MPLS Uma abordagem de QoS utilizando roteadores MPLS

Universidade Católica de Brasília Curso de Bacharelado em Ciências da Computação Projeto Final I Monografia MPLS Uma abordagem de QoS utilizando roteadores MPLS Alunos: Geovani Sorrentino 97/5602-7 Igor da Silva Neiva Maia 97/6604-9 Márcio Neves Martins 97/5619-1 Orientador: Fernando Willian Cruz Brasília, DF Novembro / 2001

Universidade Católica de Brasília Curso de Bacharelado em Ciências da Computação Projeto Final I Monografia MPLS Alunos: Geovani Sorrentino 97/5602-7 Igor da Silva Neiva Maia 97/6604-9 Márcio Neves Martins 97/5619-1 Orientador: Fernando Willian Cruz Brasília, DF Novembro / 2001

AGRADECIMENTOS Agradecemos à Universidade Católica de Brasília e ao Professor Fernando Willian Cruz por nos permitir o uso do Laboratório de Redes e suas máquinas, podendo assim desenvolver a implementação da simulação que foi usada para a escrita dessa monografia e para a demonstração de como funcionaria uma nuvem MPLS.

Projeto Final de Graduação, sob a Orientação do Msc. Fernando Willian Cruz, avaliado por uma Banca Examinadora do Curso de Bacharelado em Ciências da Computação da UCB e constituiu requisito para obtenção do Título de Bacharel em Ciências da Computação.

SINOPSE O MPLS usa o conceito de rótulos e de circuitos virtuais. Podemos encontrar uma rede implementando a tecnologia MPLS, onde as máquinas que se encontram no meio dessa nuvem são conhecidas como LSR (Label Swintching Router) e as máquinas de borda são conhecidas como LER (Label Edge Router). Este trabalho tem por objetivo a realização de um estudo mostrando algumas características da tecnologia MPLS (Multiprotocol Label Switching) juntamente com alguns conceitos. Simularemos o atendimento de dois tipos diferentes de serviços, esse atendimento será realizado através do roteamento que a documentação MPLS descreve.

ABSTRACT MPLS uses the concept of labels and of virtual circuits. We can find a net implementing the technology MPLS, where the machines that are in the middle of that cloud they are known as LSR (Label Swintching Router) and the border machines are known as LER (Label Edge Router). This work has for objective the accomplishment of a study showing some characteristics of the technology MPLS (Multiprotocol Label Switching) together with some concepts. We will simulate the attendance of two types different from services, that attendance will be accomplished through the routing that the documentation MPLS describes.

ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO... 10 2. Objetivos... 13 2.1 Objetivos Gerais... 13 2.2 Objetivos Específicos... 13 3. Cronograma... 14 3.1 Cronograma Previsto... 14 3.2 Cronograma Realizado... 14 4. Recursos Necessários... 15 4.1. Recursos de hardware... 15 4.2. Recursos de software... 15 4.3. Recursos humanos... 15 5. Proposta da Pesquisa... 16 5.1. Descrição da Pesquisa Proposta... 16 5.2 Resultados Esperados... 16 5.3 Restrições da Pesquisa Proposta... 16 6. Redes IP Convencionais... 17 7. Qualidade de Serviço... 20 7.1. Aplicações em Tempo-Real... 20 7.2 Aplicações Elásticas... 21 7.3 Serviços Integrados (IntServ)... 22 7.4 Serviços Diferenciados (DiffServ)... 22 8. Arquitetura MPLS... 24 8.1 Requisitos do Grupo de Trabalho de MPLS... 24 8.2 Princípios Básicos... 24 8.3 Estabelecimento de Label Switched Paths - LSP s... 29 8.4 Rótulos... 31 8.5 Mecanismos de Alocação de Rótulos... 32 8.5.1 LDP Label Distribution Protocol... 33 8.5.2 Métodos de Alocação de Rótulos... 36 8.6 Extração do Rótulo no Penúltimo Nó... 37 8.7 Agregação... 38 8.8 Seleção de Rota... 40 8.8.1 Suporte a Roteamento Explícito pelo Protocolo de Distribuição de Rótulos... 40 8.9 Time-To-Live (TTL)... 43 8.10 Controle de Loop... 44 8.10.1 Prevenção... 46 8.10.2 Detecção... 47 8.11 Merge de Rótulos... 47 8.12 Empilhamento de Rótulos, Túneis e Hierarquia... 49 8.12.1 Hierarquia de túneis LSP... 49 8.12.2 Pares LDP e Hierarquia... 51 8.13 Multicast... 52 9. Engenharia de Tráfego... 53 9.1 Objetivos... 53 9.2 Limitações dos Mecanismos de Controle Existentes... 55 9.3 Alternativas com o MPLS... 57 9.4 Capacidades Adicionais para Engenharia de Tráfego sobre MPLS... 58

