Simulação de Rede MPLS Utilizando o Netkit

Simulação de Rede MPLS Utilizando o Netkit Thiago Santos de Amorim 1, Ricardo Marx S. C. de Jesus 1, Madianita Bogo 1 1 Centro Universitário Luterano de Palmas CEULP/ULBRA Caixa Postal 15.064 91.501-970 Porto Alegre RS Brazil {santosamorim, srmarx}@gmail.com, madianitab@ceulp.edu.br Resumo. O MPLS (Multiprotocol Label Switching) permite a classificação dos pacotes trafegados, para que possam ser tratados de forma diferenciada, possibilitando, assim, oferecer Qualidade de Serviço no tráfego. Estudar esse tipo de tecnologia exige uma estrutura de rede completa, com, pelo menos, quatro roteadores, o que pode ter um custo muito alto. Assim, pensou-se em criar um ambiente de rede virtual que simule o funcionamento de uma rede MPLS. Com o uso do NETKIT foi possível emular um ambiente de rede MPLS, de forma que, através da captura e análise dos pacotes, foi possível verificar as alterações sofridas durante o encaminhamento dos mesmos. 1. Introdução Com a evolução e diversificação dos serviços de rede oferecidos atualmente, como multimídia, por exemplo, as aplicações passaram a trocar vários tipos de dados, não apenas texto. Com isso, é requerida cada vez mais largura de banda na rede. Algumas das aplicações que passaram a trafegar em redes IP, como a telefonia, não requerem muita banda, mas tem a necessidade de um nível de qualidade de serviço que torne a aplicação aceitável. Este contexto não requer apenas o aumento da velocidade das redes utilizadas, mas também uma diferenciação do tráfego de forma categorizada, o que pode ser provido associando o MPLS ao IP. MPLS (Multiprotocol Label Switching) possibilita designação, encaminhamento e comutação eficiente de fluxos de tráfego através da rede. As informações em uma rede MPLS são classificadas e os dados são encaminhados através de caminhos préestabelecidos, sendo feita a comutação, sem o roteamento (ABREU, 2004, p. 14). Com isso, possibilita tratar os pacotes de forma diferenciada e, assim, prover Qualidade de Serviço no tráfego. Estudar protocolos e tecnologia que melhorem a qualidade dos serviços de rede, como o MPLS, é de fundamental importância, considerando que o uso das redes, como a Internet, para a comunicação cresce exponencialmente. Assim, o objetivo desse trabalho criar um cenário de rede MPLS, que possibilite a realização de testes práticos, complementando o estudo teórico em pesquisas/trabalhos que envolvam esse protocolo. Neste contexto, é necessário existir um ambiente de rede completo para a realização dos testes práticos. Visando reduzir custos e facilitar o trabalho, utilizou-se o NetkKit, que permite emular em um computador cenários de rede diversos, sendo possível reproduzir características de um ambiente de rede real (RIMONDINI, 2007, on-line). Assim, fez-se uma simulação de rede IP/MPLS. Para testar o ambiente foram realizadas comunicações entre os elementos das redes e os pacotes trafegados foram capturados. Com a análise dos pacotes foi possível verificar as alterações do conteúdo destes e compreender o funcionamento do MPLS. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 63

2. MPLS MPLS (Multiprotocol Label Switching) é um padrão definido pelo IETF (Internet Engineering Task Force), que possibilita designação, encaminhamento e comutação eficiente de fluxos de tráfego através da rede. As informações em uma rede MPLS são classificadas e os dados são encaminhados através de caminhos pré-estabelecidos, sendo feita a comutação, sem o roteamento (ABREU, 2004, p. 14). Algumas características do MPLS, que tem a finalidade de solucionar problemas das redes de computadores atuais, são: orientação a conexão em redes IP, transferência da comutação de pacotes da camada 3 para a camada 2, menor complexidade de decisões de encaminhamento nos roteadores, engenharia de tráfego, eliminação de múltiplas camadas, CoS (classes de serviços) e garantia de QoS (qualidade de serviço). O protocolo IP faz uso de um campo no cabeçalho dos pacotes que contém o endereço de destino e origem dos pacotes, usados para encaminhamento dos mesmos, tais informações são processadas em todos os nós intermediários, em um processo conhecido como hop-by-hop. O MPLS gera e acrescenta ao pacote um pequeno rótulo de tamanho fixo, usado como argumento para tomada de decisão no encaminhamento (NETO, 2006. p. 23). Um domínio MPLS é uma rede formada por equipamentos que comutam pacotes utilizando este protocolo, Figura 1. Figura 2. Domínio MPLS A subseção a seguir apresenta o domínio MPLS, descrevendo os seus componentes. 64 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

