Искусство оптимизации трафика

Операторы сетей IP стараются извлечь из них максимальную прибыль, сбалансированно загружая маршрутизаторы и каналы связи.

Делай хорошо, плохо само получится.

Трафик пакетных данных в последнее время стал для телекоммуникационных операторов любых уровней и типов заметным источником дохода, поэтому сети IP эксплуатируются все активнее. В погоне за прибылью операторы стараются выжать из сети максимум возможного, а значит, методы оптимизации сетей IP, в том числе и Traffic Engineering (TE), приобретают все большую популярность. Стоит вспомнить, что в эпоху докоммерческого использования Internet приоритеты были совсем другими — от технологии IP прежде всего ожидали, что она позволит создавать сети произвольно большого размера, интегрировать различные сетевые технологии и предоставит набор разнообразных и удобных сервисов.

Максимальный коммерческий эффект от сети IP не может быть получен без рационального использования всех сетевых ресурсов — в первую очередь маршрутизаторов и каналов связи. Функционирование пакетной сети можно считать эффективным, когда каждый ресурс загружен, но не перегружен. Это значит, что коэффициент использования ресурса должен приближаться к единице, но не настолько, чтобы очереди пакетов к нему — неизбежное явление в пакетных сетях — были бы постоянно большими, приводя к задержкам и потерям из-за переполнения внутренних буферов в маршрутизаторах.

Искусство управления сетью IP состоит в достижении двух целей. Во-первых, необходимо стремиться к улучшению качества обслуживания передаваемого трафика, т. е. к снижению задержек, уменьшению потерь и увеличению интенсивности потоков трафика, что позволит привлечь как можно больше пользователей и добиться успехов в конкурентной борьбе. Во-вторых, загрузка всех ресурсов сети должна быть максимально возможной для повышения объемов передаваемого трафика. И того и другого можно добиться с помощью одних и тех же средств — средств борьбы с заторами в сети.

КАК ЭТО БЫЛО

Как же до недавнего времени решалась задача оптимального использования ресурсов сети IP? Чаще всего усилия были направлены на перераспределение ресурсов отдельного маршрутизатора между различными протекающими через него потоками. Именно эту задачу решают методы, объединенные под общим названием Quality of Service (QoS). В то же время такое мощное средство, как выбор путей прохождения трафика через сеть, традиционно применялось в сетях IP в очень ограниченных масштабах. А ведь от путей следования трафика (при его фиксированной интенсивности) в первую очередь зависит загрузка маршрутизаторов и каналов, а значит, и эффективность использования сети.

Известно, что все протоколы маршрутизации — как дистанционно-векторные (например, RIP), так и состояния связей (OSPF и IS-IS), определяют для трафика, направленного в конкретную сеть, кратчайший маршрут в соответствии с некоторой метрикой. Выбранный путь может быть более рациональным, если в расчет принимается номинальная пропускная способность каналов связи или вносимые ими задержки, либо менее рациональным, если учитывается только количество промежуточных маршрутизаторов между исходной и конечной сетями, но в любом случае выбирается единственный маршрут даже при наличии нескольких альтернативных.

Рисунок 1. Неэффективность загрузки ресурсов сети путями, определяемыми протоколами маршрутизации.

Классическим примером неэффективности такого подхода служит так называемая «рыба» — сеть с топологией, приведенной на Рисунке 1. Несмотря на то что между маршрутизаторами A и E имеется два пути: верхний, через маршрутизатор B, и нижний, через маршрутизаторы C и D, — весь трафик от A к E в соответствии с принципами маршрутизации, принятыми в сетях IP, направляется по верхнему пути. Только потому, что нижний путь немного длиннее, чем верхний (в нем на один транзитный узел больше), он игнорируется, хотя мог бы задействоваться параллельно с верхним путем.

Заметим, однако, что при наличии в сети нескольких альтернативных маршрутов равной стоимости (метрики), трафик делится между ними, и нагрузка на маршрутизаторы и каналы связи распределяется более сбалансированно. Но когда стоимость альтернативных маршрутов даже незначительно хуже, чем у кратчайшего маршрута, этот инструмент не работает.

