マルチプロトコル ラベル スイッチング

マルチプロトコル ラベル スイッチング( MPLS ) は、通信ネットワークにおけるルーティング技術であり、ネットワーク アドレスではなくラベルに基づいて、あるノードから次のノードにデータを転送します。 ^[1]ネットワーク アドレスはエンドポイントを識別しますが、ラベルはエンドポイント間の確立されたパスを識別します。 MPLS はさまざまなネットワーク プロトコルのパケットをカプセル化できるため、名前にマルチプロトコルの要素が含まれています。 MPLS は、 T1 / E1、ATM、フレーム リレー、DSLなど、さまざまなアクセス技術をサポートしています。

MPLS ネットワークでは、データ パケットにラベルが割り当てられます。パケット転送の決定は、パケット自体を調べる必要はなく、このラベルの内容のみに基づいて行われます。これにより、任意のプロトコルを使用して、任意のタイプのトランスポート メディアにエンドツーエンドの回線を作成できます。主な利点は、特定のOSI モデル データ リンク層(レイヤー 2) テクノロジへの依存を排除​​し、異なるタイプのトラフィックに対応するために複数のレイヤー 2 ネットワークを用意する必要がなくなることです。マルチプロトコル ラベル スイッチングは、パケット交換ネットワークのファミリーに属します。

MPLS は、一般に OSI レイヤー 2 (データ リンク層) とレイヤー 3 (ネットワーク層)の従来の定義の間に位置すると考えられている層で動作するため、レイヤー 2.5プロトコルと呼ばれることもあります。これは、回線ベースのクライアントと、データグラムサービス モデルを提供するパケット交換クライアントの両方に、統一されたデータ伝送サービスを提供するために設計されました。これは、IPパケットだけでなく、ネイティブの非同期転送モード(ATM)、フレーム リレー、同期光ネットワーク(SONET)、またはイーサネットなど、さまざまな種類のトラフィックを伝送するために使用できます。

フレームリレーや ATM など、本質的に同じ目的でこれまで導入されてきたさまざまなテクノロジがあります。フレームリレーと ATM は、ラベルを使用してフレームまたはセルをネットワーク経由で移動します。フレームリレー フレームのヘッダーと ATM セルは、フレームまたはセルが存在する仮想回線を参照します。フレームリレー、ATM、および MPLS の類似点は、ネットワーク全体の各ホップで、ヘッダーのラベル値が変更されることです。これは、 IP パケットの転送とは異なります。^[2] MPLS テクノロジは、ATM の長所と短所を考慮して進化してきました。MPLS は、可変長フレームに対してコネクション指向のサービスを提供しながら、ATM よりもオーバーヘッドが低くなるように設計されており、市場で ATM の使用の多くを置き換えています。^[3] MPLS は、ATM のセルスイッチングとシグナリングプロトコルの負担を省きます。MPLS は、現代の光ネットワークは十分に高速であるため、フルレングスの 1500 バイトのパケットでも、リアルタイムのキューイングによる大きな遅延が発生しないため、現代のネットワークのコアでは小さな ATM セルは不要であることを認識しています。^[a]同時に、MPLS は、大規模ネットワークの展開においてフレームリレーと ATM を魅力的なものにした トラフィックエンジニアリング(TE) と帯域外制御を維持しようとします。

• 1994年:東芝がIETF BOFにセルスイッチルータ(CSR)のアイデアを発表
• 1995年:ジョージ・ヴァルギースとギリッシュ・チャンドランメノンが、ラベルスイッチングの一形態であるスレッドインデックスに関する論文をACM SIGCOMM年次会議で発表した^[4]
• 1996年: Ipsilon、Cisco、IBMがラベルスイッチング計画を発表
• 1997年: IETF MPLSワーキンググループの設立
• 1999年: 最初のMPLS VPN (L3VPN) とTEの導入
• 2000: MPLSトラフィックエンジニアリング
• 2001年: 最初のMPLS RFC ( Request for Comments ) が発行されました^[5]
• 2002: AToM (L2VPN)
• 2004: GMPLS; 大規模L3VPN
• 2006年：大型TE「ハーシュ」
• 2007年: 大規模L2VPN
• 2009: ラベル スイッチング マルチキャスト
• 2011: MPLSトランスポートプロファイル