2.1. Componentes do Domínio MPLS Com o uso do MPLS, os pacotes, no interior da rede, são encaminhados sem consultar a tabela de roteamento nível três do modelo OSI, como é feito no roteamento IP. Isso é realizado utilizando-se os seguintes componentes: LSR (Label Switch Routers) - são roteadores de comutação por rótulos. Quando situados no núcleo da rede MPLS, possuem como função encaminhar pacotes baseados apenas no rótulo. Ao receber um pacote, cada LSR remove o rótulo existente e o substitui por outro da seqüência e o encaminha para o próximo roteador. LER (Label Edge Routers - Roteadores de rótulos de borda) - são LSRs situados na periferia do domínio MPLS, responsáveis por fazer a interligação entre as diversas redes (Ethernet, ATM, Frame Relay) às redes MPLS. São responsáveis pela designação e retirada do rótulo para cada tráfego que entra ou sai da rede MPLS. FEC (Forwarding Equivalency Class) - é a representação de um grupo de pacotes que pode ser tratado de uma maneira equivalente, ou seja, possuem exigências de serviços similares. Pacotes de um fluxo de dados pertencem em geral à mesma FEC. LSP (Label Switch Path) - é um caminho comutado por rótulo ou um circuito virtual, através do qual os pacotes de uma mesma classe transitam. Uma rota deve ser inicialmente estabelecida, desta forma, um circuito será fechado, de modo que os próximos pacotes não serão mais roteados, eles serão apenas comutados com base em seus rótulos. 2.2. Encaminhamento de Pacotes O Cabeçalho MPLS, que encapsula o pacote IP, possui quatro campos: Label, EXP, S e TTL (ASSIS, 2002, p. 6). O label ou rótulo é um identificador de 20 bits, que é usado para identificar o pacote. O campo EXP possui 3 bits é utilizado para identificar uma classe de encaminhamento. O campo S tem tamanho de 1 bit e indica a presença de uma pilha de rótulos, se o rótulo é único ou o último da fila o bit é zero senão o bit é 1. O campo TTL tem o tamanho de 8 bits e provê funcionalidades de tempo vida do pacote. A Figura 4 representa um cabeçalho MPLS e seus atributos. O encaminhamento de pacotes em uma rede MPLS funciona da seguinte forma (Silva Neto, 2006, p. 32): ao chegar um pacote IP no roteador periférico da rede MPLS, chamado de LER, este executa uma consulta nível três na tabela de encaminhamento IP, classifica o pacote com base no resultado da consulta e o marca com um rótulo de saída, em seguida encaminha o pacote com um rótulo apropriado. no núcleo da rede, outro roteador LSR recebe o pacote rotulado, executa uma consulta de rótulo, usa a tabela de encaminhamento de rótulo para trocar o rótulo XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 65

