Faculdade Integrada do Ceará FIC Graduação em Redes de Computadores

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1 Faculdade Integrada do Ceará FIC Graduação em Redes de Computadores Disciplina Redes de Banda Larga Prof. Andrey Halysson Lima Barbosa Aula 5 Multiprotocol Label Switching (MPLS)

2 Sumário Definição; Histórico; Introdução; Arquitetura da rede MPLS; Funcionamento básico; Aplicações MPLS VPN MPLS.

3 Definição O MPLS é uma solução versátil para resolver uma série de problemas das redes atuais: Desempenho; Escalabilidade; Gestão de QoS; Engenharia de Tráfego. MPLS é uma tecnologia que pode ser usada para estabelecer VCs (Virtual Circuits) em redes IP.

4 Definição É um quadro de referência especificado pelo IETF que permite designação, encaminhamento, expedição e comutação de fluxos de tráfego através da rede; Definida pelo IEEE na RFC 3031.

5 Definição Funções Especifica mecanismos para gerir fluxos de tráfego de várias granularidades; Independente de protocolos da camada 2 e 3; Disponibiliza meios para fazer a correspondência de endereços IP para labels simples e de tamanho fixo usadas por diferentes tecnologias de comutação e expedição (encaminhamento) de pacotes; Interfaces para protocolos de encaminhamento e de reserva de recursos (RSVP); Suporta protocolos de camada 2/3* IP, ATM e Frame Relay.

6 Definição Objetivo: Conciliar as tecnologias baseadas em comutação (switching) com o roteamento IP. Aplicações: Aumentar o desempenho; Engenharia de trafego; Qualidade de Serviço (QoS); Encaminhamento com restrições; Redes Virtuais Privadas.

7 Histórico Evolução de tecnologias similares inventadas em meados dos anos 90: IPSILON (startup): IP Switching; Toshiba: Cell Switching Router (CSR); Cisco: Tag Switching; IBM: ARIS (Aggregate Route-based IP Switching).

8 Introdução Idéia básica: rotear pacotes baseando-se em um label Ao invés de rotear pacotes baseando-se no endereço IP de destino. Motivação da comutação por label: Crescimento e evolução da internet; Preço e desempenho; Integração do IP sobre ATM; Extensão das funcionalidades de encaminhamento.

9 Introdução Motivação da comutação por label: Desempenho Roteadores: Suporta múltiplos protocolos e tipos de interfaces. Comutador: Número limitado de protocolos. Encaminhamento eficiente. Desempenho: Executar algum processamento nos roteadores com o mesmo desempenho dos comutadores.

10 Introdução Motivação da comutação por label: Novas funcionalidades Não está limitado ao endereço de destino como critério de encaminhamento; Usar outros critérios como: Endereço de origem; Campos de qualidade de serviço; Restrições de largura de banda ou outras; Otimização da utilização da rede.

11 Introdução Limitações do roteamento convencional: Tomada de decisão meramente baseada no destino (endereço IP de destino); A origem (endereço IP e/ou porta física) é desprezada; É baseado no algoritmo da maior combinação aplicado ao endereço mais longo; Normalmente os cabeçalhos do protocolo da L3 possuem informações complexas e desnecessárias.

12 Protocolos de encaminhamento IP com encaminhamento é baseado no destino B R Peixe A C O paradigma de encaminhamento baseado no próximo salto não permite ao roteador R escolher uma rota para A baseada em quem originou o tráfego: B ou C. 12

13 Percursos de encaminhamento IP baseados em tabelas de próximo salto para o destino Dest. Nxt Hop Default to upstream router A R R1 R4 B R R2 R3 R5 A B C D E default R C R1 Direct R3 R1 R3 R1 Dest. A B C D E default Nxt Hop R2 R2 Direct R5 R5 R2 D E Dest. A B C D E default Nxt Hop R4 R3 R3 R4 Direct R4 13

14 Processo de encaminhamento IP 1. Remove a packet from an input queue 2. Check for sanity, decrement TTL field 4. Place packet on correct output queue If queues get full, just drop packets! Forwarding Process 3. Match packet s destination to a table entry If queues get full, just drop packets! IP Forwarding Table Router 14

15 Encaminhamento SPF: Pesos das ligações atraem e repelem tráfego A B C D A 2 1 C D 1 1 B 15

16 Arquitetura de rede Label Switching Routers (LSR): roteador ou switch que manipula MPLS ou IP; Router de alta velocidade; Participa no estabelecimento de LSPs usando os protocolos de sinalização de labels adequados. Label Edge Routers (LER): LSR de borda em uma rede MPLS Ingress LERs: responsável por classificar pacotes não rotulados e adicionar o label apropriado; Egress LERs: responsável por remover os labels e encaminhar os pacotes IP não rotulados em direção ao destino.

