MPLS: Multi-Protokoll- Etikettenvermittlung

MPLS (Multiprotocol Label Switching), oder „Multi-Protokoll- Etikettenvermittlung“, ist eine relativ neue Datenübertragungstechnologie, die entwickelt wurde, um die meisten der bestehenden Probleme bei der Weiterleitung von Datenpaketen für die Kommunikation zwischen Geräten über gemischte Übertragungsinfrastrukturen zu lösen.

Die Probleme, die sich bei Kommunikationslösungen über ATM-Netzwerke (Asynchronous Transfer Mode, oder Asynchroner Übertragungsmodus) ergeben, wie z. B. die Ausdehnung über virtuelle Topologie sowie die Komplexität der Verwaltung zweier getrennter und technologisch unterschiedlicher Netzwerke, werden mit MPLS gelöst, indem die Intelligenz von Routing mit der Geschwindigkeit von Switching in einer einzigen Technologie kombiniert wird.

MPLA funktioniert zwischen den Schichten 2 (Sicherung) und 3 (Vermittlung) des OSI-Modells dient der Harmonisierung des Datentransportdienstes zwischen leitungs- und paketbasierten Netzwerken. Es handelt sich um eine technologische Entwicklung zum Aufbau und zur Verwaltung von IP- Netzwerken, die den aktuellen Anforderungen entsprechen.

Das Hauptziel von MPLS besteht darin, eine Basistechnologie zu standardisieren, die den Austausch von Etiketten bei der Weiterleitung von Paketen in das derzeitige Routing-System von Netzwerken integriert. Die wichtigsten Merkmale des MPLS-Standards können wie folgt zusammengefasst werden:

• Funktion über jede Transporttechnologie, nicht nur über ATM.
• Unterstützung von sowohl Unicast- als auch Multicast-Paketweiterleitung.
• Ermöglichung des stetigen Wachstums des Internets.
• Kompatibilität mit den Betriebs-, Verwaltungs- und Wartungsverfahren der heutigen IP- Netzwerke.

Konzepte von MPLS

MPLS ist ein IP-Paketvermittlungsstandard, mit dem versucht wird, einige der Merkmale verbindungsorientierter Netzwerke auf nicht verbindungsorientierte Netzwerke zu übertragen.

Beim herkömmlichen IP-Routing wird die Zieladresse zusammen mit anderen Header-Parametern jedes Mal geprüft, wenn das Paket über einen Router geleitet wird. Die Route des Pakets wird entsprechend dem Zustand der Routing-Tabellen jedes Hosts angepasst, aber da der Zustand der Routing-Tabelle nicht vorhergesagt werden kann, verursachen Routing-Tabellen-Suchvorgänge auf jedem Host einen gewissen Zeitverlust, der mit der Länge der Tabelle zunimmt, was die Dienstqualität (QoS) beeinflussen kann.

Bei MPLS kann jedoch jeder Host, sei es ein Switch oder ein Router, jedem der Elemente in der Tabelle ein Etikett zuweisen und dieses an seine Nachbar-Hosts weitergeben. Dieses Etikett ist ein kurzer Wert fester Größe, der im IP-Paket-Header zur Kennzeichnung einer FEC (Forward Equivalence Class), oder Weiterleitungsäquivalenzklasse übertragen wird. Dieser Begriff wird verwendet, um eine Reihe von Paketen mit ähnlichen oder identischen Merkmalen zu beschreiben, die auf die gleiche Weise weitergeleitet werden können, d. h. sie können mit demselben Etikett verknüpft und auf demselben Weg durch das Netzwerk weitergeleitet werden, auch wenn ihre Endziele unterschiedlich sind.

Das Etikett ist ein Verbindungsbezeichner, der nur lokale Bedeutung hat und eine Zuordnung zwischen dem Traffic und einer bestimmten FEC herstellt. Dieses Etikett wird dem IP-Paket auf der Grundlage seiner Zieladresse, der Parameter für die Art des Dienstes, der Zugehörigkeit zu VPN (virtuelle private Netzwerke) oder anderer Kriterien zugewiesen.

Elemente des MPLS-Netzwerks

Ein sehr wichtiges Konzept in MPLS ist LSP (etikettierter Pfad, Label Switched Path), der aus der Konstruktion von Verkehrswegen durch das Netzwerk auf der Grundlage von FEC-Kriterien besteht und hauptsächlich LDP-Protokolle (Protokolle zur Etikettenverteilung, Label Distribution Protocols) verwendet.