9.4.1 Atributos e Características de Troncos de Tráfego... 59 9.4.2 Atributos de Recursos... 61 9.5 Roteamento Baseado em Restrições (Constraint Based Routing)... 62 9.5.1 Divulgação das Informações de Estado de Enlace... 63 9.5.2 Relação entre Roteamento Baseado em Restrições e MPLS... 65 9.5.3 Benefícios... 65 9.6 Engenharia de Tráfego Adaptativa com MPLS (MPLS Adaptive Traffic Engineering - MATE)... 66 9.6.1 Visão Geral... 67 10. Implementação da Simulação... 70 11. Conclusão... 79 12. Referências... 82

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Rede IP convencional... 17 Figura 2: Desacoplamento de roteamento e encaminhamento... 27 Figura 3: Exemplo de topologia para ilustração das tabelas FIB e LIB... 30 Figura 4: Definição de LSR e LER... 31 Figura 5: Encapsulamento genérico e localização do rótulo... 32 Figura 6: Tipos de mensagens LDP... 33 Figura 7: Exemplos de sequências de mensagens do protocolo LDP... 35 Figura 8: Extração do rótulo em Rn-1... 38 Figura 9: Estrutura dos objetos que compõem a mensagem EXPLICIT_ROUTE REQUEST... 41 Figura 10: Exemplo de roteamento estritamente explicito contendo números de Sistemas Autônomos nos sub-objetos do objeto EXPLICIT_ROUTE... 43 Figura 11: Exemplo de ocorrência de loop de roteamento... 45 Figura 12: Merge de rótulos... 48 Figura 13: Roteamento hierárquico com túneis LSP... 50 Figura 14: Otimização da rede vista como um problema de controle... 55 Figura 15: Exemplo de métricas IGP levando a congestionamento... 56 Figura 16: Ilustração de um processo de Constraint Based Routing... 64 Figura 17: Fases do algoritmo do MATE... 68 Figura 18: Detalhamento da rede usada para a simulação... 72 Figura 19: Seqüência de mensagens... 75

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1: FIB - Forwarding Information Base de R4... 30 Tabela 2: LIB Label Information Base de R4... 30 Tabela 3: Mensagens LDP... 34 Tabela 4: Próximos hops para o destino R6... 45