Еще один коренной недостаток традиционных методов маршрутизации трафика в сетях IP заключается в том, что пути выбираются без учета текущей загрузки ресурсов сети. Если кратчайший путь уже перегружен, то пакеты все равно будут посылаться по этому пути. Так, в сети, изображенной на Рисунке 1, верхний путь задействуется и в том случае, если его ресурсов постоянно не хватает для обслуживания трафика от А к E, а нижний простаивает, несмотря на то ресурсов маршрутизаторов B и C хватило бы для качественной передачи трафика. Налицо явная ущербность методов распределения ресурсов сети — одни из них работают с перегрузкой, а другие не используются вовсе. Никакие методы QoS данную проблему решить не могут — нужны качественно иные механизмы.

ЗАДАЧА ВЫБОРА ПУТЕЙ

Одним из мощных, но не применяемых ранее в сетях IP методов влияния на эффективное использование ресурсов сети является технология Traffic Engineering (TE), или в дословном переводе «инжиниринг трафика». Выражение можно перевести также как «искусство управления трафиком» или «конструирование трафика» — перевод названия этой технологии пока еще не устоялся. Впрочем, нет пока и однозначной трактовки области действия этого термина. В узком смысле, наиболее соответствующем названию, под TE понимаются методы и механизмы достижения сбалансированности загрузки всех ресурсов сети за счет рационального выбора путей прохождения трафика через сеть. Постановку задачи в соответствии с таким пониманием технологии ТЕ иллюстрирует Рисунок 2.

Рисунок 2а. Топология сети и производительность ее ресурсов.

Исходными данными для выбора путей являются, во-первых, характеристики передающей сети — топология, а также производительность составляющих ее маршрутизаторов и каналов связи, а во-вторых, сведения о нагрузке сети, т. е. о потоках трафика, которые она должна передать между своими пограничными маршрутизаторами (см. Рисунки 2а и б). Каждый поток характеризуется точкой входа в сеть, точкой выхода из нее и некоторыми параметрами трафика. Так как при выборе путей мы стремимся обеспечить равномерную загрузку маршрутизаторов и каналов связи, то для каждого потока, как минимум, нужно учитывать его среднюю интенсивность (что и показано на Рисунке 2а). Для более тонкой оптимизации трафика в сети можно привлекать и более детальное описание каждого потока: например, величину возможной пульсации трафика или требования к качеству обслуживания — чувствительность к задержкам, вариации задержек и допустимый процент потерь пакетов. Однако, поскольку оценить такого рода параметры трафика более сложно, чем среднюю интенсивность, а их влияние на функционирование сети менее значительно, чтобы найти оптимальное распределение путей прохождения потоков через сеть, учитываются только параметры их средней интенсивности.

Рисунок 2б. Предложенная нагрузка.

Задача TE состоит в определении маршрутов потоков трафика через сеть, т. е. для каждого потока требуется указать точную последовательность промежуточных маршрутизаторов и их интерфейсов на пути между входной и выходной точкой потока. При этом все ресурсы сети должны быть загружены как можно более сбалансированно. Это условие можно формализовать разными способами. Например, максимальный коэффициент использования ресурса по всем ресурсам сети должен быть минимален, чтобы трафику был нанесен как можно меньший ущерб. Именно так формулируется задача TE в RFC 2702 «Requirements for Traffic Engineering Over MPLS». В данном документе, содержащем общие рекомендации IETF по решению задач TE с помощью MPLS, в качестве целевой функции оптимизации путей предложено выражение:

min (max Ki),

где K_i — коэффициент использования i-го ресурса.

Другим способом постановки задачи TE стал поиск такого набора путей, при которых все значения коэффициентов использования ресурсов не будут превышать некоторый заданный порог K_max. Подобный подход более прост в реализации, так как связан с перебором меньшего количества вариантов, поэтому он чаще применяется на практике. На Рисунке 2в показано одно из возможных решений поставленной задачи, гарантирующее, что максимальный коэффициент использования ресурсов не превышает 0,6.

Рисунок 2в. Распредление нагрузки по сети — выбор пути следования трафика.

