Multiprotocol Label Switching (MPLS)

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1 Multiprotocol Label Switching (MPLS) Prinzipip - Technik - Anwendung - Gremien Harald Orlamünder Alcatel SEL AG Chart No. 1

2 Protokolle für Qualität und Echtzeit im Internet Echtzeit und Qualität für IP-Netze Protokollle im Datenstrom der Sessions Protokolle zur Steuerung der Sessions auf der IP-Ebene oberhalb der IP-Ebene INTSERV RSVP DIFFSERV... MPLS RTP RTCP H.323 SIP Chart No. 2

3 Prinzip von MPLS Multiprotocol Label Switching (MPLS) wurde zwar im Kontext von "IP over ATM" entwickelt, ist aber nicht auf ATM als Schicht 2 und IP als Schicht 3 festgelegt. Prinzip ist, daß den Layer 2 PDUs kurze Kennzeichnungen ("Lables") zugewiesen werden, die im MPLS-Netz umgewertet werden (so wie es ein ATM-Knoten mit VPIs/VCIs macht). Normale Schicht-3-Routingprotokolle (wie OSPF und BGP) können in der ersten Phase der Session verwendet werden. Die gewonnenen Routing-Informationen werden verwendet um Labels zuzuweisen. Dann wird eine direkte Schicht-2- Verbindung für die Kommunikation benutzt. Im Falle von ATM können direkt VPI/VCI-Werte als Label eingesetzt werden - es wird kein separates Zeichengabeprotokoll wie Q.2931 / UNI 4.1 benötigt. Chart No. 3

4 MPLS Protokollstack mit und ohne ATM a) MPLS mit ATM b) MPLS als Schicht TCP UDP TCP UDP IP (Schicht 3) MPLS (Verfahren) Netz-Schicht (Schicht 2), hier: ATM physikalische Schichten (Schicht 1) IP (Schicht 3) MPLS (Verfahren) MPLS als Schicht (2b) Framing (Schicht 2a) physikalische Schichten (Schicht 1) Die MPLS-Schicht bietet nur einen Protokollkopf, keine Rahmenbildung. Chart No. 4

5 MPLS-Netze Architektur zu anderen MPLS-Domains oder der nicht-mpls- Welt C Layer-3-Router Switch-Controller Layer-2-Switch Label Switch Router () C Core- C C Core- Edge- MPLS Domain Edge- Chart No. 5

6 MPLS-Netze Kommunikationspfade MPLS Domain C normaler Weg über Router C interne Kommunikation C Shortcut direkt durch Switch Chart No. 6

7 Shortcuts Allgemeines Intelligente Integration der Routingfunktionalität der Schicht 3 mit der Switchingfunktionalität der Schicht 2. Dadurch aufwendiger Prozeß der Bearbeitung jedes einzelnen Datenpaketes minimiert. Der besondere Vorteil ist jetzt, daß die Information auf kurzem Wege durch das Schicht-2-Netz durchgeschaltet werden kann - man spricht hier von einem Shortcut bzw. von Shortcut- Routing. Chart No. 7

8 Shortcuts Auslöser Durch den Datenverkehr selbst ausgelöst ( Data driven, Traffic driven oder Flow driven ); Analyse des aktuelle Verkehr, Verbindungen in der Schicht 2 erst bei tatsächlichem Bedarf. Durch die Topologie bestimmt (übliche Bezeichnung dazu ist Topology driven ); Durch IP-Routing-Protokolle wird Topologie- Informationen gewonnen und aufgrund dieser wiederum in der Schicht-2 Verbindungen fest eingerichtet, unabhängig vom Verkehr. Durch ein spezielles Anforderungs-Signal bzw. - Protokoll ausgelöst Derzeit gibt es in der Internet-Welt nur ein Protokoll, das dieses leisten kann: das Resource Reservation Protocol (RSVP). Chart No. 8

9 MPLS-Ablauf Schritt 1 Router Controller Router Controller L2- Switch Router Controller L2- Switch MPLS Domain L2- Switch IP-Paket L2 PDU L2 PDU IP-Paket Pakete werden durch Router weitergeleitet Chart No. 9

10 MPLS-Ablauf Schritt 2 Router Controller Router Controller L2- Switch MPLS Domain Router Controller L2- Switch L2- Switch Kommunikation der Controller untereinander Kommunikation der Controller mit den L2-Switches Chart No. 10

