در این مقاله MPLS (Multi-Protocol Label Switching) را از لحاظ تاریخی بررسی کرده و مزایا و اهداف و ویژگیها و چگونگی مسیریابی و علامت گذاری و جریان داده و LIB را در آن شرح می‌دهیم.
سپس کاربرد آن را در مهندسی ترافیک، CoS، QoS و VPNهای لایه 2 و لایه 3 بیان می‌کنیم.
سرویس‌ها و شبکه‌های ارتباطی امروزی، بر روی یک الگوی مترمرکز و به هم نزدیک شده IP نقل مکان میکنند.
سوئیچینگ برچسب چند پروتکله یا MPLS (Multi Protocol Label Switching) به عنوان یک کلید قدرتمند تکنولوژی برای این نقل مکان پدیدار شده است و به این جهت اینگونه نامیده می شود که پروتکل شبکه استفاده کننده از MPLS میتواند IP یا هر پروتکل دیگری مثل IP باشد.
ارزش تکنولوژی MPLS برای تحویل سرویسهای جدید کاملاً ثابت شده است و این تکنولوژی نقل مکان از یک شبکه قدیم به جدید را اجازه می‌دهد و هم شبکه‌های قدیم و جدید را پشتیبانی میکند.
همچنین MPLS در افزایش کیفیت خدمات QoS و فراهم کردن سطح مناسبی از امنیت، نقش بسزایی را ایفا میکند.
MPLS درخواست بزرگی برای فراهم کننده‌های ارتباطات میباشد به این علت که تنوع سرویس‌ها را میتواند به خوبی هندل کند.
MPLS در سرمایه‌گذاری شبکه‌های بزرگ سازمان و تشکلاتی مانند کمپانی‌های سرمایه‌گذاری و تکنولوژی و آژانس‌ها و ارتش و نظام نیز ایفای نقش میکند.
2) MPLS چیست؟
2-1) از لحاظ تاریخی:
MPLS از لحاظ تاریخی بر روی مفهوم سوئیچینگ برچسب (Label) بنیان نهاده شده است.
یک Label مستقل و منحصر به فرد که به هر Packet داده، اضافه می‌شود و از این Label برای سوئیچ و مسیریابی Packet در میان شبکه استفاده می‌شود.
این Label ساده است و اساساً یک ورژن کوچک کمکی برای اطلاعات header یک Packet میباشد که می‌توان تجهیزات شبکه را پیرامون پردازش ترافیک حمل و نقل بهینه ساخت و این مفهوم بیشتر در ارتباطات داده صنعتی، در سالهای اخیر مطرح بوده است.
X.25 و Frame Relay و ATM نمونه‌هایی از تکنولوژی سوئیچ کردن Label می‌باشند.
پیش قدمی و ابتکارات سوئیچ کردن Labelهای متعدد در اواسط دهه 1990، برای بهتر شدن نمایش پایه‌ای نرم افزار مسیریابی IP و افزایش کیفیت خدمات (QoS) پدیدار شد، که از جمله این خدمات عبارتند از:
IP Switching (IP Silon/Nokia)، Tag Switching (Cisco) و ARIS (IBM)
در اوایل سال 1997، IETF (Internet Engineering Task Force) براساس استاندارد کردن و طبقه‌بندی تکنولوژی سوئیچ کردن Label کار می‌کرد.
MPLS از این کوشش به عنوان طرح و نقشه‌ای دیگر برای Labeling پدیدار گشت، اما با این مزیت برتر که از آن برای مسیریابی یکنواخت و آدرس دهی میزبان به عنوان IP، یک پروتکل انتخابی در شبکه‌های امروزی استفاده می‌شود.
امروزه MPLS توسط مجموعه‌ای از IETFها و RFCها (یعنی درخواست برای تفسیر) و مشخصات طرح تعریف می‌شود.
تشخیص اختلافات موجود در راه MPLS و مسیریابی IP در سرتاسر داده آماده یک شبکه مهم میباشد.
بسته IP قدیمی از آدرس مقصد IP موجود در header بسته برای اتخاذ تصمیم مستقل در هر مسیری از شبکه استفاده می کرد.
این تصمیمات hop به hop بر روی پروتکل مسیریابی لایه‌ای شبکه بنیان نهاده شده است، مانند Open Shortest Path First (OPSF) یا Border Gateway Protocol (BGP).
این پروتکلهای مسیریابی برای 5 راه کوتاه در میان شبکه طراحی شده‌اند فاکتورهایی مانند تراکم ترافیک و Latency (رکورد) را مورد رسیدگی قرار نمی‌دهند.
