2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………….3
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ MPLS ………………………………………....5
1.1. Общие принципы ……………………………………………………...........5
1.2. MPLS L3VPN ………………………………………………………………..10
1.3. MPLS L2VPN ………………………………………………………….........16
1.1.1. VPWS. Точка-точка …………………………………………………………..16
1.1.1. VPLS. Point-to-Multipoint ………………………………………………........19
ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЕТИ НА ОСНОВАНИИ ТЕХНОЛОГИИ
MPLS…………………………………………………………………………………24
2.1. Анализ технического объекта, его структуры и технических
характеристик ………………………………………………………………...……..24
2.2. Разработка технического задания. Выбор технологии MPLS VPN ……..30
2.3. Проектирование физической и логической топологии сети ………….…36
ГЛАВА 3. ВВОД СЕТИ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ……………………………….….44
3.1. Подбор оборудования………………………………………………….……44
3.2. Настройка оборудования и тестирование сети……..……………….…….50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………….….…63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ……………...………….……..66
3
ВВЕДЕНИЕ
Традиционно основными требованиями, которые
предъявляются к технологиям магистральных сетей, являются высокая
пропускная способность, минимальная задержка и гибкая
масштабируемость. Однако, IT сфера постоянно развивается, в связи с
этим поставщикам услуг необходимо не только предоставлять доступ в
своей магистрали, но и дополнительные услуги, например, качество
обслуживание (QoS), организацию виртуальных частных сетей (VPN), для
соединения удаленных точек и т.д.
Актуальность темы исследования заключается в том, что в отличие
от других способов построения виртуальных сетей, подобно GRE, IPSec,
L2TP, MPLS VPN обладает практически неограниченной
масштабируемостью, интеграцией со сторонними сервисами, повышенную
скорость обработки трафика. Так же, технология MPLS имеет возможность
интегрировать сети IP и ATM, за счет чего поставщики услуг смогут не
только сохранить вложения, инвестированные в оборудование асинхронно
передачи, но и значительно сэкономить рабочее время своих сотрудников.
В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные элементы всех
предыдущих разработок, благодаря усилиям рабочей группы IETF, которая
занимается развитием технологии MPLS, и компаний, заинтересованных в
скорейшем продвижением данной технологии на рынок, вскоре она
должна превратиться в стандарт Internet [11].
Объектом исследования выпускной квалификационной работы
являются виртуальные частные сети, а предметом исследования –
технология MPLS VPN.
Целью дипломной работы является проектирование виртуальной
частной сети на базе технологии MPLS, разобраться в ее основных
возможностях и исследовать ее работу.
4
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
- Проанализировать и сравнить технологии MPLS VPN;
- Разработать техническое задание;
- Спроектировать физическую и логическую топологию сети;
- Подобрать сетевое оборудование;
- Настроить и протестировать сеть.
Теоретическая значимость работы заключается в рассмотрении
технологии MPLS VPN, изучения принципа работы коммутации по
меткам, а так же в сравнении разновидностей MPLS VPN. Исследование
определяет, при какой технической структуре удаленных точек клиента мы
можем использовать ту или иную разновидность MPLS VPN, такие как
L3VPN, VPLS и VPWS.
Практическая значимость полученных результатов заключается в
возможности использования результатов исследования для
усовершенствования существующих и новых магистральных сетей
поставщика услуг ПАО "Ростелеком".
Результатом работы является проектирование магистральной сети
ПАО "Ростелеком", а так же подбор оборудования для нового участка сети
и конфигурирование устройств для ввода сеть в эксплуатацию.
При написании выпускной квалификационной работы
использовались научные труды следующих авторов: Трибунский Д. С.
[17], Редди К. [15], Олвейн В. [11] и другие.
