다중 프로토콜 레이블 스위칭

3. 동작 원리

MPLS는 OSI 모델의 계층 2(데이터 링크 계층)와 계층 3(네트워크 계층) 사이에 위치하여 "2.5 계층" 프로토콜이라고도 불린다. 통신 회선 기반 클라이언트와 데이터그램 서비스 모델을 제공하는 패킷 교환 클라이언트 모두에 대한 통합 데이터 전송 서비스를 제공하도록 설계되었다. IP 패킷, 비동기 전송 모드(ATM), 프레임 릴레이, 동기식 광 네트워크(SONET) 또는 이더넷 등 다양한 트래픽을 전송하는 데 사용될 수 있다.^[2]

MPLS는 ATM의 강점과 약점을 고려하여 발전했으며, ATM보다 오버헤드를 줄이면서 가변 길이 프레임에 대한 연결 지향 서비스를 제공한다. 최신 광 네트워크의 발전으로 인해 ATM 셀의 필요성이 줄어들었고, MPLS는 트래픽 엔지니어링(TE) 및 대역 외 제어를 보존하면서 ATM의 셀 스위칭 및 신호 프로토콜 부속물을 제거했다.^[3]

MPLS 전송에는 이더넷, 비동기 전송 모드(ATM), POS (Packet over SDH/SONET) 등의 데이터 링크 계층이 사용된다. ATM은 가상 회선 식별자를 사용하는데, 이는 MPLS 레이블의 원형에 해당한다. MPLS상에는 IP 패킷, 이더넷, PPP 등(클라이언트 프로토콜)이 전송된다. 이더넷, PPP 등의 다종 레이어 2 네트워크 구성 방법은 AToM(Any Transport over MPLS)이라고도 불린다.

MPLS 지원 통신 장치는 '''LSR''' (Label Switch Router, 레이블 스위치 라우터)이라고 불린다. MPLS 망 에지에 위치하는 장치는 '''LER''' (Label Edge Router, 레이블 에지 라우터)라고 부르며 구분하기도 한다.

MPLS에서는 라우팅과 포워딩이 구분되며, 라우팅에는 기존 IP 네트워크에서 사용되던 IGP (Interior Gateway Protocol), 내부 게이트웨이 프로토콜을 사용한다. 레이블 계층을 다층화하여 LSP를 다층화하는 것도 가능하다.

MPLS 개발 초기에는 IP 주소 기반 검색보다 MPLS 레이블 검색이 빠를 것이라는 계산이 있었지만, TCAM(삼치 연관 메모리) 이용으로 IP 주소 검색도 고정 시간 처리가 가능해져 고속 전송이라는 우위성은 없어졌다. 그러나 MPLS는 부가 기능에서 이점을 가진다.

3. 1. 레이블 스위칭

• 20비트 레이블 값. 값이 1인 레이블은 라우터 알림 레이블을 나타낸다.
• QoS 우선 순위 및 ECN(명시적 폭주 통지)를 위한 3비트 트래픽 클래스 필드.
• 1비트 바텀 오브 스택(bottom of stack) 플래그. 이 플래그가 설정되면 현재 레이블이 스택의 마지막 레이블임을 나타낸다.
• 8비트 TTL(Time to live) 필드.

• ''스왑'' 연산에서 레이블은 새 레이블로 교체되고 패킷은 새 레이블과 관련된 경로를 따라 전달된다.
• ''푸시'' 연산에서는 새 레이블이 기존 레이블 위에 푸시되어 패킷을 다른 MPLS 계층에 효과적으로 ''캡슐화''한다. 이는 MPLS 패킷의 계층적 라우팅을 가능하게 한다. 특히 MPLS VPN에서 사용된다.
• ''팝'' 연산에서는 패킷에서 레이블이 제거되어 아래의 내부 레이블이 나타날 수 있다. 이 프로세스를 ''디캡슐레이션''이라고 한다. 팝된 레이블이 레이블 스택의 마지막 레이블인 경우 패킷은 MPLS 터널을 ''벗어난다''. 이는 출구 라우터 또는 마지막 홉에서 수행될 수 있다.