17 Arquitetura de rede

18 Arquitetura de rede Forwarding Equivalence Class (FEC): É um grupo de pacotes que é enviado ao longo de um mesmo caminho e que são tratados da mesma forma, no que diz respeito ao encaminhamento; Todos os pacotes pertencentes a um mesmo FEC tem o mesmo label (rótulo). O roteador de ingresso (Ingress LSR) é que decide quais pacotes pertencem a qual FEC (é este roteador que classifica e rotula os pacotes).

19 Arquitetura de rede Forwarding Equivalence Class (FEC): Exemplos de FECs: Pacotes com endereço IP de destino com um certo prefixo; Pacotes de multicasting destinados a um determinado grupo; Frames de nível 2 recebidos de um circuito virtual (VC) pelo Ingress LSR a serem transmitidos em um VC no Egress LSR; Campo DSCP - QoS Diffserv.

20 Arquitetura de rede Forwarding Equivalence Class (FEC): Ao contrário do encaminhamento IP, no MPLS o FEC é atribuído apenas uma vez na entrada da rede; Cada encaminhador que comuta labels constrói uma tabela (Label Information Base - LIB) especificando como um pacote deve ser expedido: LIB é composta por vínculos entre FECs e labels. Há uma associação pacote-label-fec-lsp.

21 Arquitetura de rede

22 Arquitetura de rede Label Information Base (LIB) O LIB contém uma tabela de encaminhamento, ou seja, uma tabela que apresenta informações correlacionando os labels às interfaces do roteador; Uma vez criada uma LSP, a relação do label com a interface, será armazenada no LIB; Quando o pacote entra no LSR, este verifica para qual interface esse pacote deve ser encaminhado, através do LIB. Sendo assim, realiza a troca do label de entrada por um label de saída, para que o pacote possa alcançar o próximo nó.

23 Arquitetura de rede Label Information Base (LIB)

24 Arquitetura de rede Label Switch Path (LSP) Consiste em um caminho por onde os pacotes numa rede MPLS irão passar; Quando o pacote entra numa rede MPLS, este é associado uma classe de equivalência (FEC) e então é criada uma LSP para esta FEC; O primeiro LSR de um LSP é o Ingress LSR para aquele LSP, enquanto o último é o Egress LSR. Todos os demais LSR entre estes dois são os Intermediate LSRs.

25 Arquitetura de rede Label Switch Path (LSP) Como a criação da LSP ocorre somente na entrada de uma rede MPLS, os demais roteadores do núcleo irão somente chavear (comutar) os labels encaminhando o pacote de acordo com a LSP pré determinada, não precisando mais fazer um roteamento dos pacotes; Uma LSP é unidirecional, portanto é preciso ter duas LSPs para uma comunicação entre duas entidades.

26 Label Switch Path (LSP)

27 Label Switched Path (LSP) POP! SWAP! SWAP! PUSH! data 417 data 626 data 233 data data tail end A label switched path head end Muitas vezes designado por túnel MPLS: os cabeçalhos do payload não são inspecionados dentro de um LSP.

28 Label Switched Path (LSP) Rodar o vídeo!

29 Formato do frame MPLS O campo Label contém o valor atual deste. O campo EXP define a classe de serviço a que um pacote pertence, ou seja, indica a prioridade do pacote. Utilizado principalmente com DiffServ. O campo S (stack) suporta o enfileiramento de labels. Caso o pacote receba mais de um label. O campo TTL (Time to Live) tem o mesmo papel que no IP, contar por quantos roteadores o pacote passou, num total de 255. No caso do pacote viajar por mais de 255 roteadores, ele é descartado para evitar possíveis loops.

30 Formato do frame MPLS Layer 2 Header MPLS Label 1 MPLS Label 2 MPLS Label n Layer 3 Packet Label Exp S TTL RFC MPLS Label Stack Encoding Label: Label Value, 20 bits Exp: Experimental, 3 bits S: Bottom of Stack, 1 bit TTL: Time to Live, 8 bits

31 Formato do frame MPLS Expedição por swap de labels 417 dados 288 dados As labels (labels) são curtas e de tamanho fixo.

32 Formato do frame MPLS POP de labels data 288 data 577 data data

33 Formato do frame MPLS Push de labels 288 data data data 577 data

34 Label Switched Routers (LSR) IP IP out IP Forwarding Table IP in IP 77 data Label Swapping Table 23 data MPLS out MPLS in The data plane represents IP Lookup + label push represents label pop + IP lookup

35 Forwarding Equivalence Class (FEC) IP2 417 IP2 666 IP2 233 IP2 IP2 IP1 417 IP1 666 IP1 233 IP1 IP1 Pacotes IP1 e IP2 são expedidos da mesma forma Estão no mesmo FEC Os cabeçalhos do nível 3 não são inspecionados num LSP do MPLS. Isto significa que os LSRs de um túnel não precisam da tabela de expedição IP completa.