MPLS یک مدل اصلی ارتباطی را خلق کرد که بر روی چارچوب ارتباطی سابق شبکه‌های مسیریابی IP فشار آورد و به نوعی آن را خفه کرد.
این ساختار شیء گرای ارتباطی دری را به سوی امکانات جدید برای مدیریت ترافیک روی شبکه IP باز کرد.
MPLS بر روی IP و آگاهی از مسیریابی ساخته می‌شود و این مسئله برای عملیات اینترنت و امروزه برای شبکه IP با نمایش عالی سوئیچینگ مهم و اساسی است.
ماورای کاربرد MPLS در شبکه‌های IP، MPLS در اکثر کاربردهای عمومی به فرم Generalized MPLS (GMPLS) نیز توسعه و گسترش یافته هست که در شبکه‌های نوری و Time Division Multiplexing (TDM) کاربرد دارد.
2-2) مزایای MPLS :
MPLS یک سیگنال شبکه همگرا را به حمایت از سرویسهای Legacy و جدید قادر می‌سازد و همچنین یک مسیر انتقالی مؤثر را برای ساختار و شالوده اصلی IP خلق میکند.
بدین گونه که MPLS بر روی دو (DS3, SONET) Legacy و شبکه‌های (IP, ATM, Frame Relay, Ethernet, TDM) و ساختارهای جدید (10/100/1000/10G Ethernet) عمل میکند.
MPLS در مهندسی ترافیک نیز توانا میباشد.
مهندسی و مسیریابی روشن ترافیک، به فشردن حداکثر داده داخل پهنای باند قابل دسترس، کمک میکند.
MPLS ارائه خدمات با کیفیت بالا را پشتیبانی میکند و از آن حمایت میکند، (QoS).
Packetها با کیفیت بالا می‌توانند مشخص و علامت گذاری شوند و مهیاکننده‌ها به نگهداری قانونی مشخص برای Voice و Video توانا می‌باشند.
MPLS ارائه خدمات با کیفیت بالا را پشتیبانی میکند و از آن حمایت میکند، (QoS).
Packetها با کیفیت بالا می‌توانند مشخص و علامت گذاری شوند و مهیاکننده‌ها به نگهداری قانونی مشخص برای Voice و Video توانا می‌باشند.
MPLS احتیاجات پردازش مسیریاب را کاهش می‌دهد چون که مسیریاب‌ها به راحتی Packetهای مستقر بر Labelهای ثابت را ارسال میکنند.
MPLS سطوح مناسب امنیتی نظیر IP را فراهم میکند که امنیت آن به همان اندازه امنیت Frame Relay در WAN میباشد، و تا زمان کاهش نیاز برای عمل پنهان کردن بر روی شبکه‌های IP عمومی این امکان را فراهم میکند.
مقیاس VPNهای MPLS از VPNهای مرسوم مشتری بهتر میباشد چون که آنها فراهم کننده‌های اصلی شبکه می‌باشند و تجهیزات مدیریت و پیکربندی را برای مشتری کاهش می‌دهند.
3) MPLS چگونه کار می کند؟
MPLS یک تکنولوژی مورد استفاده برای بهینه سازی حمل و نقل ترافیک در سرتاسر شبکه میباشد، اگرچه MPLS در بسیاری از محیطهای متعدد شبکه‌ای میتواند به کار برده شود و کاربردهایش به طور عمده در شبکه‌های IP متمرکز خواهد شد که از کاربردهای معمولی امروزی خواهد بود.
MPLS، Labelهایی را برای بسته‌ها به خاطر حمل در سراسر یک شبکه تعیین میکند.
این Labelها شامل یک header داخل یک Packet داده میباشد (شکل 1) که آنها کوچک بوده و Labelهای با اندازه ثابت اطلاعات را در هر گره سوئیچینگ از طریق پردازش و ارسال این Packetها از منبع به مقصد حمل میکند و این مطالب فقط روی ارتباط نود به نود محلی معنی و مفهوم دارند.
هر نود Packet را ارسال می کند و Label موجود را Label مناسب جابه‌جا میکند به خاطر حرکت Packet به نود بعدی.
این مکانیزم عمل سوئیچینگ Packetها را در میان هسته شبکه MPLS با سرعت بسیار بالا قادر میباشد.
