[IT키워드] MPLS
[전자신문 2004-12-21 09:23]
MPLS는 ‘Multiprotocol Label Switching’의 약자로 데이터 패킷에 IP 주소 대신 별도의 라벨을 붙여 스위칭 및 라우팅하는 기술이다.
패킷이 발생하면 기존 라우터 기반의 백본에서는 라우터가 IP를 보고 패킷을 전달했으나, MPLS 네트워크에서는 레이어2 기반의 라벨을 보고 스위칭한다. 즉 소프트웨어 기반 처리를 라벨을 읽음으로써 하드웨어 기반 처리로 바꾸면서 고속 스위칭을 가능케 했다.
MPLS는 다양한 프로토콜을 수용하기 때문에 IP망은 물론 ATM, 프레임 릴레이에도 적용할 수 있다. 이로써 각 네트워크에서 오는 트래픽을 융합해 단일 네트워크로 결합함으로써 운영비를 절감할 수 있다.
주로 가상사설망(VPN)에 적용되며 기존 IP가 지원하기 힘든 서비스품질(QoS) 지원 및 확장성도 뛰어나다. 반면 MPLS를 적용하려면 모든 백본망의 라우터를 최상위 기종으로 업그레이드해야 한다는 점이 단점으로 지적된다.
MPLS란 무엇인가?
1 MPLS의 등장 배경
기존의 IP 백본 네트워크는 IP 데이터그램 라우터들로 구성(코어와 에지 모두 라우터로 구성)하여 순수 라우터 기반 구조로 이루어져 있었으며, 여기에서의 라우팅 구조는 네트워크 내의 모든 라우터에서 매 패킷 마다 Layer 3 packet forwarding 기능을 수행. 기존의 라우터는 소프트웨어 기반으로 패킷의 Next-hop을 찾으므로, 네트워크 링크 속도가 증가하면서 이 포워딩 기능이 전체 네트워크 성능 저하의 주된 요소가 됨 .
MPLS(Multi-Protocol Label Switch, IETF) 기술은 기존의 라우팅 방식을 기반으로 ATM의 고속 멀티 서비스 교환 기능을 결합하여 IP 패킷을 전달하는 방식으로 대규모의 망에서 고속의 데이터 전송과 QoS(Quality of Service) 등의 기능 제공을 목적으로 제시패킷 전달을 고속화하기 위해 ATM이나 Frame Relay와 같은 Layer 2의 교환 기술을 사용하고, 망의 확장성을 제공하기 위해서 Layer 3의 라우팅 기능을 접목한 Layer 3 스위칭 기술의 일종. 이런 MPLS에서는 짧고 고정된 길이의 레이블을 기반으로 패킷을 전송하는 레이블 교환(Label Switching) 방식을 이용 그러므로 IP 패킷을 목적지까지 전송하기 위해 필요한 IP 헤더 처리 과정이 모든 홉에서 수행될 필요 없이 MPLS 망에 진입하는 시점에서 단 한 번만 수행된다. 그리고 이 시점에서 IP 패킷이 하나의 레이블로 매핑됨으로써 스위칭 기술을 이용한 고속의 Layer 2 데이터 전송이 이루어지며, 경우에 따라서 Traffic Engineering이나 VPN(Virtual Private Network)과 같은 다양한 부가 서비스도 제공 .
