La conmutación de etiquetas multiprotocolo ( MPLS ) es una técnica de enrutamiento en redes de telecomunicaciones que dirige datos de un nodo al siguiente basándose en etiquetas en lugar de direcciones de red. [1] Mientras que las direcciones de red identifican los puntos finales , las etiquetas identifican las rutas establecidas entre los puntos finales. MPLS puede encapsular paquetes de varios protocolos de red , de ahí el componente multiprotocolo del nombre. MPLS admite una variedad de tecnologías de acceso, incluidas T1 / E1 , ATM , Frame Relay y DSL .
En una red MPLS, se asignan etiquetas a los paquetes de datos. Las decisiones de reenvío de paquetes se toman únicamente en función del contenido de esta etiqueta, sin necesidad de examinar el paquete en sí. Esto permite crear circuitos de extremo a extremo a través de cualquier tipo de medio de transporte, utilizando cualquier protocolo. El beneficio principal es eliminar la dependencia de una tecnología de capa de enlace de datos (capa 2) del modelo OSI en particular y eliminar la necesidad de múltiples redes de capa 2 para satisfacer diferentes tipos de tráfico. La conmutación de etiquetas multiprotocolo pertenece a la familia de redes conmutadas por paquetes .
MPLS opera en una capa que generalmente se considera que se encuentra entre las definiciones tradicionales de capa 2 ( capa de enlace de datos ) y capa 3 ( capa de red ) de OSI, y por lo tanto a menudo se lo conoce como un protocolo de capa 2.5 . Fue diseñado para proporcionar un servicio unificado de transporte de datos tanto para clientes basados en circuitos como para clientes de conmutación de paquetes que proporcionan un modelo de servicio de datagramas . Se puede utilizar para transportar muchos tipos diferentes de tráfico, incluidos paquetes IP , así como el modo de transferencia asíncrono (ATM) nativo, Frame Relay , redes ópticas síncronas (SONET) o Ethernet .
Anteriormente se habían implementado varias tecnologías diferentes con objetivos esencialmente idénticos, como Frame Relay y ATM. Frame Relay y ATM usan etiquetas para mover tramas o celdas a través de una red. El encabezado de la trama Frame Relay y la celda ATM se refiere al circuito virtual en el que reside la trama o la celda. La similitud entre Frame Relay, ATM y MPLS es que en cada salto a lo largo de la red, se cambia el valor de la etiqueta en el encabezado. Esto es diferente del reenvío de paquetes IP . [2] Las tecnologías MPLS han evolucionado teniendo en cuenta las fortalezas y debilidades de ATM. MPLS está diseñado para tener una sobrecarga menor que ATM al tiempo que proporciona servicios orientados a la conexión para tramas de longitud variable, y ha reemplazado gran parte del uso de ATM en el mercado. [3] MPLS prescinde del bagaje de conmutación de celdas y protocolo de señalización de ATM. MPLS reconoce que no se necesitan celdas ATM pequeñas en el núcleo de las redes modernas, ya que las redes ópticas modernas son lo suficientemente rápidas como para que incluso los paquetes de 1500 bytes de longitud completa no incurran en demoras significativas de cola en tiempo real. [a] Al mismo tiempo, MPLS intenta preservar la ingeniería de tráfico (TE) y el control fuera de banda que hicieron que Frame Relay y ATM fueran atractivos para implementar redes a gran escala.
En 1996, un grupo de Ipsilon Networks propuso un protocolo de gestión de flujo . [6] Su tecnología IP Switching , que se definió para funcionar únicamente sobre ATM, no alcanzó el dominio del mercado. Cisco Systems presentó una propuesta relacionada, no restringida a la transmisión ATM, llamada Tag Switching [7] con su Tag Distribution Protocol (TDP). [8] Era una propuesta propiedad de Cisco y se le cambió el nombre a Label Switching . Se entregó al Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (IETF) para su estandarización abierta. El IETF formó el Grupo de Trabajo MPLS en 1997. El trabajo implicó propuestas de otros proveedores y el desarrollo de un protocolo de consenso que combinaba características del trabajo de varios proveedores. [9]
Algún tiempo después se reconoció que el trabajo sobre índices enhebrados de Girish Chandranmenon y George Varghese había inventado la idea de usar etiquetas para representar prefijos de destino que eran fundamentales para el cambio de etiquetas. [10]
Una de las motivaciones originales fue permitir la creación de conmutadores de alta velocidad simples, ya que durante un tiempo considerable se consideró poco práctico reenviar paquetes IP completamente en hardware. Los avances en VLSI y en algoritmos de reenvío han hecho posible y común el reenvío de paquetes IP por hardware. Las ventajas actuales de MPLS giran principalmente en torno a la capacidad de soportar múltiples modelos de servicio y realizar la gestión del tráfico. MPLS también ofrece un marco de recuperación robusto [11] que va más allá de los simples anillos de protección de las redes ópticas síncronas (SONET/SDH).