MPLS، لایه 2 و لایه 3 (به ترتیب IP routing و Switching می‌باشند) را به خوبی در هم می‌آمیزد و به همین دلیل گاهی اوقات “Label 2” نامیده می‌شود.
مسیریاب‌ها در هنگام فرستادن Traffic و سوئیچ کردن و فرستادن داده به hop بعدی احتیاج به هوش سطحی دارند درحالی که به طور ذاتی ساده‌تر، تندتر و کم هزینه تر می‌باشند.
MPLS بر پروتکل مسیریابی IP متداول برای اعلان وتأسیس توپولوژی شبکه تکیه دارد و سپس MPLS بر فراز این توپولوژی قرار می‌گیرد.
MPLS مسیر داده قرار گرفته در شبکه را قبلاً مشخص و مقرر میکند و این اطلاعات را داخل یک Label که مسیریاب‌های شبکه آن را می‌فهمند و به رمز درآورده اند قرار می‌دهد.
وقتی مسیر برنامه ریزی در امتداد زمان ودر کنار شبکه اتفاق افتاد (جایی که مشتری و فراهم کننده خدمات همدیگر را ملاقات میکنند.) داده برچسب دار MPLS قدرت کمی برای پیمودن هسته اصلی شبکه‌های فراهم کننده خدمات احتیاج دارد.
3-1) مسیریابی MPLS : شبکه MPLS، LSPها (Label Switching Paths) را برای داده‌های موجود در شبکه فراهم میکند.
یک LSP توسط یک رشته از Labelهای تعیین شده برای نودها بر روی مسیر Packet از منبع به مقصد تعریف شده است.
LSP، Packetها را به یکی از دو راه زیر هدایت میکند: (a مسیریابی hop-by-hop : در این مسیریابی هر مسیریاب MPLS، مستقلاً hop بعدی را برای یک گیرنده FEC (Forwarding Equivalency Class) انتخاب میکند.
یک FEC گروهی از Packetهای یکنواخت را توضیح می‌دهد و همه packetهای مختص به یک FEC طرز عمل و رفتار مسیریابی یکنواختی را می‌فرستند.
FECها می‌توانند بر روی یک گروه آدرس IP یا سرویسهای ضروری برای یک Packet مستقر شوند به مانند low latency.
(b Explicit Routing (مسیریابی صریح) : در این مسیریابی لیست کامل نودهای پیمایش شده توسط LSP را در پیشروی مشخص میکند و در سرتاسر عقیده و نظریه توپولوژی شبکه و به طور ذاتی بر روی مجموعه Constraint-Based Routing مستقر شده است و در امتداد مسیر، منابع برای تضمین QoS (Quality of Service) ممکن است رزرو شوند.
این مسئله به مهندسی ترافیک برای پیشرفت در شبکه و استفاده بهینه از پهنای باند اجازه می‌دهد.
3-2) Label Information Base (LIB) : هنگام برقراری و اشاره شبکه، هر مسیریاب MPLS یک LIB می‌سازد، یک جدول که چگونگی ارسال یک Packet را مشخص میکند.
این جدول هر Label را با FEC متناظرش و پورت خارج از باندش (برای ارسال بسته) پیوند می‌دهد.
LIB به طور معمول در مجموع برای جدول مسیریابی و اساس اطلاعات ارسالی FBI بنا نهاده شده است.
3-3) علامت گذاری (Signaling) و توزیع Label : ارتباطات علامت گذاری و Labelهای توزیع شده در میان نودهای یک شبکه MPLS یکی از چند پروتکل Signaling را استفاده میکنند که شامل LDP (Label Distribution Protocol) و RSVP-TE (Resource Reservation Protocol With Tunneling Extensions) میباشد.
به طور متناوب، Label میتواند بر روی پروتکل مسیریابی IP موجود مانند BGP سوار شود.
اکثر استفاده معمول پروتکل علامت گذاری MPLS، LDP میباشد.
LDP مجموعه روش‌هایی است که به وسیله مسیریاب‌های MPLS برای معارضه Label و نگاشت جریان اطلاعات استفاده می‌شود.
همچنین از آن استفاده می‌شود برای برقراری LSPها و نگاشت اطلاعات مسیریابی به طور مستقیم برای مسیرهای سوئیچ لایه 2 و همین طور به طور معمول از آن استفاده می‌شود برای علامت گذاری در لبه شبکه MPLS، نقطه بحرانی جایی که ترافیک MPLS وارد نمی‌شود.
این قبیل علامت گذاری‌ها به طور مثال برای برقراری VPNهای MPLS موردنیازند.
