9. MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING (MPLS)

9. MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING (MPLS) 9.1 INTRODUÇÃO Representa a convergência de duas técnicas usadas em redes de dados: datagrama e circuito virtual. IP: o envio de datagramas é feito através de caminhos determinados por um algoritmo de encaminhamento. ATM e Frame Relay são baseados em circuitos virtuais permanentes ou estabelecidos por sinalização. O método clássico de correr IP sobre ATM tem problemas de integração dos dois protocolos (endereços e controlo diferentes) e problemas de escalabilidade. A solução consiste em utilizar comutação de etiquetas (label switching). 1

Em comutação de etiquetas é usada uma etiqueta de tamanho fixo e com poucos bits inserida no cabeçalho do pacote. Um Label Switched Router (LSR) usa essa etiqueta como um apontador para o próximo LSR e a correspondente nova etiqueta. O caminho percorrido pelo pacote chama-se Label Switched Path (LSP). O LSP é direccional. O primeiro LSR num LSP é o LSR de entrada (ingress) e o último LSR é o de saída (egress). Como o mapeamento entre etiquetas é fixo em cada LSR, um LSP é determinado pelo valor inicial da etiqueta no primeiro LSR. ATM e Frame Relay usam comutação de etiquetas, mas num modo independente de IP. 2

MPLS não só resolve o problema de integração de IP sobre ATM, mas permite também realizar engenharia de tráfego e Virtual Private Networks (VPN) em redes IP. MPLS foi precedido pelas tecnologias IP Switching (Ipsilon), Aggregate Route-based IP Switching (IBM), Tag Switching (Cisco) e Cell Switching Router (Toshiba). As primeiras soluções juntaram o elevado desempenho dos comutadores ATM com o controlo feito através dos protocolos de encaminhamento IP. MPLS foi normalizado no IETF. 3

9.2 MOTIVAÇÃO 9.2.1 IP sobre ATM: MODELO CLÁSSICO Este modelo foi criado no IETF. Adopta um modelo overlay: ATM é considerado como um protocolo da camada 2. IP corre sobre a infra-estrutura ATM sem modificações nos routers e nos sistemas terminais. Encaminhamento/ Endereçamento IP e ATM são independentes. IP permite a conectividade entre redes com diferentes protocolos na camada 2. RFC 1483 indica como encapsular pacotes IP numa ligação ATM. RFC 1577 define a arquitectura do modelo clássico e o modo de resolução de endereços. 4

A estrutura clássica das redes IP é preservada. Uma LIS (Logical IP Subnet) consiste num conjunto de sistemas terminais IP e de routers que partilham um mesmo endereço de rede e sub-rede IP. Qualquer pacote IP destinado para fora da sub-rede original, passa por um router mesmo que haja um VC ATM directo para comunicação. Muitas vezes não é possível fazer corresponder uma rede ATM a uma única LIS por razões administrativas. 5

C A (171.67.2.4) E (128.11.6.3) LIS 171.67.2 LIS 128.11 Router Comutador ATM 6

Resolução de Endereços (RFC 1577) É preciso um mecanismo para converter endereços IP em endereços ATM. Cada LIS contém um único Servidor ATM ARP (Address Resolution Protocol). Cliente B 5 4 2 6 3 1 Cliente A Servidor ATM ARP 7

Encapsulamento dos pacotes IP (RFC 1483) Os pacotes IP são encapsulados numa PDU AAL5 (Encapsulamento LLC/SNAP). Pacote IP 0xAA-AA-03 0x00-00-00 0x08-00 Pacote Encapsulado (LLC) (OUI) (PID) AAL5 SDU 8

9.2.2 Problemas de escalabilidade em IP sobre ATM Existem problemas de escalabilidade no modelo clássico de IP sobre ATM. Comutador. ATM Router ATM C. físico C. virtual 9

Existem VCs ATM a interligar todos os routers entre si. O número total de VCs é de n(n-1)/2. Neste caso, o número de adjacências de cada router é igual a (n-1). Demonstra-se que no caso de uma mudança de topologia na rede, a quantidade de informação que circula na rede relacionada com o algoritmo de encaminhamento cresce na ordem de n 4. Para grandes valores de n, o volume total da informação de encaminhamento causa sobrecarga nos routers, afectando o desempenho da rede. A comutação de etiquetas permite resolver este problema. 10

