Backbone IPv4/IPv6 Experimental para. Laboratório de Roteamento e QoS IP. Baseado em Software Aberto

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1 Backbone IPv4/IPv6 Experimental para Laboratório de Roteamento e QoS IP Baseado em Software Aberto Ricardo Staciarini Puttini e Rafael Timóteo de Sousa Jr. Laboratório de Redes de Comunicação LabRedes, Departamento de Engenharia Elétrica ENE, Universidade de Brasília UnB Caixa Postal Brasília DF Brasil puttini@unb.br e dedousa@unb.br Abstract. This work presents a proposal for structuring an experimental IP backbone, using free software products, aimed at configuring a routing and QoS laboratory as well as a set of experiments using the proposed backbone. The backbone employs 18 Intel/LINUX workstations, besides other free software applications. These workstations are interconnected using a flexible network topology specifically chosen to allow the execution of several experiments related to IP routing architectures and protocols (RIP, OSPF, BGP), QoS implementation using DiffServ & IntServ (RSVP) strategies, IP multicasting and IPv6 This work was supported by CNPq and MCT (ProTeM/CC). Resumo. Neste trabalho, é apresentada uma proposta para estruturação de um backbone experimental baseado em tecnologia IP, utilizando produtos de software de código aberto, para configuração de um laboratório de roteamento e qualidade de serviço em redes IP, bem como um conjunto de experimentos para realização no backbone estruturado. São utilizadas 18 estações de trabalho com arquitetura Intel e executando sistema operacional LINUX, além de outros aplicativos de software aberto. Essas estações são interligadas em rede segundo uma topologia especialmente escolhida e com flexibilidade suficiente para permitir a realização de vários experimentos, possibilitando explorar diversos aspectos tecnológicos da arquitetura de roteamento IP, como a utilização de vários protocolos de roteamento (RIP, OSPF e BGP), a implementação de qualidade de serviço em nível de rede usando serviços diferenciados (DiffServ) e serviços integrados (IntServ - através do protocolo RSVP), a possibilidade de fazer transmissões usando IP multicast, bem como a realização de experimentos com o protocolo IPv6. Este trabalho foi realizado com apoio do CNPq e do MCT (ProTeM/CC).

2 1. Introdução A tecnologia TCP/IP consiste essencialmente de um padrão para interconexão de redes com arquitetura aberta [1]. Nesse sentido, pode-se dizer que a filosofia de desenvolvimento tecnológico da Internet compartilha muitos preceitos com a do chamado software livre ou software de código aberto [2]. De fato, a incorporação dos protocolos da arquitetura TCP/IP aos sistemas operacionais com código aberto, como o BSD Unix e, mais recentemente, o LINUX, contribuiu fortemente para o desenvolvimento tanto de aplicações de rede TCP/IP, como dos protocolos básicos. Em especial, o desenvolvimento do protocolo IP e dos demais protocolos associados com o serviço da camada de rede vem experimentando grandes avanços a partir de implementações baseadas em código aberto. As soluções tecnológicas que utilizam software livre são particularmente interessantes em ambiente acadêmicos pois permitem a definição de soluções de baixo custo (software livre pode ser distribuído e utilizado gratuitamente) bem como com acesso transparente ao conhecimento envolvido nas implementações, uma vez que o código fonte está disponível. Neste trabalho, é apresentada uma proposta para estruturação de um backbone experimental baseado em tecnologia IP, utilizando produtos de software de código aberto, para configuração de um laboratório de roteamento e qualidade de serviço em redes IP, bem como um conjunto de experimentos para realização no backbone estruturado. Essencialmente, são utilizadas 18 estações de trabalho com arquitetura Intel e executando sistema operacional LINUX (kernel ), além de outros aplicativos de software aberto. Essas estações são interligadas em rede segundo uma topologia especialmente escolhida e com flexibilidade suficiente para permitir a realização de vários experimentos, possibilitando explorar diversos aspectos tecnológicos da arquitetura de roteamento IP, como a utilização de vários protocolos de roteamento (RIP, OSPF e BGP) [3][4], a implementação de qualidade de serviço em nível de rede usando serviços diferenciados (DiffServ) [5] e serviços integrados (IntServ) através do protocolo RSVP [5], a possibilidade de fazer transmissões usando IP multicast [6], bem como a realização de experimentos com o protocolo IPv6 [7]. No próximo item, é apresentado a estrutura do backbone experimental para IPv4, seu plano de endereçamento, além de considerações sobre os protocolos de roteamento e a estruturação de um backbone para IP multicasting (MBone). No item 3, são descritos os experimentos de laboratório definidos e realizados no backbone, identificando a divisão das estações por grupos de alunos e as ferramentas de software utilizadas. No item 4 são discutidas algumas experiências acerca da QoS em redes IP. Finalmente, no item 5 são apresentadas algumas idéias para utilização da estrutura do backbone com IPv6. O artigo apresenta ainda um conjunto de conclusões, no item Backbone Experimental IPv4 Uma das finalidades imediatas para o backbone estruturado neste trabalho é sua utilização em laboratório de ensino. Neste sentido, um dos requisitos básicos para projeto e definição da infra-estrutura do backbone experimental é a utilização de recursos de hardware e software de baixo custo. Assim, o backbone é estruturado com a utilização de 18 estações de trabalho com arquitetura Intel (processador Pentium