Однако мало найти решение — надо его реализовать. После того как пути заданы, необходим механизм, посредством которого пакеты, относящиеся к определенному потоку трафика, направлялись бы именно через выбранные промежуточные маршрутизаторы. Эта задача для сетей IP не тривиальна, так как основной режим маршрутизации предлагает единственный «кратчайший» маршрут, а режим маршрутизации от источника, когда отправитель пакета сам задает точную последовательность промежуточных узлов вдоль пути, обладает несколькими очень серьезными ограничениями. Во-первых, он поддерживается для текущей четвертой версии протокола IP далеко не всеми производителями оборудования. Во-вторых, при выборе маршрутизации от источника степень избыточности служебной информации значительно повышается, так как каждый пакет содержит все адреса промежуточных маршрутизаторов, а их может быть и не так уж мало. В-третьих, этот режим чрезвычайно уязвим с точки зрения безопасности; именно поэтому администраторы при конфигурировании маршрутизаторов, как правило, его отключают.

Следовательно, для установления в сети найденных путей TE нужен специальный протокол сигнализации.

ГЛОБАЛЬНАЯ ТРАКТОВКА

Термин TE имеет и более широкую трактовку, когда под ним понимается глобальная оптимизация сети за счет изменения всех возможных параметров: количества и производительности маршрутизаторов, топологии связей между ними, скоростей каналов передачи данных, приоритетов обслуживания потоков и т. п. В набор управляемых параметров включаются также и параметры нагрузки: например, интенсивности передаваемых сетью потоков — в случае перегрузки сети их можно ограничить до некоторой величины, чтобы заторы уменьшились до приемлемого уровня.

Такой глобальный подход принят в основном документе рабочей группы Traffic Engineering (TEWG) IETF «Overview and Principles of Internet Traffic Engineering», находящемся пока на самой начальной стадии стандартизации — Internet Draft (его не нужно путать с Draft Standard — второй стадией зрелости стандарта Internet). В указанном документе в технологию TE включаются методы разных временных масштабов.

• Управление в реальном масштабе времени, когда параметры изменяются с периодом в несколько секунд и даже микросекунд. К этому типу относятся методы обеспечения качества обслуживания в маршрутизаторах, использующие разные дисциплины обслуживания очередей и оперирующие каждым отдельным пакетом.
• Оперативное управление параметрами с периодичностью в несколько часов или дней. Сюда входят и методы выбора путей прохождения трафика через сеть, в которых пути следования трафика варьируются только в том случае, когда измерения показывают устойчивое изменение интенсивностей потоков в продолжении нескольких часов или дней - более быстротечные флуктуации отрабатываются методами QoS каждым из узлов.
• Планирование сети, регламентирующее изменения параметров сети один раз в несколько месяцев или лет. В этом случае в качестве параметров выступают структурные характеристики сети: количество и типы маршрутизаторов, топология и типы каналов связи, а также другие параметры, изменение которых требует больших затрат времени и средств.

В расширенной трактовке TE управление путями следования потоков трафика через сеть, т. е. TE в узком смысле, выступает в качестве только одного из методов оптимизации сети, применяемых наряду с другими. Возможно, со временем терминология в этой молодой для сетей IP области изменится — об этом говорит появившийся совсем недавно документ IETF под названием «A Framework of Network Engineering», также имеющего статус Internet Draft. В нем из всевозможных методов оптимизации сети вычленяются методы оперативного изменения пропускной способности физических каналов между маршрутизаторами, которые названы сетевой инженерией — Network Engineering. Более долговременные решения, основанные на изменении количества маршрутизаторов в сети, их производительности и топологии физических каналов, здесь отнесены к методам планирования сети — Network Planning, а термин Traffic Engineering используется в узком смысле — как выбор путей прохождения трафика через сеть.

Но названия не суть важны — главное, чтобы методы оптимизации сети были стандартизованы и реализованы в выпускаемом коммуникационном оборудовании. Если обратиться к практике, то можно увидеть, что идеи TE применяются пока только для поддержки способов управления путями следования потоков трафика через сеть. При этом основным инструментом выбора и установления путей в сетях IP сегодня является технология коммутации меток (MultiProtocol Label Switching, MPLS). Она использует и развивает концепцию виртуальных каналов в сетях X.25, frame relay и ATM, объединяя ее с техникой выбора путей на основе информации о топологии и текущей загрузке сети, получаемой с помощью протоколов маршрутизации сетей IP.