MPLS funciona prefijando los paquetes con un encabezado MPLS que contiene una o más etiquetas. Esto se denomina pila de etiquetas .
Cada entrada en la pila de etiquetas contiene cuatro campos:
Estos paquetes etiquetados con MPLS se conmutan en función de la etiqueta en lugar de una búsqueda en la tabla de enrutamiento IP . Cuando se concibió MPLS, la conmutación de etiquetas era más rápida que una búsqueda en la tabla de enrutamiento porque la conmutación podía realizarse directamente dentro de la estructura conmutada y evitaba la participación de la CPU y el software.
La presencia de dicha etiqueta debe indicarse al conmutador. En el caso de tramas Ethernet, esto se hace mediante el uso de los valores EtherType 0x8847 y 0x8848, para conexiones unicast y multicast respectivamente. [13]
Un enrutador MPLS que realiza el enrutamiento basándose únicamente en la etiqueta se denomina enrutador de conmutación de etiquetas ( LSR ) o enrutador de tránsito . Este es un tipo de enrutador ubicado en el medio de una red MPLS. Es responsable de conmutar las etiquetas que se utilizan para enrutar los paquetes.
Cuando un LSR recibe un paquete, utiliza la etiqueta incluida en el encabezado del paquete como índice para determinar el siguiente salto en la ruta conmutada por etiquetas (LSP) y una etiqueta correspondiente para el paquete de una base de información de etiquetas . Luego, la etiqueta anterior se elimina del encabezado y se reemplaza por la nueva etiqueta antes de que el paquete se enrute hacia adelante.
Un enrutador de borde de etiqueta (LER, también conocido como LSR de borde) es un enrutador que opera en el borde de una red MPLS y actúa como punto de entrada y salida de la red. Los LER insertan una etiqueta MPLS en un paquete entrante [b] y la extraen de un paquete saliente. Alternativamente, en el caso de la extracción de penúltimo salto, esta función puede ser realizada por el LSR conectado directamente al LER.
Al reenviar un datagrama IP al dominio MPLS, un LER utiliza información de enrutamiento para determinar la etiqueta adecuada que se debe colocar, etiqueta el paquete en consecuencia y luego reenvía el paquete etiquetado al dominio MPLS. De la misma manera, al recibir un paquete etiquetado que está destinado a salir del dominio MPLS, el LER elimina la etiqueta y reenvía el paquete IP resultante utilizando reglas de reenvío IP normales.
En el contexto específico de una red privada virtual (VPN) basada en MPLS , los LER que funcionan como enrutadores de entrada o salida a la VPN suelen denominarse enrutadores de borde de proveedor (PE). Los dispositivos que funcionan solo como enrutadores de tránsito se denominan de manera similar enrutadores de proveedor (P). [14] El trabajo de un enrutador P es significativamente más fácil que el de un enrutador PE.
Las etiquetas se pueden distribuir entre LER y LSR utilizando el Protocolo de distribución de etiquetas (LDP) [15] o el Protocolo de reserva de recursos (RSVP). [16] Los LSR en una red MPLS intercambian regularmente información de etiquetas y accesibilidad entre sí utilizando procedimientos estandarizados para construir una imagen completa de la red para que luego puedan usar esa información para reenviar los paquetes.
Los operadores de red establecen rutas conmutadas por etiquetas (LSP) con diversos fines, como crear redes privadas virtuales IP basadas en la red o enrutar el tráfico a lo largo de rutas específicas a través de la red. En muchos aspectos, los LSP no se diferencian de los circuitos virtuales permanentes (PVC) en redes ATM o Frame Relay, excepto que no dependen de una tecnología de capa 2 en particular.
Cuando un paquete sin etiqueta ingresa al enrutador de entrada y necesita pasar a un túnel MPLS , el enrutador primero determina la clase de equivalencia de reenvío (FEC) para el paquete y luego inserta una o más etiquetas en el encabezado MPLS recién creado del paquete. Luego, el paquete se pasa al enrutador del siguiente salto para este túnel.