3 166MHz, 64Mbyte de memória RAM e 1,2Gbyte de HD), com interface(s) de rede em tecnologia Ehternet/Fast Ethernet, rodando o sistema operacional LINUX (kernel ). Algumas estações possuem apenas uma interface de rede e são usadas tanto como pontos terminais (endpoint) de aplicações TCP/IP (p.e. servidor e clientes de uma sessão de videostreaming), quanto como probes de rede (executando analisadores de protocolo sniffer). Para as estações que atuam como roteadores de rede (multihomed host), são instaladas interfaces de rede adicionais. A ligação entre dois ou mais hosts em uma mesma subrede IP é realizada com a utilização de equipamentos tipo hub ou switch (camada 2) ou mesmo com cabo tipo cross over. O laboratório é implementado em uma sala de 12m por 6m, conforme layout mostrado na figura 1. A figura 2 e a tabela 1, a seguir, apresentam respectivamente a topologia do backbone experimental e a configuração de software e hardware das estações de trabalho. CROSS Porta GW 1 GW 2 SRV 1 Hub 1 SRV 2 Hub 2 L2.1.3 L2.2.4 CROSS LabRedes Rede Interna L2.7.1 GW 4 L2.8.4 GW 3 SRV 3 Hub 3 Hub 4 SRV 4 SRV 9 Hub Rack CROSS Hub 5 CROSS Hub 6 SRV 10 SRV 5 L GW 6 GW 7 L2.9.3 L2.9.2 SRV 6 L2.5.2 GW 5 L2.5.1 SRV 8 Hub 7 FireWall L2.4.3 L2.4.1 SRV 7 Quadro Rede Externa (Internet) Figura 1 Distribuição física das estações no laboratório

4 / / / GW 5 SRV SRV 6 SRV SRV GW /16 SRV GW / SRV 9 SRV / GW / /24 Firewall (NAT) /24 GW / GW / GW / SRV SRV 4 SRV 8 Rede Externa (Internet) Figura 2 Topologia do Backbone Experimental Tabela 1 Configuração de Software e Hardware Estação Hardware Interfaces de Redes Software Ferramentas SRV1 1 ping, traceroute, SRV2 1 realplayer, SRV3 1 realserver, SRV4 1 tcpdump, routed SRV5 1 (RIP passivo), SRV6 1 ferramentas do SRV7 1 Linux RedHat, SRV8 Pentium 166MHz, 1 SRV9 64MByte RAM, 1 GW1 1,2 GByte HD 3 GW2 3 GW3 3 GW4 3 GW5 2 GW6 2 GW7 3 Firewall 3 kernel compilado com suporte p/ multicasting, RSVP e IPv6 MBone (vic, rat, src) routed, mrouted e gated

