Wenn MPLS, dann richtig

NETZBETREIBER UND -DIENSTE
Rolf-Martin Borchard
Service Provider möchten heute
Kosten reduzieren und gleichzeitig
den Umsatz steigern. Dazu ist es
wichtig, neben den aktuellen,
profitablen Diensten neue, innovative
Dienste anzubieten.
Heutige Dienste sind z.B. Telefonie
und Breitband-TV. Hier werden die
größten Umsätze generiert, jedoch ist
das Wachstum gering.
Breitbandige und zunehmend IPbasierte
Internetzugänge und
Intranets bilden die Grundlage für
neue, innovative Dienste wie virtuelle
private Netze (VPN), interaktives
Fernsehen oder konvergente
Applikationen. Hier sind zwar die
Umsätze noch gering, aber das
Wachstum ist groß. Nur mit einer
Differenzierung des Angebots, also
mit Produkten, die über Best Effort
hinausgehen, kann man in diesem
Bereich der abwärts gerichteten
Preisspirale entgehen.
Wenn MPLS, dann richtig
Mit der entsprechenden Technik ist auch eine sanfte Migration
von ATM zu MPLS möglich
Rolf-Martin Borchard ist Systems Engineer bei
der Marconi Channel Markets GmbH in Hamburg
Service Provider stehen heute nicht
nur vor der Aufgabe, den ständig steigenden
Bedarf an Bandbreite zu
decken. Dazu müssen eine Differenzierung
des Angebots und eine Dienstebündelung
kommen, da diese die
Kundenbindung erhöhen.
Bisherige Netztechnologien und parallele
Netze sind jedoch ungeeignet für
das Erreichen dieser Ziele. Günstiger
ist es, ein Multiservice-Backbone-Netz
für alle Dienste vorzusehen. Dies führt
zu geringeren Investitionskosten,
höherer Bandbreiteneffizienz sowie
zu geringeren Betriebs- und Maintenance-Kosten.
Die Frage ist nun, welche Eigenschaften
solch ein Multiservice-Backbone-
Netz haben muß.
Hohe Anforderungen an ein
Multiservice-Backbone
Die heutigen profitablen Dienste wie
Sprache und TV stellen hohe Anforderungen
an die Quality of Service (QoS)
des Backbone-Netzes. Sie sind angewiesen
auf garantierte Bandbreiten,
garantierte Obergrenzen für Latenzzeiten
und Jitter. Auch neue Dienste,
die auf dem Internet-Protokoll (IP) basieren,
werden immer anspruchsvoller
in bezug auf QoS. Beispiele sind VPNs
mit bestimmten Bandbreiten-Garantien
für Unternehmen, Voice und Video
over IP und Low-Latency-Internet-
Zugang für Video-Spieler.
Das Multiservice-Backbone-Netz muß
also QoS-fähig sein, um die profitablen
Dienste übertragen und für eine
entsprechende Zukunftssicherheit bei
neuen IP-Diensten sorgen zu können.
Weiterhin ist es für einen Service Provider
notwendig, die Wege des Datenverkehrs
beeinflussen zu können
und sie nicht allein den Routing-Algorithmen
zu überlassen. Sonst kann es
passieren, daß Netzbereiche überlastet
sind und es zu Paketverlusten
kommt, während andere Netzbereiche
nur schwach ausgenutzt werden.
Man möchte den Datenverkehr
gleichmäßig über die vorhandenen
Netzressourcen verteilen. Diese
Funktion nennt man Traffic Engineering.
MPLS (Multiprotocol Label Switching)
ist ein Verfahren, das diesen Anforderungen
gerecht werden kann. Es handelt
sich dabei um eine Weiterentwicklung,
die IP verbindungsorientiert
macht: Es werden zuerst Verbindungen
geschaltet (Label Switch Path –
LSP), dann werden über diese Verbindungen
Daten übertragen. Damit bietet
MPLS folgende Vorteile:
harte QoS;
Traffic Engineering mit intelligenter
Routenwahl und Schalten von
Backup-Wegen;
Beschleunigung der Router, weil
durch das Einfügen des MPLS-Labels
das aufwendige IP-Routing
zum einfachen Switching wird.