5
ГЛАВА 1. Обзор технологий MPLS
1.1. Общие принципы
Multiprotocol Label Switching (MPLS) – это технология
многопротокольной коммутации по меткам, была впервые разработана
комитетом IETF в результате слияния нескольких разных механизмов: IP
Switching (Ipsilon), Tag Switching (Cisco Systems), Aris (IBM) и Cell Switch
Router (Toshiba). В архитектуре MPLS собраны наиболее удачные
элементы всех упомянутых механизмов, и благодаря усилиям-IETF и
компаний, заинтересованных в скорейшем продвижении этой технологии
на рынке, она превратилась в стандарт Internet [31].
Основными преимуществами виртуальных частных сете на базе
MPLS возможно указать:
- масштабируемость;
- возможность пересечения адресных пространств узлов,
подключенных в различные VPN;
- изолирования трафика клиентов VPN друг от друга.
- быстрая обработка трафика.
Масштабируемость достигается за счет того, что подключение
нового узла в существующую сеть VPN производиться перенастройка
только одного маршрутизатора провайдера – PE, к которому подключается
данный узел. Так же имеется возможность подключать новых клиентов к
уже установленным маршрутизаторам провайдера, ограничиваясь
настройкой только оконечных устройств, к которым подключаются
удаленные точки клиента.
В двух или более сетей VPN адресные пространства могут
пересекаться, что может быть чрезвычайно полезным, когда поставщику
услуг необходимо проедоставить VPN нескольким клиентам, которые
6
используют одинаковое адресное пространство, например, адреса
172.16.0.0/24.
На сегодняшний день, помимо вышеперечисленных преимуществ,
заказчики сетевых решений требуют от современных операторов
обеспечения мультисервисности, то есть предоставления наибольшего
числа услуг из всех возможных в рамках единой сети.
Концепция мультисервисности заключается в сокращении до
минимума количество устройств, обеспечивающих разнотипные услуги
(телефония, видеоконференции, телевещание, информационное
обеспечение и др.). Данные устройства должны содержать коммутаторы и
другие аппаратные средства обработки трафика (например, пограничные
коммутаторы LER сети MPLS, модули VoIP и т.д.) [5].
Благодаря поддержке технологий ATM, Frame Relay, MPLS,
маршрутизации IP, мультисервисные функции современных
магистральных и пограничных коммутаторов помогают консолидировать
сети разного типа и сокращать затраты на предоставление услуг
посредством достаточно небольшого набора телекоммуникационных
устройств.
Традиционные операторы связи видят, что интенсивное развитие
Интернет технологий приводит к резкому возрастанию объема данных,
передаваемых по сетям. Попытки удовлетворить растущий спрос приводят
к переходу на мультисервисные сетевые платформы и конвергенции
трафика разных типов (данных, голоса и видео) в рамках единой пакетной
инфраструктуры. Обладающая вышеперечисленными возможностями
транспортная сеть на базе технологии MPLS, в полной мере соответствует
предъявляемым сетевыми операторами требованиям по организации на ее
основе широкого спектра новейших услуг, как для корпораций, так и для
частных лиц, предоставляет средства управления передачей трафика и
многое другое [2].
7
Все маршрутизаторы в сети MPLS называются Label Switch Router
или LSR. LSR – это маршрутизатор который выполняет работу с метками
MPLS. В свою очередь LSR делятся на три типа:
- Ingress LSR – это первый маршрутизатор по ходу движения пакета
данных в сети MPLS. Данный маршрутизатор производит добавление
метки к пакету данных, данная операция называется Push Label.
- Intermediate LSR – это промежуточный маршрутизатор в сети
MPLS, который выполняет операцию замены метки. Узел получается пакет
с одной меткой, заменяет ее на другую и отправляет пакет дальше. Данная
операция называется Swap Label и происходит только на промежуточных
маршрутизаторах.
- Egress LSR – это конечный маршрутизатор, он выполняет операцию
удаления метки – Pop Label. Он убирает верхнюю метку с полученного
пакета MPLS перед дальнейшей передачей его дальше.
