Передача данных с коммутацией по меткам

MPLS и управление трафиком

Протокол MPLS стратегически достаточен для управления трафиком, так как он может предоставить большую часть функций, доступных в модели наложений, и по относительно низкой цене по сравнению с конкурирующими альтернативными решениями. Столь же важно, что MPLS предлагает возможность автоматизировать функции управления трафиком.

Концепция каналов передачи данных MPLS используется достаточно широко. Согласно Li и Rekhter [11.3], канал передачи данных представляет собой объединение потоков данных одного и того же класса, которые следуют маршруту с коммутацией пакетов по меткам. Канал передачи данных представляет собой абстракцию трафика, с которой могут быть ассоциированы определенные характеристики. Полезно рассматривать каналы передачи данных как объекты, которые можно маршрутизировать, — то есть, путь, по которому транспортрируются данные, может меняться. С этой точки зрения, каналы передачи данных подобны виртуальным каналам в сетях ATM и Frame Relay. Важно, однако, подчеркнуть, что существует фундаментальное отличие между каналом передачи данных и путем. LSP представляет собой спецификацию пути с коммутацией по меткам, через который проходит трафик. На практике термины LSP и канал передачи данных часто используются синонимично.

Привлекательность MPLS для управления трафиком может быть ассоциирована со следующими факторами.

1. Явные пути с коммутацией меток (которые не ограничиваются парадигмой переадресации, когда маршрут определяется на основе адреса места назначения) могут быть легко сформированы сетевым администратором или посредством стандартных протоколов.
2. LSP могут поддерживаться эффективно.
3. Каналы передачи данных могут быть смоделированы и поставлены в соответствие LSP.
4. Набор атрибутов может быть связан с каналами передачи данных, которые регулируют их рабочие характеристики.
5. Набор атрибутов может быть связан с ресурсами, которые ограничивают положение LSP и каналов передачи данных.
6. MPLS позволяет как агрегацию, так и дисагрегацию трафика, в то время как классическая переадресация на основе IP-адреса места назначения допускает только агрегацию.
7. Относительно легко реализовать в рамках MPLS маршрутизацию на основе ограничений.
8. Хорошая реализация MPLS может предложить заметно более низкую избыточность, чем конкурирующие альтернативы управления трафиком.

Кроме того, через механизм коммутации меток MPLS позволяет наложить на современную модель маршрутизации Интернет квазиканальную коммутацию. Многие существующие предложения для управления трафиком посредством MPLS концентрируются на возможности формирования LSP. Хотя такая возможность является фундаментальной для управления трафиком, реально этого недостаточно.

Наведенный MPLS-граф

В данном подразделе вводится концепция наведенного MPLS-графа, которая является центральной при управлении трафиком в сфере MPLS. Наведенный MPLS-граф аналогичен виртуальной топологии в модели наложений. Он логически проецируется на физическую сеть путем выбора LSP для каналов транспортировки трафика.

Наведенный MPLS-граф состоит из набора LSR, которые представляют собой узлы графа, и набора LSP, которые предоставляют логические соединение точка-точка между указанными LSR и, следовательно, служат в качестве каналов наведенного графа. Имеется возможность сформировать иерархический наведенный MPLS-граф, базирующийся на концепции стеков меток (смотри [11.1]).

Наведенные MPLS-графы важны потому, что базовые проблемы управления полосой пропускания в MPLS определяются способом и возможностью эффективно совместить наведенный MPLS-граф с физической топологией сети.

Пусть G = (V, E, c) является графом, отражающим физическую топологию сети. Здесь, V — набор узлов сети и E — набор каналов; то есть, для v и w из V объект (v,w) содержится в E, если v и w являются непосредственно связанными в рамках G. Параметр "c" представляет собой набор емкостей и других ограничений, сопряженных с E и V. Мы будем рассматривать G как основу сетевой топологии.

Пусть H = (U, F, d) является наведенным MPLS-графом, где U — субнабор V, представляющй набор LSR в сети, или более точно — набор LSR, которые являются конечными точками, по крайней мере, одного LSP. Здесь F представляет собой набор LSP, так что для x и y из U, объект (x, y) находится в F, если существует LSP с x и y в качестве конечных точек. Параметр d представляет собой набор требований и ограничений, ассоциированных с F. Очевидно, H является ориентированным графом. Можно видеть, что H зависит от переходных характеристик G.