1996年にIpsilon Networksのグループがフロー管理プロトコルを提案した。^[6] ATM上でのみ動作するように定義された同社のIPスイッチング技術は、市場を独占することはなかった。Cisco Systemsは、 ATM伝送に限定されない関連提案として、タグスイッチング^[7]とタグ配布プロトコル(TDP)を導入した。^[8]これはCisco独自の提案であったが、ラベルスイッチングと改名された。これはオープン標準化のためにインターネット技術タスクフォース(IETF)に引き渡された。IETFは1997年にMPLSワーキンググループを結成した。作業には他のベンダーからの提案と、複数のベンダーの作業を組み合わせたコンセンサスプロトコルの開発が含まれていた。^[9]

その後しばらくして、Girish ChandranmenonとGeorge Vargheseによるスレッドインデックスに関する研究が、タグスイッチングの中心となる宛先プレフィックスを表すためにラベルを使用するというアイデアを発明したことが認識されました。^[10]

当初の動機の 1 つは、IP パケットを完全にハードウェアで転送するのは非現実的であると長い間考えられていたため、シンプルな高速スイッチを作成できるようにすることでした。VLSI と転送アルゴリズムの進歩により、 IP パケットのハードウェア転送が可能になり、一般的になっています。現在の MPLS の利点は、主に複数のサービス モデルをサポートし、トラフィック管理を実行できることにあります。MPLS は、同期光ネットワーク(SONET/SDH)のシンプルな保護リングを超える堅牢な回復フレームワーク^[11]も提供します。

MPLS は、1 つ以上のラベルを含む MPLS ヘッダーをパケットの先頭に付けることによって機能します。これをラベルスタックと呼びます。

ラベル スタックの各エントリには、次の 4 つのフィールドが含まれます。

ラベル: 20 ビット

値が 1 のラベルは、ルーターのアラート ラベルを表します。

トラフィッククラス (TC): 3 ビット

QoS（サービス品質）優先度とECN（明示的輻輳通知）のフィールド。2009年以前はこのフィールドはEXPと呼ばれていました。^[12]

スタックの底部 (S): 1 ビット

このフラグが設定されている場合、現在のラベルがスタック内の最後であることを示します。

存続時間 (TTL): 8 ビット

生きる時間。

これらの MPLS ラベル付きパケットは、IPルーティング テーブルの検索ではなく、ラベルに基づいてスイッチングされます。MPLS が考案されたとき、スイッチングはスイッチ ファブリック内で直接実行でき、CPU とソフトウェアの関与を​​回避できるため、 ラベル スイッチングはルーティング テーブルの検索よりも高速でした。

このようなラベルの存在はスイッチに通知されなければならない。イーサネットフレームの場合、これはそれぞれユニキャスト接続とマルチキャスト接続のEtherType値0x8847と0x8848を使用することで行われる。^[13]

ラベルのみに基づいてルーティングを実行する MPLS ルーターは、ラベル スイッチ ルーター( LSR ) またはトランジット ルーターと呼ばれます。これは、MPLS ネットワークの中間に位置するタイプのルーターです。パケットのルーティングに使用されるラベルの切り替えを担当します。

LSR はパケットを受信すると、パケット ヘッダーに含まれるラベルをインデックスとして使用し、ラベル スイッチ パス (LSP) 上の次のホップと、ラベル情報ベースからパケットに対応するラベルを決定します。その後、パケットが転送される前に、古いラベルがヘッダーから削除され、新しいラベルに置き換えられます。

ラベルエッジ ルータ(LER、エッジ LSR とも呼ばれる) は、MPLS ネットワークのエッジで動作し、ネットワークの入口と出口のポイントとして機能するルータです。LER は、着信パケットに MPLS ラベルをプッシュし^[b]、発信パケットからそれをポップします。または、最後から 2 番目のホップ ポップでは、この機能は LER に直接接続された LSR によって実行される場合もあります。