de entrada pelo rótulo de saída correspondente e o encaminha ao próximo nó. Quando os pacotes recebidos não possuírem um rótulo MPLS, são roteados usando algoritmos tradicionais de roteamento IP, fazendo uma consulta nível três. na saída do pacote da rede MPLS, o último LER recebe o pacote rotulado, executa uma consulta de rótulo, remove o rótulo, executa uma consulta nível três tradicional no pacote IP e o encaminha para o próximo roteador externo ao domínio MPLS. Os roteadores MPLS são capazes de processar pacotes por rótulos de entrada, através de uma matriz de comutação chamada de tabela cross connect. Esta tabela é constituída por várias entradas de NHLFE (Encaminhamento por Rótulo ao Próximo Roteador) (Silva Neto, 2006, p. 35). Cada entrada NHLFE contém as seguintes informações: endereço do próximo roteador (next hop) para o pacote, operação a ser feita com a pilha de rótulo, substituição do rotulo do topo da pilha por um novo, retirada do rótulo do topo da pilha (operação pop) e substituição do rótulo no topo da pilha (operação push). O mapeamento dos pacotes recebidos por LSRs a conjuntos de NHLFEs é realizado através de dois mecanismos, chamados respectivamente de Incoming Label Map (ou ILM) e FEC to NHLFE (ou FTN) (PINHEIRO, 2000, on-line). O ILM (Tabela de Rótulos Entrantes) faz o mapeamento de pacotes que são recebidos com um cabeçalho MPLS. O rótulo do pacote de entrada é usado como referência na ILM, que contém informações que permitem ao nó selecionar um conjunto de NHLFEs com instruções de encaminhamento. O FTN (FEC to NHLFE) realiza o mesmo mapeamento para pacotes que chegam sem rótulo, mas que devem ser enviados com rótulo. O FTN considera apenas a FEC a qual o pacote pertence. Esta FEC é utilizada como referencia na FTN, cujo mapa permite selecionar um conjunto de NHLFEs que contém as instruções de encaminhamento. Quando a verificação da existência de um rótulo no pacote é positiva, o LSR usa a tabela ILM para encontrar uma entrada em NHLFE. Com as informações obtidas encaminha o pacote ao próximo LSR. Caso contrário o LSR processa o cabeçalho de rede do pacote, determinando a partir deste pacote uma FEC e usa o FTN para mapear esta FEC para o NHLFE (PINHEIRO, 2000, p.5). 3. Cenário da Simulação da Rede MPLS Para a criação do cenário de testes, foi configurado um laboratório composto de um ambiente de rede virtual. Para isso, utilizou-se o Netkit, software livre com licença BSD (Berkeley Software Distribution), que permite emular cenários de redes completas em um computador, com o intuito de reproduzir no ambiente virtual as características do 66 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

ambiente de rede real (RIMONDINI, 2007, on-line). Com o Netkit é possível criar laboratório, que consiste em um conjunto composto por redes com máquinas virtuais interconectadas, configuradas previamente. Foi criado um laboratório que, em um ambiente virtual, emula uma rede real com seis domínios de colisão (A, B, C, D, E e F), quatro roteadores (dois LERs e dois LSRs) e três hosts (figura 2): o roteador ler1 está conectado ao hostx no domínio de colisão A e ao roteador lsr1 pelo domínio de colisão B; o roteador lsr1 está conectado ao roteador ler1 pelo domínio de colisão B, ao roteador lsr2 pelo domínio de colisão C e ao hosty pelo domínio de colisão F; o roteador lsr2 está conectado ao roteador lsr1 pelo domínio de colisão C, ao roteador ler2 pelo domínio de colisão D; o roteador ler2 está conectado ao roteador lsr2 pelo domínio de colisão D e ao hostz pelo domínio de colisão E. Figura 2. Cenário de Rede configurado para Testes Os LERs se comportam de duas formas distintas, ao receber um pacote IP e ao receber um pacote MPLS. Quando recebem um pacote da rede IP, executam uma consulta na tabela de roteamento IP (nível três). Por outro lado, ao receber um pacote com cabeçalho MPLS, classifica-o com base nas informações da tabela FIB. O ambiente foi projetado para possibilitar a realização de testes considerando as duas formas de transmissão de pacotes. A configuração do ambiente foi feita de forma que: o hostx se comunica com o hostz através da rede MPLS, que é formada pelos roteadores ler1, lsr1, lsr2 e ler2; e o hostx se comunica com o hosty através de uma rede IPv4. Assim, os roteadores ler1 e ler2 fazem a ponte entre a rede IP e a rede MPLS. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 67