5 2.1 Plano de Endereçamento A definição do plano de endereçamento deve levar em conta a necessidade de se explorar, de forma flexível e abrangente, os diversos recursos da camada de rede TCP/IP. Mais especificamente, a definição do endereçamento deve permitir a adoção tanto de roteamento sensível à classe de endereçamento, como a utilização de endereçamento CIDR [1][3], bem como a atualização dinâmica das tabelas de roteamento em vários cenários de interconexão, com a utilização de diversos protocolos de roteamento (i.e. RIP, OSPF e BGP, além dos protocolos de roteamento multicasting). Assim, os endereços devem ser escolhidos de modo a permitir um arranjo flexível das entidades e protocolos de roteamento procurando explorar as principais facetas de configuração desses protocolos, tais como a sumarização de rotas (protocolos BGP e OSPF) e a hierarquização das bases de dados de roteamento. Foram adotados, como opção de projeto, um conjunto de endereços pertencentes ao bloco de endereços IP reservados para redes privadas [8]. Adicionalmente, é definida um esquema de ligação do backbone experimental à Internet, pela utilização de um sistema que realiza mascaramento de IP (NAT). Esta ligação está fora do escopo desse artigo. A figura 2, ilustra o endereçamento definido para o backbone. Nos itens seguintes, a definição de cenários de agrupamento e hierarquização desses endereços é apresentada. 2.2 Protocolos de Roteamento Os experimentos definidos para o backbone experimental em questão procuram cobrir os principais protocolos de roteamento padronizados pelo IETF, que estão em utilização na atualidade. Os protocolos de roteamento IP possuem diversas classificações, realizadas em função de aspectos específicos do protocolo [1][3]. A seguir, uma breve discussão acerca dos protocolos considerados é realizada, principalmente evidenciando as ferramentas de software utilizadas em sua implementação RIP Routing Information Protocol O RIP é um protocolo de roteamento do tipo vetor de distância, para roteamento sensível à classe. Desse modo, este protocolo não possibilita a troca de informações de máscara de subrede. É um protocolo de roteamento interno, isto é, deve ser utilizado para divulgação de informações de roteamento entre roteadores de um mesmo sistema autônomo (AS) [3]. Apesar de ser um protocolo considerado ineficiente e inseguro [1] para os principais cenários da atualidade, o RIP apresenta uma solução de roteamento dinâmico bastante simples (as tabelas de roteamento são inteiramente divulgadas por broadcast limitado), sem a definição de parâmetros de configuração. A implementação do protocolo RIP mais conhecida para a plataforma LINUX é o daemon routed, normalmente incluído nas principais distribuições do sistema operacional.

