Principes de la commutation de labels
MPLS

Ala fin de l’année 2001, MPLS (MultiProtocol Label Switching) est le sujet d’un grand nombre d’articles et de conférences, mais il est aussi l’objet d’un nombre croissant d’annonces de la part des constructeurs de matériel réseau. À l’heure où les premiers services commerciaux s’appuyant sur un cœur de réseau MPLS/IP apparaissent, l’intérêt de la technologie semble démontré par leur bon fonctionnement. Il reste nécessaire de bien comprendre MPLS pour être capable de faire la part des choses. C’est pourquoi, au-delà des effets de mode, les motivations ayant présidé à la définition de MPLS et les réels apports de MPLS et des technologies associées dans les cœurs de réseaux modernes doivent être compris.

Le principe premier de la commutation de labels est de remplacer les traitements longs et complexes associés au relayage de paquets IP par un traitement plus simple. Si l’on considère un autre point de vue, l’objectif est d’utiliser la signalisation IP pour contrôler des réseaux à commutation de circuits et permettre ainsi l’intégration de différentes technologies de commutation de niveau 2 dans un même cœur de réseau. Dans un réseau IP classique, chaque routeur décide, en fonction de l’adresse de destination contenue dans l’en-tête d’un paquet, si celui-ci est destiné à un des sous-réseaux directement connectés ou, dans le cas contraire, vers quel routeur voisin il doit faire suivre le paquet. Pour prendre cette décision, il utilise le contenu de sa table de routage, laquelle est construite par les protocoles de routage. Cette table associe à des adresses de réseaux et de sous-réseaux, ou plus généralement à des préfixes d’adresses IP, le prochain routeur sur le chemin menant vers le réseau de destination. Ce préfixe pouvant être de longueur variable et l’ordre n’étant pas imposé dans la table de routage, le routeur doit examiner l’ensemble de la table de routage pour décider quelle est l’entrée de la table qui correspond le mieux à l’adresse de destination du paquet. Ce traitement est relativement coûteux du fait de la taille sans cesse croissante des tables de routage du cœur de l’Internet (environ 100 000 entrées en 2001).

La commutation de labels permet de réduire fortement le coût de cette recherche dans la mesure où elle n’est plus effectuée dans les équipements du cœur de réseau. En fait, chaque équipement interne au cœur de réseau effectue une seule fois la recherche au moment de la création du chemin. Pour cela, un label est ajouté dans chaque paquet par les routeurs en frontière du domaine. Ceux-ci peuvent choisir le label en fonction de différents critères parmi lesquels on retrouve généralement l’adresse de destination du paquet. Les décisions de relayage par les équipements dans le cœur du réseau se font sur la base du label ajouté au paquet. Tous les paquets comportant un même label sont traités de la même manière par les commutateurs de labels. Ils subissent le même traitement de relayage, et a fortiori, suivent le même chemin jusqu'à la sortie du réseau à commutation de labels. Les équipements disposent d’une table de commutation contenant, pour chaque label entrant, l’interface de sortie et un label sortant.

Un même label peut être associé à des paquets ayant une adresse de destination correspondant à un préfixe d’adresse différent dans la table de routage IP ; il suffit qu’ils empruntent le même chemin dans le nuage MPLS. Cela permet de réduire considérablement la taille des tables de commutation MPLS et la signalisation nécessaire à l’établissement des chemins. Ainsi, les trafics peuvent être agrégés beaucoup plus efficacement qu’avec CIDR (Classless InterDomain Routing). En effet, pour pouvoir agréger des trafics avec IP, il faut que leurs adresses soient en quelque sorte contiguës dans l’espace d’adressage, c’est-à-dire qu’elles aient un certain nombre de bits en commun. De plus, lorsque le maillage augmente dans le réseau, l’agrégation perd de son efficacité car les tables de routage contiennent de plus en plus d’exceptions. Un des intérêts de la commutation de labels est justement de permettre l’agrégation des paquets en fonction du nœud de sortie du cœur de réseau, et non plus en fonction du sous-réseau de destination du paquet, comme c’est le cas avec IP. Bien qu’agrégés dans le domaine MPLS, dès leur sortie du domaine, les paquets sont à nouveau traités comme des paquets IP indépendants et leurs routes peuvent à nouveau diverger. L’agrégation se fait donc localement sur la base d’informations locales au cœur de réseau ; elle est par conséquent complètement transparente pour les réseaux voisins.

Si l’argument de la performance était crucial il y a quelques années, à l’heure des gigarouteurs, il perd un peu de son importance. Par contre, la technique de la commutation de labels conserve son intérêt car elle permet d’apporter de nouvelles fonctionnalités, importantes pour les opérateurs de cœur de réseau. En effet, si un réseau IP a l’avantage d’être robuste aux pannes et de trouver automatiquement des chemins pour les paquets, il lui manque des fonctions de gestion plus avancées, comme le partage de charge ou la possibilité de décider du routage en fonction de la qualité de service, du type de flux ou du prix que paye le client. La commutation de labels, de par son architecture, autorise la mise en place de fonctions complexes puisque seuls les nœuds d’entrée du réseau ont à en assumer la charge.

Un autre argument militant en faveur de la commutation de labels est sa capacité à valoriser les investissements en équipements ATM (Asynchronous Transfer Mode) ou Frame Relay déjà effectués par les opérateurs. En effet, le traitement d’un paquet devient relativement simple et peut être le fait d’un simple commutateur à peine modifié. Il suffit de placer le label dans les champs contenant les étiquettes de commutation propres à chaque technologie de niveau 2.

Il y a deux façons majeures de concevoir le transport de paquets IP sur un réseau à commutation de niveau 2. La première consiste à reporter toute la complexité des décisions de routage à la frontière du réseau et à faire établir les chemins par des entités spécialisées qui utiliseront ensuite la signalisation propre au réseau commuté (par exemple, Q.2931 pour un réseau ATM) pour établir des circuits de niveau 2 permanents ou semi-permanents. À l’extrême, un maillage complet de circuits de niveau 2 relie chaque équipement frontière à tous les autres et le routeur d’entrée dans le réseau se contente de déterminer quel est le routeur de sortie. Pour des raisons évidentes, cette approche se limite à de petits réseaux.

La seconde façon d’opérer est plus innovante ; elle consiste à utiliser les protocoles de routage IP pour effectuer la signalisation du réseau commuté de niveau 2. Cette approche permet une mise en place automatique des circuits sur la base des informations de routage, sans imposer de mécanisme de traduction d’adresses et de localisation propre aux solutions classiques de transport d’IP sur infrastructure ATM. Cette solution permet de laisser les décisions de routage aux protocoles de routage IP qui fonctionnent déjà et qui sont bien connus. De plus, elle n’est pas incompatible avec des mécanismes de gestion de trafic plus élaborés qui construiront des chemins en fonction des besoins, ceux-ci cohabitant avec les chemins construits automatiquement.

Nous décrivons ici les points communs des différentes solutions de commutation de labels en insistant sur les aspects communs avec les standards MPLS. Ensuite, nous étudions en détail le protocole MPLS lui-même, puis nous nous penchons rapidement sur les protocoles de distribution de labels. Enfin, nous abordons les fonctionnalités avancées de MPLS, comme le routage contraint et les outils d’ingénierie de trafic.