IP データグラムをMPLS ドメインに転送する場合、LER はルーティング情報を使用して適切なラベルを決定し、それに従ってパケットにラベルを付け、ラベル付けされたパケットを MPLS ドメインに転送します。同様に、MPLS ドメインから出るラベル付きパケットを受信すると、LER はラベルを取り除き、通常の IP 転送ルールを使用して結果の IP パケットを転送します。

MPLSベースの仮想プライベートネットワーク（VPN）の特定のコンテキストでは、VPNへの入力または出力ルータとして機能するLERは、プロバイダーエッジ（PE）ルータと呼ばれることがよくあります。トランジットルータとしてのみ機能するデバイスも同様にプロバイダー（P）ルータと呼ばれます。^[14] Pルータの仕事はPEルータの仕事よりもはるかに簡単です。

ラベルは、ラベル配布プロトコル（LDP）^[15]またはリソース予約プロトコル（RSVP）^[16]を使用して、LERとLSR間で配布できます。MPLSネットワーク内のLSRは、標準化された手順を使用してラベルと到達可能性情報を定期的に交換し、ネットワークの完全な画像を構築して、その情報を使用してパケットを転送できるようにします。

ラベル スイッチ パス (LSP) は、ネットワーク ベースの IP 仮想プライベート ネットワークを作成したり、ネットワーク内の指定されたパスに沿ってトラフィックをルーティングしたりするなど、さまざまな目的でネットワーク オペレータによって確立されます。多くの点で、LSP は、特定のレイヤー 2 テクノロジに依存しない点を除けば、ATM またはフレーム リレー ネットワークの 永久仮想回線(PVC) と変わりません。

ラベルなしパケットが入力ルータに入り、MPLSトンネルに渡す必要がある場合、ルータは最初にパケットの転送等価クラス(FEC) を決定し、次にパケットの新しく作成された MPLS ヘッダーに 1 つ以上のラベルを挿入します。その後、パケットはこのトンネルの次のホップ ルータに渡されます。

OSIモデルの観点から見ると、MPLSヘッダーはネットワーク層ヘッダーとリンク層ヘッダーの間に追加されます。^[17]

ラベル付きパケットが MPLS ルータによって受信されると、最上位のラベルが調べられます。ラベルの内容に基づいて、パケットのラベル スタックに対してswap、push ^[c]、またはpop ^[d]操作が実行されます。ルータには、受信パケットの最上位ラベルに基づいてどのような操作を行うかを示すルックアップ テーブルが事前に構築されているため、パケットを非常に迅速に処理できます。

• スワップ操作では、ラベルが新しいラベルと交換され、パケットは新しいラベルに関連付けられたパスに沿って転送されます。
• プッシュ操作では、新しいラベルが既存のラベルの上にプッシュされ、パケットが MPLS の別のレイヤーに効果的にカプセル化されます。これにより、MPLS パケットの階層ルーティングが可能になります。特に、これはMPLS VPNによって使用されます。
• ポップ操作では、ラベルがパケットから削除され、その下にある内部ラベルが明らかになる場合があります。このプロセスは、カプセル化解除と呼ばれます。ポップされたラベルがラベル スタックの最後のラベルだった場合、パケットはMPLS トンネルから出ます。これは、出力ルータまたは最後から 2 番目のホップで実行できます。

これらの操作中、MPLS ラベル スタックの下のパケットの内容は検査されません。実際、トランジット ルータは通常、スタックの最上位のラベルのみを検査する必要があります。パケットの転送はラベルの内容に基づいて行われるため、プロトコルに依存しないパケット転送が可能になり、プロトコル依存のルーティング テーブルを確認する必要がなくなり、各ホップでの コストのかかる IP最長プレフィックス マッチを回避できます。

出力ルータでは、最後のラベルがポップされると、ペイロードのみが残ります。これは、IP パケットまたは任意のタイプのパケットになります。したがって、出力ルータは、ラベル ルックアップ テーブルを使用せずにパケットを転送する必要があるため、パケットのペイロードのルーティング情報を持っている必要があります。MPLS トランジット ルータには、このような要件はありません。