MPLS substitui o plano de controlo ATM por um plano de controlo IP que corre uma instância de IGP. Deste modo todos os comutadores ATM passam a ser um IGP peer com os seus vizinhos (comutadores ATM, routers IP). Introduzindo um protocolo para distribuição de etiquetas (Label Distribution Protocol - LDP), cada comutador ATM torna-se um Label Switch Router (LSR) de núcleo. Cada um dos routers IP transforma-se num LSR de fronteira. A carga exigida a IGP diminui substancialmente, pois cada nó passa a ter um número de peers correspondente ao número de nós vizinhos. 11

LSR Router 12

9.2.3 Engenharia de Tráfego A comutação de etiquetas facilita a criação de novas técnicas de encaminhamento para além do encaminhamento tradicional baseado no caminho mais curto. O método de longest prefix match é substituído por outro mais simples. É possível especificar um dado caminho para um pacote entre origem e destino através da atribuição adequada do valor da etiqueta em cada pacote (engenharia de tráfego). A engenharia de tráfego permite aos operadores optimizar a distribuição dos diversos tipos de tráfego pela rede. Engenharia de tráfego era tradicionalmente feita em redes FR e ATM. Usando MPLS pode também ser feita ao nível do encaminhamento IP. 13

9.3 ARQUITECTURA MPLS 9.3.1 Princípios Básicos MPLS pode contribuir para as características de PHBs de um modo similar ao dos modelos IntServ e DiffServ, para além de permitir realizar engenharia de tráfego. As primeiras soluções juntaram o elevado desempenho de comutadores ATM com controlo feito através dos protocolos de encaminhamento IP. MPLS também simplifica o processamento de pacotes nos routers de núcleo, introduzindo etiquetas nos pacotes e substituindo em consequência o método de longest prefix match por outro mais simples. MPLS pode enviar pacotes por quaisquer caminhos na rede, e não necessariamente pelos caminhos mais curtos. Pode também emular túneis entre domínios não-mpls. Engenharia de tráfego permite aos operadores optimizar a distribuição dos diversos tipos de tráfego pela rede. 14

A etiqueta em cada nó reflecte um dado contexto de processamento no nó. Redes MPLS exclusivamente baseadas em pacotes são uma generalização das redes MPLS baseadas em ATM. Os LSR de núcleo baseados em ATM são substituídos por LSR de núcleo baseados em routers IP e são introduzidas novas tecnologias ao nível 2 para transportar os pacotes. 15

Cliente 1 Cliente 3 Cliente 2 Cliente 4 Cliente 7 Cliente 8 Fronteira MPLS Núcleo MPLS Fronteira MPLS Cliente 45 Cliente 6 Um campo com um pequeno número de bits é usado para transportar a etiqueta, pois o número total de etiquetas requerido num link é pequeno. Num LSP, o router a montante chama-se upstream router e o router a jusante downstream router. 16

Etiqueta A etiqueta é curta, com comprimento fixo e só tem significado local. Existem vários modos para codificar uma etiqueta num pacote. Foi normalizada uma codificação para a etiqueta que aparece antes do cabeçalho IP num pacote. No caso do LSR ser um comutador ATM, o campo VPI/VCI é usado como etiqueta. Como a etiqueta é o único identificador usado para enviar um pacote, um LSR tem que ser capaz de associar uma etiqueta na entrada com um determinado LSP. Cada etiqueta está associada com um FEC (Forward Equivalency Class). Um FEC define um grupo de pacotes IP que são enviados sobre um mesmo LSP e que têm o mesmo tipo de processamento nos routers. A ligação entre uma etiqueta e um FEC é biunívoca. 17

Stack de Etiquetas MPLS permite que mais do que uma etiqueta seja codificada num pacote. As etiquetas têm uma organização tipo stack no pacote. O stack de etiquetas suporta a introdução de túneis numa rede MPLS. Tabela de Comutação de Etiquetas (Label Switching Table) Esta tabela é também conhecida por Incoming Label Map (ILM). Contém o mapeamento entre uma etiqueta de entrada e a respectiva etiqueta e interface de saída. A etiqueta de entrada aponta para uma entrada na tabela chamada Next Hop Label-Forwarding Entry (NHLFE). 18

Cada etiqueta de entrada tipicamente aponta para um NHLFE. No caso de partilha de carga, pode apontar para mais do que um NHLFE. O NHLFE pode também conter informação adicional relativa ao estado do LSP (e.g. protocolo a usar na camada 2, contagem de saltos). NHLFE Etiqueta de Entrada Etiqueta de Saída Endereço do próximo router Estado 19

