MPLS - Çok Protokollu Etiket Anahtarlama

Multi Protocol Label Switching / Çok Protokollu Etiket Anahtarlama

MPLS (Multi Protocol Label Switching) teknolojisi en basit olarak OSI(Open Systems Interconnection) 2. katmanındaki anahtarlama(switching) ve OSI 3. katmanındaki yönlendirme(routing) işlemlerinin entegre edilmesi olarak açıklanabilinir. 2. katmandaki anahtarlama işlemi yüksek hızlarda yapılabilirken 3. katmandaki yönlendirme işlemi nispeten daha yavaş yapılabilmektedir. MPLS teknolojisi bu iki ayrı işlemi kontrollü bir şekilde entegre ederek daha hızlı ve gelişmiş hizmetler verebilen data ağları oluşturmaktadır.

MPLS'in temel mantığı yavaş yapılabilen yönlendirme işlemini ağın giriş noktalarında, gereken çıkış noktasını belirleyerek bir kez yapmak ve ağın içinde hızlı bir şekilde anahtarlama yapmaktır. Ağın giriş noktalarında yapılan yönlendirme işlemi sırasında data paketlerine atanan MPLS etiketleri ile ağ içinde bu etiketlere göre hızlı bir şekilde anahtarlama yapılması yeterli olmaktadır.

Geleneksel IP yönlendirmesinde yönlendirme tablosu, yönlendirme protokolleri tarafından veya statik tanımlarla oluşturulur. Her atlamada (hop) varış adresi yeniden kontrol edilerek yönlendirme kararı verilir. Paketin ağ içinde izleyeceği yol, dinamik olarak her hop üzerinde, anlık olarak belirlenir.

ŞEKİL 1.

MPLS ise 2. ve 3. seviye yönlendirmenin (switching ve routing) olumlu yönlerini bir araya getirir. Yönlendirici yükünü azaltarak hız ve performans artışı sağlar. Uç noktalar arasında, esnek ve kolay idare edilebilir özel sanal ağ (VPN) tanımlamalarına izin verir. Uç noktalar arasında trafiğin istenen bir yol ve bunun alternatifleri üzerinden gitmesini sağlar (Traffic Engineering). ATM cihazları üzerinde IP trafiği iletimini kolaylaştırır.

MPLS’in çalışma prensibi ise şu şekilde açıklanabilir;

Yönlendiriciler bir yönlendirme protokolü kullanarak ağ yapısını oluştururlar. Her yönlendirici, yönlendirme tablosundaki her ağ tanımı için bir “etiket” (label) üretir. LDP/TDP protokolü kullanılarak, MPLS operasyonuna katılan yönlendiriciler arasında etiket bilgileri değiştirilir. Etiket değişimi sonucunda, her yönlendiricide, paketler için gelen giden etiket çiftleri oluşturular Etiket Yönlendirme Bilgi Tabanına (LFIB) eklenir. Ağa giren paketlere, varış adreslerine göre, izleyeceği yola (Forwarding Equivalance Class – FEC) uygun bir etiket eklenir. Ağ üzerindeki diğer yönlendiriciler, sadece gelen paketin etiketine bakıp, buna karşılık gelen yeni etiket ile değiştirerek (label switching) yönlendirme yaparlar. MPLS ağındaki son yönlendiriciye kadar ayrıca 3. seviye kontrolü yapılmaz.

A’daki IP paketinin D’ye ulaşması aşağıdaki şekillerle gösterilmektedir.

ŞEKİL 2.

ŞEKİL 3.

ŞEKİL 4.

ŞEKİL 5.

ŞEKİL 6.