通常^[e]、最後のラベルは最後から 2 番目のホップ (出力ルータの前のホップ) でポップオフされます。これは、最後から 2 番目のホップ ポッピング(PHP) と呼ばれます。これは、出力ルータが MPLS トンネルから出るパケットを多数持ち、これらの遷移に大量の CPU リソースを費やす場合に便利です。PHP を使用すると、この出力ルータに直接接続されたトランジット ルータは、最後のラベルを自分でポップすることで、効果的にオフロードします。ラベル配布プロトコルでは、この PHP ラベル ポップ アクションはラベル値 3 (暗黙の null) としてアドバタイズされ、ラベルがポップされることを意味するため、ラベル内には見つかりません。

エンドツーエンドのQoS管理^[18]や6PE ^[19]などのいくつかのMPLSサービスでは、最後から2番目のMPLSルータと最後のMPLSルータの間でもラベルを維持する必要があり、ラベルの配置は常に最後のMPLSルータで行われる、究極ホップポッピング（UHP）^{[20] [21]} 。いくつかの特定のラベル値は、この用途のために特に予約されています^{[22] [23]}。このシナリオでは、残りのラベルスタックエントリは、最後のホップに情報（QoS情報のトラフィッククラスフィールドなど）を伝達すると同時に、最後のホップに次の予約済みラベル値のいずれかを使用してラベルスタックをポップするように指示します。

• 0: IPv4の場合は明示的なヌル
• 2: IPv6の明示的なヌル

MPLS ヘッダーは、MPLS パス内で伝送されるデータのタイプを識別しません。同じ 2 台のルータ間で 2 つの異なるタイプのトラフィックを伝送し、コア ルータがタイプごとに異なる処理を行うには、トラフィック タイプごとに個別の MPLS パスが必要です。

ラベルスイッチパス (LSP) は、NMSまたはLDP、RSVP-TE、BGP (または現在は非推奨のCR-LDP )などのシグナリングプロトコルによって設定された MPLS ネットワーク経由のパスです。パスは FEC の基準に基づいて設定されます。

パスは LER から始まり、適切な FEC に基づいてパケットにプレフィックスを付けるラベルを決定します。次に、パケットはパス内の次のルータに転送され、そこでパケットの外部ラベルが別のラベルと交換されて、次のルータに転送されます。パス内の最後のルータは、パケットからラベルを削除し、次の層のヘッダー (たとえばIPv4)に基づいてパケットを転送します。LSP を介したパケットの転送は上位のネットワーク層に対して不透明であるため、LSP は MPLS トンネルと呼ばれることもあります。

パケットに最初に MPLS ヘッダーをプレフィックスとして付加するルータは、入力ルータと呼ばれます。パケットからラベルを取り出す LSP の最後のルータは、出力ルータと呼ばれます。ラベルの交換のみを必要とする中間のルータは、トランジット ルータまたはラベル スイッチ ルータ (LSR) と呼ばれます。

LSP は単方向であることに注意してください。LSP を使用すると、MPLS ネットワークを介してパケットを 1 つのエンドポイントから別のエンドポイントにラベル スイッチできます。通常は双方向通信が望ましいため、前述の動的シグナリング プロトコルは、反対方向に別の LSP を自動的に設定できます。

リンク保護を考慮すると、LSP はプライマリ (動作中)、セカンダリ (バックアップ)、およびターシャリ (最後の手段の LSP) に分類できます。

MPLSパスを管理するための標準化されたプロトコルは2つあります。ラベル配布プロトコル（LDP）と、トラフィックエンジニアリング用のリソース予約プロトコル（RSVP）の拡張であるRSVP-TEです。 ^{[24] [25]}さらに、 MPLSパスの管理に使用できるボーダーゲートウェイプロトコル（BGP）の拡張も存在します。 ^{[14] [26] [27]}

マルチキャストは、ほとんどの場合、MPLS設計において後付けでした。これは、ポイントツーマルチポイントRSVP-TEによって導入されました。^{[28]これは、MPLSを介してブロードバンドビデオを転送するという}サービスプロバイダーの要件 によって推進されました。