3.1. Configuração do Ambiente Todos os elementos que fazem parte do ambiente tiveram as suas interfaces configuradas com o endereço IP, máscara e gateway condizentes com os seus domínios de colisão. A seguir são apresentados alguns detalhes relevantes da configuração. Na comunicação entre o hostx e hosty, os pacotes serão encaminhados usando o protocolo IP. Para estabelecer a comunicação foram adicionadas às tabelas de roteamento IP dos roteadores ler1 e lsr1 entradas para que haja o roteamento dos pacotes entre as redes (domínios de colisão) em que estes hosts se encontram. A figura 3 apresenta as configurações das tabelas de roteamento IP dos roteadores ler1 e lsr1, respectivamente, que farão o encaminhamento entre as redes 192.168.0.0/24 e 172.16.2.0/24. Figura 3. Tabelas de roteamento de ler1 e lsr1 A comunicação entre o hostx e o hostz será feita através, unicamente, de uma rede MPLS, que usará para transporte os quatro roteadores presentes nesta topologia. Para que o tráfego de pacotes entre os hosts seja feito usando apenas a rede MPLS os roteadores foram configurados para comutar os pacotes segundo seus rótulos (label), conforme mostra a figura 4. Figura 4. Rótulos MPLS. Desta forma, cada um dos roteadores foi configurado para comutar os pacotes segundo seus rótulos (label). A configuração é feita na tabela de comutação de cada roteador. Como exemplo, a figura 5 apresenta a tabela de rótulos do roteador ler1. 68 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

Figura 5. Tabela de rótulos do roteador ler1. A tabela apresentada na figura 5 determina que o roteador ler1: ao receber um pacote destinado à rede 192.168.1.0/24, fará a operação push (adiciona um label), que atribui um cabeçalho MPLS com o label 1000 ao pacote e o encaminha pela interface eth2; e que ao receber um pacote com label 2002, removerá este com a operação pop (remove um label MPLS do pacote) e encaminhará o pacote usando a tabela de roteamento IP. 4. Testes sobre a comunicação MPLS Como o ambiente foi criado com o objetivo principal de possibilitar a realização de testes que visam a compreensão do funcionamento do MPLS, esta seção apresenta a descrição do teste realizado entre o hostx (192.168.0.1) e o hosty (192.168.1.5), que se comunicam através de uma rede MPLS. Vale ressaltar que é descrita apenas uma parte de um dos testes, para demonstrar a utilização do ambiente. O primeiro passo foi iniciar a comunicação entre os dois hosts, o que foi feito com a execução do comando ping tendo como origem o hostz, depois, foram capturados pacotes em vários pontos entre origem e destino. Os pacotes foram capturados com os aplicativos wireshark e tcpdump. Foram capturados pacotes de todas as fases descritas a seguir, mas apenas alguns são apresentados em figura para mostrar como a análise e comprovação do funcionamento adequado do laboratório foi realizada. A primeira captura foi feita na interface eth1 do roteador ler1. Essa interface liga o roteador ao hostx (figura 2) e é para ela que este host envia os pacotes da comunicação. A figura 6 apresenta os pacotes que foram capturados. Analisando a figura percebe-se que ao entrar no roteador ler1, o pacote ainda não sofreu o encapsulamento MPLS. Isso pode ser verificado no lado inferior da figura, que mostra apenas a presença do cabeçalho IP na transferência da mensagem selecionada, não sendo apresentado o cabeçalho MPLS. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 69

Figura 6. Pacotes capturados na eth1 do roteador ler1 O roteador ler1, encaminhou os pacotes para o roteador lsr1, por sua interface eth2 (figura 2), sendo que nesse momento o pacote será encaminhado pela rede MPLS. O ler1, após receber o pacote e verificar quem é o destinatário deste, atribuiu um rótulo 1000 ao mesmo e, em seguida, o encaminhou ao próximo roteador (lsr1), pela interface eth2. O roteador lsr1 recebeu os pacotes, removeu o rótulo 1000 e atribuiu o rótulo 1001, que é o rótulo configurado para comunicações lsr1 lsr2 (figura 4). Depois, encaminharou os pacotes para lsr2, por sua interface eth3. Essa situação pode ser verificada na figura 7, que mostra ao pacote que foi enviado ao lsr2 foi inserido o cabeçalho MPLS e que este estava com o rótulo/label 1001 (destacado no lado inferior da figura). Figura 7. Pacotes capturados na eth3 do roteador lsr1 70 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins

