Multi-Protocol Label Switching

MPLS（Multi-Protocol Label Switching）とは

MPLS（マルチプロトコルラベルスイッチング）は、IETFによって開発された、広域IPネットワーク（WAN）などでパケットを効率的に転送するためのプロトコルです。パケットに32ビットのラベルを付加することで、ネットワークの効率を向上させ、ルーターが事前に定義されたルートに基づいてパケットを転送できるようにします。この技術は、フレームやパケットの先頭に識別子（ラベル）を追加して転送することで、通信の高速化や機能の追加を可能にします。

当初はルーターによるパケット転送処理の高速化を目的としていましたが、ハードウェアの進化により高速化の利点は薄れ、現在では様々な機能を実現するための手段として注目されています。MPLSによって実現される機能には、Virtual Private Network (VPN) や Quality of Service (QoS) などがあります。

MPLSの概要

MPLSでは、Label Switched Path (LSP) と呼ばれるパスを構成して通信を行います。LSPは一方向のパスであるため、双方向の通信には2つのLSPが必要です。MPLSは、OSI参照モデルの第2層（データリンク層）と第3層（ネットワーク層）の中間に位置するため、「レイヤ2.5」と呼ばれることもあります。

MPLSを伝送するデータリンク層としては、イーサネット、ATM、POSなどが挙げられます。ATMで使用される仮想回線識別子は、MPLSにおけるラベルの原型と見なすことができます。MPLS上で伝送されるプロトコルには、IPパケット、イーサネット、PPPなどがあり、イーサネットやPPPなどの多種のレイヤ2ネットワークを構成する技術は、Any Transport over MPLS (AToM) と呼ばれます。

EoMPLS（Ethernet over MPLS）を利用することで、広域イーサネットネットワークを構築できるため、広域イーサネットサービスのバックボーンとして利用されることがあります。また、MPLS上でインターネットエクスチェンジ（IX）を実現するサービスも実用化されています。

MPLSの動作

MPLSをサポートする通信装置は、LSR（Label Switch Router）と呼ばれます。MPLSネットワークのエッジに位置する装置は、LER（Label Edge Router）と区別されることがあります。

MPLSでは、ルーティングとフォワーディングが明確に区別されています。ルーティングには、従来のIPネットワークで使用されていたInterior Gateway Protocol (IGP) が利用されます。フォワーディングは、ラベル交換（Label Swapping）を伴う転送であり、入力インターフェースで受信したパケットのラベルを別のラベルに交換し、出力インターフェースへ送出します。この際の入力インターフェースと入力ラベルのペアと、出力インターフェースと出力ラベルのペアの対応表は、ラベルテーブルと呼ばれ、ラベル配布プロトコルによって各LSRに配布されます。

ラベル階層を多層化し、LSPを多層化することも可能です。ラベル交換によるフォワーディングはMPLSの基本的な機能であり、これによりMPLSが説明されることもあります。MPLSの開発当初は、最長一致検索が必要なIPアドレスベースの転送よりも、完全一致検索が可能なMPLSラベル検索の方が高速であると期待されていましたが、TCAMの利用によりIPアドレスの最長一致検索も高速化されたため、この利点は薄れました。

ルーティング情報が伝播した後、LDP（Label Distribution Protocol）やRSVP（Resource Reservation Protocol）などのラベル配布プロトコルを用いて、ラベル情報が配布されます。RSVPは元々QoS用のリソース予約プロトコルでしたが、拡張されてMPLSのラベル配布にも利用されています。LDPはプレフィックスベース、RSVPはトンネルベースのラベル配布を行います。

ラベル配布の前には、I-BGP、OSPF、IS-IS、RIPなどのIGPによって、MPLSドメイン内のルーティングテーブルが一貫している必要があります。

MPLSの付加機能

MPLSによって、パケット網に以下の機能が追加されます。

到達性の制御

MPLSはIP層より下のレイヤで動作するため、MPLS上に構築されるIPネットワークの到達性を完全に制御することができます。これにより、複数の独立したIPネットワークを同一のMPLSネットワーク上に構築でき、これらのネットワーク間での通信干渉を防ぎ、高い機密性を確保できます。各IPネットワークは独立したIPアドレス空間を持つため、IPアドレスの衝突も発生しません。この特性を利用して、IP-VPNが実現されています。この到達性制御は、MPLS上に構築される他のパケット網にも適用可能です。

障害回復機能

FRR（Fast ReRoute）を使用することで、MPLSネットワーク上で50ミリ秒以下の障害回復を実現できます。FRRは、Primary LSPの経路上の障害を迂回するDetour LSPを事前に設定しておくことで、障害発生時に迅速に通信を回復する技術です。障害発生時には、PLR（Point of Local Repair）で送信インターフェースとラベルを切り替えることで、Detour LSPに切り替わり、MP（Merge Point）でPrimary LSPに戻ります。

障害のトリガーは実装に依存しますが、POSではSDH/SONETのアラーム、イーサネットではリンクダウンアラーム、一般的にはRSVP Helloによる検出などが使用されます。

多種のネットワークの集約

MPLSは多種のクライアントプロトコルを伝送できるため、IP網以外のパケット網をMPLS網に集約できます。これはAToMのコンセプトに繋がります。現在広く利用されているものとしては、EoMPLSがあります。PWE3は、MPLSネットワーク上に仮想的なPoint-to-Pointのイーサネット専用線を構成し、VPLSは、MPLSネットワーク上に仮想的なイーサネットスイッチを作り出します。PWE3とVPLSはEoMPLSの一形態ですが、PWE3を狭義のEoMPLSと呼ぶこともあります。また、PWE3をmartini、VPLSをkompellaと呼ぶこともあります。

トラフィックエンジニアリング

MPLSでは、LSPの経路を明示的に指定することで、トラフィックを自由に制御できます。この機能を利用してトラフィックの分散を図ることができます。また、LSRによっては、LSP単位で帯域確保や優先制御などのQoS制御を行うことも可能です。MPLS-TEでは、OSPFやRSVP、LDPを拡張し、制御ネットワークとデータネットワークを分離することで、ネットワークの安定性を向上させることができます。

マルチキャスト

一部の装置では、Point-to-Multi-pointのLSPを張ることが可能です。P-MP LSPを利用することで、トラフィックエンジニアリングやマルチキャスト経路の把握が容易になるため、IPマルチキャストの普及に貢献することが期待されます。

GMPLS（Generalized Multi-Protocol Label Switching）

MPLSでは、ラベルスタックという明示的なラベル識別子を使用しますが、GMPLSではSDH/SONETにおけるタイムスロット位置や、WDM通信における光の波長のような暗黙的なラベルでも通用するように拡張されています。GMPLSは、光クロスコネクト（OXC）の制御を主な目的として開発されましたが、現在はMSSP/MSTP/MSPPなどの次世代SDH/SONET装置群で利用されています。

これらの装置は、IP、イーサネット、ファイバーチャネル、InfiniBandなど多様なプロトコルを収容し、伝送、経路制御を行います。GMPLSはMPLSを包含する概念であり、T-MPLSはGMPLSを伝送網の管理に特化して利用する技術です。

L1 VPN

MPLSを用いたL1 VPNは、レイヤ1レベルでネットワークを分離し、高度なセキュリティとパフォーマンスを提供します。

出典

これらの情報は、以下の資料に基づいています。

RFC 3031: Multiprotocol Label Switching Architecture
RFC 3032: MPLS Label Stack Encoding