* about Network..

MPLS[각주]

1) 네트웤속도를 높이고 관리적 용이성을 위한 IETF 표준기술임.
2) 데이타정보를 나타내는 라벨을 부착하여 최적경로를 선택함.
3) 레이블스위칭으로 고속전송이 가능하고 부가서비스도 가능함.
4) LER(종단라우터), LSR(스위칭라우터)로 망구성됨.
5) LER에서 IP패킷을 수신하여 라벨을 부착 LSP를 결정함.
6) LSR에서 부착된 라벨 패킷을 받아 라우팅 처리함.
7) 다양한 종류의 링크계층 프레임 헤더 다음에 삽입이 가능함.
8) 프레임릴레이는 헤더에 있는 DLCI영역을 레이블로 사용 가능함.
9) ATM은 VPI/VCI영역을 레이블로 사용이 가능함.
10) 다양한종류의 링크계층 활용이 가능하여 멀티프로토콜이라 함.

[/각주]

Multiprotocol Label Switching (MPLS)의 등장 배경과 장점

현재 코어 IP 네트워크를 구성하는 방법은 크게 두 가지가 있다. (1) 기존의 IP 데이타그램 라우터들로 구성-코어와 에지 모두 라우터로 구성 (순수 라우터 기반 구조)  (2) ATM 교환기로 코어 네트워크를 구성하고 그 위에(또는 에지에) 데이타그램 라우터를 두는 오버레이 모델로 구성하는 하는 것이다.

기존의 IP 백본 네트워크(대략, 1996년까지)은 (1)의 구조로 이루어져 있었으며, 여기서의 라우팅 파라다임은 네트워크내의 모든 라우터에서 매 패킷마다 Layer 3 packet forwarding (LPM) 기능을 수행하였다. 기존의 라우터는 소프웨어 기반으로 패킷의 Next-hop을 찾으므로, 네트워크 링크 속도가 증가하면서 이 포워딩 기능이 전체 네트워크의 성능 저하의 주된 요소가 되었다.

그래서, 대안으로 출현한 구조가 총 세 가지이다.

첫번째는 제일 먼저 나온 구조로 IP over ATM 오버레이 구조이다(대략, 1997-98년). 위의 (2).
(IP/ATM/SONET)

두번째는 (1)구조를 그대로 가면서(즉, 모든 라우터가 매 패킷마다 Layer 3 packet forwarding 수행), 문제가 되었던 라우터의 성능을 대폭 향상시키는 방안이다. 즉, 라우터의 패킷 포워딩 성능을 향상시키기 위해서 고속의 프러세서, 메모리, 스위칭 패브릭을 사용하고, 효율적인 LPM 알고리즘을 적용하고, 포워딩 엔진을 ASIC화하여 라우터의 포워딩 및 교환 능력을 몇 order 정도 향상시키는 방안이다. 98년부터 이러한 고속 라우터가 출시되기 시작하였으며 99년에는 많은 상용 ISP 네트워크에 설치되고 있다.
(IP/L2, or IP/SONET)

세번째는 바로 MPLS로 IP 백본 네트워크의 코어 라우터의 기능을 단순화시키는 접근 방법이다. 즉, 비연결-지향형 IP 네트워크에 연결-지향적인 미케니즘을 도입한 것이다.
(IP/MPLS/L2)
                        < Data forwarding >                          < Core Signaling >
---------------------------------------------------------------------------------------------
                  Edge                      Core
---------------------------------------------------------------------------------------------
IP over ATM       L3(IP)              L2(ATM, PVC/SVC, 연결지향)     PVC or ATM signaling
고속 라우터       L3(IP)              L3(IP, per-hop 라우팅)              -
MPLS               L3(IP)                L2(LSP, 연결지향)                   LDP
---------------------------------------------------------------------------------------------

그림 1. 순수 라우터기반 인터넷 백본 구조

그림 2. IP over ATM overlay 구조

그림 3. 고속 라우터의 등장

MPLS의 장점을 기술하기 위해서 먼저 MPLS의 대안(경쟁) 기술에 대해 알아보고, 이들과 MPLS를 상대적으로 비교함으로써 MPLS가 가져다주는 여러가지 이득에 관해 알아본다. 따라서, 이 글은 두 부분으로 나누어 지는 데, 첫번째는 순수 라우터 기반 네트워크(pure datagram routed network)와 비교했을 때 MPLS의 장점을 기술하고 두번째는 IP over ATM 오버레이 네트워크와 비교했을 때 MPLS의 장점에 대해 알아본다. 두번째 내용은 MPLS의 등장 배경과 장점 (2)에서 기술한다.