Технология MPLS TE уже достаточно хорошо стандартизована в ряде документов IETF и поддерживается большинством ведущих производителей оборудования для сетей IP. Именно ей, как наиболее далеко продвинувшейся на пути практической реализации TE, уделяется основное внимание в оставшейся части статьи.

РАЗНЫЕ ЛИКИ MPLS

MPLS — весьма универсальная технология, и с ее помощью сегодня можно решать следующие задачи:

• интеграцию АТМ и frame relay с IP;
• ускоренное продвижение пакетов внутри сети оператора вдоль кратчайших традиционных маршрутов;
• создание виртуальных частных сетей (VPN);
• выбор и установление путей со сбалансированным распределением загрузки ресурсов (Traffic Engineering, TE).

Возможно, уже в скором времени универсализм MPLS поднимется на новую ступень. Во всяком случае, в настоящее время достаточно активно развиваются стандарты на обобщенный вариант MPLS (Generalized MPLS, GMPLS), который предназначается для выбора и установления оптических путей в сетях SDH и DWDM. В этом достаточно специфическом варианте MPLS единицами коммутации являются не пакеты, а виртуальные контейнеры в SDH и волны разной длины DWDM, но основные механизмы MPLS сохраняются неизменными.

Рисунок 3. Продвижение пакетов вдоль путей LSP.

В основе всех вариантов MPLS лежит концепция виртуального канала или пути. Хотя здесь он имеет особое название — путь коммутации меток (Label Switching Path, LSP), — это тот же способ продвижения пакетов/ кадров/ячеек, который используется в сетях X.25, frame relay и ATM. LSP прокладывается в сети MPLS, состоящей из особых устройств, называемых маршрутизаторами коммутации меток (Label Switch Router, LSR), соединенных обычными каналами передачи данных. Путь определяется последовательностью меток, содержащихся в таблицах коммутации LSR (см. Рисунок 3). Метка MPLS — аналог идентификатора виртуального канала frame relay (Data Link Channel Identifier, DLCI) или идентификатора виртуального пути/канала АТМ (VPI/VCI). При поступлении «маркированного» пакета LSR просматривает таблицу коммутации и находит следующий транзитный узел — очередной LSR вдоль виртуального пути, а также новое значение метки.

Как и во всех технологиях, где используется концепция виртуального канала, в MPLS старое значение метки заменяется новым на каждом промежуточном узле. Это делается для упрощения процедуры назначения меток — метка имеет локальное значение для каждого маршрутизатора, а следовательно, ее значение не нужно согласовывать со всеми маршрутизаторами сети. Продвижение пакета вдоль пути коммутации меток происходит не на основе адреса назначения пакета IP и таблицы маршрутизации, а на основе значения метки и таблицы коммутации; таким образом, маршрутизация на всем пути заменяется коммутацией — более скоростным и экономичным способом продвижения. Основная экономия достигается за счет того, что решение о дальнейшем продвижении пакета принимается после просмотра не гигантской таблицы маршрутизации, которая у маршрутизаторов, работающих на магистралях провайдеров Internet первого уровня, может состоять из сотен тысяч записей, а таблицы коммутации, включающей только действующие пути коммутации меток. Благодаря агрегированию потоков, проходящих через какой-либо LSR, их может быть всего несколько сотен или даже десятков.

Сегодня технология MPLS позиционируется в основном как технология для магистральных сетей телекоммуникационных операторов. При таком способе ее применения путь коммутации меток создается между пограничными маршрутизаторами оператора, а вне сети оператора продвижение пакетов IP выполняется традиционными методами сетевого уровня. Маршрутизаторы магистральной сети являются комбинированными устройствами — они содержат стандартные блоки маршрутизации IP, а также специфические блоки MPLS, превращающие их в LSR.

Применение MPLS не означает введение новой технологии канального уровня, так как MPLS работает с любой существующей технологией данного уровня, используемой в сетях IP. Более того, когда технология канального уровня имеет собственные средства продвижения на основе коммутации меток (идентификаторов), этот механизм сохраняется и применяется соответствующими блоками оборудования MPLS. Например, при работе MPLS поверх АТМ для размещения меток используются поля ячеек VPI/VCI, а поверх frame relay — поля DLCI кадров. И только в тех случаях, когда нижележащий транспорт не поддерживает виртуальные каналы (Ethernet и PPP — наиболее популярные протоколы канального уровня такого типа), реализация MPLS требует добавления специального заголовка-прокладки между заголовками протокола канального уровня и IP. Сюда помещается метка, в соответствии с которой и происходит продвижение кадра, содержащего пакет IP, вдоль пути.