Фундаментальные проблемы управления трафиком в MPLS

Существует три фундаментальных проблемы, относящиеся к управлению трафиком в MPLS.

• Первая проблема касается того, как определять соответствие пакетов определенному классу FEC (Forwarding Equivalence Class).
• Вторая проблема касается того, как определять соответствие FEC и каналов передачи данных.
• Третья проблема касается того, как определять соответствие каналов передачи данных физической топологии сети через маршруты с коммутацией по меткам.

Здесь не рассматриваются первые две проблемы (хотя они весьма важны). Вместо этого далее анализируются возможности, которые позволяют третей функции осуществлять эффективную и надежную работу сетей. Установление соответствия между наведенным MPLS-графом ( H ) и базовой топологией сети ( G ) является достаточно важной проблемой.

Расширенные возможности управления трафиком с помощью MPLS

Выше были рассмотрены базовые функции управления трафиком в современном Интернет. Далее описываются функциональные возможности, необходимые для полномасштабного поддержания управления трафиком в больших сетях через посредство протокола MPLS. Предлагаемые возможности включают в себя:

1. набор атрибутов, связанных с каналами передачи данных, совокупность которых характеризует рабочее состояние сети;
2. набор атрибутов, связанных с ресурсами, которые ограничивают размещение пути информационных потоков. Они могут рассматриваться также как топологические ограничения;
3. "маршрутизация на основе ограничений", которая используется для выбора пути канала передачи данных в соответствии с набором параметров пунктов 1 и 2, приведенных выше. Маршрутизация на основе ограничений не должна являться частью протокола MPLS. Однако они должны быть тесно связаны.

Атрибуты, связанные с каналами передачи данных и ресурсами, а также параметры, ассоциированные с маршрутизацией, в совокупности представляют собой набор управляющих переменных, которые могут быть модифицированы в результате действий либо администратора, либо автоматических агентов, для того, чтобы привести сеть в желательное состояние.

В рабочей сети крайне желательно, чтобы эти атрибуты можно было менять динамически в реальном масштабе времени без неблагоприятных последствий.

Атрибуты и характеристики канала передачи данных

В этом разделе обсуждаются атрибуты, которые можно ассоциировать с каналами передачи данных и которые могут определять рабочие характеристики сети. Базовые свойства каналов передачи данных перечислены ниже.

• Канал передачи данных представляет собой объединение потоков данных, принадлежащих одному классу. В определенном контексте может быть желательно смягчить это определение и позволить каналам передачи данных содержать мультиклассные объединения потоков.
• В одноклассовой модели обслуживания, такой, как современный Интернет, канал передачи данных может включать в себя все потоки между входным и выходным LSR.
• Каналы передачи данных являются маршрутизируемыми объектами (аналогично ATM VC).
• Канал передачи данных отличается от LSP, через который он проходит. В операционном контексте канал передачи данных может быть перенесен из одного пути в другой.
• Каналы передачи данных являются однонаправленными.

На практике канал передачи данных может характеризоваться своими входным и выходным LSR, FEC, которому он соответствует, и набором атрибутов, которые определяют его рабочие характеристики.

Имеется два пункта особой важности: (1) параметризация каналов передачи данных и (2) положение маршрута и правила управления каналом передачи данных.

Двунаправленные каналы передачи данных

Хотя каналы передачи данных являются концептуально однонаправленными, во многих практических контекстах полезно одновременно анализировать два канала передачи данных с идентичными конечными точками, но с разным направлением потоков. Два канала передачи данных логически связаны друг с другом. Один канал, называемый прямым, транспортирует трафик от исходного узла к узлу места назначения. Другой канал, называемый обратным, транспортирует трафик от узла места назначения к исходному узлу. Объединение двух таких каналов называется двунаправленным каналом передачи данных BTT (bidirectional traffic trunk), если выполняются следующие два условия:

• оба канала передачи данных инициализированы одновременно одним и тем же LSR, называемым исходным узлом, или возникли в результате одномоментной операции сетевой управляющей станции;
• ни один из образующих такую пару каналов не может существовать отдельно. То есть, оба создаются и исчезают одновременно.

Следует также рассмотреть топологические свойства BTT. BTT может быть топологически симметричным или асимметричным. BTT считается топологически симметричным, если составляющие его каналы передачи данных имеют одни и те же физические маршруты. Если, однако, составляющие его каналы передачи данных маршрутизированы через разные пути, тогда BTT называется топологически асимметричным.