1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, o tema "Qualidade de Serviço na Internet" tem sido motivo de intensa discussão, tanto no âmbito acadêmico quanto no comercial. O largo alcance da Internet, aliado à sua sempre crescente popularidade, até tornado o meio de comunicação preferido pelas novas aplicações distribuídas, como vídeo remoto, conferência multimídia, realidade virtual, dentre outras. Estas aplicações caracterizam-se pela dependência em relação ao tempo de entrega dos pacotes de dados nos destinatários. Os atrasos sofridos pelos pacotes, ao longo do caminho desde a origem, devem ser, de alguma maneira, compensada pela aplicação no destino, de forma que a reprodução da informação transmitida seja realizada com a menor distorção possível. Porém, para que esta compensação seja possível, a infra-estrutura de comunicação deve prover meios de garantir que estes referidos atrasos mantenhamse dentro de limites restritos, especificados pelas aplicações. A Internet, desde a sua concepção, oferece apenas o serviço de melhor esforço, caracterizado pela ausência de garantias na entrega dos pacotes de dados transmitidos pelas aplicações. Em situações de congestionamento, os referidos pacotes podem ser perdidos ou sofrer atrasos indeterminados. A não adequação deste serviço aos requisitos das novas aplicações multimídia motivou, nos últimos anos, o surgimento de várias propostas objetivando a criação de um novo modelo de serviços para a Internet. Dentre estas propostas, destacam-se os modelos de serviços integrados, diferenciados e o MPLS. A tecnologia denominada MultiProtocol Label Switching (MPLS) é o resultado do trabalho de um grupo de trabalho do IETF criado especialmente para este fim. Inspirados em experiências anteriores, como o TAG Switching da Cisco, ARIS da IBM e IP Switching da Ipsilon, propõe-se uma forma padronizada de comutação de pacotes baseada na troca de rótulos. Substitui-se o mecanismo padrão de encaminhamento hop-by-hop baseado no endereço IP por um conceito de troca de rótulo. Isto traz o benefício de simplificar o encaminhamento de pacotes, permitindo escalabilidade para taxas de comunicação bastante elevadas, além de permitir desacoplar as funções de encaminhamento e roteamento. Com o MPLS têm-se as seguintes vantagens: 10 / 83

ganha-se em desempenho na comutação de datagramas através dos roteadores da rede, uma vez que se dispensa a análise do cabeçalho IP, fazendose o encaminhamento baseando-se apenas no rótulo adicionado ao datagrama; o uso de roteamento explícito (definido por um único nó, por exemplo na entrada da rede) pode ser feito de forma eficiente; ao se estabelecer os caminhos comutados por rótulo ( Label Switched Path - LSP), basta definir-se os parâmetros de qualidade de serviço e reserva de recursos apenas no momento do estabelecimento da conexão; o uso de roteamento explícito, bem como de roteamento baseado em restrições ( Constraint Based Routing ), permite implementar mecanismos sofisticados de engenharia de tráfego; preserva a simplicidade do protocolo IP, permitindo uso dos protocolos de roteamento já existentes (OSPF, BGP 1, etc.), porém não se limitando a estes. O MPLS não é a solução para os males da Internet, mas certamente trata-se de uma tecnologia que permitirá atender os requisitos de escalabilidade que se colocam. Para que a Internet cresça e atinja proporções gigantescas, será necessário o uso de uma hierarquia de roteamento para evitar a explosão das tabelas de roteamento nos backbones da Internet. Através do mecanismo de empilhamento de rótulos, o MPLS permite comutar dados através de uma hierarquia de roteadores sem comprometer os requisitos hierárquicos e ao mesmo tempo reduzindo a necessidade dos roteadores no núcleo do backbone de conhecerem rotas externas. O MPLS evoluiu principalmente da necessidade de se usar nas redes de roteadores existentes as altas velocidades de tecnologias tais como o ATM, através da integração da característica não orientado a conexão do IP com a capacidade do hardware de comutação destes comutadores. O ATM em sua forma nativa faz uso do mecanismo de comutação de rótulo no encaminhamento de células. Um roteador baseado em comutação de rótulos ( Label Swiching Router - LSR) quando implementado sobre uma plataforma ATM elimina diversos dos problemas associados com o modelo overlay, esse modelo estabelece um plano de controle diferentemente para os roteadores de borda e os de núcleo, podendo acarretar em funções repetitivas. 1 OSPF Open Shortest Path First e BGP Border Gateway Protocol protocolo de roteamento que troca informações entre roteadores adjacentes e protocolo de roteamento entre Sistemas Autônomos, respectivamente. 11 / 83

