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 puntos finales , las etiquetas identifican rutas establecidas entre 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, las etiquetas se asignan 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 un extremo a otro en 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) de modelo OSI 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 de conmutación de paquetes .
MPLS opera en una capa que generalmente se considera que se encuentra entre las definiciones tradicionales de OSI Capa 2 ( capa de enlace de datos ) y Capa 3 ( capa de red ) y, por lo tanto, a menudo se lo denomina protocolo de capa 2.5 . Fue diseñado para proporcionar un servicio de transporte de datos unificado 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 modo de transferencia asíncrono (ATM) nativo, Frame Relay , red óptica síncrona (SONET) o Ethernet .
Anteriormente se implementaron varias tecnologías diferentes con objetivos esencialmente idénticos, como Frame Relay y ATM. Frame Relay y ATM utilizan 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 celda. La similitud entre Frame Relay, ATM y MPLS es que en cada salto a través de la red, el valor de la etiqueta en el encabezado cambia. Esto es diferente del reenvío de paquetes IP . [2] Las tecnologías MPLS han evolucionado teniendo en cuenta las fortalezas y debilidades de la ATM. MPLS está diseñado para tener menores gastos generales que ATM y al mismo tiempo proporcionar 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 equipaje de protocolo de señalización y conmutación de celdas del 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 completos de 1500 bytes no incurran en retrasos significativos en las colas 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 de conmutación IP , que se definió para funcionar únicamente en cajeros automáticos, no logró dominar el 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 pasó a llamarse Label Switching . Fue entregado 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 involucró 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 subprocesos de Girish Chandranmenon y George Varghese había inventado la idea de usar etiquetas para representar prefijos de destino que era fundamental para el cambio de etiquetas. [10]
Una motivación original fue permitir la creación de conmutadores simples de alta velocidad, ya que durante un período de tiempo significativo se consideró poco práctico reenviar paquetes IP completamente en hardware. Los avances en VLSI y en los algoritmos de reenvío han hecho posible y común el reenvío por hardware de paquetes IP. Las ventajas actuales de MPLS giran principalmente en torno a la capacidad de admitir múltiples modelos de servicio y realizar 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 anteponiendo a los paquetes un encabezado MPLS que contiene una o más etiquetas. Esto se llama pila de etiquetas . Cada entrada en la pila de etiquetas contiene cuatro campos:
Estos paquetes etiquetados con MPLS se conmutan según la etiqueta en lugar de una búsqueda en la tabla de enrutamiento IP. Cuando se concibió MPLS, el cambio de etiquetas era más rápido que una búsqueda en la tabla de enrutamiento porque el cambio podía tener lugar directamente dentro de la estructura conmutada y evitaba la participación de la CPU y el software.
La presencia de dicha etiqueta debe indicarse al interruptor. En el caso de tramas Ethernet esto se realiza mediante el uso de los valores EtherType 0x8847 y 0x8848, para conexiones unicast y multicast respectivamente. [13]
Un enrutador MPLS que realiza 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 medio de una red MPLS. Es responsable de cambiar las etiquetas utilizadas para enrutar 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 de conmutación de etiquetas (LSP) y una etiqueta correspondiente para el paquete a partir de una tabla de búsqueda . Luego, la etiqueta anterior se retira del encabezado y se reemplaza con la nueva etiqueta antes de que el paquete se enrute hacia adelante.
Un enrutador de borde de etiqueta (LER, también conocido como borde LSR) 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 sacan de un paquete saliente. Alternativamente, bajo el 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 apropiada que se debe colocar, etiqueta el paquete en consecuencia y luego reenvía el paquete etiquetado al dominio MPLS. Del mismo modo, al recibir un paquete etiquetado destinado a salir del dominio MPLS, el LER quita la etiqueta y reenvía el paquete IP resultante utilizando reglas de reenvío de 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 de la VPN a menudo se denominan enrutadores de borde de proveedor (PE). Los dispositivos que funcionan sólo como enrutadores de tránsito también se denominan 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.
El operador de red establece rutas de conmutación de etiquetas (LSP) para una variedad de propósitos, como crear redes privadas virtuales IP basadas en redes 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 las 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 swap , push [c] o pop [d] en la pila de etiquetas del paquete. Los enrutadores pueden tener tablas de búsqueda prediseñadas que les indican qué tipo de operación realizar en función de la etiqueta superior del paquete entrante para que puedan procesar el paquete muy rápidamente.
Durante estas operaciones, no se examina el contenido del paquete 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 el reenvío de paquetes independiente del protocolo que no necesita consultar una tabla de enrutamiento dependiente del protocolo y evita la costosa coincidencia del prefijo IP más largo en cada salto.
En el enrutador de salida, cuando se extrae 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.
Por lo general, [e] , la última etiqueta se quita en el penúltimo salto (el salto antes del enrutador de salida). Esto se llama penúltimo salto de salto (PHP). Esto es útil en los casos en los que el enrutador de salida tiene muchos paquetes que salen de los túneles MPLS y, por lo tanto, gasta importantes recursos de CPU en estas transiciones. Al usar PHP, los enrutadores de tránsito conectados directamente a este enrutador de salida lo descargan de manera efectiva, al abrir ellos mismos la última etiqueta. En los protocolos de distribución de etiquetas, esta acción de extracción de etiquetas de PHP se anuncia como valor de etiqueta 3 (nulo implícito) y nunca se encuentra en una etiqueta, ya que significa que la etiqueta se va a extraer.
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, con una disposición de etiqueta siempre realizada en el último enrutador MPLS, último salto. (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 Clase de tráfico para información de QoS), al mismo tiempo que indica al último salto que extraiga la pila de etiquetas usando uno de los siguientes valores de etiquetas reservadas:
Un encabezado MPLS no identifica el tipo de datos transportados dentro de la ruta MPLS. Para transportar dos tipos diferentes de tráfico entre los mismos dos enrutadores, con un tratamiento diferente por parte de los enrutadores centrales para cada tipo, se requiere una ruta MPLS separada para cada tipo de tráfico.
