kenn-Informationen eines LSPs (ähnlich einer Telefon-Rufnummer). Es ist wichtig zu verstehen, dass dieses Label nur eine lokale Gültigkeit besitzt, also nur zwischen 2 Routern auf dem Weg eines LSPs verwendet wird und nicht auf dem gesamten Weg vom Ingress- zum PHP-Router.
Das Pen Ultimate Hop Popping (PHP) beschreibt den Sachverhalt, dass ein MPLS-Label (bei gestackten LSPs, das äußere Label) bereits im vorletzten Router eines LSPs entfernt wird. Dieser sogenannte PHP-Router kennt, bedingt durch das IGP, den Weg zum Egress-Router und leitet das Datenpaket zu diesem auf normalem Weg weiter. Damit spart man im Egress-Router die POP-Operation, er muss lediglich das entpackte Paket anhand seiner Routing-Informationen weiterleiten.
[Bearbeiten] MPLS heute und in der Zukunft
Der Vorteil von MPLS zeigt sich erst, wenn zusätzliche Services, basierend auf der MPLS-Technologie, zum Einsatz kommen. Solche, mittlerweile weitestgehend standardisierten, Services sind zum heutigen Zeitpunkt:
-> Traffic-Engineering, die gezielte Steuerung der Wegwahl für den Datenverkehr eines Netzes. Diese Anwendung ermöglicht zum Beispiel einem Netzwerkbetreiber gezielt, seinen Kunden, gegen Entgelt, besonders breitbandige und verzögerungsarme Datenwege anzubieten. Traffic Engineering setzt zusätzliche Funktionalitäten in den IGPs voraus (Stichwort OSPF TE, IS-IS TE). Die Abkürzung TE steht für Traffic Engineering Extensions. Zur Bereitstellung von Ressourcen für optimierte Wege durch ein Netzwerk kommt RSVP-TE zum Einsatz.
-> Layer-2 VPNs, Virtuelle Private Netzwerke (VPNs) auf der OSI-Schicht 2, mit Punkt-zu-Punkt Verbindungen. Diese ermöglichen es, ATM-Pfade (VPIs/VCIs), Ethernet-VLANs oder Frame-Relay-Pfade (VCs= Virtual Circuits) unterschiedlicher Netzwerke direkt über ein IP-MPLS-Netzwerk miteinander zu verbinden. Es wird dem Kunden am Übergabepunkt ein Anschluss auf Schicht 2 des OSI-Modells übergeben. Als Anwendungsbeispiel bietet sich ein Service Provider, der DSL-Zugänge in Deutschland anbietet, aber keine eigene, landesweite, Infrastruktur besitzt, um seine ATM-basierten DSL-DSLAMs (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) zu einem zentralen BRAS-System (Broadband Remote Access System) zu verbinden. Hierzu nutzt er dann einen anderen Transport-Provider mit IP-MPLS Infrastruktur, der die ATM-VPIs/VCIs transparent zum zentralen BRAS-Standort führt. Die DSLAMs und das BRAS-System bekommen vom Transport-Provider eine ATM-Schnittstelle zur Verfügung gestellt, obwohl dessen Infrastruktur rein IP-basiert ist. Man spricht hier auch von Pseudo-Wire-Emulation (PWE3 Circuits). Es werden also Leitungen/Pfade emuliert. Die Ingress-/Egress-Router bezeichnet man in diesem Fall als LER (Label Edge Router), die Router auf dem Pfad des LSPs als LSR (Label Switch Router). Die LSPs werden in der Praxis mit einem separaten Protokoll (z.B. LDP oder L2TPv3) zwischen den LERs automatisch signalisiert. Es besteht aber auch die Möglichkeit die LSPs manuell zu konfigurieren. Ein Layer-2 VPN stellt sich wie ein virtueller ATM-/Frame Relay-/Ethernet-Switch mit Punkt-zu-Punkt Verbindungen dar.
-> VPLS (Virtual Private LAN Services). Dies ist eine Variante der Layer-2 VPNs mit Fokussierung auf Ethernet-basierte Infrastrukturen, also Punkt-zu-Mehrpunkt Verbindungen, was dem Broadcast-Verhalten von Ethernet Rechnung trägt. Als Signalisierungsprotokolle kommen überwiegend LDP, aber auch BGP zum Einsatz. Am Übergabepunkt bekommt der Kunde einen gebridgten LAN-Port zur Verfügung gestellt. Eine VPLS-Instanz stellt sich wie ein virtueller LAN-Switch dar.
-> Layer-3 VPNs, Virtuelle Private Netzwerke (VPNs) auf der OSI-Schicht 3. Diese ermöglichen es, komplette geroutete Netzwerk-Infrastrukturen von Kunden, transparent über ein Provider-MPLS-Transportnetz abzubilden. Es wird dem Kunden am Übergabepunkt ein Anschluss auf Schicht-3 des OSI-Modells übergeben, also ein gerouteter Anschluss mit statischer-Route oder einem IGP. Weitere Details hierzu finden sich zum Beispiel im RFC 2547. Die LSPs werden in der Praxis mittels LDP signalisiert. Ein Layer-3 VPN stellt sich wie ein virtueller IP-Router dar (was aber nicht mit den proprietären „Virtuellen-Router“ Konzepten einiger Hersteller zu verwechseln ist).
-> G-MPLS, Generalized MPLS, erweitert den Wirkungsbereich von MPLS hin zur optischen Übertragungs-Infrastruktur. Dieser Ansatz soll die automatische Signalisierung optischer Pfade (also zum Beispiel einzelne Lambdas einer WDM/DWDM Schnittstelle, SDH-Pfade oder eine komplette Schnittstelle) beim Aufbau eines LSPs mit einbeziehen. Die Signalisierung der Topologie erweitert also Ihren Wirkungskreis weg von der IP-Transportschicht innerhalb eines AS hin zur darunter liegenden Infrastruktur-Transportschicht. Standardisierungsansätze für die Architektur, das funktionale Modell und Anforderungen hierzu finden sich unter den Suchbegriffen ASON/ASTN (Automatic Switched Optical Network / Automatic Switched Transport Network).
Grundsätzlich führt die MPLS-Technologie die unabhängige Paketvermittlung (verbindungslos) zurück zur Leitungsvermittlung durch LSPs (verbindungsorientiert). Damit wird die angestrebte IP-basierte Kommunikation von Jeder/Jedem zu Jeder/Jedem (Any-to-Any), mit all Ihrer weltweiten Flexibilität, durch die Schwachpunkte verbindungsorientierter Kommunikation eingeschränkt (Komplexität, n-square Problematik,etc.).