Как видим, используемая в MPLS техника продвижения пакетов типична для сетей с виртуальными каналами, в частности для таких достаточно проработанных решений, как АТМ и frame relay. Но тогда возникает вопрос, зачем понадобилось создавать новую технологию, когда можно пользоваться уже существующими? Дело в том, что главная особенность и достоинство MPLS заключаются не в технике продвижения пакетов, а в способе выбора и установления пути коммутации меток. Если традиционные технологии определяют свои виртуальные пути только на основе собственной информации о топологии сети, то MPLS привлекает к решению этой задачи интеллектуальные возможности протокола IP. Это позволяет ускорить передачу трафика, более рационально загрузить сеть, устранить дублирование функций на канальном и сетевом уровнях, а также во многих случаях исключить необходимость выполнения большого объема ручной работы при прокладке виртуальных каналов.

Рассмотрим, например, работу IP поверх АТМ — очень популярный сегодня способ организации магистральных сетей. Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) для трафика IP прокладываются на основе информации о топологии сети коммутаторов АТМ, которые они получают от протокола маршрутизации PNNI. Такой подход имеет два недостатка. Во-первых, перед передачей данных возникает задержка, равная времени установления SVC, во-вторых, поддерживаются две системы маршрутизации трафика — на уровне IP (протоколы BGP, OSPF, IS-IS или RIP) и на уровне АТМ (протокол PNNI). При использовании постоянных коммутируемых каналов (PVC) проявляются другие недостатки: большое количество ручной работы по выбору путей, их установлению и изменению, низкая масштабируемость полносвязной схемы, когда все маршрутизаторы IP связаны друг с другом; наличие промежуточных узлов, замедляющих продвижение пакетов при неполносвязной схеме соединений маршрутизаторов.

Технология MPLS поступает иначе — она обрабатывает для выбора путей топологическую информацию, собираемую протоколами маршрутизации стека TCP/IP, при этом пути всегда устанавливаются заранее, до передачи трафика. Так как маршрутизаторы IP являются в то же время и коммутаторами MPLS, то в результате имеется единый общий вариант топологии сети для уровня IP и уровня MPLS — а не два варианта, как при использовании самостоятельного слоя коммутаторов АТМ под маршрутизаторами IP. Собственно, прародительница MPLS — технология IP-коммутации компании Ipsilon — и появилась в свое время как решение по обеспечению тесной интеграции IP и АТМ за счет установки в сети комбинированных устройств IP/АТМ с общими протоколами маршрутизации и общей топологической базой данных.

Прокладка пути заключается в создании во всех LSR вдоль пути следования согласованных таблиц коммутации, на основе которых продвигались бы пакеты с метками MPLS. Для этого предназначены протоколы сигнализации, разработанные специально для MPLS, или же модернизированные протоколы других технологий.

Рисунок 4. Роль пограничных LSR.

Особую роль в сети выполняют пограничные LSR, т. е. те устройства, часть интерфейсов которых связана с маршрутизаторами, не поддерживающими MPLS (см. Рисунок 4). Они должны в общем случае выполнять классификацию, входной контроль, создание заголовков MPLS и задание для входящего в домен MPLS трафика начального значения метки соответствующего пути, а при выходе трафика из этого домена — удаление заголовка MPLS и отправку пакета по его IP-адресу назначения. Все промежуточные LSR вдоль пути просто продвигают пакет на основе значения поля метки.