Protocolo para distribuição de etiquetas A distribuição de etiquetas pelas tabelas dos LSRs é feita através de um protocolo. Este protocolo consiste num conjunto de procedimentos pelos quais dois LSRs descobrem as características MPLS de cada um deles e trocam informação relativa ao mapeamento das etiquetas. Estes protocolos são conhecidos como protocolos de sinalização MPLS. A norma não impõe um protocolo de sinalização específico. Podem-se usar diferentes protocolos em cenários distintos. LDP é o protocolo normalmente usado para distribuição de etiquetas baseada em informação de encaminhamento. Para LSPs com encaminhamento explícito e que requeiram garantias de QoS (Constraint-based Routing) usa-se o CR-LDP ou o RSVP-TE (RSVP-Traffic Engineering). 20

Atribuição de etiquetas A atribuição de uma etiqueta é sempre feita pelo LSR downstream em relação ao fluxo de pacotes. Em seguida o LSR downstream informa o LSR upstream sobre esta atribuição. O tráfego de dados e o tráfego de controlo fluem em direcções opostas. Isto facilita o acesso à tabela de comutação no LSR downstream, pois pode escolher a gama de etiquetas mais conveniente. A atribuição de etiquetas pode ser: Downstream on demand (a pedido) ou Unsolicited Downstream (automática). Um LSR pode realizar a operação de label merging se necessário. Esta operação permite diminuir o nº total de etiquetas utilizadas localmente. 21

LSPs e Processamento nos Nós Um LSP não tem que seguir necessariamente o caminho-maiscurto entre dois LSR de fronteira. Algoritmos de encaminhamento podem ser usados para determinar novos caminhos para LSPs, que resultem numa melhor distribuição de carga numa rede. A etiqueta MPLS identifica o contexto (possivelmente em conjunto com a identificação da interface de entrada) para determinar o próximo nó e as características associadas para medição, policiamento/marcação, formatação, filas de espera e calendarização. Se todo o caminho para o LSP for especificado no LSR de entrada ou de saída estamos em presença de strictly explicit routing. Se só parte do caminho for especificado será um loosely explicit routing. 22

Tabela de comutação Policiamento/ Marcação Comutador FIFO e calendarização... Interfaces de saida Interfaces de entrada... Etiqueta MPLS Contexto MPLS Pacote IP Processamento de uma etiqueta MPLS num LSR 23

9.3.2 Forward Equivalency Classes Forward Equivalency Class (FEC) é um conjunto de pacotes que são tratados do mesmo modo no processo de envio. Existe um conjunto de regras de classificação que determina se um pacote pertence a uma FEC. Por exemplo, um conjunto de pacotes com o mesmo endereço IP destino constitui uma FEC para encaminhamento IP clássico, pois todos os pacotes recebem o mesmo tratamento quando enviados dos routers. Redes IP não suportam muitos tipos diferentes de FEC. MPLS não tem qualquer dificuldade em suportar muitos tipos diferentes de FEC. Em MPLS a classificação dos pacotes é feita no plano de controlo em vez de ser feita no plano de dados. 24

Uma vez estabelecido o LSP, só o router de entrada precisa de classificar o pacote num FEC. A utilização de FECs está ligada à granularidade desejada para o envio de pacotes. Uma granularidade grosseira é adequada para efeitos de escalabilidade, enquanto que uma granularidade fina permite um grande controlo sobre a circulação dos pacotes na rede. MPLS permite a existência de níveis múltiplos de granularidade sobre o mesmo LSP. Os tipos mais comuns de FEC suportados em MPLS são: - Prefixo IP - Router de saída - Fluxo aplicacional. 25

9.3.3 Hierarquia das Etiquetas MPLS permite que múltiplas etiquetas possam ser codificadas num pacote para formar um stack. O stack de etiquetas é usado para formar LSPs encadeados. Os LSPs encadeados permitem criar uma hierarquia com múltiplos níveis em que vários LSPs podem ser agregados num único túnel de um modo semelhante a túneis IP. No exemplo da figura existe uma rede núcleo que liga várias outras redes. O núcleo pode ser definido como um túnel LSP. 26

A C B E F G H Túnel LSP D Suponhamos que LSR A e LSR B pretendem estabelecer dois LSPs para LSR C e LSR D, respectivamente. Pode-se estabelecer os LSPs A-E-F-G-H-C e B-E-F-G-H-D, mas com o stack podemos primeiro criar o túnel E-F-G-H e então os LSPs A-E-H-C e B-E-H-D. 27