Das LDP, oder das Protokoll zur Etikettenverteilung, ermöglicht es MPLS-Hosts, einander zu erkennen und miteinander zu kommunizieren, um sich gegenseitig über den Wert und die Bedeutung der Etiketten zu informieren, die auf ihren angrenzenden Verbindungen verwendet werden.

Mit anderen Worten: Mit LDP wird ein Pfad durch das MPLS- Netzwerk eingerichtet und die physischen Ressourcen reserviert, die erforderlich sind, um den zuvor für den Datenpfad definierten Dienstanforderungen zu entsprechen.

Ein MPLS-Netzwerk besteht aus zwei Haupttypen von Hosts: den Grenzetikettierungsrouter (LER, Label Edge Routers), und den Etiketten-Router (LSR, Label Switching Routers). Beide Arten existieren auf demselben Netzwerkgerät (einem Router bzw. Switch), das die MPLS-Software enthält und von seinem Administrator für den jeweiligen Betriebsmodus konfiguriert wird.

MPLS-Hosts tauschen wie herkömmliche IP-Router Informationen über die Netzwerktopologie mit Hilfe von Standard-Routing-Protokollen wie OSPF (Open Shortest Path First), RIP (Routing Information Protocol) und BGP (Border Gateway Protocol) aus, aus denen sie Routing-Tabellen erstellen.

Unter Berücksichtigung dieser Tabellen, in denen die IP-Adresse des nächsten Knotens angegeben ist, an den das Paket gesendet wird, um sein endgültiges Ziel zu erreichen, werden die MPLS-Etiketten und damit die LSPs oder etikettierte Pfade, denen die Pakete folgen, erstellt.

Die LERs, oder Grenzetikettierungsrouter, befinden sich an der Grenze des MPLS-Netzwerks und dienen zum Ausführen von herkömmlichen Routing-Funktionen und zum Bereitstellen der Konnektivität für deren Benutzer, die in der Regel andere herkömmliche IP-Router sind.

Ein LER analysiert und klassifiziert das eingehende IP-Paket (bis zur Schicht 3 des OSI-Modells) unter Berücksichtigung der Ziel-IP-Adresse und der geforderten Dienstqualität (QoS) und fügt das MPLS-Etikett hinzu, das angibt, auf welchem LSP sich das Paket befindet. Mit anderen Worten: Der LER entscheidet nicht wie ein herkömmlicher IP-Router über den nächsten Schritt, sondern über den gesamten Weg, den das Paket durch das Netzwerk nehmen soll.

Sobald der MPLS-Header zugewiesen ist, leitet der LER das Paket an einen LSR weiter, der sich im Kern des MPLS-Netzwerks befindet, um ein Hochleistungs-Routing auf der Grundlage von Etikettenvermittlung durchzuführen (nur bis zur Schicht 2 des OSI-Modells).

Wenn ein Paket an einen LSR-Netzwerkadapter ankommt, liest der LSR den Wert des eingehenden Etiketts des MPLS-Headers, sucht in der Vermittlungstabelle nach dem Etikett und den ausgehenden Adapter und leitet das Paket auf dem vordefinierten Pfad weiter, indem er einen neuen MPLS-Header schreibt. Wenn ein LSR feststellt, dass ein Paket an einen LER gesendet werden muss, entfernt er den MPLS-Header, da der letzte LER das Paket nicht weiterleitet, wodurch unnötige Header vermieden werden.

Aufgrund der Komplexität der Konzepte der einzelnen Elemente eines MPLS- Netzwerks können diese wie folgt zusammengefasst werden:

• FEC (Forwarding Equivalence Class) oder Weiterleitungsäquivalenzklasse: Name des Traffics, der unter einem Etikett weitergeleitet wird. Eine Gruppe von Paketen, die vom Switch auf die gleiche Weise behandelt werden.
• LSP (Label Switched Path) oder etikettierter Pfad: allgemeine Bezeichnung für einen MPLS-Pfad (für bestimmten Traffic oder FEC), d. h. eine MPLS-Route, die zwischen Endpunkten in einer unidirektionalen Weise eingerichtet wird.
• LDP (Label Distribution Protocol) oder Protokoll zur Etikettenverteilung: Protokoll, das es MPLS-Hosts ermöglicht, einander zu erkennen und miteinander zu kommunizieren, um sich gegenseitig über den Wert und die Bedeutung der Etiketten zu informieren, die auf ihren angrenzenden Verbindungen verwendet werden.
• LER (Label Edge Router) oder Grenzetikettierungsrouter: Element, das einen MPLS-Pfad einleitet oder beendet (Header entfernt und einfügt), d. h. das Ein-/Ausgangselement zum MPLS-Netzwerk.
• LSR (Label Switching Router) oder Etiketten-Router: Element innerhalb des MPLS-Netzwerks, das das Hochleistungs-Routing des Pakets durchführt, d.h. es liest den Etiketten-Header, sucht es in seiner Routing-Tabelle und sendet es auf dem vordefinierten Pfad.