Por outro lado, apesar de inspirada nos mecanismos de comutação de rótulo do ATM, a tecnologia MPLS acaba sendo de grande importância aos roteadores Internet convencionais. Isto porque o MPLS imprime a estes dispositivos a característica de orientação a conexão, trazendo portanto os benefícios associados a este modo de operação. Ou seja, pode-se começar a pensar em engenharia de tráfego e qualidade de serviço para estes sistemas. MPLS significa MultiProtocol Label Switching, pois suas técnicas são aplicáveis a qualquer protocolo de encaminhamento de pacote. Neste trabalho, no entanto, limitase à abordagem com o uso do IP como protocolo de camada de rede. Nos capítulos que seguem serão mostrados uma pequena introdução sobre as redes IP convencionais, o que é a qualidade de serviço conhecida e entraremos mais a fundo nos conceitos da tecnologia MPLS, comentando também sobre a engenharia de tráfego a qual o MPLS promete atender. Ao final tem-se a explicação da simulação de atendimento a uma qualidade de serviço utilizando o roteamento que é proposto na tecnologia. 12 / 83

2. OBJETIVOS 2.1 Objetivos Gerais Pesquisar os conceitos e aspectos relacionados ao novo protocolo que está entrando em padronização, o MPLS MultiProtocol Label Switching. Fazer a correlação entre as redes IP convencionais. Comentar brevemente sobre Qualidade de Serviço e o porque do surgimento desse conceito. 2.2 Objetivos Específicos Entender os conceitos desse novo protocolo e suas características. Mostrar como ele vem melhorar a conexão numa rede comparando com Redes IP convencionais. Entender a relação do MPLS com a qualidade de serviço e ainda observar que existe uma conexão com a Engenharia de Tráfego e alguns conceitos relacionados. Implementar uma simulação que use conceitos do MPLS ligando a um parâmetro de qualidade de serviço que é pedida numa requisição de conexão. 13 / 83

3. CRONOGRAMA 3.1 Cronograma Previsto Estudo Teórico Documentação Implementação Apresentação Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro 3.2 Cronograma Realizado Estudo Teórico Documentação Implementação Apresentação Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro 14 / 83

4. RECURSOS NECESSÁRIOS 4.1. Recursos de hardware 6 Computadores (no mínimo), cada um contendo 2 placas de rede; 3 Hub s; Cabos Par Trançado. 4.2. Recursos de software Sistema Operacional Linux Caldera; Compilador de C para Linux (gcc); Editor de texto vi próprio do Linux Caldera. 4.3. Recursos humanos Alunos relacionados com o projeto. 15 / 83

5. PROPOSTA DA PESQUISA 5.1. Descrição da Pesquisa Proposta Estudo sobre QoS. Estudo sobre o protocolo MPLS analisando o seu comportamento sob o ponto de vista da QoS. Implementar os seguintes pontos: Simulação do funcionamento do MPLS através de algumas funções básicas desse protocolo no ambiente UNIX. Formação da nuvem MPLS; Relacionamento da nuvem MPLS, com o roteamento convencional; O objetivo é fazer duas máquinas se comunicarem passando por essa nuvem. Simular a QoS no contexto MPLS. 5.2 Resultados Esperados Esperamos poder fazer a transferência de arquivos, através de roteamento definido em documentações do protocolo. Esses arquivos representarão, na simulação, os serviços que serão atendidos. Ao final deverá estar compreendido parte do funcionamento dessa nova tecnologia. Fazer a relação entre a tecnologia IP existente. A implementação será realizada de acordo com os requisitos voltados para LDP, que será explicado nos capítulos posteriores. A cada nova conexão a simulação atribui um outro rótulo. 5.3 Restrições da Pesquisa Proposta Na implementação ainda não será possível o tratamento de alguns tipos de erros, como, por exemplo, o controle de Loop, porém essa não foi uma preocupação para a demonstração. 16 / 83