11 MPLS-Ablauf Schritt 3 Operationen in den MPLS- Knoten Label zuweisen = label push Label ändern = label swap Label entfernen = label pop Router Controller Router Controller L2- Switch Router Controller L2- Switch MPLS Domain L2- Switch IP-Paket L2 PDU Label L2 PDU Label IP-Paket Pakete werden mit einem Label versehen und nur noch im L2-Switch geschaltet. Chart No. 11

12 Als Label wird verwendet: MPLS-Label wo untergebracht im Falle einer vorhandenen Schicht 2 deren "Label": bei ATM das VPI/VCI-Feld, bei FR das DLCI-Feld in Falle eines eigenen MPLS-Headers ein 20-Bit-Label. Der spezielle MPLS-Header wird folgende Felder umfassen: Label (20 Bit) Lebensdauer - TTL (8 Bit) Stack-Bit (1 Bit) experimentelle Bits, evtl. Class of Service (3 Bit) evtl.: next Header-Type Prüfsumme Chart No. 12

13 Schicht 3 (IP) MPLS mit ATM IP-Paket MPLS-Label wo untergebracht (2) MPLS als Schicht IP-Paket Schicht 2 (mit MPLS) ATM- Zellen L L L IP-Paket L AAL-5 ATM L eigener MPLS- Header mit Label IP-Paket "MPLS" VPI/VCI-Wert direkt als Label genutzt Zell- Kopf LLL IP-Paket Schicht 2 Schicht 1 (Transport) LL Protocol Control Information (PCI) der jeweiligen Schicht Label für MPLS Da MPLS kein Framing liefert, muß zumindest eine einfache Schicht-2 unterlegt werden (z.b. HDLC). Chart No. 13

14 Label Wert Paket-Typ IPv4 NULL Router Alert IPv6 NULL General NULL reserved Aktion Label entfernen und IPv4 Paket routen Paket zur lokalen SW-Instanz routen Label entfernen und IPv6 Paket routen Label entfernen und Paket routen reserved MPLS-Header ohne ATM Label Exp S TTL "unterstes" Label Label 3 00 Label 2 00 Label 1 11 Stack-Bit Layer-3-Paket Chart No. 14

15 Label-Stacking in MPLS MPLS-Domain MPLS- Domain Label 2 Label "unterstes" Label mit Stack-Bit markiert Edge- (arbeitet intern im Interior Routing Protokoll, z.b. OSPF, nach extern mit Exterior Routing Protokoll, z.b. BGP) normaler (arbeitet im Interior Routing Protokoll, z.b. OSPF) Chart No. 15

16 TTL-Behandlung in MPLS Router MPLS-Domain Router TTL IP IP - 1 TTL MPLS = TTL IP IP TTL MPLS - 1 TTL MPLS - 1 TTL MPLS - 1 TTL-Wert wird kopiert TTL IP IP = TTL MPLS TTL IP IP -1 Chart No. 16

17 "Merging" in MPLS Bessere statistische Ausnutzung des Summenverkehrs gegenüber den zwei Einzel-Verkehren. 1 1 MPLS- Domain 4 5 MPLS- Domain ohne Merging mit Merging Chart No. 17

18 Label Distribution Protocol (LDP) Grundlagen Zum Austausch von Informationen über Bedeutung und Benutzung der Labels zwischen den beteiligten Netzelementen wird ein eigenes Protokoll eingesetzt. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: ein spezielles Protokoll, z.b. das sich gerade in der Spezfikation befindliche Label Distribution Protocol (LDP), oder Huckepack auf einem anderen Protokoll, z.b. RSVP. Entsprechend der Methode, wie der Weg bestimmt wird, unterschiedet man zwei LSPs: Hop-by-hop LSP (oder Control-driven LSP); Constraint-based routed LSP (oder explicitely routed LSP). Chart No. 18

19 LDP Nachrichtenklassen Discovery-Nachrichten kündigen bestehende LSPs an Session-Nachrichten generieren und unterhalten LDP-Sessions Advertisements-Nachrichten generieren, ändern und löschen Label-Zuordnungen zu FECs Notification-Nachrichten tragen Fehlermeldungen und Sonstiges. Chart No. 19