Все маршрутизаторы, которые находятся на границе сети MPLS,
также называются LER - Label Edge Router. В частности, Ingress LSR и
Egress LSR являются граничными, а значит они тоже LER [35].
MPLS, в некотором роде, это переосмысление IP маршрутизации.
Здесь то, куда отправляется пакет, зависит не только от адреса назначения,
но и от специальной метки. Если в IP каждый узел сам принимал решение,
что делать с пакетом, то в MPLS путь построен заранее, по мере
продвижения пакета на нем только меняются метки, поэтому ключевое
слово здесь Switching, а не Routing.
Технология MPLS основана на обработке заголовка пакета MPLS.
Заголовок MPLS имеет длину 32 бита [рисунок 1]. Состоит из поля Label
(метка) – это число от 0 до 1 048 575. С помощью неё LSR определяет, что
с пакетом делать в дальнейшем, указать новую метку и куда передать
пакет. Длина - 20 бит.
8
Поле TC — Traffic Class. В данном поле указывается приоритет
пакета, аналогично полю DSCP в IP. Длина этого поля 3 бита.
Поле S — Bottom of Stack — индикатор количества меток в стеке
длиной 1 бит.
На пакете может быть установлено несколько заголовков MPLS,
например, внешняя метка служит для коммутации в сети MPLS, а
внутренняя указывает на принадлежность к определённому VPN. Чтобы
LSR понимал, с какой из меток он работает, в бит S записывается «1», если
это последняя метка и «0», если стек содержит несколько меток. То есть
маршрутизатор не знает, сколько содержится меток в стеке, но точно
определяет одна она или больше. Решение по коммутации принимается на
основе верхней метки, вне зависимости от того, что под ней. За счёт это
маршрутизатор, снимая метку, уже знает свои дальнейшие действия с
пакетом: продолжать работу с процессом MPLS, либо отдавать пакет
какому-то другому процессу (IP, Ethernet, FR, ATM, и т.д.).
Поле TTL — Time To Live. Данное поле является полным аналогом
поля IP TTL и имеет длину 8 бит. Это поле необходимо для того чтобы не
допустить бесконечной пересылки пакета по сети в случае
закольцовывания трафика. При передаче IP-пакета через сеть MPLS
значение IP TTL может быть скопировано в MPLS TTL, а потом обратно.
Либо отсчёт будет происходить с 255, а на выходе в сеть IP значение IP
TTL будет тем же, каким оно было до входа. [36].
Рисунок 1 - Заголовок MPLS
Особенности MPLS в том, что маршрутизаторы не смотрят во
внутренние заголовки пакета, ограничиваясь только анализом метки, это
позволяет создать сквозной канал независимо от того, что нужно передать
9
и поверх какой среды. Под заголовком MPLS могут быть любые
протоколы: IP, Ethernet, ATM. В настоящее время MPLS работает только
поверх IP-сетей. Одной из первоначальных идей технологии MPLS это
разделить два процесса Control Plane (построение пути, которое
происходит относительно долго) и Data Plane (быстрая передача трафика
по этому пути).
Каждому LSP в соответствие устанавливается некоторое множество
подсетей. Пакеты, которые предназначены этим подсетям, передаются
маршрутизатором по одному LSP. Множество подсетей, которому
установлено соответствие конкретному LSP, называется Forwarding
Equivalence Classes (FEC). Каждый пакет идентифицируется определенной
меткой, которая уникальна между соседними маршрутизаторами, которые
коммутируют по меткам (Label Switching Router, LSR). В каждом пакете
передается метка, а способ привязки этой метки к пакету зависит от
технологии канального уровня.
Маршрутизаторы LSR получает информацию о топологии сети с
помощью любых протоколов маршрутизации – OSPF, EIGRP, IS-IS.Далее,
взаимодействуя с соседними маршрутизаторами, он начинает распределять
метки, которые будут применяться для коммутации пакетов. Обмен
метками производиться с помощью протокола распределения меток – LDP
(Label Distribution Protocol) или модифицированы протоклов
маршрутизации, резервирования ресурсов RSVP и др.