▣ 기존의 IP Routing과 MPSL
◎ IP Header Processing
라우터에서 IP packet을 다음 hop으로 전송하기 위해서는 TTL, Checksum, Routing Table Lookup 등 IP Header 내의 많은 처리 과정이 필요
◎ Longest Prefix Matching
IP packet을 전송하기 위해 다음 hop을 찾는 과정에서 Longest Prefix Matching 방식을 사용함으로써 등록된 Routing Table에 따라 Routing Table Lookup 과정이 지연
◎ Hop-by-Hop Forwarding
Data를 전송지부터 목적지까지 전달하기 위해 거쳐야 하는 모든 Hop에서 IP Header 처리 및 Longest Prefix Matching 방식을 이용한 Routing Table Lookup 과정을 수행해야 하기 때문에 고속 Data 전송에 부적합
◎ Best Effort Service
현재 인터넷 망에서는 모든 패킷을 Routing Protocol이 정한 경로에 따라 라우터에서 동일하게 처리하는 Best Effort Service만을 제공하고 있기 때문에 전송 지연 또는 패킷 손실에 대한 보장 처리를 수행하기 어려움
◎ Traffic Engineering
Routing Protocol에 의해서 결정된 전송 경로를 기반으로 LSP(Label Switching Path)를 설정하도록 되어 있으나 네트워크 관리자가 선택적으로 Explicit Route를 설정할 수 있는 기능과 함께 LSP 설정시 망 자원을 적절히 할당할 수 있는 기능을 제공함으로써 Traffic Engineering 기능 수행 가능
◎ Virtual Private Network
현재 ISP (Internet Service Provider)에 의해서 제공되는 VPN은 PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), L2F (Layer 2 Forwarding), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol)과 같은 별도의 터널링 프로토콜을 제공해야 함. 하지만 MPLS에서는 LSP에서 이용되는 레이블과 VPN 식별자 정보를 맵핑시킴으로써 쉽게 VPN 서비스의 제공이 가능
◎ Multi-Protocol Support
MPLS에서는 Layer 3 프로토콜과 Routing Protocol을 기반으로 특정 FEC*를 식별하기 때문에 IPv4, IPv6, AppleTalk, DECnet 등 다양한 네트워크 계층 프로토콜을 지원. 또한 ATM, Frame Relay, Packet-Over-SONET, Ehternet 등 모든 Layer 2 프로토콜에서 제공될 수 있기 때문에 특정 링크 계층 프로토콜에 의존하지 않음
◎ FEC(Forwarding Equivalance Class)
동일한 방식으로 Forwarding 되는 IP(Layer 3) 패킷들의 그룹
- 동일 경로상으로 라우팅 되는 동일 서비스 등급에 속한 패킷들의 집합 Destination address prefix는 다르지만 MPLS 망 내에서 공통의 경로로 매핑되는 IP(Layer 3) 패킷들의 집합
그림 MPLS 네트워크 구조
◎ MPLS의 네트워크 구조와 패킷 전달
MPLS 네트워크는 MPLS 네트워크의 에지에 위치하여 non-MPLS 네트워크와 연동하는 LER (Label Edge Router)와 MPLS 네트워크의 코어에 위치하는 LSR (Label Switch Router)로 구성
◎ Ingress LER.
- non-MPLS 네트워크로부터 전달되어 오는 패킷의 헤더(destination IP address등)를 분석하여 이 패킷이 전달될 LSP (Label Switched Path)를 결정
- 해당 outgoing interface(Layer 2)에 따라 패킷을 인캡슐레이션(링크계층에 따라 다른 포맷의 레이블을 부착)
◎ LSR
- LER로부터 레이블화된 패킷이 들어오면 그 레이블만 검사하여, 레이블값을 바꾸고 정해진 Outgoing Interface로 전달(ATM 교환기에서 VPI/VCI 테이블을 검색하여 셀을 교환 하는과정과 동일)
- ATM에서 VPI/VCI 검색 테이블을 ATM Signaling Protocol이 생성 하듯이 MPLS에서는 LDP 프로토콜이 룩업 테이블(LIB: Label Information Base)를 생성
◎ Egress LER
- Egress LER에서는 도착한 패킷에서 레이블을 제거하고 그 패킷의 목적지로 패킷을 전달
MPLS 네트워크에서는 LSP의 종단점에 해당하는 LER에서는 Layer 3 packet forwarding이 수행되고 코어의 LSR에서는 Layer 2 forwarding (스위칭) 기능을 수행. 이 때, LER과 LSR에서 검색 테이블은 LDP (Label Distribution Protocol) 프로토콜이생성
▣ Label 패킷 전달
1. MPLS 도메인 내에서 각 노드들은 OSPF (Open Shortest Path First)나 BGP (Border Gateway Protocol)을 이용 LER과 LSR은 라우팅 테이블을 유지
2. MPLS signaling Protocol의 하나인 LDP (Label Distribution Protocol)는 도메인 내 인접 라우터 간에 레이블을 설정하기 위한 정보를 주고 받거나 (FEC)스트림과 레이블 간 매핑 정보를 인접된 라우터 간에 공유하는데 이용
3. MPLS 도메인의 ingress LER에 패킷이 도착하면, LER은 착신지, QoS 등에 기반을 두고 패킷 헤더에 레이블을 붙여, LSP를 설정하고 LSP를 통해 LSR로 패킷을 forwarding
4. 레이블을 부착한 패킷은 egress LER에 도착할 때까지 네트워크 계층의 패킷 헤더를 해석할 필요가 없으며, 레이블을 통해 forwarding. 즉, ingress와 egress LER에서만 L3 정보를 이용하고, LSR에서는 단순히 부착된 레이블에 따라 계층 2에서 패킷을 전달
5. 코어인 LSR에서는 각 패킷의 레이블을 읽고 자신이 유지하고 있는 라우팅 테이블의 목록에 따라 레이블을 새로운 레이블로 변환하여 패킷을 다음 노드로 전달. 이와 같은 과정이 LSR간에 반복되며 LSR에서 forwarding된 패킷을 수신한 egress LER은 레이블을 제거한 후, 패킷의 헤더를 읽고 최종 착신지에 패킷을 전달
▣ MPLS의 구성 기능
Forwarding Component
MPLS에서 레이블은 특정 전송 경로로 전송되는 패킷들의 집합을 나타내는 FEC와 맵핑되며, 이러한 패킷들의 집합은 라우팅 프로토콜에 의해서 생성된 라우팅 테이블의 항목으로 구분된다. 짧고 고정된 길이의 레이블을 기반으로 고속 데이터 전송 기능을 수행하는 MPLS의 전송 요소 (Forwarding Component)는 다음의 두 가지 요소로 나뉘어진다.