Bir bilgisayar ağında pek çok yönlendirici çok çeşitli şekilde ağa bağlanabilmektedir. RIP (Routing Information Protocol) ve OSPF (Open Shortest Path Firts) gibi yönlendirme protokolleri her aygıtın kendisinden sonra gelecek başka bir deyişle kendisinden sonra paketin gönderileceği, diğer aygıtları tanımasını sağlar. Yönlendiriciler, yönlendirme tablolarını oluşturmada yönlendirme protokollerini kullanırlar. Bu tablolar, paketin ulaştığı yönlendiricide paketin daha sonra gideceğe adresin yönüne uygun olarak gönderilecek daha sonraki hop’ın belirlenmesini sağlar. Tabloların oluşturulması ve gidilecek yönün belirlenmesi için harcanan zaman mantıksal işlemler için ayrılan zamandan farklıdır. Anahtarlama ise her hangi bir cihazda ikinci katman temel alınarak verinin giriş kapısından girdikten sonra çıkış yapısına yönlendirilmesini ifade edilmektedir.

MPLS’in başlıca amacı, esnek bir network altyapısı sunarak performans ve stabiliteyi artırmaktır. Bu sayede Traffic Enginnering, VPN ve QoS gibi servisleri oluşturmak kolaylaşır.

MPLS network’ünde gelen paketler Label Edge Router (LER) tarafından etiketlenir. Bu işleme imposition ya da pushing denir. Etiketlenen bu paketler Label-Switch Router (LSR)’ lar üzerinden etiketler doğrultusunda yapılan yönlendirme bilgilerine göre anahtarlanır. Her hop’ta LSR mevcut etiketi çözer ve paketi sonraki hop’ın anahtarlayabilmesi için yeni bir etiket yerleştirir. Son olarak çıkış noktasındaki LER’de etiket kaldırılır ve paket normal yönlendirme işlemine göre yönlendirilir.

Traffic Engineering’de ise eğer bir yol tıkanırsa başka bir yola yönlendirme(routing) yapılır. Trafik akışının haritasını çıkarır. IGP(Interior Gateway Protocol)’nin seçtiği en kısa yoldan alıp daha az tıkanabilecek yola yönlendirir ve onu kullanır. Paket kaybını azaltır ve uzun süreli tıkanmayı azaltır.

Traffic Engineering MPLS ve Resorce Reservesition Protocol(RSVP) ile sağlanır. Traffic Engineering’nin paket gönderme elementi MPLS dir. MPLS önceden belirlenmiş yolda trafiği gönderir. Bu yol LSP(label switched path)’dir. LSP tek yönlüdür (simplex).

ŞEKİL 7.

Bu yolun başındaki router ingress(giriş) router, sonundakine egress(çıkış) router denir. Ingress ve egress arasındaki LSP’nin geçtiği routerlara transit routerlar denir. Dublex(çift yönlü hem gidişi hem gelişi olan) trafik için iki tane LSP gerekir. LSP bir yada daha fazla hop(router, node) dan oluşur. LSP, Frame Relay yada ATM deki virtual circuitler gibi connection oriented’dır. LSP ye giren paketlerin teslim garantisi yoktur.

Bir paket LSP ye girdiğinde ;

Ingress router’da pakete MPLS header eklenir, LSP boyunca iletilir, egress router’da MPLS header atılır, LSP den çıkan paket egress router’da gideceği yere layer-3 routing ile gönderilir(forwarding) .

MPLS forwarding table interface-inbound label bilgilerinden oluşur yani paketin label bilgisi ve hangi interface’den giriş yaptığı tabloya yazılır. Aynı interface’ten gelen ve aynı label’a sahip paketlere aynı forwarding uygulanır.

LSP içinde ilerleyen paketin hangi interface’den giriş yaptığına bakılmaz, label’ına bakılır. En son egress router’da paketin IP header’ına bakılır ve IP routing protokolünün seçtiği yola gönderir.

LSP’de paket label değiştirerek ilerler. Yani router gelen paketin label’ına bakar, nereye gideceğine ve hangi yeni label’ı ekleyeceğine karar verir. Eski label’ı yeni label ile değiştirip gönderir.