6. REDES IP CONVENCIONAIS Em redes IP convencionais, redes clientes se conectam a uma rede backbone através de roteadores de borda. Exemplos de redes clientes são LAN s e redes de acesso dialup. Sistemas Autônomos (SA s) são domínios de rede administrados por operadoras independentes. Podem ser também partes de uma grande rede, que devido a restrições dos protocolos de roteamento intra-domínio, por exemplo, tenha sido dividida em diversos domínios autônomos. SA3 LAN SA4 SA2 LAN LAN SA1 Rede Backbone Rede de Acesso Rede de Acesso Figura 1: Rede IP convencional Na Figura 1 temos a representação de uma rede IP que liga diversos sistemas autônomos a um backbone, esses sistemas autônomos podem ser várias LAN s diferentes. Os pacotes são roteados a partir do endereço IP e outras informações presentes no cabeçalho de cada pacote. O endereço IP consiste de duas partes: uma indicadora da rede e outra indicadora do host. A parte indicadora da rede é o prefixo de endereço, sendo cada rede cliente identificada por um prefixo de endereço único. A função dos roteadores é encaminhar os pacotes da origem até o destino através dos diversos nós da rede. Isto requer que os roteadores tenham informações quanto à topologia da rede, de forma a encaminhar eficiente e adequadamente os pacotes. Os 17 / 83

protocolos de roteamento, do tipo RIP, OSPF, BGP, etc., são empregados para distribuir estas informações pela rede. Tradicionalmente, o encaminhamento de pacotes nas redes IP é realizado seguindo-se o modelo de roteamento nó-a-nó (hop-by-hop routing). Neste modelo, os roteadores devem ser capazes de determinar o roteador vizinho para onde cada pacote deve ser encaminhado a partir da leitura do endereço de rede destino contido no cabeçalho do mesmo. Este processo é repetido em cada roteador, até que os pacotes eventualmente cheguem a um que esteja diretamente conectado à rede destino, para onde as informações são entregues. Uma outra forma de encaminhamento compreende a determinação prévia da seqüência de endereços dos roteadores que compõem a rota entre a origem e o destino. O cálculo da referida rota é realizado uma única vez, normalmente pela origem. Esta seqüência, chamada de rota explícita, é inserida no cabeçalho de cada pacote, servindo de base para que os roteadores realizem o encaminhamento dos mesmos. O envio de uma seqüência de tamanho variável de endereços em cada pacote é, no entanto, pouco eficiente devido ao overhead de informação e de processamento necessário. Informações quanto às propriedades de cada enlace relativas a serviços também podem ser distribuídas, de forma a permitir diferentes rotas para tráfegos com diferentes requisitos de serviço. À medida que um roteador detecta modificações na rede que afetem o roteamento, ele distribui estas informações de maneira que outros roteadores tomem conhecimento da nova situação e adaptem suas informações de roteamento. De posse destas informações, cada roteador pode calcular o caminho ótimo para cada destino (prefixo de endereço). Cada roteador mantém uma base de informação de roteamento denominada Forwarding Information Base - FIB. Esta é uma tabela com uma entrada para cada encaminhamento (prefixo) de destino. A função de encaminhamento do roteador usa o campo de endereço IP de destino do cabeçalho do datagrama como uma chave para busca na tabela representada pela FIB. Ao encontrar na tabela a entrada que represente o casamento mais longo com o prefixo de endereço, ela pode determinar o próximo hop para onde encaminhar o pacote, qual enlace utilizar e qual fila empregar para aquele enlace. 18 / 83

Com o que foi mencionado, pode-se identificar, nas redes IP, um problema que é o alto processamento para a repassagem dos pacotes. Isso pode ser prejudicial para implementações que pedem uma qualidade de serviço. No capítulo a seguir serão mostrados alguns conceitos relativos à Qualidade de Serviço (QoS). 19 / 83