Desde la perspectiva del modelo OSI , el encabezado MPLS se agrega entre el encabezado de la capa de red y el encabezado de la capa de enlace . [17]
Cuando un enrutador MPLS recibe un paquete etiquetado, se examina la etiqueta superior. Según el contenido de la etiqueta, se realiza una operación de intercambio , inserción [c] o extracción [d] en la pila de etiquetas del paquete. Los enrutadores pueden tener tablas de búsqueda predefinidas que les indican qué tipo de operación realizar según la etiqueta superior del paquete entrante, de modo que puedan procesar el paquete muy rápidamente.
Durante estas operaciones, no se examina el contenido del paquete que se encuentra debajo de la pila de etiquetas MPLS. De hecho, los enrutadores de tránsito normalmente solo necesitan examinar la etiqueta superior de la pila. El reenvío del paquete se realiza en función del contenido de las etiquetas, lo que permite un reenvío de paquetes independiente del protocolo que no necesita consultar una tabla de enrutamiento dependiente del protocolo y evita la costosa coincidencia del prefijo más largo de IP en cada salto.
En el enrutador de salida, cuando se ha quitado la última etiqueta, solo queda la carga útil. Puede ser un paquete IP o cualquier tipo de paquete. Por lo tanto, el enrutador de salida debe tener información de enrutamiento para la carga útil del paquete, ya que debe reenviarlo sin la ayuda de tablas de búsqueda de etiquetas. Un enrutador de tránsito MPLS no tiene tal requisito.
Generalmente, [e] , la última etiqueta se elimina en el penúltimo salto (el salto anterior al enrutador de salida). Esto se denomina eliminación del penúltimo salto (PHP). Esto es útil en casos en los que el enrutador de salida tiene muchos paquetes que salen de los túneles MPLS y, por lo tanto, gasta recursos significativos de la CPU en estas transiciones. Al usar PHP, los enrutadores de tránsito conectados directamente a este enrutador de salida lo descargan de manera efectiva, eliminando ellos mismos la última etiqueta. En los protocolos de distribución de etiquetas, esta acción de eliminación de etiquetas de PHP se anuncia como valor de etiqueta 3 (nulo implícito) y nunca se encuentra en una etiqueta, ya que significa que se debe eliminar la etiqueta.
Varios servicios MPLS , incluida la gestión de QoS de extremo a extremo [18] y 6PE [19], requieren mantener una etiqueta incluso entre el penúltimo y el último enrutador MPLS, y la disposición de la etiqueta siempre se realiza en el último enrutador MPLS, el salto final (UHP). [20] [21] Algunos valores de etiqueta específicos se han reservado notablemente [22] [23] para este uso. En este escenario, la entrada restante de la pila de etiquetas transmite información al último salto (como su campo de clase de tráfico para información de QoS), al mismo tiempo que le indica al último salto que saque la pila de etiquetas utilizando uno de los siguientes valores de etiqueta reservados:
Un encabezado MPLS no identifica el tipo de datos transportados dentro de la ruta MPLS. Para transportar dos tipos de tráfico diferentes entre los mismos dos enrutadores, con un tratamiento diferente por parte de los enrutadores principales para cada tipo, se requiere una ruta MPLS independiente para cada tipo de tráfico.
Una ruta conmutada por etiquetas (LSP) es una ruta a través de una red MPLS configurada por el NMS o por un protocolo de señalización como LDP , RSVP-TE , BGP (o el ahora obsoleto CR-LDP ). La ruta se configura en función de criterios en la FEC.
La ruta comienza en un LER, que toma una decisión sobre qué etiqueta anteponer a un paquete en función de la FEC adecuada. Luego reenvía el paquete al siguiente enrutador en la ruta, que cambia la etiqueta externa del paquete por otra etiqueta y lo reenvía al siguiente enrutador. El último enrutador en la ruta elimina la etiqueta del paquete y reenvía el paquete en función del encabezado de su siguiente capa, por ejemplo IPv4 . Debido a que el reenvío de paquetes a través de un LSP es opaco para las capas de red superiores, a veces también se hace referencia a un LSP como un túnel MPLS.
El enrutador que primero antepone el encabezado MPLS a un paquete es un enrutador de entrada . El último enrutador en un LSP, que extrae la etiqueta del paquete, se denomina enrutador de salida . Los enrutadores intermedios, que solo necesitan intercambiar etiquetas, se denominan enrutadores de tránsito o enrutadores conmutados por etiquetas (LSR).
Tenga en cuenta que los LSP son unidireccionales; permiten que un paquete se conmute mediante etiquetas a través de la red MPLS desde un punto final a otro. Dado que normalmente se desea una comunicación bidireccional, los protocolos de señalización dinámica antes mencionados pueden configurar automáticamente un LSP independiente en la dirección opuesta.