IGP(Interior Gateway Protocol)’de bilgi alış verişi LSA(link state advertisement)lar ile sağlanır. Her türlü bilgi bu paketler ile ilan edilir. Traffic Engineering daha detaylı inceleme yaptığı için, daha fazla bilgiye ihtiyaç duyar. Bunları da sıradan LSA’lar ile elde edemez. Bunun için IGP extension’lari geliştirilmiştir

OSPF(Open Shortest Path First), opaque LSA’larını kullanır, IS-IS(Intermediate System-to- Intermediate System)’de type length value’leri kullanır

Bu extensionlar ile Traffic Engineering için şu ek bilgiler elde edileri ve taşınır :

* Maximum Link Bandwidth
* Maximum Reserved Link Bandwidth
* Current Bandwidth Reservation
* Link Coloring

Her router, bu bilgileri kullanarak TED(Traffic Engineering Database) yapar. Her routerda vardır çünkü her router herhangi bir LSP için ingress router olabilir.

Bir LSP için ingress router olan router aynı anda üzerinden geçen başka bir LSP için ise transit router olabilir. TED, LSP’lerin yerleşeceği yolları bulmak için kullanılır. Bu LSP yolu(path), IGP den ayrı olarak hesaplanır. IGP yine kendi çalışmasına ve yol hesaplamalarına devam eder. Zaten LSP down olursa ve yedek yol bulamazsa, trafik IGP’nin seçtiği yoldan hedefe ilerlemeye devam eder. Yani IGP’ye ihtiyaç vardır. TED’de tutulan bilgilerde IGP extensionlar sayesinde elde edilir. Ignress router’ında TED’i vardır, kendi LSP ayarlarını hesaplamak için TED’i kullanır.

LSP yolunu(path) iki şekilde bulabiliriz. Ingress router konfigurasyonunda, yol açık olarak belirtilebilir yada yol belirtilmezse CSPF(Constrained Shortest Path First- TED deki bilgileri kullanarak hesaplama yapar) algoritmasını kullanarak yolu software(JUNOS) kendisi bulur. Yolu açık(explicit) belirtmek demek, yolun geçmesini istediğimiz yerleri bizim konfigürasyonda belirtmemiz demektir.

ŞEKİL 8. Sonraki hop öncekine doğrudan bağlanmalıdır

ŞEKİL 9. Kesin(strict) ve kesikli(loose) yönlendirmeler karıştırılabilir(mixed)

İki şekli vardır.Ya geçtiği tüm routerlari tek tek strict olarak biz gireriz yada bazılarını belirtir bazılarını da kendisinin bulmasını bekleriz.

Strict dediğimizde direk bağlı olmamız gerekir router ile aramızda başka router olamaz, loose dediğimizde ise direk bağlı olmamız gerekmez, LSP’nin ondan geçmesini isteriz. Aslında oraya uğra ama nasıl uğrarsan uğra deriz. Arada istediği routerlardan geçerek oraya gider. (oraya gitmek için IGP nin bulduğu shortest path kullanılır)

ŞEKİL 10. Loose ile G router’ına hop yapmak (G ye gitmek için IGP nin shortest pathi izlenir)

MPLS herhangi bir routing protokolünden bağımsızdır ve unicast paketler için kullanılabilir. Klasik layer-3 forwarding’de her paketin layer-3 bilgisine(IP adresi) bakar ve kendi routing table bilgisini kullanarak nasıl forwardlayacağına karar verir.

MPLS de ise aradaki routerlar layer-3 bilgisine bakmazlar label a bakarak forwardlama yaparlar. Labellar forwarding table’da tutulurlar ve look up index(arama) olarak kullanılırlar. ATM-temelli WAN’larda IP ağlarının uygulamalarına olanak sağlar. IP-temelli VPN (Virtual Private Network) uygulama olanağını da getirmektedir. Bu özellikler, özellikle çoklu servis, çoklu kullanıcı sağlamayı amaçlayan kuruluşlar için çok önemlidir. MPLS, farklı servis karakterleri için Etiket Anahtarlanmış Yolların (Label Switched Paths-LPS) oluşturulmasını olanaklı kılar.