ハブ アンド スポーク マルチポイント LSP ( HSMP LSP ) も IETF によって導入されました。HSMP LSP は主にマルチキャスト、時間同期などの目的で使用されます。

MPLS は、インターネット プロトコル (IP) およびそのルーティング プロトコル (通常は内部ゲートウェイ プロトコル(IGP)) と連携して動作します。MPLS LSP は、トラフィック エンジニアリングのサポート、重複するアドレス空間を持つレイヤー 3 (IP) VPN の転送機能、さまざまなトランスポートペイロード ( IPv4、IPv6 、 ATM 、フレーム リレーなど)を転送できるPseudowire Emulation Edge-to-Edge (PWE3) ^{[29]を使用した}レイヤー2 疑似回線のサポートを備えた、動的で透過的な仮想ネットワークを提供します。MPLS 対応デバイスは LSR と呼ばれます。LSR が認識するパスは、明示的なホップバイホップ構成を使用して定義することも、制約付き最短パス優先(CSPF) アルゴリズムによって動的にルーティングすることも、特定の IP アドレスを回避するルーズ ルートとして構成することもできます。

純粋な IP ネットワークでは、パスが混雑している場合でも、宛先への最短パスが選択されます。一方、MPLS トラフィック エンジニアリング CSPF ルーティングを使用する IP ネットワークでは、通過するリンクの RSVP 帯域幅などの制約も考慮され、使用可能な帯域幅を持つ最短パスが選択されます。MPLS トラフィック エンジニアリングは、Open Shortest Path First (OSPF) またはIntermediate System to Intermediate System (IS-IS) および RSVP への TE 拡張の使用に依存しています。RSVP 帯域幅の制約に加えて、ユーザーはリンク属性と、特定の属性を持つリンクを介してルーティングする (またはルーティングしない) トンネルの特別な要件を指定することにより、独自の制約を定義することもできます。^[30]

エンドユーザーにとって、MPLS の使用は直接目に見えませんが、tracerouteを実行すると想定できます。完全なIP ルーティングを実行するノードのみがパス内のホップとして表示され、その間で使用される MPLS ノードは表示されません。したがって、パケットが非常に離れた 2 つのノード間でホップし、そのプロバイダーのネットワーク (またはAS ) で他のホップがほとんど見られない場合、そのネットワークは MPLS を使用している可能性が非常に高くなります。

IP層で回復メカニズムが採用されているネットワーク要素に障害が発生した場合、回復には数秒かかることがあり、これはVoIPなどのリアルタイムアプリケーションでは受け入れられない可能性があります。^{[31] [ 32] [ 33]}対照的に、MPLSローカル保護は、最短パスブリッジングネットワークまたは50ミリ秒未満のSONETリングに匹敵する回復時間で、リアルタイムアプリケーションの要件を満たしています。 ^{[31] [33] [34]}

MPLS では、ラベル付きフローを ATM またはフレーム リレーの仮想回線識別子にマッピングできるため、既存の ATM ネットワークまたはフレーム リレー インフラストラクチャを利用できます。また、その逆も可能です。

フレーム リレーは、既存の物理リソースをより効率的に使用することを目的としており、顧客がデータ サービスを 100 パーセント利用する可能性は低いため、通信会社(telcos) による顧客へのデータ サービスの不足を許容します。その結果、通信会社による容量の過剰サブスクリプションは、プロバイダーにとって経済的に有利である一方で、全体的なパフォーマンスに直接影響する可能性があります。

通信会社は、専用回線よりも安価な代替手段を探している企業にフレーム リレーを販売することが多かったのですが、さまざまな地域での使用は、政府や通信会社のポリシーに大きく依存していました。

多くの顧客がフレームリレーからIPまたはイーサネット上のMPLSに移行し、多くの場合コストが削減され、広域ネットワークの管理性とパフォーマンスが向上しました。^[35]