◎ Short Exact Matching
MPLS에서는 데이터 전송시 다음 홉을 찾는 과정에서 기존의 longest prefix matching 방식 대신 짧고 고정된 길이의 레이블을 인덱스로 이용하는 short exact matching 방식을 사용함으로써 테이블 룩업 과정을 하드웨어적으로 구현할 수 있도록 한다. 그러므로 고속의 테이블 룩업을 가능하도록 한다.
◎ Label Swapping
특정 전송 경로를 통해서 전달될 데이터에 붙어 있는 입력 레이블을 출력 레이블로 교환하고 전송하는 방식을 레이블 교환 방식이라고 하며, 고속의 제 2 계층 스위칭 기술을 이용함으로써 고속의 데이터 전송을 가능하도록 한다. MPLS에서는 레이블을 이용한 데이터 전송 기능을 수행할 수 있는 시스템을 LSR (Label Switch Router), 그리고 특정 FEC로 전송되기 위한 경로를 LSP (Label Switched Path)라 한다.
Control Component
MPLS의 전송 경로는 RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Boarder Gateway Protocol)와 같은 기존의 라우팅 프로토콜에 의해서 생성된 라우팅 정보에 따라서 결정된다. 이렇게 결정된 전송 경로를 통해서 LSP를 생성/유지/해제하는 기능을 수행하는 MPLS의 제어 요소 (Control Component)는 다음의 두 가지 요소로 나뉘어진다.
◎ Label Assignment
라우팅 프로토콜에 의해서 결정된 전송 경로를 특정 레이블로 맵핑시키는 과정을 레이블 할당이라고 한다. 레이블 할당은 크게 다음의 두 가지 방식으로 나뉘어진다
- Traffic driven Label Assignment 특정 FEC에 속한 첫 번째 패킷이 도착하는 시점에서 레이블을 할당하는 경우로써 레이블의 할당 및 분배가 데이트 트래픽의 특성에 의존한다.
- Control driven Label Assignmen 특정 FEC에 속한 패킷이 도착하기 전에 레이블을 할당하는 경우로써 라우팅 프로토콜에 의해서 패킷이 전달되는 경로를 결정하고 이 경로에 대해서 레이블을 할당하는 방식이다.
◎ Label Distribution
특정 전송 경로에 할당된 레이블을 이웃한 LSR이 인식하여야만 레이블 교환 방식에 의해서 고속 데이터 전송을 수행할 수 있기 때문에 레이블과 전송 경로를 함께 알려주어야 하며, 이와 같이 특정 방법에 의해서 할당된 레이블을 이웃 LSR에게 알려주는 일련의 과정을 레이블 분배라고 한다. 레이블 분배는 크게 다음의 두 가지 방식으로 나뉘어진다.
- Explicit Label Distribution 레이블 분배를 위해 새로운 프로토콜을 정의하는 방식으로써 현재 IETF에서 표준화가 진행중인 LDP (Label Distribution Protocol)가 본 방식에 속한다.
- Piggybacking on other control Message 레이블 분배를 위해 새로운 프로토콜을 정의하는 대신 현재 망에서 사용하고 있는 OSPF, BGP, PIM(Protocol Independent Multicast)과 같은 라우팅 프로토콜이나 RSVP(Resource ReSerVation Protocol)와 같은 신호 프로토콜의 일부를 수정하여 제어 정보와 함께 레이블 정보를 분배할 수 있도록 하는 방식이다. 현재 IETF에서 표준화가 진행중인 RSVP extension이 본 방식에 속한다.