20 LDP Nachrichtenformat U Message Type Message Length Message ID Parameters (mandatory) Parameters (optional) U F Parameter Type Parameter Length Parameter Value TLV- Format Chart No. 20

21 Feld Beschreibung LDP Nachrichtenelemente Unknown Message Kennzeichnet, daß der Empfänger, so er die Nachricht nicht versteht, den Sender informieren soll Message Type Typ der Nachricht, folgende Typen sind definiert: Hello für LDP-Discovery Initialization Aufbau der LDP-Session Keep Alive hält eine LDP-Session aktiv, auch wenn kein Nachrichtenaustausch stattfindet Address teilt Schnittstellen-Adressen zu Address Withdraw löscht Schnittstellen-Adressen wieder Label Mapping teilt eine Label-Zuordnung mit Label Request fordert für eine FEC eine Label-Zuordnung an Label Withdraw fordert die Löschung eine Label-Zuordnung Label Release löscht eine Label-Zuordnung Notification Fehler- und sonstige Meldungen Message Length Gesamtlänge der Nachricht in Oktett Message ID Eindeutige Identifizierung, dient zur Korrelation von Anfragen und Antworten, bzw. Fehlermeldungen Parameters Parameter für die Nachricht Chart No. 21

22 MPLS in einer ATM-Umgebung (1) a) Direkte Verbindung non-mpls-verbindung ATM- VCI/VPI als Label ATM- b) Verbindung über VP-Cross-Connect nur VCI als Label ATM- ATM-VP- Cross-Connect ATM- c) Verbindung über VC-Switch ATM- ATM- Switch (VC) ATM- VCID als Label Chart No. 22

23 MPLS in einer ATM-Umgebung (2) ATM-Netz VP-XC VC-VSt. nur VPI wird umgewertet VPI und VCI werden umgewertet VCID = 1: VPI=11 VCI= 4711 VPI=99 VCI= 4711 VCID = 1: VPI=30 VCI=1234 VCID stellt die Relation her Chart No. 23

24 Einsatz von MPLS Eine Mischung von Routern ohne MPLS und MPLS- Knoten ist möglich, allerdings können nur MPLS- Knoten Label-Information austauschen. Auch Schicht- 2-Knoten können dazwischen liegen, die dann aber einen transparenten Pfad zwischen MPLS-Knoten schalten müssen. Es gibt Fälle, in denen MPLS nicht eingesetzt werden kann: Wenn eine kleinere Granularität benötigt wird, als sie MPLS bieten kann. Aus Sicherheits-Gründen, wenn z.b. ein Paketfilter eingesetzt wird (Firewall). Im ersten Router, wenn der Host keinen MPLS kann. Chart No. 24

25 Anwendungen von MPLS Bereitstellen einer definierten Qualität Manche sehen aber eine Überdimensionierung und/oder eine Priorisierung wie DIFFSERV als ausreichend an. Realisierung von VPNs Striktere Trennung der VPNs gegeneinander als mit reinem IP-VPN. Erstes MPLS-Dokument war zu VPN! Verkehrssteuerung (TE - Traffic Engineering) Als Maßnahme des Netzbetreibers erlaubt MPLS eine bessere Verteilung des Verkehrs als IP. Chart No. 25

26 Weiterentwicklungen von MPLS Voice over MPLS (VoMPLS) als Voice over IP over MPLS oder als Voice over??? over MPLS Generalised MPLS (GMPLS) Paket/Rahmen/Zell-Ebene (seitheriger Einsatz von MPLS), Zeitschlitz-Ebene (TDM), z.b. Einrichten von Virtual Containers in einem SDH-System, Wellenlängen-Ebene (Lambda), z.b. Einrichten einer Wellenlänge in einem WDM-System ( light path ) Schnittstellen-Ebene (räumlich), z.b. Einrichten von Ports in einem System. OAM für MPLS vergleichbar den OAM-Funktionen im ATM? Chart No. 26

27 IETF Gremien und Dokumentation 10 RFCs: RFC2547, RFC2702, RFC2917, RFC3031 (Architecture), RFC3032, RFC3035, RFC3036, RFC3037, RFC3038, RFC "Internet Drafts" (IDs) enthalten die Begriffe MPLS oder LDP! (Stand: 11/2001) MPLS-Forum Implementation Agreement VoMPLS ATM-Forum ATM-MPLS Interworking ITU und ETSI sind "Follower" Chart No. 27

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