6 2.2.2 OSPF Open Shortest Path First O OSPF, por sua vez, é um protocolo do tipo estado de enlace. Este protocolo é considerado o padrão de facto para soluções de roteamento em cenários envolvendo topologias de rede complexas e dinâmicas. Uma rede OSPF deve ser estruturada hierarquicamente em zonas, sendo uma delas eleita (configurada) a zona principal ou backbone. A divulgação de rotas referentes a subredes pertencentes a zonas OSPF diferentes passa sempre pelo backbone (zona 0). Ao contrário do RIP, no OSPF são enviadas atualizações apenas de alterações no estado atual da rede, normalmente por um mecanismo de flooding [4]. O OSPF também é um protocolo de roteamento interno, no entanto este pode ser utilizado para roteamento CIDR. A utilização do OSPF como protocolo de roteamento envolve uma série de decisões de projeto e opções de configuração que resultam na definição de vários parâmetros de configuração. A implementação de OSPF utilizada é aquela realizada pelo GateDaemon Consortium [9], que resultou no daemon gated BGP Border Gateway Protocol O protocolo BGP é atualmente a solução mais adotada para troca de informações de roteamento inter-as, isto é, este é um protocolo de roteamento externo [3]. Ao contrário dos protocolos RIP e OSPF, a divulgação de rotas pelo BGP é feita dentro de uma conexão TCP, devendo esta ser estabelecidas entre entidades de roteamento vizinhas (neighbors). O BGP possui um conjunto de parâmetros obrigatórios que devem estar presentes nas mensagens de atualização (update), assim como um conjunto de parâmetros opcionais, que podem ou não estar presentes nas implementações. Para uma série de cenários de roteamento concretos, no entanto, a utilização de parâmetros opcionais tais como o Multiexit Discriminator (MED) e o Local Preference (LP) são fundamentais para definição de arquiteturas robustas e eficientes de roteamento. Estes cenários são, portanto, considerados na estruturação do backbone. A implementação de BGP utilizada é aquela realizada pelo GateDaemon Consortium [9], que resultou no daemon gated. 2.3 IP Multicasting MBone A utilização de recursos de multicasting em redes IP tem se tornado cada vez mais difundidas, em especial com a introdução de um conjunto de aplicações colaborativas multiusuário, como chats, videoconferência multiponto e distribuição de áudio e vídeo (audiostreaming & videostreaming) [6]. Apesar de a maioria das redes IP na Internet atual não estarem preparadas para a utilização de tecnologia IP multicasting, esse tipo de aplicação já estava previsto desde a especificação da versão 4 do protocolo IP, que define um espaço de endereçamento reservado para essas, os endereços classe D. A arquitetura de aplicações que utilizam IP multicasting está fundamentada no conceito de grupos, de modo que para cada aplicação (grupo) multicast é alocado um endereço de rede classe D. A formação e manutenção dos grupos é suportada pelo protocolo IGMP Internet Group Management Protocol. O suporte ao multicasting não é requisito

7 obrigatório na versão 4 do protocolo IP, mas é definido como requisito básico e obrigatório em implementações do IPv6. Estações rodando sistema operacional LINUX precisam ter seu kernel compilado com as opções de IP multicasting ativas, para suportar aplicações que usem esse tipo de recursos. Essa providência é suficiente em estações que atuam apenas como clientes da rede, isto é, no presente caso não realizando roteamento (forwarding). O roteamento de pacotes IP multicasting é suportado mas não é realizado pelo kernel do LINUX, sendo para tanto necessária a utilização de um processo especialmente projeto para essa finalidade. Neste trabalho, foi utilizado o mrouted [10]. Este software é capaz de realizar roteamento IP multicasting, além de implementar o protocolo de roteamento DVMRP Distance Vector Multicast Routing Protocol, uma espécie de RIP para IP multicasting. É também esse daemon que mantém as tabelas de roteamento muticasting e que faz o processamento de mensagens IGMP de adesão a grupos. Atualmente, o grupo que desenvolveu este trabalho está trabalhando na modificação do mrouted para utilização na construção de túneis IP multicasting entre dois roteadores multicast através de uma rede IP sem suporte a esse tipo de transmissão. Existem boas ferramentas disponíveis para realização de sessões multicast com áudio, vídeo e texto, desenvolvidas a partir do projeto MBone [10]. Para maiores detalhes, consultar [6]. 3. Experimentos de Laboratório Nesta seção são apresentados 4 experimentos implementados no backbone experimental descrito no item anterior. Para cada experimento são evidenciados os principais objetivos e aspectos da tecnologia experimentados, a divisão das estações em grupos de alunos no laboratório e os recursos de hardware e software empregados. 3.1 Roteamento Básico Objetivos Neste experimento é realizada a implementação de roteamento no backbone experimental com a definição de rotas estáticas para todas as redes em todos os roteadores (roteamento estático). Também é apresentado o roteamento dinâmico com o protocolo RIP, verificando-se as condições de convergência das tabelas de roteamento através da habilitação simultânea em todos os roteadores do RIP em modo ativo. Finalmente, são identificadas a presença de rotas cíclicas temporárias através da retirada de enlace entre duas redes que possuam caminhos redundantes entre elas Divisão de Grupos Neste experimento, são admitidos sete grupos, cada um ficando responsável pela configuração de um roteador e de um servidor Recursos de Hardware e Software São utilizadas as estações GW1, GW2, GW3, GW4, GW5, GW6 e GW 7 como roteadores e as estações SRV1, SRV2, SRV3, SRV4, SRV 5, SRV6 e SRV8 como servidores. Para as estações que atuam como roteadores é utilizada o daemon routed. Nas estações clientes são utilizados os aplicativos ping e traceroute.