7. QUALIDADE DE SERVIÇO A Qualidade de Serviço (Quality of Service - QoS) especifica um conjunto de características quantitativas ou qualitativas de processamento e de comunicação suportadas por um serviço e que permite a provisão da funcionalidade desejada por usuários do ambiente. Estas características são chamadas, normalmente, de parâmetros de especificação da QoS. Em geral, serviços de transporte de dados, fornecidos por provedores de rede, possuem associados os seguintes parâmetros quantitativos de QoS: disponibilidade do serviço, retardo e variação do retardo na entrega de pacotes, vazão e taxa de perda de pacotes, dentre outros. Uma característica qualitativa de um serviço define uma relação comparativa com outro. Um exemplo de parâmetro qualitativo poderia ser a entrega de pacotes com o menor retardo possível. Neste caso, o parâmetro de QoS especifica uma característica de retardo de um determinado serviço em relação aos demais. A QoS solicitada ao provedor de serviços depende dos requisitos específicos das aplicações. De acordo com este critério, as aplicações distribuídas podem ser classificadas em aplicações em tempo-real e aplicações elásticas [9], [6]. A seguir dáse um pequeno detalhamento sobre essas duas classificações de aplicações que se encontram na Qualidade de Serviço, e também uma pequena conceituação sobre intserv e diffserv. 7.1. Aplicações em Tempo-Real As aplicações em tempo-real caracterizam-se por uma forte dependência em relação aos instantes de entrega dos pacotes de informação pela rede. Em geral, envolvem o transporte de mídias contínuas, como a reprodução de um áudio ou vídeo remotamente. Após ser transmitido, um pacote acumula retardos ao longo dos enlaces e dos elementos de comunicação intermediários, normalmente roteadores, antes de ser reproduzido no destino. A maior parcela do retardo total sofrido por um pacote corresponde a um valor fixo: o retardo de propagação nos enlaces. Somado a este se tem um retardo variável, correspondente ao tempo de fila de cada pacote nos roteadores antes do seu efetivo encaminhamento. Esta parcela de retardo, chamado de 20 / 83

retardo de enfileiramento, vai depender das condições de congestionamento em cada roteador. Em situações extremas, pacotes podem ser perdidos ou entregues no destino após o instante correto de reprodução. Ambos os casos introduz distorções na reprodução, que são, até um certo grau, aceitáveis devido às limitações da percepção humana e à natureza tolerante da maioria das aplicações. Nestes casos, dizemos que a aplicação em tempo-real é tolerante à perda de pacotes. Uma aplicação tolerante pode ainda alterar o ponto de reprodução dos pacotes a partir dos retardos reais experimentados pelos mesmos na rede, sendo chamadas de adaptativas. Como exemplo de técnica de adaptação, podemos citar, na reprodução de um vídeo, o descarte de quadros, caso o retardo dos pacotes recebidos seja menor do que o esperado e a capacidade de armazenamento dos mesmos tenha chegado ao seu limite, ou a reprodução seguida de um mesmo quadro, caso o referido retardo seja maior do que o esperado. Obviamente, a capacidade de adaptação de uma aplicação é limitada pelo nível de distorção aceito pelo usuário. Além do mais, nem todas as aplicações em tempo-real são tolerantes. Um vídeo contendo informações médicas, por exemplo, não deve permitir qualquer distorção na reprodução sob o risco de ocultar informações consideradas vitais. As Aplicações em tempo-real que não permitem adaptações são chamadas de intolerantes. Diferentes níveis de QoS influenciarão diretamente no grau de compartilhamento dos recursos e, consequentemente, na quantidade de usuários que poderão ser atendidos simultaneamente pela rede. Os parâmetros de QoS mais importantes no suporte às aplicações em tempo-real são o retardo máximo e a sua variação na entrega dos pacotes. Para as aplicações intolerantes, acrescentasse a taxa de perda de pacotes e a disponibilidade do serviço. 7.2 Aplicações Elásticas As aplicações elásticas, por sua vez, não dependem tanto dos instantes de entrega dos pacotes, admitindo maiores variações no desempenho da rede. Por outro lado, perdas de pacotes não são, em geral, admitidas. Para estas aplicações, os parâmetros de QoS mais importantes são a vazão média e a taxa de perda de pacotes. Exemplos de aplicações elásticas: correio eletrônico, transferência de arquivos (FTP), login remoto (Telnet), dentre outras. 21 / 83