O roteador lsr2 removeu o rótulo 1001, do pacote recebido de lsr1 e atribuiu o rótulo 1002, que é o rótulo configurado para comunicações lsr2 ler2 (figura 4). Depois, encaminhou o pacote para o roteador ler2, por sua interface eth2. O roteador lsr2 não tem informações sobre a rede 192.168.1.0/24, que é a rede em que se encontra o hostz (destino da comunicação). Porém, faz o encaminhamento baseando-se nas tabelas de comutação MPLS. Quando o pacote chegou ao ler2, este removeu o encapsulamento MPLS e, após uma consulta nível três (tabela de roteamento), encaminhou o pacote ao destino pela rede IP. A ausência do cabeçalho MPLS foi confirmada capturando os que pacotes que foram encaminhados pela interface eth0 de ler2 com destino ao hostz e que tiveram origem no hostx. Além da comunicação no sentido hostx hosty foi analisada a comunicação no sentido hosty hostx, que teve um comportamento semelhante ao apresentado, tendo como principal diferença os valores dos rótulos. Como o objetivo do ambiente de simulação criado é propiciar o apoio para a compreensão do MPLS, neste artigo é apresentada apenas parte dos testes, para demonstrar o funcionamento e a aplicabilidade do ambiente. Porém, é possível realizar vários outros testes de comunicação para complementar os estudos teóricos. 6. Considerações Finais O objetivo deste trabalho foi simular uma rede com distribuição de labels usando o protocolo MPLS, para auxiliar na compreensão deste. Para isso, foi criado um laboratório Netkit com a configuração de todo o ambiente de rede, que é executado em um único host, mas possui o funcionamento similar ao de um ambiente de rede real. O Netkit se mostrou uma boa alternativa para virtualização de redes, possibilitando a configuração de um cenário relativamente complexo, o que seria muito difícil e caro de se fazer em ambientes reais. Utilizando a rede simulada foi possível compreender como é realizado o tráfego de pacotes usando o protocolo MPLS, através da análise das alterações sofridas pelos pacotes no caminho entre origem e destino. Com a classificação dos pacotes consegue-se ter um controle eficiente do tráfego, visando garantir qualidade aos serviços disponibilizados em uma rede usando comutação com o protocolo MPLS. O laboratório apresentado neste trabalho pode ser utilizado por pesquisadores, estudantes, profissionais, entre outras pessoas que precisem conhecer o funcionamento do protocolo MPLS. Por fim, tendo como base este trabalho podem ser desenvolvidos outros que envolvam não só a comunicação entre hosts de uma mesma rede MPLS, mas também uma comunicação utilizando outras redes que usam o protocolo MPLS fim a fim, podendo ser atribuídos outros cabeçalho MPLS em cascata, fazendo, assim, uma reclassificação dos pacotes, e determinando outro caminho dentro desta outra rede, de acordo com a qualidade ou classes de serviços exigidas por cada aplicação. XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins 71

6. Referências Bibliográficas Abreu, L. H. (2004) A Arquitetura MPLS para formação de VPN. 2004. 87 f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Sistemas de Informação) UNIMINAS. União Educacional Minas Gerais, Uberlândia, 2004. Pinheiro, Ana J. F., Figueiredo, G., B., Micheli, M. P., Cardoso, C., G. (2000) Um Estudo do MPLS e sua Importância para o REMA. Projeto REMAv - UFBA. Salvador-Bahia: abril de 2000. 14 p. Rimondini, Massimo. (2007) Emulation of Computer networsk with Netkit. 2007. Disponível em http://www.netkit.org/publications/netkit-tr.pdf. Acesso em agosto de 2009. Publicado em janeiro de 2007. Silva Neto, Edson Moreira. (2006) Especificação de uma rede MPLS Fim-a-Fim com diferenciação de serviços. 173 f. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Elétrica), Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal. 72 XII Encoinfo Encontro de Computação e Informática do Tocantins