3. 2. 레이블 스택

• 20비트 레이블 값.
• QoS 우선 순위 및 ECN(명시적 폭주 통지)를 위한 3비트 트래픽 클래스 필드.
• 1비트 스택 하단(bottom of stack) 플래그.
• 8비트 TTL(Time to live) 필드.

; 레이블(Label)

: 값이 1인 레이블은 라우터 알림 레이블을 나타낸다.

; 트래픽 클래스(Traffic Class, TC)

: QoS (서비스 품질) 우선 순위 및 ECN (명시적 혼잡 알림) 필드이다. 2009년 이전에는 이 필드를 EXP라고 불렀다.^[9]

; 스택 하단(Bottom of Stack, S)

: 이 플래그가 설정되면 현재 레이블이 스택의 마지막 레이블임을 나타낸다.

; 생존 시간(Time to Live, TTL)

: 생존 시간.

3. 3. 레이블 배포 프로토콜

4. 기능 및 응용

MPLS는 레이블 스위치 경로(LSP)를 구성하여 통신하며, OSI 7 계층 구조에서 "레이어 2.5"라고 불린다. 이더넷, 비동기 전송 모드(ATM), POS 등 다양한 데이터 링크 계층에서 동작하며, IP 패킷, 이더넷, PPP 등 다양한 클라이언트 프로토콜을 전송할 수 있다. 특히, AToM(Any Transport over MPLS)을 통해 다양한 레이어 2 네트워크를 구성할 수 있다.^[18]

EoMPLS(Ethernet over MPLS)를 이용하여 광역 이더넷 서비스를 구축하거나, MPLS 상에 인터넷 익스체인지(IX)를 실현하는 서비스도 가능하다. MPLS는 다음과 같은 주요 기능을 제공한다.^[18]

• 트래픽 엔지니어링 (TE): LSP를 통해 트래픽을 분산하여 네트워크 자원을 효율적으로 사용한다.
• 가상 사설망 (VPN): MPLS 네트워크 위에 서로 통신이 불가능한 여러 IP 네트워크를 구축하여 높은 기밀성을 유지하고 IP 주소 충돌을 방지한다.
• 서비스 품질 (QoS): LSP 단위로 대역폭 확보, 대역 제한, 우선순위 제어 등 다양한 QoS 제어를 수행한다.
• 장애 복구 (Fast Reroute): FRR 기능을 통해 50ms 이하의 빠른 장애 복구를 지원하여 실시간 애플리케이션에 적합하다.
• 멀티캐스트: P-MP(Point-to-Multi-Point) LSP를 구성하여 멀티캐스트 트래픽을 효율적으로 전송할 수 있다.

4. 1. 트래픽 엔지니어링 (TE)

4. 2. 가상 사설망 (VPN)

4. 3. 서비스 품질 (QoS)

4. 4. 장애 복구 (Fast Reroute)

4. 5. 멀티캐스트

5. GMPLS (Generalized MPLS)

다중 프로토콜 레이블 스위칭(MPLS)은 원래 IP 네트워크에서 고성능 트래픽 전달 및 트래픽 엔지니어링을 위해 제안되었다. 그러나 이는 일반화된 MPLS(GMPLS)로 발전하여 SONET/SDH 네트워크 및 파장 스위치 광 네트워크와 같은 비 IP 네트워크에서도 LSP 생성을 허용하게 되었다.

MPLS에서는 각 데이터그램 내에 레이블 스택이라는 명시적인 레이블 식별자를 기재한다. 라우팅이나 레이블 배포 등의 아키텍처는 SDH/SONET에서의 타임 슬롯 위치나, WDM 통신에서의 빛의 파장과 같은 "암묵적인 레이블"에도 적용될 수 있다는 생각 하에 GMPLS로 확장되었다. GMPLS는 MPLS를 내포하는 개념이다.