RSVP-TE برای توزیع Label هم استفاده می‌شود که اکثراً به طور معمول در هسته شبکه‌هایی که مهندسی ترافیک و QoS نیاز دارند استفاده می‌شود.
RSVP-TE تابعی است ماورای توزیع Label، که میتواند مسیریابی LSP شفاف، مسیریابی پویا پیرامون عدم موفقیت شبکه و قبضه LSPها و کشف لوپ و غیره را فراهم آورد.
RSVP-TE میتواند پارامترهای مهندسی ترافیک مانند رزروهای پهنای باند واحتیاجات QoS را توزیع میکند.
گسترش Multiprotocol برای BGP تعریف شده است و برای توزیع Labelهای MPLS استفاده می‌شود.
Labelهای MPLS بر روی همان پیامهای BGP قابل استفاده در توزیع مسیرهای وابسته به هم سوار می‌شوند.
MPLS به Labelهای متعدد و چندگانه (که Label Stack نامیده می‌شوند) اجازه حمل بر روی یک Packet را می‌دهد.
Label Stack قادر است که نودهایMPLS را در میان انواع جریانات data و نصب وتوزیع LSPها فرق قائل شود.
یک استفاده Label Stack برقراری تونل‌ها از میان شبکه‌های MPLS برای کاربردهای MPLS میباشد.
3-4) جریان داده در یک شبکه MPLS : شکل (2) یک نوع شبکه MPLS و عناصر وابسته به آن را نشان می‌دهد.
ابر مرکزی خود شبکه MPLS را نشان می‌دهد.
عبور و مرور همه داده‌ها در داخل این ابر MPLS برچسب دار صورت می‌گیرد.
همه این ترددها در میان ابر و شبکه مشتری MPLS برچسب دار نمی‌باشد.
(مانند IP).
مسیریاب‌های (Customer Edge) CE به واسطه مسیریاب‌های PE فراهم کننده‌های خدمات را دارا می‌باشند.
همچنین (Label Edge Routers (LERs) نامیده می‌شود.) در آینده کنار شبکه MPLS، مسیریاب‌های PE به label های MPLS برای Packetها اضافه می‌شود و در آخر، مسیریاب‌های PE از Labelها برداشته می‌شود.
داخل ابر MPLS، مسیریاب‌های (Providers) P و همچنین Label Switching Routers (LSPs) نامیده می‌شود و سوئیچ کردن ترافیک hop-by-hop بر Labelهای MPLS مستقر است.
برای نشان دادن یک شبکه MPLS در عمل، ما جریان داده‌ها را از میان شبکه شکل (2) تعقیب و استنباط خواهیم نمود.
1) قبل از عبور و مرور روی شبکه MPLS، مسیریاب‌های PE اول LSPهای میان شبکه MPLS را برای مسیریاب های PEدور دست برقرار میکند .
2)هیچ عبور ومروری در MPLSاز یک شبکه مشتری درسرتاسر مسیریاب CE خودش (Frame Relay،ATM ،Ethernet ) برای مسیریاب PE ورودی (که در لبه شبکه MPLS بدست آمده عمل میکند) استفاده نمی‌شود.
3)مسیریاب PE مراجعه ونگاه اجمالی را روی اطلاعات داخل بسته برای پیوستن به یک FEC انجام می‌دهد وسپس Label یا Labelهای مناسبی را برای بسته جمع میکند.
4) یک Packet فقط برروی LSP خودش اقدام می کند.
Label های تعویضی میانجی مسیریاب P بوسیله اطلاعات داخل LAB خودش برروی حرکت بعدی Packet نظارت میکند.
5)در هنگام خروج PE برچسب MPLS بعدی برداشته می‌شود و Packet با مکانیزم‌های مسیریاب متداول پیش می‌رود و ارسال می‌شسود.
6)Packet برای مقصد CE و حرکت بسوی شبکه customer اقدام میکند.
4) چگونه از MPLS استفاده می‌شود؟
یکی از هدفهای اصلی وعمده MPLS ،ترقی داندن اجرا و کارائی مسیریاب‌های IP مستقر بر نرم‌افزار است،وبعنوان ترقی در تکنولوژی سیلیکون جانشین شده است که ابزار اجرایی مسیریابی line-rate را درمسیریاب سخت افزار قادر ساخته است.درضمن سرویسهای VPN بدون هزینه ومهندسی ترافیک توسطMPLS تحقق بخشیده شده است.
4-1) شبکه های