MPLS Protokolleri, Fonksiyonları ve Aygıtları

1. Yönlendirme : Yönlendirme, ağ tarafından paketlerin kendi içinden geçirilip gönderilmesi olayını tarif etmek için kullanılır.

2. Anahtarlama : Anahtarlama deyimi her hangi bir aygıtta ikinci katman temel alınarak (örneğin ATM VPI/VCI gibi) verinin giriş kapısından girdikten sonra çıkış yapısına yönlendirilmesi, ifade edilmektedir.

3. Kontrol Yapıtaşı : Düğüm (node) için gönderme tablosunun oluşturulmasını ve bakım ve onarımının yapılaması işinde kullanılır.

4. Gönderme Yapıtaşı : Gönderme yapıtaşları direkt olarak paketlerin gönderilmesinde görev yaparlar. Yönlendiriciler tarafından bakım ve onarımları yapılan gönderme tablolarındaki bilgileri kullanırlar.

5. Gönderme Tabloları : Gönderme yapı taşlarına anahtarlama fonksiyonunu yerine getirmesi aşamasında gerekli desteği sağlayan bilgi topluluğudur.

6. FEC ( Forwarding Equivalence Class) : Gönderim aşamasında eşit tarzda işlem görecek paket grupları için kullanılır.

7. Etiket : Etiket, oldukça kısa sabit uzunlukta olan ve gönderme işlemlerine yardım için kullanılan başlıklardır.

8. Etiket Anahtarlama : Çok etken bir etiket değiş-tokuş algoritması kullanması nedeniyle etiket anahtarlama klasik yönlendirmeden çok daha etken bir dağıtım mekanizmasıdır. Etiket anahtarlayıcı yönlendiriciler standart IP kontrol yapıtaşları ile etiket değiş-tokuşu gönderme yapıtaşlarının her ikisini de desteklerler.

9. ELSR (Edge Label Switch Router) : ELSR’ler ağlarda en uç noktalarda bulunurlar ve paketlerde ilk seviye işlemleri ve sınıflandırmaları başlatırlar. Bunlar yönlendirici veya anahtar olabilirler.

10. LRS (Label Switch Router) : LRS ağın merkezinde bulunur ve hazırlanmış anahtarlama tablolarındaki bilgilere uygun olarak etiketleri anahtarlar. LSR’de yönlendirici veya anahtar olabilirler.

12. Etiket Anahtarlama Gönderme Yapıtaşları (LSFC) : Etiket çok çeşitli yollar ile paketle ilişkidedir. Bazı ağlar (ATM de VCI/VPI ve Frame Relay’de DLCI) etiket’i, Veri Bağlantı Katmanı başlığı içine alırlar. Bir diğer uygulamada ise, küçük bir etiket başlığı içine sıkıştırılırlar ve veri bağlantı başlığı ile veri bağlantı- protokol ünitesi arasına yerleştirilirler. Bu uygulamalar etiket anahtarlamanın Ethernet, FDDI ve nokta-dan-noktaya bağlantıları sanal olarak desteklemesini sağlar.

13. Etiket Anahtarlama Kontrol Yapıtaşları (LSCC) : Etiketler paketlere gönderici LSR tarafından eklenir. Alıcı LSR ise gelen bu paketleri ne yapacaklarını bilmek zorundadır. İşte LSCC’nin bu işin gerçekleşmesini sağlamaktır. LSCC bunun için yol gösterici olarak Etiket Anahtarlama Gönderme Tablosunu kullanır.

14. Etiket Dağıtım Protokolü (LDP) : LDP, ELSR ile LSR aygıtları arasındaki iletişimi sağlar.

KAYNAKLAR

http://tr.wikipedia.org/wiki/MPLS
http://www.ietf.org/rfc/rfc3031.txt
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ita/i12.htm
http://inet-tr.org.tr/inetconf8/sunum/64.ppt
http://www.bilisimrehber.com.tr/document/bk3-mpls.doc

Hazırlayan : Osman Durmaz