5. 1. GMPLS의 확장

6. IP와의 관계 및 비교

MPLS는 내부 게이트웨이 프로토콜(IGP)을 포함하여 인터넷 프로토콜(IP) 및 라우팅 프로토콜과 함께 작동한다. MPLS LSP는 트래픽 엔지니어링을 지원하고, 주소 공간이 겹치는 계층 3(IP) 가상 사설망(VPN)을 전송하며, 가상 회선 에뮬레이션 에지 투 에지(PWE3)를 사용하여 다양한 전송 페이로드(IPv4, IPv6, ATM, 프레임 릴레이 등)를 전송할 수 있는 계층 2 가상 회선을 지원하는 동적이고 투명한 가상 네트워크를 제공한다.^[18]

MPLS는 적절한 라우팅 프로토콜을 사용하여 IPv4 및 IPv6 환경 모두에서 존재할 수 있다. MPLS상에 전송되는 통신 프로토콜/포맷(클라이언트 프로토콜)으로는 IP 패킷, 이더넷, PPP 등이 있다. 이더넷, PPP 등의 다종의 레이어 2 네트워크를 구성하는 수법은 Any Transport over MPLS (AToM)이라고도 불린다.

EoMPLS (Ethernet over MPLS)에 의해 광역에서 이더넷 네트워크를 구성할 수 있기 때문에, 광역 이더넷 서비스의 백본으로 사용되는 경우도 있다. 또한, MPLS상에 인터넷 익스체인지(IX)를 실현하는 서비스도 실용화되어 있다.

MPLS를 지원하는 통신 장치는 '''LSR''' (Label Switch Router, 라벨 스위치 라우터)라고 불리며, MPLS망의 에지에 위치하는 장치는 '''LER''' (Label Edge Router, 라벨 엣지 라우터)라고 부르며 구분하기도 한다.

라벨 배포 전에는 I-BGP (BGP), OSPF, IS-IS, RIP 등의 IGP에 의해 MPLS 도메인 내의 라우팅 테이블이 모든 노드에서 일관성이 유지되고 있음을 전제로 한다. 도메인 내의 라우팅을 OSPF로 수행하고, 타 AS (자율 시스템) 등의 외부 도메인의 정보를 I-BGP에 의해 보더 라우터 간에 주고받는 것이 일반적이다.

6. 1. IP 라우팅과의 비교

6. 2. MPLS와 IP의 공존

7. 다른 기술과의 비교

프레임 릴레이는 통신 회사가 고객에게 데이터 서비스를 적게 제공하여 기존 물리적 자원을 더 효율적으로 사용하는 것을 목표로 했다. 이는 고객이 데이터 서비스를 전부 활용할 가능성이 낮기 때문이다. 통신 회사의 이러한 용량 과다 가입은 재정적으로 유리하지만, 전체 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있다.^[23]

비동기 전송 모드(ATM)와 다중 프로토콜 레이블 스위칭(MPLS)은 모두 컴퓨터 네트워크를 통해 데이터를 전송하기 위한 연결 지향 서비스를 제공한다는 공통점이 있다. 그러나 두 기술은 전송 및 캡슐화 방식, 연결의 특성, IP 지원 여부 등에서 차이를 보인다.^[2]

MPLS는 가변 길이 패킷을 사용하는 반면, ATM은 고정 길이(53바이트) 셀을 사용한다. MPLS는 각 패킷의 헤더에 레이블을 추가하여 네트워크로 전송한다.^[3]

MPLS 연결(LSP)은 단방향인 반면 ATM 가상 회선은 양방향이다.^[24] MPLS는 레이블 스태킹을 통해 터널 내 터널을 만들 수 있지만, ATM은 단일 레벨 터널링만 지원한다.

MPLS는 IP를 보완하도록 설계되어 최신 라우터에서 MPLS와 IP를 모두 지원하므로 네트워크 운영에 유연성을 제공한다. 반면 ATM은 IP와 호환되지 않아 오늘날의 IP 네트워크에는 적합하지 않다.^[3]

7. 1. 프레임 릴레이 (Frame Relay)

7. 2. ATM (Asynchronous Transfer Mode)

8. 관련 표준화 문서

MPLS와 관련된 주요 표준화 문서는 다음과 같다.

• RFC 3031 (다중 프로토콜 레이블 스위칭 아키텍처): MPLS의 아키텍처를 설명하고 있다. NHLFE(다음 홉 레이블 전달 항목), ILM(수신 레이블 맵), FEC(전달 등가 클래스) 등 MPLS를 구성하는 중요한 개념에 대한 설명이 이루어지고 있다.
• RFC 3032 (MPLS 레이블 스택 인코딩): 레이블 스택의 구조를 정의하고 있다.