При решении задачи ускоренного продвижения пакетов пути коммутации меток прокладываются вдоль тех маршрутов, которые указаны в таблицах маршрутизации модулей IP всех LSR сети. Входной LSR для прокладки пути к какой-либо сети назначения посылает служебное сообщение протокола сигнализации (Label Distribution Protocol, LDP), разработанного специально для решения задачи ускоренной маршрутизации в сетях MPLS. Входной, а также все последующие LSR распространяют сообщение LDP вдоль пути на основе IP-адреса назначения пакета и собственных таблиц маршрутизации. Поэтому путь коммутации меток совпадает с кратчайшим путем стандартных протоколов маршрутизации, причем неважно каких — RIP, OSPF или EGRP компании Cisco. Работа MPLS при решении этой задачи не изменится и при ручном, статическом конфигурировании таблиц маршрутизации. Понятно, что данный вариант MPLS не решает задачу баланса загрузки LSR, т. е. задачу TE — он только ускоряет продвижение пакетов (за счет резкого сокращения размера просматриваемых таблиц), не изменяя путей их следования.

Другой, пожалуй, наиболее практически значимой сейчас областью использования MPLS является организация виртуальных частных сетей. Здесь MPLS используется вместе с протоколом BGP, который выполняет двоякую роль — и протокола маршрутизации, и протокола сигнализации. Метки MPLS служат в этом случае для прозрачного переноса через сеть провайдера информации о принадлежности пакета к определенной VPN. При этом внутренние маршрутизаторы сети провайдера могут вообще «не знать» о существовании клиентских VPN, что существенно упрощает конфигурирование VPN, повышает безопасность и масштабируемость решения.

MPLS TE

Общие рекомендации по применению технологии MPLS для решения задач TE сформулированы в информационном RFC 2702 «Requirements for Traffic Engineering over MPLS». Нужно отметить, что, хотя этот документ и не претендует на роль стандарта Internet, тем не менее большинство производителей достаточно точно следуют описанным в нем принципам и механизмам.

Для решения задачи TE технология MPLS использует расширения протоколов маршрутизации, работающих на основе алгоритма состояния связей. Сегодня такие расширения стандартизованы для протоколов OSPF и IS-IS. Причина применения протоколов маршрутизации данного класса достаточно очевидна — эти протоколы, в отличие от дистанционно-векторных протоколов, к которым относится, например, RIP, дают маршрутизатору полную топологическую информацию о сети. Их объявления содержат информацию о маршрутизаторах и сетях, а также о физических связях между ними. Каждая связь характеризуется текущим состоянием работоспособности и метрикой, в качестве которой используется величина, обратная пропускной способности канала. В традиционном варианте для выбора кратчайшего (с минимальной суммарной метрикой) пути до каждой из сетей маршрутизатору необходим граф сети, ребра которого нагружены значениями метрик. При этом из найденного пути в таблице маршрутизации запоминается только следующий транзитный узел (IP-адрес ближайшего маршрутизатора), а остальные промежуточные узлы отбрасываются — так требует распределенный принцип продвижения пакетов, принятый в сетях IP, в соответствии с которым каждый маршрутизатор принимает решение только об одном шаге маршрута.

Для решения задачи TE в протоколы OSPF и IS-IS включены новые типы объявлений для распространения по сети информации о номинальной и незарезервированной (доступной для потоков TE) пропускной способности каждой связи. Таким образом, ребра результирующего графа сети, создаваемого в топологической базе каждого маршрутизатора, будут маркированы этими двумя дополнительными параметрами (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. Граф сети, изображенной на Рисунке 4.

Располагая таким графом, а также параметрами потоков, для которых нужно определить пути TE, маршрутизатор может найти рациональное решение, удовлетворяющее, например, одному из сформулированных выше ограничений на коэффициенты использования ресурсов сети, обеспечив тем самым ее сбалансированную загрузку. Для упрощения задачи оптимизации выбор путей для некоторого набора потоков может осуществляется по очереди, при этом в качестве ограничения выступает суммарная загрузка каждого ресурса сети. Обычно считается, что внутренней производительности маршрутизатора достаточно (в среднем) для обслуживания любого трафика, который способны принять интерфейсы маршрутизатора. Поэтому в качестве ограничений выступают только максимально допустимые значения коэффициентов загрузки каналов связи, устанавливаемые индивидуально или же имеющее общее значение. Решение задачи определения маршрута с учетом ограничений получило название Constrained-based Routing, а протокол OSPF с соответствующими расширениями — Constrained SPF, или CSPF.

Рисунок 6. Влияние порядка рассмотрения потоков на качество решения.