Harte QoS mit MPLS
Anders als ein einfaches Class of Service
(CoS) in Ethernet/IP-Netzen
(802.1p, DiffServ), bei dem nur ein re-
Das Thema in Kürze
Multiprotocol Label Switching
bietet gegenüber anderen, bisher
verbreiteten Netzprotokollen wie
ATM oder IP Carriern und Service
Providern zahlreiche Vorteile.
Der Beitrag zeigt nicht nur Gemeinsamkeiten
und Unterschiede
auf, sondern schildert anhand des
Konzeptes Ships in the Night
auch, daß Hersteller mit langjähriger
ATM-Kompetenz wie Marconi
ihren Kunden einen Migrationspfad
zu MPLS eröffnen.
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Bild 1: Architektur eines QoS-fähigen Label Switch Routers mit Advanced Data Plane
latives Priorisieren der Daten möglich
ist, aber eine Netzüberlast niemals
ausgeschlossen werden kann, werden
bei QoS Netzressourcen für die Verbindungen
fest reserviert. QoS ist
prinzipiell nur bei verbindungsorientierten
Netztechniken möglich.
Im wesentlichen besteht MPLS aus
den Routing-Protokollen und den Signalisierungs-Protokollen.
Als Routing-Protokolle wurden die bekannten
IP-Protokolle weiterentwickelt
– mit der Traffic-Engineering-
Erweiterung (TE) – zu OSPF-TE, ISIS-TE
und BGP4. Damit ist es nicht nur möglich,
daß die Router Topologie-Informationen
austauschen, sondern auch
die Auslastungszustände der einzelnen
Links. Dies ermöglicht es einem
MPLS-Router (Label Switch Router –
LSR), einen Weg zum Ziel zu berechnen,
der zusätzlich bestimmte QoS-
Parameter (Bandbreite, Latenz usw.)
erfüllen kann.
Bei einem Verbindungsaufbau müssen
diese QoS-Parameter übergeben werden,
damit die entsprechenden Ressourcen
in den LSR für diese Verbindung
reserviert werden können. Die
meisten MPLS-Hersteller haben hierfür
RSVP-TE (Resource Reservation
Protocol-Traffic Engineering) als Signalisierungsprotokoll
implementiert.
Es ist jedoch nicht nur wichtig, daß
das Netz in seiner „Buchführung“ die
Ressourcen den einzelnen Verbindungen
zuteilt: Das Netz muß diese Ga-
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rantien auch einlösen. Eine (Sprach-)
Verbindung, die beispielsweise auf eine
konstante Datenrate von 64 kbit/s
und Low Latency angewiesen ist oder
ein Unternehmenskunde, dem eine
Controlled-Load-VPN-Verbindung mit
einer durchschnittlichen Bandbreite
von 2 Mbit/s und maximaler Bandbreite
von 10 Mbit/s zugesagt wurde,
muß diese Leistungen auch wirklich
bekommen.
Ein einfacher Router mit acht simplen
Ausgangs-Queues kann dieses nicht
leisten. Denn er kann nicht die einzelnen
Verbindungen unterscheiden und
für jede Verbindung das nächste Paket
zu dem exakt richtigen Zeitpunkt
senden. Es ist ein differenziertes Buffer
Management in der Hardware der
Data Plane notwendig (Bild 1).