Нужно заметить, что двунаправленные каналы передачи данных имеют в основном административное удобство. На практике большинство функций управления трафиком могут быть реализованы с использованием исключительно однонаправленных каналов передачи данных.

Базовые операции для канала передачи данных

Базовые операции в канале передачи данных, важные для целей управления трафиком, перечислены ниже.

• Установить (Establish): создать канал передачи данных.
• Активировать (Activate): запустить информационный обмен через канал передачи данных. Установление и активизация канала передачи данных — логически не связанные события. Они могут, однако, быть реализованы в рамках одной операции.
• Деактивировать (Deactivate): останавливать информационный поток через канал передачи данных.
• Модифицировать атрибуты (Modify Attributes): изменить атрибуты канала передачи данных.
• Сменить маршрут (Reroute): изменить маршрут канала передачи данных. Это может быть сделано административно или автоматически с помощью базовых протоколов.
• Ликвидировать (Destroy): ликвидировать канал передачи данных и уведомить об имеющихся ресурсах. К таким ресурсам относится пространство меток и, возможно, дополнительная полоса пропускания.

Выше рассматривались базовые операции каналов передачи данных. Возможны и дополнительные операции, сопряженные с реализацией политики и формированием трафика.

Мониторирование аккоунтинга и работы

Возможности мониторинга аккоутнтинга и рабочих характеристик являются крайне важным для задач биллинга и контроля параметров трафика. Статистика трафика, полученная с помощью такой системы мониторинга, может использоваться для оптимизации рабочих характеристик канала и для планирования управления трафиком.

Возможность получения статистики на уровне канала передачи данных так важна, что это следует рассматривать как существенное требование управления трафиком через MPLS.

Базовые атрибуты управления трафиком каналов передачи данных

Атрибут канала передачи данных является параметром, который влияет на рабочие характеристики канала.

Атрибуты могут быть явно присвоены каналам передачи данных администратором или заданы неявно базовыми протоколами, когда пакеты классифицируются и сортируются по классам эквивалентности (FEC) на входе в область MPLS. Независимо от того, как атрибуты были первоначально присвоены, для целей управления трафиком нужно допустить их административную модификацию.

Основные атрибуты каналов передачи данных наиболее важные для управления трафиком перечислены ниже.

• Атрибут политики (Policing)
• Атрибут приоритета
• Атрибут приоритетного прерывания обслуживания (Preemption)
• Атрибут устойчивости (Resilience)
• Атрибуты управления и выбора пути
• Атрибуты параметров трафика

Комбинация параметров трафика и атрибутов политики аналогична использованию параметрического управления в сетях ATM. Большинство атрибутов, перечисленных выше, имеют аналоги в хорошо установившихся технологиях. Следовательно, следует достаточно непосредственно установить соответствие между атрибутами канала передачи данных и многими существующими архитектурами переключения и маршрутизации.

Приоритет и приоритетное прерывание обслуживания могут рассматриваться как относительные атрибуты, так как они выражают определенные отношения между каналами передачи данных. Концептуально, эти двоичные отношения определяют способ взаимодействия каналов между собой, когда они соревнуются за получение сетевых ресурсов в процессе установления пути и его рабочих параметров.

Атрибуты параметров трафика

Параметры трафика могут использоваться при сборе данных об информационных потоках (или более точно FEC), которые надлежит транспортировать через информационный канал. Такие характеристики могут включать пиковые загрузки или средние потоки. Параметры трафика важны потому, что они указывают требования к ресурсам канала передачи данных. Это полезно для выделения ресурсов и исключения перегрузки за счет политики предвидения.

Атрибуты управления и выбора пути

Атрибуты управления и выбора пути определяют правила выбора пути канала передачи данных, а также правила работы с маршрутами, которые уже существуют.

Маршруты могут быть вычислены автоматически с помощью протоколов маршрутизации или могут быть определены сетевым администратором. Если требований к ресурсам или ограничений, сопряженных с каналом передачи данных, нет, тогда для выбора пути может быть использован протокол, управляемый топологией. Однако, если требования к ресурсам или ограничения, связанные с политикой, имеются, тогда следует использовать маршрутизацию, основанную на ограничениях.

Управление касается всех аспектов, имеющих отношение к поддержанию путей, через которые проходят каналы передачи данных. В некоторых операционных контекстах желательно, чтобы реализация MPLS могла динамически себя реконфигурировать для адаптации к состоянию системы. Адаптивность и устойчивость являются аспектами динамического управления маршрутом.