Понятно, что поиск путей TE по очереди снижает качество решения — при одновременном рассмотрении всех потоков можно найти более рациональную загрузку ресурсов. В примере, показанном на Рисунке 6, ограничением является максимально допустимое значение коэффициента использования ресурсов, равное 0,65. В варианте 1 решение было найдено при очередности рассмотрения потоков 1 -> 2 -> 3. Для первого потока был выбран путь A-B-C, так как в этом случае он, с одной стороны, удовлетворяет ограничению (все ресурсы вдоль пути — каналы A-B, A-C и соответствующие интерфейсы маршрутизаторов оказываются загруженными на 50/155 = 0,32), а с другой — обладает минимальной метрикой (65+65 = 130). Для второго потока также был выбран путь A-B-C, так как и в этом случае ограничение удовлетворяется — результирующий коэффициент использования оказывается равным 50+40/155 = 0,58. Третий поток направляется по пути A-D-E-C и загружает ресурсы каналов A-D, D-E и E-C на 0,3. Решение 1 можно назвать удовлетворительным, так как коэффициент использования любого ресурса в сети не превышает 0,58.

Однако существует лучший способ, представленный в варианте 2. Здесь по верхнему пути A-B-C были направлены потоки 2 и 3, а поток 1 — по нижнему пути A-D-E-C. Ресурсы верхнего пути оказываются загружены на 0,45, а нижнего — на 0,5, т. е. налицо более равномерная загрузка ресурсов, а максимальный коэффициент использования по всем ресурсам сети не превышает 0,5. Этот вариант может быть получен при одновременном рассмотрении всех трех потоков с учетом ограничения min (max K_i) или же при рассмотрении потоков по очереди в последовательности 2 -> 3 -> 1.

Тем не менее в производимом сегодня оборудовании применяется вариант MPLS TE с последовательным рассмотрением потоков. Он проще в реализации и ближе к стандартным для протоколов OSPF и IS-IS процедурам нахождения кратчайшего пути для одной сети назначения (в отсутствии ограничений найденное решение для набора кратчайших путей не зависит от последовательности рассмотрения сетей, для которых производился поиск). Кроме того, при изменении ситуации — появлении новых потоков или изменении интенсивности существующих — найти путь удается только для одного потока. В принципе возможен способ нахождения оптимального решения для набора потоков внешней по отношению к сети системой, в автономном режиме. Это может быть достаточно сложная система, которая включает подсистему имитационного моделирования, способную учесть не только средние интенсивности потоков, но и их пульсации, и оценить не только загрузку ресурсов, но и результирующие параметры QoS — задержки, потери и т. п. После нахождения оптимального решения его можно модифицировать уже в оперативном режиме поиска путей «по одному».

В технологии MPLS TE информация о найденном рациональном пути используется полностью — т. е. запоминается не только первый транзитный узел, как в основном режиме маршрутизации IP, а все промежуточные узлы пути вместе с начальным и конечным, т. е. маршрутизация производится от источника. Поэтому достаточно, чтобы поиском путей занимались только пограничные LSR сети, а внутренние — лишь поставляли им информацию о текущем состоянии сети, которая необходима для принятия решений. Такой подход, применяемый не только в MPLS, но и в других технологиях (например, в протоколе PNNI ATM), обладает несколькими преимуществами по сравнению с распределенной моделью поиска пути, лежащей в основе стандартных протоколов маршрутизации IP. Во-первых, он позволяет использовать «внешние» решения, когда пути находятся какой-либо системой оптимизации сети в автономном режиме, а потом прокладываются в сети. Во-вторых, каждый из пограничных LSR может работать по собственной версии алгоритма, в то время как при распределенном поиске на всех LSR необходим идентичный алгоритм, что усложняет построение сети с оборудованием разных производителей. Ну и, в-третьих, такой подход разгружает внутренние LSR от работы по поиску путей.

После нахождения пути, независимо от того, найден он был пограничным LSR или внешней системой, его необходимо установить. Для этого в MPLS TE используется специальный протокол сигнализации, который умеет распространять по сети информацию о явном (explicit) маршруте. Сегодня в MPLS TE определено два таких протокола: RSVP с расширениями и CR-LDP. Сообщения этих протоколов передаются от одного узла сети к другому в соответствии с данными об IP-адресах маршрута. MPLS поддерживает два типа явных путей: строгий (strict), который определяет все промежуточные узлы, и свободный (loose), когда в сообщении протокола сигнализации задается только часть промежуточных узлов, а остальные выбираются самими промежуточными узлами самостоятельно, например по таблице маршрутизации.