8 3.2 Roteamento OSPF Objetivos Neste experimento é realizada a implementação de roteamento dinâmico com a utilização do protocolo OSPF. A zona 0 (backbone) é definida incluindo os roteadores GW3, GW4, GW5, GW6 e GW7. São definidas ainda mais três zonas adicionais: zona 1: composta pelos roteadores GW1 e GW3; zona 2: composta pelos roteadores GW2 e GW4; e zona 3: zona stub composta pelo roteador GW7 (rede /24) São apresentadas ainda: a construção de adjacências (backbone, zona 0); a sumarização de rotas (no backbone, zona 0); a contingência de continuidade com a zona 0 (através do estabelecimento de link virtual entre as zonas 1 e 2 e o backbone Divisão de Grupos Neste experimento, são admitidos cinco grupos, cada um ficando responsável pela configuração de um roteador da zona 0. Os grupos responsáveis pelos roteadores GW3, GW4 e GW7 cuidaram também das configurações relativas às zonas 1, 2 e 3, respectivamente. Os demais grupos deverão identificar e explicitar, cada um, a sumarização de rotas e a construção de adjacências (rede entre os roteadores GW3 e GW5, e rede entre os roteadores GW4 e GW6), isto é, configurando os GW5 e GW6 como designated routers Recursos de Hardware e Software São utilizadas as estações GW1, GW2, GW3, GW4, GW5, GW6 e GW 7 como roteadores e as estações SRV1, SRV2, SRV9, SRV6 e SRV7 como servidores. Para as estações que atuam como roteadores é utilizada o daemon gated. Nas estações clientes são utilizados os aplicativos ping e traceroute. 3.3 Roteamento BGP Objetivos Neste experimento é realizada a implementação de roteamento inter-as com a utilização do protocolo BGP. Diversos cenários de interconexão de redes são construídos, como ilustra a figura 3, a seguir. Nos cenários identificados, é possível verificar: a interligação de dois AS através de mais de uma ligação (AS1 e AS2) e a utilização do parâmetro MED; a configuração de rotas locais preferencias, pela utilização do parâmetro LP (AS5); a redistribuição de rotas por AS de trânsito (AS 2, AS3 e AS4); a definição de AS stub (AS5).

9 / /21 SRV 1 AS 1 AS 2 LABREDES AS / / / / GW 5 SRV SRV 6 SRV GW /16 SRV GW / SRV 9 SRV / GW / /24 GW / GW / GW / AS 4 AS / Firewall (NAT) SRV SRV SRV 8 Rede Externa (Internet) Figura 3 Designação de Sistemas Autônomos no Backbone Experimental Divisão de Grupos Neste experimento, são admitidos cinco grupos, cada um ficando responsável pela configuração das estações alocadas a cada um dos AS (AS1, AS2, AS3, AS4 e AS5) Recursos de Hardware e Software São utilizadas as estações GW1, GW2, GW3, GW4, GW5, GW6 e GW 7 como roteadores e as estações SRV1, SRV2, SRV9, SRV6 e SRV7 como servidores. Para as estações que atuam como roteadores é utilizada o daemon gated. Nas estações clientes são utilizados os aplicativos ping e traceroute. 3.4 Roteamento IP Multicasting Objetivos Neste experimento é realizada a implementação de MBone (backbone IP multicasting), a formação de grupos multicasting e a utilização do protocolo de roteamento multicasting DVMRP. O experimento é dividido em 3 partes: realização de IP multicasting em uma mesma subrede IP (não há roteamento); realização de IP multicasting em duas subredes IP ligadas a um mesmo roteador (não há utilização do protocolo DVMRP); e realização de IP multicasting em todo o backbone (protocolo DVMRP).