Quando um pacote vai de A para E o stack tem uma profundidade de 1. Baseado na etiqueta de entrada LSR E determina que o pacote deve entrar no túnel. Substitui a etiqueta de entrada por uma outra acordada com LSR H e coloca uma nova etiqueta no nível acima do stack (nível 2). Esta etiqueta de nível 2 é usada para comutação de etiquetas dentro do túnel. Quando LSR H recebe o pacote sabe que é o final do túnel. Retira a etiqueta do topo do stack e desce um nível (nível 1). Comuta então o pacote para LSR C. 28

9.3.4 Codificação das Etiquetas Trama MPLS genérica: 20 3 1 8 bits Etiqueta Exp. S TTL Pacote Campo Exp (experimental): indica tipos adicionais de calendarização e de gestão de filas de espera para suporte de QoS. Nome alterado para "Traffic Class" em RFC 5462. S: quando igual a 1 indica que é o nível mais baixo (nível 1) no stack. Campo TTL: detecta e elimina tramas MPLS a circular indefinidamente na rede. Codificação MPLS para links PPP: Cabeçalho PPP/HDLC Trama MPLS Cauda HDLC 29

Codificação MPLS para links ATM Trama MPLS PDU AAL5 Cauda AAL5 O campo VPI/VCI é usado como etiqueta MPLS. Em Frame Relay, o campo DLCI pode ser usado como etiqueta MPLS. 30

9.3.5 Engenharia de Tráfego MPLS pode ser combinado com os PHBs para implementar uma rede capaz de suportar níveis específicos de serviço edge-toedge. A engenharia de tráfego permite uma definição explícita dos caminhos que cada LSP ocupa na rede de modo a optimizar as cargas média e de pico nos vários caminhos que podem existir entre dois LSRs de fronteira. Usando MPLS é simples instalar LSPs que não seguem encaminhamento pelo caminho-mais-curto. Isso não é possível em redes sem conexão. Constraint Routed LSP (CR-LSP): LSP que resulta de engenharia de tráfego. 31

Acesso 1 R 1 R 6 Acesso 3 Acesso 2 R 3 R 2 R 4 R 5 Cliente (Acesso 1 cliente) (Acesso 2 cliente) Dois esquemas de sinalização podem ser usados: - Derivado de RSVP (RSVP-TE). - Funcionalidade adicional em LDP (CR-LDP). 32

Ambos permitem a um LSR de fronteira: - Estabelecer um LSP com um LSR de fronteira remoto. - Especificar o caminho para o LSP. - Especificar parâmetros para as filas de espera e calendarização para todos os nós associados com o LSP. 33

9.3.6 Virtual Private LAN Service (VPLS) MPLS é frequentemente utilizado para interligação de diferentes LANs geograficamente dispersas, como se fosse uma única LAN. LAN 1 CE PE PE CE LAN 2 PE Núcleo MPLS CE LAN 3 CE Customer Edge device; PE Provider Edge device Muitas variantes Geralmente ligações ponto a ponto (PW Pseudo Wire) de todos para todos: malha completa (full mesh) Problemas de escalabilidade. Possíveis soluções: hierarquia 34

Na camada 2, funciona como uma bridge sobre as ligações PW (RFC 4762): Broadcast e aprendizagem de endereços MAC tal como nas LANs. Mais do que um caminho resulta em ciclos: O spanning tree protocol (STP) evita-os, mas desliga alguns caminhos, o que não é eficiente. Split horizon: melhor solução, pois um PE não encaminha tráfego de um PW por outro PW da mesma malha VPLS. Na camada 3, o BGP pode descobrir os outros nós PE que fazem parte da mesma VPLS e contribuir para o estabelecimento de uma malha completa de PW (RFC 4761). Falhas em links no núcleo do operador são recuperadas muito rapidamente para links alternativos, pelo que uma VPLS é melhor que linhas alugadas. 35

Bibliografia Zheng Wang, Internet QoS, Morgan Kaufmann Publishers, 2001. J.Heinanen, Multiprotocol Encapsulation over AAL 5, IETF, RFC 1483, 1993. M.Laubach, Classical IP and ARP over ATM, IETF, RFC 1577, 1994. D.Awduche et al, Requirements for Traffic Engineering over MPLS, IETF, RFC 2702, 1999. E. Rosen et al, Multiprotocol Label Switching Architecture, IETF, RFC 3031, 2001. R. Rosen et al, MPLS Label Stack Encoding, IETF, RFC 3032, 2001. 36