На первом этапе с помощью рассылки мультикастовых UDP
сообщений маршрутизаторы устанавливают «соседство» (adjacency) друг с
другом в рамках протокола LDP. Протокол LDP может устанавливать
соседство не только для маршрутизаторов, принадлежащих одной
канальной среде, но и устанавливать «логическое соседство» между
удаленно разнесенными маршрутизаторами. После процедуры
установления соседства протокол LDP устанавливает транспортное
10
соединения между узлами поверх протокола TCP. По данному соединению
передается информация о метках. Помимо этого, участники соединения
периодически проверяют доступность друг друга, отправляя сообщения
keepalive message [27].
Распределение меток между LSR приводит к установлению внутри
домена MPLS путей с коммутацией по меткам (Label Switching Path, LSP).
Любой маршрутизатор LSR имеет таблицу, в которой указан интерфейс, с
которого пришел пакет и метка, с которой он пришел, а так же префикс
адреса получателя, исходящий интерфейс и исходящая метка. На
основании данной информации, получая пакет, LSR по номеру
интерфейса, на который пришел пакет, и по значению привязанной к
пакету метки определяет для него выходной интерфейс. Предыдущее
значение метки изменяется на новое, которое содержится в поле
«выходная метка» таблицы, и пакет отправляется к следующему
устройству на пути LSP.
Вся операция требует лишь одноразовой идентификации значений
полей в одной строке таблицы. Это занимает гораздо меньше времени, чем
сравнение IP-адреса отправителя с наиболее длинным адресным
префиксом в таблице маршрутизации, которое используется при
традиционной маршрутизации.
1.2. MPLS L3VPN
VPN – это технология, позволяющая объединить разрозненные
участки сети поверх другой сети (например, Интернет) и обеспечить
изоляцию трафика. В настоящее время существует множество технологий
VPN, таких как GRE, OpenVPN, L2TP и т.д. Данные протоколы возможно
использовать в провайдерском VPN, где одна и та же магистральная сеть
должна передавать данные нескольких клиентов. С помощью VRF (Virtual
Routing and Forwarding instance) появляется возможность изолировать
несколько клиентов, подключенных к одному маршрутизатору, даже если
11
они используют одинаковое пространство IP адресов. VRF – это
виртуальный маршрутизатор, который создается на аппаратном
маршрутизаторе (количество VRF ограничено вендором сетевого
оборудования). Таблицы маршрутизации, FIB, список интерфейсов и
прочие параметры на разных VRF не пересекаются, они строго
индивидуальны и изолированы. VRF локален для маршрутизатора, на
котором он создан, за его пределами VRF не существует.
Используя VRF можно настроить VPN между разными узлами сети,
для этого необходимо настроить одинаковые VRF на всех промежуточных
маршрутизаторах и осуществить правильную привязку к подинтерфейсам.
Данный способ не масштабируется, так как для организации нового VPN
соединения необходимо настроить новый VRF на каждом промежуточном
маршрутизаторе, новые интерфейсы, новое пространство IP-адресов и
новый процесс IGP/BGP.
В настоящее время используется технология MPLS L3VPN. В сетях
MPLS L3VPN доставка трафика от клиента до пограничного устройства
сети поставщика услуг осуществляется с помощью технологии IP (третий
уровень). С помощью данной технологии мы сможем избежать следующих
шагов:
1) Конфигурация виртуального маршрутизатора на каждом устройстве.
2) Конфигурация отдельных интерфейсов для каждого виртуального
маршрутизатора на каждом устройстве.
3) Конфигурация отдельных процессов IGP для всех виртуальных
маршрутизаторов на каждом устройстве.
4) Необходимость поддержки таблицы маршрутизации для каждого
виртуального маршрутизатора на каждом устройстве.
VPN BGP/MPLS - это технология L3VPN которую используют
провайдеры для организации VPN соединение. Для распространения