Cuando se considera la protección del enlace , los LSP se pueden clasificar como primarios (de trabajo), secundarios (de respaldo) y terciarios (LSP de último recurso).
Existen dos protocolos estandarizados para gestionar rutas MPLS: el Protocolo de Distribución de Etiquetas (LDP) y RSVP-TE , una extensión del Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP) para ingeniería de tráfico. [24] [25] Además, existen extensiones del Protocolo de Puerta de Enlace Fronteriza (BGP) que se pueden utilizar para gestionar una ruta MPLS. [14] [26] [27]
La multidifusión fue, en su mayor parte, una idea de último momento en el diseño de MPLS. Fue introducida por el RSVP-TE punto a multipunto. [28] Fue impulsada por los requisitos del proveedor de servicios para transportar video de banda ancha sobre MPLS.
El LSP multipunto de concentrador y radio ( HSMP LSP ) también fue introducido por IETF. HSMP LSP se utiliza principalmente para multidifusión, sincronización de tiempo y otros fines.
MPLS funciona en conjunto con el Protocolo de Internet (IP) y sus protocolos de enrutamiento, generalmente protocolos de puerta de enlace interior (IGP). Los LSP de MPLS proporcionan redes virtuales dinámicas y transparentes con soporte para ingeniería de tráfico, la capacidad de transportar VPN de capa 3 (IP) con espacios de direcciones superpuestos y soporte para pseudowires de capa 2 utilizando Pseudowire Emulation Edge-to-Edge (PWE3) [29] que son capaces de transportar una variedad de cargas útiles de transporte ( IPv4 , IPv6 , ATM, Frame Relay, etc.). Los dispositivos con capacidad MPLS se conocen como LSR. Las rutas que conoce un LSR se pueden definir utilizando una configuración explícita salto a salto, o se enrutan dinámicamente mediante el algoritmo Constrained Shortest Path First (CSPF), o se configuran como una ruta flexible que evita una dirección IP particular o que es parcialmente explícita y parcialmente dinámica.
En una red IP pura, se elige la ruta más corta a un destino incluso cuando la ruta se congestiona. Mientras tanto, en una red IP con enrutamiento CSPF de ingeniería de tráfico MPLS, también se pueden considerar restricciones como el ancho de banda RSVP de los enlaces atravesados, de modo que se elija la ruta más corta con ancho de banda disponible. La ingeniería de tráfico MPLS se basa en el uso de extensiones TE para Open Shortest Path First (OSPF) o Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) y RSVP. Además de la restricción del ancho de banda RSVP, los usuarios también pueden definir sus propias restricciones especificando atributos de enlace y requisitos especiales para que los túneles enruten (o no enruten) sobre enlaces con ciertos atributos. [30]
Para los usuarios finales, el uso de MPLS no es visible directamente, pero se puede asumir al hacer un traceroute : solo los nodos que realizan enrutamiento IP completo se muestran como saltos en la ruta, por lo tanto, no los nodos MPLS utilizados en el medio, por lo tanto, cuando ve que un paquete salta entre dos nodos muy distantes y casi no se ve ningún otro salto en la red de ese proveedor (o AS ), es muy probable que la red use MPLS.
En caso de falla de un elemento de red cuando se emplean mecanismos de recuperación en la capa IP, la restauración puede tardar varios segundos, lo que puede ser inaceptable para aplicaciones en tiempo real como VoIP . [31] [32] [33] Por el contrario, la protección local MPLS cumple con los requisitos de las aplicaciones en tiempo real con tiempos de recuperación comparables a los de las redes de puenteo de ruta más corta o anillos SONET de menos de 50 ms. [31] [33] [34]
MPLS puede utilizar la red ATM existente o la infraestructura Frame Relay, ya que sus flujos etiquetados se pueden asignar a identificadores de circuitos virtuales ATM o Frame Relay, y viceversa.
Frame Relay tenía como objetivo hacer un uso más eficiente de los recursos físicos existentes, lo que permite que las empresas de telecomunicaciones (telcos) no presten los servicios de datos necesarios a sus clientes, ya que es poco probable que estos utilicen un servicio de datos el 100 por ciento del tiempo. En consecuencia, la sobredemanda de capacidad por parte de las empresas de telecomunicaciones, si bien es ventajosa desde el punto de vista financiero para el proveedor, puede afectar directamente el rendimiento general.