При установлении нового пути в сообщении сигнализации наряду с последовательностью адресов пути указывается также и резервируемая пропускная способность. Каждый LSR, получив такое сообщение, вычитает запрашиваемую пропускную способность из пула свободной пропускной способности соответствующего интерфейса, а затем объявляет остаток в сообщениях протокола маршрутизации.

«... А ДРЕВО ЖИЗНИ ПЫШНО ЗЕЛЕНЕЕТ»

Как же обстоят дела с практическими успехами MPLS? В целом ее положение сегодня можно сравнить с положением АТМ в начале 90-х. Основные стандарты приняты, ведущие производители их поддерживают, оборудование выпускается и даже обеспечивается его совместимость по основным режимам работы. Но серьезных внедрений пока нет, большинство потенциальных потребителей — операторов телекоммуникационных сетей — выжидают или выясняют возможности новой технологии, применяя ее в экспериментальных зонах сети. В то же время достаточно широкое применение MPLS может начаться уже в ближайшие несколько лет — исследования, проведенные Infonetics Research, показали, что 56% операторов первого уровня планируют в 2001 г. внедрить MPLS в своих сетях (при том, что АТМ остается основной технологией обеспечения качества обслуживания у 67% таких операторов).

MPLS поддерживается сегодня в устройствах Cisco, Juniper, Lucent, Nortel, Siemens и ряда других крупных производителей оборудования операторского класса. Совместимость этих магистральных устройств проверена, конечно, не на 100% и не для всех сочетаний производителей, но этого нельзя сказать и об устройствах АТМ, несмотря на гораздо более высокую степень зрелости данной технологии, на место которой MPLS претендует. В частности, ускорить решение проблемы внедрения MPLS в сетях операторов и совместимости оборудования должен MPLS Forum, созданный в начале 2000 г. и насчитывающий уже более 80 членов. Пока форум не опубликовал каких-либо данных о тестировании оборудования, а вот с результатами успешных тестов на совместимость маршрутизаторов компании Juniper с устройствами Cisco, CIENA и Zaffire можно, например, познакомиться на сайте http://www.juniper.net.

Что же касается основы совместимости стандартов, то несколько базовых спецификаций MPLS (архитектура, протокол сигнализации LDP, детали взаимодействия с АТМ и frame relay и еще ряд спецификаций) начали продвижение по треку стандартов Internet, получив начальный статус Proposed Standard. К сожалению, ряд достаточно важных компонентов технологии MPLS: например, расширения протоколов RSVP, OSPF, IS-IS, механизмы отказоустойчивости, пока описаны как рабочие документы IETF, т. е. как Internet Drafts.

Расширяется и область применения MPLS. Кроме первоначальной цели — повышения качества магистралей сетей операторов, MPLS начала распространяться и на сети доступа. Ряд компаний стал производить интегрированные устройства доступа (Integrated Access Device, IAD) и концентраторы доступа с поддержкой MPLS. Организацией MPLS Forum разрабатывается (и недавно было сообщено о значительном прогрессе в этой области) интерфейс User-Network Interface (UNI) для упрощенного доступа устройств пользователя к сети оператора по протоколу MPLS. MPLS Forum завершил работу по созданию соглашения по передаче голоса через сети MPLS.

Мы рассмотрели только упрощенную схему работы MPLS для решения задач TE, оставив много интересных аспектов этой быстроразвивающейся технологии для специальных публикаций.

Конечно, каждый, кто сегодня захочет широкомасштабно применить MPLS в своей сети, должен понимать, что он столкнется с обычными трудностями первопроходца. Но повышенное внимание всего телекоммуникационного сообщества к этой технологии, как операторов, так и производителей, позволяет надеяться, что ее ждет хорошее будущее.

Наталья Олифер — обозреватель «Журнал сетевых решений/LAN». С ней можно связаться по адресу: olifer@lanmag.ru. Виктор Олифер — главный специалист компании UNI. С ним можно связаться по адресу: volifer@uniinc.msk.ru.