In der Architektur eines QoS-fähigen
MPLS-LSR müssen Funktionen realisiert
sein wie Policing (Hält ein Endgerät
auch die vereinbarten QoS-Parameter
ein?), Buffer Management mit
Per Flow Queuing (Es kann zu jedem
Zeitpunkt auf die Pakete jeder Verbindung
zugegriffen werden, um diese
zum exakt richtigen Zeitpunkt weiterzuleiten.)
und Shaper (Der Datenfluß
wird gemäß den vereinbarten QoS-Parametern
konform gestaltet.).
Diese Advanced Data Plane gewährleistet,
daß die QoS-Garantien auch
wirklich eingelöst werden.
Genau genommen sind diese Anforderungen
die gleichen wie schon bei
Wenn MPLS, dann richtig
der Entwicklung von leistungsfähigen
ATM-Switchen (ATM – Asynchronous
Transfer Mode); ATM ist wie MPLS ein
verbindungsorientiertes Verfahren,
das harte QoS gewährleistet und somit
gut geeignet ist als Technik für ein
Multiservice-Netz.
Zellbasierte versus paketorientierte
Schnittstellen
Um die Effizienz zu erhöhen, können
die zellorientierten ATM-Schnittstellen-Module
des Multiservice-Switches
einfach gegen paketorientierte
Schnittstellen-Module ausgewechselt
werden. Damit wird der ATM-
Overhead eliminiert (Cell Tax).
Allerdings ist hier bei Schnittstellen
mit niedrigen Bandbreiten folgendes
zu beachten: Bei Paketen mit z.B.
1.500 byte Länge kommt es zwangsweise
zur Verzögerung eines nachfolgenden
Paketes, selbst wenn dieses
nachfolgende Paket wesentlich höhere
Priorität besitzt und z.B. Jitter-sensitive
Sprachdaten transportiert. Da dieses
Sprachpaket erst in den Switch
eintrat, als dieser schon begonnen
hatte, das lange Datenpaket (mit geringer
Priorität) zu senden, gibt es keine
andere Möglichkeit, als das Datenpaket
fertigzusenden und dann erst
das Sprachpaket zu schedulen. Dieser
Effekt addiert pro Hop in zufälliger
Weise einen schädlichen Jitter auf alle
Verbindungen auf. Der Jitter ist abhängig
von der Bandbreite des Links.
Laufzeiten von Zellen im Vergleich zu Paketen
bei unterschiedlichen Bandbreiten
Erst für breitbandige Schnittstellen (ab
OC-12) ist der Jitter auch bei paketorientierten
Schnittstellen nicht mehr
relevant (s. Tabelle).
Es wäre nun wünschenswert, wenn
lange Datenpakete in kleinere Einhei-
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Wenn MPLS, dann richtig
ten segmentiert werden könnten, so
daß wichtige, kleine (Sprach-) Pakete
in den Ausgangsstrom des Switches
eingeflochten, also bevorzugt werden
könnten. Hierdurch verringerte sich
der Jitter extrem.
Genau dieses leisten zellbasierte ATM-
Schnittstellen. Hier werden Pakete mit
Hilfe von SAR-Chips ohne Zeitverzö-
gerung in 53 byte kleine Zellen segmentiert.
Da MPLS unabhängig von
Layer 2 ist, kann auch MPLS über zellbasierte
Schnittstellen gefahren werden.
Es ist von Vorteil, schmalbandigere
Schnittstellen (bis OC-12) zwischen
Multiservice-Switchen mit Zell-
Schnittstellen zu realisieren sowie
breitbandigere Schnittstellen (ab OC-
12) mit paketorientierten Schnittstellen.
Traffic Engineering mit MPLS
IP-Routing-Protokolle arbeiten nach
dem Prinzip Shortest Path. Dadurch
werden die kürzesten Wege von der
Quelle zur Datensenke genutzt. Gleiche
Ziele werden über gleiche Wege
erreicht. Dies hat zur Folge, daß man
auf diesen kürzeren Wegen Überlast
und Paketverluste haben kann, andere
Wege aber nahezu ungenutzt sind
(Bild 2).