들어가기전에 MPLS네트워크의 라우팅 파라다임을 간단하게 알아보자. (후에 자세히 기술함.)

그림 4에서 보이듯이, MPLS 네트워크는 MPLS 네트워크의 에지에 위치하여 non-MPLS 네트워크와 연동하는 LER (Label Edge Router)와 MPLS 네트워크의 코어에 위치하는 LSR (Label Switch Router)로 이루어 진다.

Ingress LER은
(1) non-MPLS 네트워크로부터 전달되어 오는 패킷의 헤더(destination IP address, 등)를 분석하여 이 패킷이 전달될 LSP (Label Switched Path)를 결정한다.
(2) 해당 outgoing interface(Layer 2)에 따라 패킷을 인캡슐레이션한다(링크계층에 따라 다른 포맷의 레이블을 부착).

LSR은 LER로부터 레이블화된 패킷이 들어오면 그 레이블만 검사하여, 레이블값을 바꾸고 정해진 outgoing interface로 전달한다. 이 과정은 ATM 교환기에서 VPI/VCI 테이블을 룩업하여 셀을 교환하는 과정과 동일하다. (또한 ATM에서 VPI/VCI 룩업 테이블을 ATM signaling protocol이 생성하듯이 MPLS에서는 LDP 프로토콜이 룩업 테이블 (LIB: Label Information Base)를 생성한다.

Egress LER에서는 도착한 패킷에서 레이블을 제거하고 그 패킷의 목적지로 패킷을 전달한다.

이같은 과정에서 알 수 있듯이, MPLS 네트워크에서는 LSP의 종단점에 해당하는 LER에서는 Layer 3 apcket forwarding이 수행되고 코어의 LSR에서는 Layer 2 forwarding (스위칭) 기능을 수행하게 된다.

이 때, LER과 LSR에서 룩업 테이블은 LDP (Label Distribution Protocol) 프로토콜이 생성해준다. 이 과정은 추후 자세히 기술한다.

순수 라우터 기반 네트워크(pure datagram routed network)에 대한 MPLS의 장점
(Benefits Relative to Use of a Router Core)

포워딩 구조의 단순화 (Simplified Forwarding)

기존의 라우터에서는 도착 패킷마다 도착 패킷의 Next-hop(근까, 목적지로 가기 위해 경유해야 하는 다음 라우터)를 알아내기 위해, IP address lookup을 수행하는 데, 이 때 각 패킷의 destination address prefix의 길이가 제각각 다르므로(CIDR의 사용으로 인해), 라우팅 테이블의 엔트리중에서 prefix가 가장 길게 매칭되는 엔트리를 찾아야 한다. 이 과정을 Longest Prefix Matching이라고 하며 긴 시간이 소요된다.
그러나 레이블 교환 방식은 가변길이의 긴 prefix로 LPM을 수행할 필요없이, 짧고 고정된 길이의 레이블에 대한 Exact match를 찾으면 되므로 패킷 포워딩 파라다임이 지극히 단순하고(마치 ATM과 똑같이 되고) 지극히 짧은 시간(보통, nsec)에 수행된다.
또한 MPLS에서 사용되는 레이블 헤더는 IP 헤더보다 훨씬 단순하다. 이로인해 기존의 라우터의 경우에 존재하던 IP 헤더 처리에 소요되는 시간을 없애준다.

Efficient Explicit Routing

Explicit routing(Source Routing이라고도 함: source-여기서는 ingress LER-에서 destination-egress LER까지 망내 경로를 명시적/인위적으로 지정해줄 수 있는 기능)은 앞으로 다양한 목적으로 사용될 수 있는 매우 강력한 기술이다. 물론 순수한 데이타그램 라우팅에서도 이러한 기능은 지원된다. 이러기 위해서는, 각 패킷에 도착지까지의 모든 라우트를 실어야 하는 데 이는 아래 그림에서 보듯이 오버헤드가 너무 크다.

그림 5. IP packet format: IP 헤더 + route

MPLS에서는 이 explicit route(명시 경로)를 LSP를 설정할 때 한번 전달하면 되고 명시된 대로 LSP가 설정되면 그 다음부터는 IP 패킷을 그대로 보내면 되므로 실질적으로 의미있는 explicit routing을 구현할 수 있다.