7.3 Serviços Integrados (IntServ) A arquitetura IntServ faz as requisições de qualidade de serviço para os roteadores e os hosts explicitamente, isto é, ele informa qual é sua necessidade para um bom atendimento de sua requisição. Dentro do IntServ encontramos os seguintes requisitos: Escalonador de pacotes (Scheduling): que é responsável pelo gerenciamento do encaminhamento dos vários fluxos atendendo a alguma definição prévia de enfileiramento. Controle de Admissão de Recursos: Um algoritmo deverá descobrir se um roteador pode atender a um novo fluxo que pede uma qualidade de serviço sem atrapalhar os fluxos já existentes anteriormente. Protocolo de Sinalização: o IntServ pode usar diversos protolocos de reserva de recursos, onde o mais adotado é o RSVP (Resourse reservation Protocol). Com esse protocolo ele informará qual é a qualidade de serviço mínima que a máquina deverá atender, sendo usado também para fazer a reserva dos recursos. Policiamento: com isso pode-se saber se o fluxo ainda está dentro da qualidade de serviço que foi acordada no momento do estabelecimento da conexão, caso esteja fora dos parâmetros pacotes podem ser descartados para se evitar congestionamentos. 7.4 Serviços Diferenciados (DiffServ) A arquitetura DiffServ foi introduzida como resultado de esforços para evitar os problemas de escalabilidade e complexibilidade decorrentes da manutenção de informação de estado para cada fluxo e sinalização a cada nó na arquitetura IntServ [14]. O DiffServ trata o tráfego que passa por seus roteadores de forma agregada. A diferenciação dos serviços é marcada no campo DS (Differentiated Service) do cabeçalho IP, é nesse campo que será especificado o tipo de tratamento que um pacote deverá receber. 22 / 83

Com esses conceitos pode-se observar em que aspecto o roteamento usando o IP pode influenciar no atendimento de uma qualidade de serviço. Pode-se ver claramente que numa aplicação de tempo-real o atraso dos pacotes pode ser bem mais prejudicial do que numa aplicação elástica. Nos próximos capítulos serão mostrados como o MPLS vem para melhorar esse atendimento, tentando diminuir muito o problema de processamento nos roteadores que deverão atender a uma conexão. 23 / 83

8. ARQUITETURA MPLS A seguir são mostrados os conceitos relativos a essa nova tecnologia que promete a melhorar o atendimento de Qualidade de Serviço e também de Engenharia de Tráfego. Usando rótulos (label) para o roteamento e a distinção entre características a serem atendidas numa conexão, como foi mencionado anteriormente. 8.1 Requisitos do Grupo de Trabalho de MPLS Os objetivos deste WG 2 do IETF (Internet Engineering Task Force) 3 incluem padronizar um conjunto de protocolos para a distribuição e manutenção de rótulos suportando os mecanismos existentes de roteamento unicast, multicast, QoS e roteamento explícito. Também deverão ser definidos os procedimentos para o emprego de MPLS sobre diversas tecnologias de camada de enlace. A meta é melhorar a escalabilidade do protocolo de camada rede, permitir a realização de uma engenharia de tráfego adequada e reduzir a relação custo/desempenho. 8.2 Princípios Básicos O problema de eficiência mencionado em capítulo anterior pode ser reduzido pela substituição do endereçamento de rotas por um identificador de rota pequeno e de tamanho fixo, chamado de rótulo, sendo o encaminhamento dos pacotes realizado a partir da leitura do mesmo. A este modelo de encaminhamento dá-se o nome, genericamente, de comutação por rótulos, sendo utilizado por várias tecnologias de redes, como Frame Relay, ATM, e, em especial, MPLS MultiProtocol Label Switching [8]. O MPLS representa um esforço de padronização das diversas técnicas de comutação por rótulos em redes IP, implementadas, nos últimos anos, através de soluções proprietárias de diversos fabricantes. Uma das principais características do MPLS é 2 Work Group grupos de discussão para determinados assuntos. 3 IETF realiza o trabalho de pesquisa e testes dos novos protocolos 24 / 83