36 Junções de LSP IP2 417 IP2 823 IP2 912 IP2 IP2 IP1 111 IP1 626 IP1 233 IP1 IP1 IP2 417 IP2 823 IP2 912 IP2 IP2 IP1 417 IP1 626 IP1 233 IP1 IP1 LSP merge

37 Distribuição de Labels A arquitetura MPLS não estabelece um único método para distribuição de labels; LDP- faz a correspondência entre o IP unicast de destino e labels RSVP, CR-LDP usados para engenharia de tráfego e reserva de recursos PIM - multicast BGP- labels externas (VPNs)

38 Label Distribution Protocol (LDP) O LDP é um protocolo que permite a distribuição de labels entres os roteadores de comutação de rótulos (LSR), desta forma possibilitando a criação das LSPs; Para isto o LDP oferece um mecanismo de descoberta de LSR para permitir que LSRs encontrem uns aos outros e estabeleçam comunicação; O LDP roda sobre TCP para garantir a entrega de mensagens e UDP para descobertas.

39 Label Distribution Protocol (LDP) Tipos de mensagens trocadas por pares LDP Descoberta Anunciar e manter a presença de um LSR na rede. Sessão Estabelecer, manter e terminar sessões entre pares LDP. Anúncio Criar, alterar e remover correspondências entre labels e FECs. Notificação Disponibilizar informação de de aviso e de erro de sinalização.

40 Label Distribution Protocol (LDP) Distribuição de labels assegura que encaminhadores adjacentes têm uma visão comum de vínculos FEC <-> labels Routing Table: Addr-prefix Next Hop /8 LSR2 Routing Table: Addr-prefix Next Hop /8 LSR3 LSR1 LSR2 LSR3 IP Packet Label Information Base: Label-In FEC Label-Out XX /8 17 Passo 3: LSR insere label na LIB For /8 use label 17 Passo 2: LSR comunica vnculo a LSR adjacente Label Information Base: Label-In FEC Label-Out /8 XX Passo 1: LSR cria vínculo entre FEC e valor de label

41 Funcionamento básico Quando um pacote IP entra numa rede MPLS, o E-LSR irá associá-lo a uma FEC, caso já exista uma FEC para este pacote. Caso contrário o E- LSR irá criar uma FEC para este; Desta forma o pacote receberá um label e como a FEC está relacionada a uma LSP, o E-LSR encaminhará o pacote através desta LSP; Nos saltos subsequentes não há nenhuma análise do cabeçalho da camada de rede do pacote;

42 Funcionamento básico A cada LSR pelo qual o pacote passa, os labels são trocados, pois cada label representa um índice na tabela de encaminhamento do próximo roteador; Sendo assim, quando um pacote rotulado chega, o roteador procura em sua tabela MPLS pelo índice representado pelo label. Ao encontrar este índice o roteador substitui o label de entrada por um label de saída associado à FEC a que pertence o pacote;

43 Funcionamento básico Após completada a operação de troca de labels o pacote é encaminhado pela interface que está especificada na LIB. Quando o pacote chega ao E-LSR de saída da rede MPLS, o label é removido e o pacote é encaminhado pela interface associada à FEC a qual pertence o pacote; Neste momento o pacote deixa de ser analisado pelo protocolo MPLS e é roteado normalmente pelos protocolos de roteamento.

44 Funcionamento básico

45 Funcionamento básico

46 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN) VPN é uma rede privada, onde pode trafegar informações de forma segura, construída sobre a infra-estrutura de uma rede pública, como a internet; Utilizando a técnica chamada de tunelamento, pacotes são transmitidos na rede pública em um túnel privado que simula uma conexão ponto-aponto;

47 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN) O MPLS, atuando como mecanismo de encaminhamento dentro de um cenário de VPN, provê agilidade, facilidade de gerenciamento para grandes redes e suporte a QoS, bem como suporte a segurança;

48 Exemplo de aplicações MPLS

49 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN) O computador A pertencente a VPN1, envia um pacote IP, para o computador B, também pertencente a VPN1 ( ); O roteador CBPF-PE, que é um E-LSR, recebe este pacote IP e o associa a um label VPN (LV-22) e a um label MPLS (LM-19); O pacote é enviado para o roteador CBPF-P conforme sua LIB, e assim sucessivamente;

50 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN) Quando o pacote chega no penúltimo roteador de uma rede MPLS, ou seja, no LSR conectado ao E- LSR de saída, este retira o label MPLS e o encaminha até o E-LSR; Ao chegar no E-LSR, este analisa o label da VPN e verifica que este pacote faz parte da VPN1; Desta forma ele retira o label de VPN e encaminha o pacote até seu destino.

51 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN) O computador C apresenta o mesmo endereço IP que o computador B, porém o pacote proveniente do computador A nunca conseguirá chegar no computador C, pois eles pertencem a VPN s diferentes; Desta forma o computador A só pode ter conexão com o computador B, da mesma forma que o C só pode ter conexão com o D.

52 Exemplo de aplicações MPLS Virtual Private Network (VPN)

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