10 Também é identificado o ganho de eficiência na transmissão multicast em comparação com a transmissão unicast em uma sessão multiusuário, utilizando configurações com sessão multicast e com múltiplas sessão unicast do mesmo conteúdo (p.e. videostreaming) Divisão de Grupos Neste experimento, são admitidos sete grupos, cada um ficando responsável pela configuração de um roteador e de um servidor Recursos de Hardware e Software São utilizadas as estações GW1, GW2, GW3, GW4, GW5, GW6 e GW 7 como roteadores e as estações SRV1, SRV2, SRV3, SRV4, SRV 5, SRV6 e SRV8 como servidores. Para as estações que atuam como roteadores é utilizada o daemon mrouted. Nas estações clientes são utilizados os aplicativos ping e traceroute e Real Server / Real Audio [11], além das ferramentas do MBone (src, rat, vic) [10]. 4. Recursos para Implementação de QoS A definição de experimentos adicionais sobre o backbone envolvendo QoS através das estratégias de Diffserv e IntServ (RSVP) está atualmente em curso. Boa parte desses recursos podem ser suportadas diretamente pelas versões mais novas do kernel do LINUX, ainda que parte dessas funcionalidades sejam consideradas experimentais. Em especial, a utilização de aplicações de videoconferêcia em ambiente desktop com utilização de IntServ e de interpretação de mensagens RSVP pelos roteadores do backbone já foi realizada. 5. IPv6 e Desenvolvimentos Futuros Assim como o suporte a QoS em IPv4, o suporte para IPv6 já está incluído no kernel do sistema operacional LINUX, devendo esta opção estar habilitada em tempo de compilação do kernel. O presente backbone já está sendo usados para experiências básicas de roteamento IPv6, com a utilização de rotas estáticas. Está também, em desenvolvimento, a configuração de túneis entre dois roteadores configurados para operar com IPv6, através de parte do backbone que opera em IPv4. Outra área de desenvolvimento e utilização da estrutura do backbone é a formação de VPN, pela utilização de tecnologia de IPSec [12]. Para tanto, estão sendo utilizadas implementações do PPTP (Point to Point Tunneling Protocol) disponíveis para LINUX [12]. 6. Conclusões Neste artigo foi apresentado a concepção e implementação de um backbone experimental para roteamento e QoS em redes IP. A solução descrita utiliza plataforma de hardware de baixo custo, bem como pacotes de software desenvolvidos com a filosofia de software livre. A estrutura do backbone pode ser montada com baixos custos e sem necessidade de instalações especiais, sendo, portanto adequada para montagem em laboratórios universitários.

11 A experimentação em laboratório de ensino de graduação com alunos da disciplina Arquitetura e Protocolos de Redes, do curso de graduação em Engenharia de Redes de Computadores da Universidade de Brasília, mostrou que os experimentos propostos aumentam consideravelmente a compreensão dos alunos acerca dos assuntos abordados nos experimentos. Referências [1] Sidnie Feit TCP/IP Signature Edition, McGraw-Hill, [2] [3] Basaam Halabi - Internet Routing Architectures, CISCO Press & Macmillan Computer [4] Sam Halabi OSPF Design Guide, CISCO Press, [5] Ferguson, Paul and Huston, Geoff: Quality of Service Delivering QoS on the Internet and in Corporate Networks. John Wiley & Sons, Inc., [6] Marcus Goncalves and Kitty Niles: IP Muliticasting Concepts and Applications. McGraw-Hill, [7] Douglas Comer Internetworking with TCP/IP vol. I, 4 th ed.. Prentice Hall, [8] RFC 1918 [9] [10] [11] [12] John D. Hardin - Linux VPN Masquerade HOWTO, v2.2, 9. September 1999.

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