Чтобы контролировать выбор пути и процесс управления, необходим набор атрибутов. Базовые атрибуты и рабочие характеристики, связанные с выбором пути и управлением каналом передачи данных, описаны ниже.

Административно специфицированные маршруты

Административно специфицированный путь для канала передачи данных конфигурируется в результате действий оператора. Административно специфицированный путь может быть определен полностью или частично. Путь полностью специфицирован, если указаны все шаги между начальной и конечной точками. Путь частично специфицирован, если представлен только субнабор промежуточных шагов. В этом случае нужны базовые протоколы, чтобы сформировать окончательный маршрут. Из-за ошибок оператора административно специфицированный путь может оказаться несогласованным или нелогичным. Базовые протоколы маршрутизации должны быть способны детектировать такую несогласованность и вносить необходимые коррективы.

Атрибут path preference rule (правило предпочтения пути) должен быть ассоциирован с административно специфицированными путями. Атрибут "правила предпочтения пути" представляет собой двоичную переменную, которая указывает, является ли административно сконфигурированный путь обязательным или нет.

Если административно сконфигурированный путь выбран с обязательным атрибутом, должен использоваться этот (и только этот) путь. Если обязательный путь недопустим (например, конечные пункты топологически разделены) или если путь не может быть использован, так как его ресурсы неадекватны, тогда процесс установки пути (setup) потерпит неудачу. Другими словами, если путь специфицирован как обязательный, то альтернативный путь не может использоваться ни при каких обстоятельствах. Обязательный путь, который успешно приписан, является неявно закрепленным. Раз путь присвоен, его нельзя изменить, а можно только ликвидировать или заменить новым.

Однако если административно специфицированный путь выбран со значением атрибута предпочтения "необязательный", тогда путь следует использовать, если это возможно. В противном случае может использоваться альтернативный путь, предлагаемый маршрутным протоколом.

Иерархия предпочтений для мультимаршрутов

В некоторых практических контекстах, может быть полезно административно специфицировать набор кандидатов маршрутов для данного канала передачи данных и определить иерархию предпочтения этих маршрутов. Во время установления пути правила предпочтения используются при выборе подходящего пути из списка кандидатов. В случае неполадки правила предпочтения применяются для выбора альтернативного пути из списка кандидатов.

Атрибуты сродства классов ресурсов (Resource Class Affinity)

Атрибуты сродства классов ресурсов, ассоциированные с каналом передачи данных, могут использоваться для спецификации класса ресурсов, которые следует включить явно или исключить из пути канала передачи данных. Эти атрибуты политики могут понадобиться для введения дополнительных ограничений для маршрута канала передачи данных. Атрибуты сродства классов ресурсов могут быть специфицированы для трафика в виде последовательности пар:

<resourceclass, affinity>; <resourceclass, affinity>;

Параметр resource-class идентифицирует класс ресурса, для которого определено соотношение сродства в отношении канала передачи данных. Параметр affinity указывает на соотношение сродства; то есть, включены или исключены члены класса ресурсов для канала передачи данных. В частности, параметр affinity может быть двоичной величиной, которая принимает одно из следующих значений: (1) явное включение и (2) явное исключение.

Если атрибут сродства является двоичной переменной, можно использовать булевы выражения для спецификации сродства класса ресурсов, ассоциированных с данным каналом передачи данных.

Если не специфицировано никакого атрибута сродства класса, тогда предполагается значение отношения сродства "don't care" (безразлично) между каналом передачи данных и ресурсами. То есть, не существует никаких требований по включению или исключению каких-либо ресурсов для пути канала передачи данных. На практике — это режим по умолчанию.

Атрибуты сродства классов ресурсов очень полезны и эффективны, так как они могут быть использованы при реализации самых разных политик. Например, они могут быть применены для размещения определенных каналов передачи данных в заданных топологических областях сети.

Маршрутизация на основе ограничений может использоваться для вычисления точного пути для канала передачи данных так, чтобы удовлетворить ограничениям сродства класса ресурсов следующим образом:

1. для прямого включения перед началом вычисления пути удалить все ресурсы, не принадлежащие специфицированным классам;
2. для прямого исключения перед началом вычисления пути удалить все ресурсы, принадлежащие специфицированным классам.