基盤となるプロトコルとテクノロジーは異なりますが、MPLS とATM はどちらも、コンピュータ ネットワーク間でデータを転送するための接続指向のサービスを提供します。どちらのテクノロジーでも、接続はエンドポイント間でシグナリングされ、接続状態はパス内の各ノードで維持され、接続を介してデータを伝送するためにカプセル化技術が使用されます。シグナリング プロトコル (MPLS の場合は RSVP/LDP、 ATM の場合はPNNI ) の違いを除けば、テクノロジーの動作には依然として大きな違いが残っています。

最も大きな違いは、転送とカプセル化の方法にあります。MPLS は可変長パケットを処理できますが、ATM は固定長 (53 バイト) セルを使用します。パケットは、アダプテーション レイヤーを使用して ATM ネットワーク上でセグメント化、転送、および再構成する必要があり、これによりデータ ストリームの複雑さとオーバーヘッドが大幅に増加します。一方、MPLS は、各パケットの先頭にラベルを追加して、ネットワーク上で送信するだけです。

接続の性質にも違いがあります。MPLS 接続 (LSP) は単方向で、2 つのエンドポイント間では 1 方向にのみデータが流れます。エンドポイント間で双方向通信を確立するには、LSP のペアを確立する必要があります。2 つの LSP が使用されるため、順方向に流れるデータは逆方向に流れるデータとは異なるパスを使用する場合があります。一方、ATM ポイントツーポイント接続 (仮想回線) は双方向で、同じパスで両方向にデータが流れます。^[f]

ATM と MPLS はどちらも、接続内の接続のトンネリングをサポートしています。MPLS はラベル スタッキングを使用してこれを実現しますが、ATM は仮想パスを使用します。MPLS は複数のラベルをスタックして、トンネル内にトンネルを形成できます。ATM 仮想パス インジケータ (VPI) と仮想回線インジケータ (VCI) は両方ともセル ヘッダーで一緒に伝送されるため、ATM は 1 レベルのトンネリングに制限されます。

MPLS が ATM より優れている最大の利点は、最初から IP を補完するように設計されていることです。最新のルーターは、共通のインターフェイスを介して MPLS と IP の両方をネイティブにサポートできるため、ネットワーク オペレーターはネットワークの設計と運用に非常に柔軟に対応できます。ATM は IP と互換性がないため、複雑な調整が必要になり、今日の IP が主流のネットワークには比較的適していません。

MPLS は、IETF によってRFC  3031 で標準化されています。2 つの施設から非常に大規模な展開までを接続するために導入されています。実際には、MPLS は主にIPプロトコル データ ユニット (PDU) と仮想プライベート LAN サービス(VPLS) イーサネット トラフィックを転送するために使用されます。MPLS の主な用途は、通信トラフィック エンジニアリングとMPLS VPNです。

MPLS はもともと、IP ネットワークで高性能なトラフィック転送とトラフィック エンジニアリングを実現するために提案されました。しかし、汎用 MPLS (GMPLS) に進化し、 SONET/SDH ネットワークや波長スイッチ光ネットワークなどの非ネイティブ IP ネットワークでも LSP を作成できるようになりました。

MPLSは、適切なルーティングプロトコルを使用することで、 IPv4とIPv6の両方の環境で使用できます。MPLS開発の主な目的は、ルーティング速度の向上でした。 [ ^{37 ]}この目標は、ASIC、TCAM、CAMベースのスイッチングなどの新しいスイッチング方法の使用により、 MPLSラベル付きパケットと同じ速度でプレーンIPv4を転送できるようになったため、もはや重要ではありません。 ^[39]そのため、現在、MPLSの主な利点^[40]は、制限されたトラフィックエンジニアリングと、レイヤー3またはレイヤー2のサービスプロバイダータイプのVPNをIPv4ネットワーク上で実装することです。^[41]

• 「マルチサービス ネットワーク向け IP および MPLS QoS の導入: 理論と実践」、John Evans、Clarence Filsfils 著 (Morgan Kaufmann、2007 年、ISBN 0-12-370549-5 ) 
• Rick Gallaher の MPLS トレーニング ガイド ( ISBN 1932266003 ) 

• MPLS ワーキング グループ、IETF。
• MPLS IP 仕様、ブロードバンド フォーラム。
• MPLS、RIPEの簡単な歴史