Traffic Engineering

트래픽 엔지니어링이란 트래픽을 네트워크상-많은 링크, 스위치, 라우터들-에 골고루 분산시키도록 트래픽을 경로를 제어해주는 기술을 의미한다. 특히, 네트워크내의 두 지점간에 복수개의 경로(또는 대체 경로)가 존재하는 경우 트래픽 엔지니어링은 큰 의미를 갖는다.
인터넷의 급속한 성장으로, 몇몇 코어 네트워크(ISP 백본망)는 이 급증하는 IP 트래픽에 대처하기 위해 자신들의 망내에 라우터와 전송 링크를 증설하고 있다. 이로 인해 ISP 백본망은 노드와 링크 측면에서 확장되고 있으며 따라서 망내에 수 많은 대체 경로가 존재하게 되었다. 이런 측면이 트래픽 엔지니어링의 필요성과 중요성을 더욱 부각시키고 있다.

그렇다면, 지금까지는 트래픽 엔지니어링 기술이 상용서비스망에서 적용되지 않았던 새로운 기술인가? 그렇지 않다. 오늘날 많은 ISP망이 IP over ATM 오버레이 모델을 취하고 있다. 즉, 코어에 고속 ATM 교환기를 배치하고 에지에(또는 위에) IP 라우터를 두는 구조이다. 이 라우터간에 연결성은 ATM PVC로 제공되며, 각 에지 라우터는 ATM PVC full-mesh의 형태로 연결되며 모든 라우터가 다른 라우터와 1-hop(layer 3)으로 연결된다.
ISP 네트워크 설계자/관리자는 각 라우터간에 ATM PVC를 설정할 때 ATM 네트워크에 부하가 골고루 분산되도록 (많이) 신경써서 설정한다. 근까, 현재도 트래픽 엔지니어링 기술은 적용되고 있는 것이다.

순수 라우터 기반 네트워크에서는 트래픽 엔지니어링을 구현하기란 여간 어려운게 아니다. 어느 정도의 부하 균등화 (load balancing)는 네트워크 링크와 관련된 메트릭(라우팅 알고리즘에서 사용됨.)을 조절하여 제공될 수는 있다. 그러나, 이런 식으로 트래픽을 다양한 링크로 분산시키기에는 한계가 있고, 특히, 대체 경로가 무지 많은 대규모 네트워크에서, 어느 두 지점간에 이러한 메트릭값을 조절하여 부하 균등 분산 효과를 얻는 것을 매우 어렵다. (이게 다 라우팅 알고리즘때문에 그렇다. 근까, OSPF처럼 최단 경로로 무조건 패킷을 포워딩하는 비지능성때문!) 이 예가 그림 7에 나타나 있다.

(a)

(b)

그림 7 IGP의 문제점

그림 8. Explicit LSP 설정을 통한 트래픽 엔지니어링 예

근데, MPLS에서는 그림6에서처럼 Explicit routing기능을 갖고 있어 홉수는 더 많더라도 다른 대체 경로를 선택할 수 있다. 그림 8처럼 LSP를 ingress LER이 설정하여 네트워크 자원은 효율적으로 쓰면서 사용자에게는 더 좋은 서비스(delay,loss 등의 측면에서, 근까, 한마디로 빠르게 해준다.)를 제공해줄 수 있게 된다.

IP 패킷과 FEC의 매핑(Mappings from IP Packet to Forwarding Equivalence Class)

MPLS에서는 IP 패킷을 FEC로 딱 한번만, MPLS망의 유입부(ingress LER)에서, 매핑해주면 된다.
이 것이 얼마나 편한 건지 한 번 예를 들어 생각해 보자. 어떤 ISP가 차등화 서비스(differentiated services)에 가입한 고객에게 그렇지 않은 'best effort service'를 쓰는 사용자와 어떻게 서비스를 차별화 시켜줄 것인가? ISP 망이 순수 라우터 기반 네트워크인 경우에 차별화 서비스를 제공하려면, 일단 라우터가 도착하는 패킷들이 차등화 서비스에 가입한 고객이 보낸 패킷인지 아닌지를 구분해낼 수 있어야 한다. 알아야 서비스를 해주니까. 이를 위해서 도착 패킷의 source and destination IP address(L3), incoming interface, 또 필요하면 source and destination port number(L4) 등을 살펴봐야 되고 그럴려면 엄청난 량의 패킷 필터(packet filter or classifier)가 필요하다. 근데, 중요한 것은 이 패킷 필터링 기능(도착 패킷이 중요한 패킷인지 아니지를 식별해내는 기능)이 네트워크내의 모든 라우터에서 필요하다는 것이다. 라우터는 hop-by-hop개념으로 패킷을 포워딩하니까, 이전 라우터에서 그 패킷이 특별 대접을 받았다고 해도 다음 라우터에서는 이 패킷이 특별 대접을 해줘야 할 놈인지 아닌지는 모른다. 근까, 모든 라우터에 패킷 필터링 기능이 포함되어 있어야 종단간에 서비스 품질이 보장될 수 있다.
 
 

[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