permitir que o roteamento, ou seja, o cálculo da rota, seja implementado de forma independente do encaminhamento, que corresponde ao mecanismo de escolha da interface de saída por onde cada pacote deve ser transmitido. Desta forma, pode-se restringir o cálculo das rotas somente a alguns pontos, geralmente localizados na borda da rede. No núcleo, por sua vez, onde o processamento deve ser mais simples e eficiente, pode-se implementar o encaminhamento baseado simplesmente na leitura dos rótulos MPLS. O MPLS desacopla as funções de roteamento IP e de encaminhamento em dois planos distintos. Em ambos os casos, o roteamento de camada de rede mantém informações de protocolos do tipo OSPF e BGP para determinar como os pacotes devem ser roteados. Esta informação de roteamento particiona o espaço de encaminhamento em Classes Equivalentes de Encaminhamento (Forwarding Equivalence Classes - FEC). Um conjunto de pacotes seguindo o mesmo caminho, pertencente à mesma FEC, também é referenciado como um stream e encaminhado de maneira similar. Uma FEC pode ser representada por um endereço de rede destino ou por um prefixo do mesmo. O MPLS torna possível a associação de rótulos a FECs. A partir da identificação da FEC ao qual um pacote pertence, normalmente realizada pelo roteador de borda de entrada do domínio MPLS, um rótulo é acrescentado ao mesmo. Os roteadores do domínio, chamados de LSR s - Label Switching Routers, na nomenclatura MPLS, encaminham os pacotes simplesmente a partir da leitura e análise do rótulo. Cabe aos LSR s de borda de saída do domínio MPLS a retirada do referido rótulo e a entrega dos pacotes originais ao destino. Um rótulo MPLS tem tamanho fixo e significado local em cada LSR. A associação de rótulos a FECs deve ser acordada entre LSR s vizinhos, o que pode ser feito estática ou dinamicamente. Na associação estática, os mapeamentos são configurados manualmente pelo administrador do domínio, em contraste com a associação dinâmica, onde as configurações são realizadas por intermédio de um protocolo de sinalização. Cabe ao LSR que recebe o tráfego, normalmente chamado de downstream LSR, criar e informar as associações de rótulos ao LSR que envia o tráfego, denominado de upstream LSR. 25 / 83

Uma FEC é especificada como uma lista de um ou mais elementos FEC [1]. Cada elemento FEC especifica um conjunto de pacotes IP que podem estar mapeados ao LSP correspondente. São definidos 3 tipos de elementos FEC: Elemento FEC Tipo Prefixo do Endereço IP de Destino: Este elemento provê uma lista de um ou mais prefixos IP. Qualquer pacote IP cujo endereço de destino case com um ou mais dos prefixos especificados pode ser encaminhado usando-se o LSP associado. Elemento FEC Tipo Identidade de Roteador: Este elemento provê uma identidade de roteador (isto é, um endereço IP de 32 bits). Qualquer pacote IP para o qual o caminho até o destino passa pelo roteador especificado pode ser encaminhado usando o LSP associado. Este elemento permite que um conjunto de destinos alcançáveis através de um dado roteador seja indicado em um único elemento FEC. Elemento FEC Tipo Fluxo: Este elemento especifica um conjunto de informações de datagrama, tal como porta, endereço destino, endereço da fonte, etc. Este elemento permite suportar fluxos MPLS sem agregação. A cada FEC é atribuído um rótulo, de significado local a um dado ponto de encaminhamento. No MPLS, a atribuição de um dado pacote a uma dada FEC é feita apenas uma vez, quando o pacote entra na rede MPLS. Ao entrar na rede MPLS, além de se fazer a análise convencional de encaminhamento de camada 3 em busca do próximo nó, também se faz a busca para descobrir a FEC à qual o pacote pertence e o respectivo rótulo associado. Quando o pacote é enviado ao próximo nó, o rótulo é enviado junto. Em roteadores convencionais suportando MPLS, um pacote é rotulado codificando-se um rótulo entre seus cabeçalhos de nível 2 e nível 3. Nos nós subsequentes, não há mais análise do cabeçalho de camada de rede do pacote. Ao invés disso, o rótulo é usado como um índice para uma tabela a qual especifica o próximo nó e um novo rótulo. O rótulo velho é substituído pelo novo rótulo, e o pacote é encaminhado a seu próximo nó. Se a atribuição a uma FEC for baseada num casamento mais longo de prefixo, por exemplo, isto elimina a necessidade de realizar o cálculo de casamento mais longo para cada pacote em cada roteador. Este cálculo é realizado apenas uma vez. 26 / 83