Una ruta conmutada por etiqueta (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 ). El camino se configura en base a criterios de la FEC.
El camino comienza en un LER, que toma una decisión sobre qué etiqueta prefijar a un paquete basándose en el FEC apropiado. Luego reenvía el paquete al siguiente enrutador en la ruta, que intercambia la etiqueta exterior del paquete por otra etiqueta y lo reenvía al siguiente enrutador. El último enrutador en la ruta elimina la etiqueta del paquete y lo reenvía según el 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 superiores de la red, a veces también se hace referencia a un LSP como 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 llama enrutador de salida . Los enrutadores intermedios, que sólo necesitan intercambiar etiquetas, se denominan enrutadores de tránsito o enrutadores de conmutación de etiquetas (LSR).
Tenga en cuenta que los LSP son unidireccionales; permiten cambiar de etiqueta un paquete a través de la red MPLS de un punto final a otro. Dado que normalmente se desea la comunicación bidireccional, los protocolos de señalización dinámica antes mencionados pueden configurar automáticamente un LSP separado en la dirección opuesta.
Cuando se considera la protección de enlaces , 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 Border Gateway Protocol (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 introducido mediante RSVP-TE punto a multipunto. [28] Fue impulsado por los requisitos de los proveedores de servicios para transportar vídeo de banda ancha a través de MPLS.
El IETF también introdujo el LSP multipunto de hub y radio ( HSMP LSP ). HSMP LSP se utiliza principalmente para multidifusión, sincronización horaria y otros fines.
MPLS funciona junto con el Protocolo de Internet (IP) y sus protocolos de enrutamiento, generalmente protocolos de puerta de enlace interior (IGP). Los LSP 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 pseudocables 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 compatibles con MPLS se denominan LSR. Las rutas que conoce un LSR se pueden definir usando una configuración explícita salto por 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 en parte dinámico.
En una red IP pura, se elige el camino más corto hacia un destino incluso cuando el camino 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 elegirá la ruta más corta con ancho de banda disponible. MPLS Traffic Engineering se basa en el uso de extensiones TE para abrir primero la ruta más corta (OSPF) o sistema intermedio a sistema intermedio (IS-IS) y RSVP. Además de la restricción del ancho de banda de RSVP, los usuarios también pueden definir sus propias restricciones especificando atributos de enlace y requisitos especiales para que los túneles enruten (o no enruten) enlaces con ciertos atributos. [30]
Para los usuarios finales, el uso de MPLS no es visible directamente, pero se puede asumir al realizar 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 vea Si un paquete salta entre dos nodos muy distantes y apenas se ve ningún otro 'salto' en la red de ese proveedor (o AS ), es muy probable que esa red utilice MPLS.
En caso de que falle 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 aplicaciones en tiempo real con tiempos de recuperación comparables a los de las redes puente de ruta más corta o los anillos SONET de menos de 50 ms. [31] [33] [34]
MPLS puede hacer uso de la red ATM existente o de 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 el suministro insuficiente de servicios de datos por parte de las empresas de telecomunicaciones (telcos) a sus clientes, ya que era poco probable que los clientes utilizaran un servicio de datos el 100 por ciento del tiempo. En consecuencia, la sobresuscripción de capacidad por parte de las empresas de telecomunicaciones, si bien es financieramente ventajosa para el proveedor, puede afectar directamente el desempeño 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 empresas de telecomunicaciones.
Muchos clientes migraron de Frame Relay a MPLS a través de IP o Ethernet, lo que en muchos casos redujo los 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 brindan un servicio orientado a la conexión para transportar datos a través de redes informáticas. En ambas tecnologías, las conexiones se señalan 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), todavía quedan diferencias significativas en el comportamiento de las tecnologías.
La diferencia más significativa está en los métodos de transporte y encapsulación. MPLS puede 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 añade 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 a través de 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. Debido a que se utilizan dos LSP, los datos que fluyen en dirección directa pueden utilizar una ruta diferente a la de los datos que fluyen en dirección inversa. Las conexiones ATM punto a punto (circuitos virtuales), por otro lado, son bidireccionales , lo que permite que los datos fluyan en ambas direcciones por el mismo camino. [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 varias etiquetas para formar túneles dentro de túneles. El indicador de ruta virtual ATM (VPI) y el indicador de circuito virtual (VCI) se transportan juntos en el encabezado de la celda, lo que limita ATM a un único nivel de tunelización.
La mayor ventaja que tiene MPLS sobre ATM es que fue diseñado desde el principio para ser complementario de IP. Los enrutadores modernos pueden admitir MPLS e 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 hoy.
MPLS está estandarizado por el IETF en RFC 3031. Se implementa para conectar tan solo dos instalaciones a implementaciones muy grandes. En la práctica, MPLS se utiliza principalmente para reenviar unidades de datos de protocolo IP (PDU) y tráfico Ethernet del servicio de LAN privada virtual (VPLS). Las principales aplicaciones de MPLS son la ingeniería de tráfico de telecomunicaciones y MPLS VPN .
MPLS se propuso originalmente para permitir el reenvío de tráfico y la ingeniería de tráfico de alto rendimiento 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 conmutadas de longitud de onda .
MPLS puede existir tanto en un entorno IPv4 como en un IPv6 , utilizando protocolos de enrutamiento apropiados. El objetivo principal del desarrollo de MPLS fue aumentar 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 limitado y VPN de tipo proveedor de servicios de capa 3 o capa 2 sobre redes IPv4. [41]
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