Bild 2: Beim Shortest
Path Routing bleiben
die längeren Wege
auch bei hohem Traffic
nahezu ungenutzt
Um den Datenverkehr effizient auf die
Netzressourcen zu mappen, benötigt
man das Werkzeug Traffic Engineering.
MPLS erlaubt Traffic Engineering,
da es eine verbindungsorientierte
Technik ist. Mit MPLS können Verbindungen
(z.B. SP-LSP – Signalled Permanent
LSP) mit Wegevorgabe über
die gewünschten Knoten konfiguriert
Bild 3: Bei MPLS mit
Traffic Engineering
werden die Netzressourcen
besser ausgenutzt
werden und gegebenenfalls auch
Backup-Verbindungen, die möglichst
disjunktiv zu den primären Verbindungen
sind (Bild 3).
Mit Traffic Engineering ist ein sicherer
Betrieb möglich, ohne daß es zu stochastischen,
schwer lokalisierbaren
und schwer behebbaren Effekten wie
Paketverlusten kommt.
Backup-Verbindungen mit
MPLS
MPLS bietet den weiteren Vorteil, daß
zu den geschalteten Verbindungen
auch Backup-Verbindungen konfiguriert
werden können. Bei Leitungsausfall
muß nun nicht auf ein Konvergieren
der Routing-Algorithmen, Umrouten
und Neusignalisieren der Verbindung
gewartet werden, sondern es
kann in Bruchteilen von Sekunden auf
den Backup-Weg geschaltet werden.
Anders als bei SDH (Synchronous Digital
Hierarchy) liegen diese Backup-
Wege aber nicht brach, sondern können
auch Datenverkehr (z.B. Best-Effort-Daten)
transportieren. Im Falle
des Umschaltens der Verbindung wird
dieser Datenverkehr dann unter Umständen
verdrängt, wenn die Bandbreite
nicht ausreicht.
Ein weiterer Vorteil ist, daß man
Backup-Wege mit weniger Ressourcen
konfigurieren kann als bei
primären Wegen. Beispielsweise kann
es für bestimmte Anwendungen akzeptabel
sein, daß eine LAN-Kopplung
mit 10 Mbit/s bei Ausfall eine
Backup-Verbindung mit 4 Mbit/s
nutzt.
Ships in the Night
Die Ähnlichkeit von ATM und MPLS
führt gerade in bezug auf harte QoS
und eine Advanced Data Plane zu besonderen
MPLS-Lösungen.
MPLS kann als inkrementelle Erweiterung
der bestehenden ATM-Funktionalität
realisiert werden. Auf solchen
Switchen können zwei Technologien
gleichzeitig laufen, es können also sowohl
MPLS als auch ATM ohne gegenseitige
Beeinflussung gefahren
werden. Dieser Betriebsmodus wird
als Ships in the Night bezeichnet.
Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile:
Zum einen werden Investitionen bei
vorhandenen ATM-Netzen geschützt,
zum anderen kann sanft und risikolos
von ATM zu MPLS migriert werden.
Heute können ATM-basierte Dienste
(z.B. ATM-Festverbindungen, xDSL,
VoDSL, TK-Anlagenvernetzung mit
Circuit Emulation) und IP-basierte
Dienste (Internetzugang, Filetransfer,
VoIP) über ein Netz übertragen werden.
Dabei kann sich der Service Provider
entsprechend heutigen Kriterien frei
entscheiden, auf welcher Technik
(ATM oder MPLS) diese Dienste basieren
sollen. Morgen können diese Kriterien
anders aussehen. Dann werden
z.B. vormals ATM-basierte Dienste
auf MPLS geschwenkt. Dabei bleibt
der Netzauslastungsgrad annähernd
gleich. Ships in the Night stellt also
eine sanfte und risikolose Migration
von ATM zu MPLS dar und bietet dem
Anwender zusätzlich die größtmögliche
Zukunftssicherheit. (we)
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