Las empresas de telecomunicaciones a menudo vendían Frame Relay a empresas que buscaban una alternativa más barata a las líneas dedicadas ; su uso en diferentes áreas geográficas dependía en gran medida de las políticas gubernamentales y de las compañías de telecomunicaciones.
Muchos clientes migraron de Frame Relay a MPLS sobre IP o Ethernet, lo que en muchos casos redujo costos y mejoró la capacidad de administración y el rendimiento de sus redes de área amplia. [35]
Si bien los protocolos y tecnologías subyacentes son diferentes, tanto MPLS como ATM proporcionan un servicio orientado a la conexión para transportar datos a través de redes informáticas. En ambas tecnologías, las conexiones se señalizan entre puntos finales, el estado de la conexión se mantiene en cada nodo de la ruta y se utilizan técnicas de encapsulación para transportar datos a través de la conexión. Excluyendo las diferencias en los protocolos de señalización (RSVP/LDP para MPLS y PNNI para ATM), aún existen diferencias significativas en el comportamiento de las tecnologías.
La diferencia más significativa está en los métodos de transporte y encapsulamiento. MPLS es capaz de trabajar con paquetes de longitud variable mientras que ATM utiliza celdas de longitud fija (53 bytes). Los paquetes deben segmentarse, transportarse y reensamblarse a través de una red ATM utilizando una capa de adaptación, lo que agrega una complejidad y una sobrecarga significativas al flujo de datos. MPLS, por otro lado, simplemente agrega una etiqueta al encabezado de cada paquete y lo transmite en la red.
También existen diferencias en la naturaleza de las conexiones. Una conexión MPLS (LSP) es unidireccional, lo que permite que los datos fluyan en una sola dirección entre dos puntos finales. Para establecer comunicaciones bidireccionales entre puntos finales es necesario establecer un par de LSP. Como se utilizan dos LSP, los datos que fluyen en la dirección de avance pueden utilizar una ruta diferente a la de los datos que fluyen en la dirección inversa. Las conexiones punto a punto ATM (circuitos virtuales), por otro lado, son bidireccionales , lo que permite que los datos fluyan en ambas direcciones por la misma ruta. [f]
Tanto ATM como MPLS admiten la tunelización de conexiones dentro de conexiones. MPLS utiliza el apilamiento de etiquetas para lograr esto, mientras que ATM utiliza rutas virtuales . MPLS puede apilar múltiples etiquetas para formar túneles dentro de túneles. El indicador de ruta virtual (VPI) de ATM y el indicador de circuito virtual (VCI) se transportan juntos en el encabezado de la celda, lo que limita ATM a un solo nivel de tunelización.
La mayor ventaja de MPLS sobre ATM es que fue diseñado desde el principio para ser complementario a IP. Los enrutadores modernos pueden soportar tanto MPLS como IP de forma nativa a través de una interfaz común, lo que permite a los operadores de red una gran flexibilidad en el diseño y operación de la red. Las incompatibilidades de ATM con IP requieren una adaptación compleja, lo que lo hace comparativamente menos adecuado para las redes predominantemente IP de la actualidad.
MPLS está estandarizado por el IETF en RFC 3031. Se implementa para conectar tan solo dos instalaciones a instalaciones muy grandes. En la práctica, MPLS se utiliza principalmente para reenviar unidades de datos de protocolo IP (PDU) y tráfico Ethernet de servicio de LAN privada virtual (VPLS). Las principales aplicaciones de MPLS son la ingeniería de tráfico de telecomunicaciones y la VPN MPLS .
MPLS se propuso originalmente para permitir el reenvío de tráfico de alto rendimiento y la ingeniería de tráfico en redes IP. Sin embargo, evolucionó en MPLS generalizado (GMPLS) para permitir también la creación de LSP en redes IP no nativas, como redes SONET/SDH y redes ópticas con conmutación de longitud de onda .
MPLS puede existir tanto en un entorno IPv4 como en un entorno IPv6 , utilizando protocolos de enrutamiento adecuados. El objetivo principal del desarrollo de MPLS era el aumento de la velocidad de enrutamiento. [37] Este objetivo ya no es relevante [38] debido al uso de métodos de conmutación más nuevos, como la conmutación basada en ASIC , TCAM y CAM, capaces de reenviar IPv4 simple tan rápido como los paquetes etiquetados MPLS. [39] Ahora, por lo tanto, el principal beneficio [40] de MPLS es implementar ingeniería de tráfico limitada y VPN de tipo proveedor de servicios de capa 3 o capa 2 sobre redes IPv4. [41]
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