8. 1. RFC 3031

8. 2. RFC 3032

• 레이블: 20비트의 레이블 값을 포함한다. 값이 1인 레이블은 라우터 알림 레이블을 나타낸다.
• TC (트래픽 클래스): 3비트로, QoS 우선 순위 및 ECN 필드이다. 2009년 이전에는 EXP라고 불렸다.^[9]
• S (스택 하단): 1비트로, 현재 레이블이 스택의 마지막 레이블임을 나타낸다.
• TTL (Time to Live): 8비트로, 생존 시간을 나타낸다.

참조

_[1] 웹사이트 What is Multiprotocol Label Switching (MPLS)? https://searchnetwor[...]
_[2] 서적 MPLS Fundamentals Cisco Press 2007
_[3] 서적 Applied Data Communications (A Business-Oriented Approach) Wiley 2004-01-12
_[4] 간행물 Trading Packet Headers for Packet Processing 1995-10
_[5] 학술지 Tag switching architecture overview
_[6] 웹사이트 IETF - Tag Distribution Protocol (draft-doolan-tdp-spec-00) https://tools.ietf.o[...] 1996-09
_[7] 웹사이트 Multiprotocol Label Switching (mpls) WG History https://datatracker.[...]
_[8] 서적 Computer Networks: A Systems Approach https://book.systems[...] 2022
_[9] 간행물 Multiprotocol Label Switching (MPLS) Label Stack Entry: "EXP" Field Renamed to "Traffic Class" Field https://tools.ietf.o[...] IETF 2009-02
_[10] 간행물 MPLS and VPN Architectures, Volume 1 Cisco Press 2002
_[11] 웹사이트 Savecall - MPLS http://www.savecall.[...] Savecall telecommunication consulting company Germany
_[12] 뉴스 Understanding MPLS Explicit and Implicit Null Labels https://www.networkw[...] 2018-03-13
_[13] 웹사이트 6PE FAQ: Why Does 6PE Use Two MPLS Labels in the Data Plane? https://www.cisco.co[...] 2018-03-13
_[14] 서적 Router security strategies : securing IP network traffic planes Cisco Press 2008
_[15] 웹사이트 Configuring Ultimate-Hop Popping for LSPs - Technical Documentation - Support - Juniper Networks https://www.juniper.[...] 2018-03-13
_[16] 학술지 MPLS Label Stack Encoding https://tools.ietf.o[...] 2018-03-13
_[17] 학술지 Removing a Restriction on the use of MPLS Explicit NULL https://tools.ietf.o[...] 2018-03-13
_[18] 서적 MPLS Fundamentals Cisco Press
_[19] 간행물 NPP: A Facility Based Computation Framework for Restoration Routing Using Aggregate Link Usage Information http://cat.inist.fr/[...] 2005-02-02
_[20] 간행물 IEEE International Conference on Communications, 2005. ICC 2005. 2005
_[21] 간행물 Routing bandwidth guaranteed paths with local restoration in label switched networks
_[22] 간행물 Proceedings IEEE INFOCOM 2001. Conference on Computer Communications. Twentieth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Society (Cat. No.01CH37213)
_[23] 웹사이트 A Study on Any Transport over MPLS (AToM) http://www.icact.org[...] 2020-02-05
_[24] 문서 ITU-T I.150 3.1.3.1
_[25] 뉴스 Is MPLS faster? https://www.802101.c[...] 2017-08-05
_[26] 서적 Advanced MPLS design and implementation Cisco Press 2002
_[27] 웹사이트 An Informal Guide to the Engines of Packet Forwarding https://forums.junip[...] 2018-12
_[28] 웹사이트 MPLS for Dummies https://archive.nano[...] 2010-06-13
_[29] 서적 Juniper JNCIA Study Guide http://www.surfer.ma[...] Wiley 2003-06
_[30] 서적 Foundations of modern networking : SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud https://www.worldcat[...] 2016