MPLS-Implementierungen

Es gibt verschiedene Arten von Implementierungen für MPLS, unter anderem: MPLS als IP-over-Ethernet-, IP-over-ATM- und IP-over-Frame-Relay-Lösung.

Die Implementierung von MPLS als IP-over-Ethernet-, Fast-Ethernet- oder Gigabit-Ethernet-Lösung wird als reines IP bezeichnet. Da IP ein Protokoll ist, das viel früher als MPLS entwickelt wurde, befindet sich das MPLS-Etikett in diesem Fall nach dem Header der Schicht 2 und vor dem IP-Header (im OSI-Modell). Die LSR können unter Verwendung von MPLS-Etiketten anstelle der IP-Header Traffic leiten.

Die Implementierung von MPLS als IP-über-ATM-Lösung ist ebenfalls weit verbreitet. Es ist zu betonen, dass MPLS nicht entwickelt wurde, um ATM zu ersetzen, sondern um es zu ergänzen. Der Hauptunterschied zwischen MPLS und anderen IP-über-ATM-Lösungen besteht darin, dass MPLS-Verbindungen über LDP und nicht über herkömmliche ATM-Signalisierungsprotokolle hergestellt werden und dass MPLS die Komplexität des Abgleichs von IP-Adressierungs- und Routing-Informationen direkt in ATM-Vermittlungstabellen eliminiert.

Schließlich wurde MPLS auch als IP-over-Frame-Relay-Lösung entwickelt. In diesem Fall ist das MPLS-Etikett der Datensicherungs-Kontrollidentifikator (DLCI, Data Link Control Identifier) des Frame-Relay-Headers.

Vorteile von MPLS

MPLS wurde entwickelt, um die Vermittlungsgeschwindigkeit von Schicht 2 auf Schicht 3 (des OSI-Referenzmodells) durch Etikettenvermittlung (Label Switching) zu erhöhen. Dieser Vorteil wird jedoch derzeit nicht als Hauptvorteil betrachtet, da Gigarouter in der Lage sind, Routensuchvorgänge in IP-Tabellen mit ausreichender Geschwindigkeit durchzuführen, um alle Arten von Netzwerkadaptern zu unterstützen.

Die Vorteile, die MPLS für IP- Netzwerke bietet, sind: rTraffic-Planung (TE: Traffic Engineering), Traffic-Routing mit verschiedenen Dienstqualitäten (QoS) und Einrichtung von IP-basierten VPNs.

Traffic Engineering ermöglicht es Internet Dienstanbietern (ISP, Internet Service Provider), einen Teil des Traffics vom kürzesten Weg, der von Routing-Protokollen berechnet wird, auf andere physische Wege zu lenken, die weniger belastet oder weniger anfällig für Störungen sind.

Mit anderen Worten: MPLS ist zur Hauptanwendung für Datenübertragungsrouten geworden, um die Traffic-Auslastung aller Verbindungen im Netzwerk, d. h. der Router und Switches, auszugleichen, so dass keine dieser Ressourcen unter- oder überlastet wird, und so die steigende und unvorhersehbare Zunahme der Nachfrage nach Netzwerkressourcen zu bewältigen.

MPLS bietet ISPs auch eine große Flexibilität in Bezug auf die verschiedenen Arten von Diensten, die sie ihren Kunden anbieten können. In diesem Sinne erleichtert es nicht nur die Anwendung von Traffic-Engineering-Techniken, sondern auch die Klassifizierung des Traffics je nach dem Bedarf an Bandbreite und Verzögerungstoleranz der verschiedenen Anwendungen.

Schließlich bietet MPLS auch einen einfachen und flexiblen Mechanismus zur Einrichtung von VPNs. VPN VPN simuliert den Betrieb eines privaten WAN (Weitverkehrsnetz, Wide Area Network) über das öffentliche Internet. Um seinen Kunden einen brauchbaren VPN-Dienst anbieten zu können, muss der ISP Fragen der Datensicherheit behandeln und die Verwendung von nicht eindeutigen privaten IP-Adressen innerhalb des VPN unterstützen. Da MPLS die Einrichtung virtueller Schaltungen oder Tunnel über ein IP- Netzwerk ermöglicht, ist es für ISPs logisch, MPLS als Mittel zur Isolierung des Traffics zu verwenden.