“Tecnologías de Transporte” Parte III Prof. Dr. Ing. Gustavo Hirchoren

Bibliografía “MPLS, Technology and Applications”, B. Davie, Y.Rekhter, Morgan kaufmann Publishers, 2000.

MPLS (“Multiprotocol label switching”) Orígenes MPLS - Orígenes MPLS (“Multiprotocol label switching”) Orígenes MPLS como una tecnología de base para redes IP escalables Desarrollo que toma ventaja de las mejores características del switching de nivel 2 y el ruteo de protocolos de nivel 3 Técnicas/Productos propietarios de “IP Switching” desarrollados IP Switching (Ipsilon) IP Navigator (Cascade/Ascend/Lucent) ARIS (IBM) Tag Switching (Cisco) MPLS es el estándar que “unifica” los esfuerzos IETF WG formada en la Primavera de 1997 Más de 100 RFCs/drafts relacionados a MPLS Muchos factores condujeron al desarrollo de la conmutación por etiquetas (label switching). Generalmente, se asume que fue sólo un factor – la necesidad de crear routers veloces y baratos. Esto puede ser verdad para uno o dos de los modelos que precedieron al MPLS, pero; como veremos en esta sección, la teoría de conmutación por etiquetas (label switching) fue derivada por mucho más que la necesidad de generar más velocidad. Veremos por separado los factores que resultaron importantes en el desarrollo de algunos de los diferentes subconjuntos de teorías que culminaron convergiendo en el MPLS. Sin embargo, no fue cada uno de ellos individualmente sino la combinación de los mismos, el motivador real del desarrollo en el campo MPLS. El modelo tradicional de Internet se fue diseñando desde las necesidades de los Proveedores de Servicio. En un determinado momento, los equipos ya no lograban soportar ser actualizados para atender las crecientes necesidades de velocidad y throughput. Para resolver estos inconvenientes de capacidad y atender los requerimientos de escalabilidad, surgieron las redes de transporte sobre ATM. Como beneficio colateral el tráfico de datos pudo tratarse de manera más efectiva gracias a la monitoría y el manejo apropiado de la capacidad a través de los circuitos virtuales (VCs) en ATM. Por el contrario, el modelo tradicional existente agregó una complejidad difícil de atacar que fue lograr compatibilizar dos tecnologías de redes diferentes, conocidas como ATM e IP. Se hizo evidente entonces, que los esfuerzos debían orientarse a conservar las velocidades de conmutación del ATM con un plano de control simple y consistente como IP y sus protocolos de ruteo. Fue desarrollada entonces, un conjunto de técnicas de conmutación en IP, que finalmente constituyen la base de la formación del estándar MPLS.

¿Cómo llegamos hasta aquí? MPLS - Orígenes ¿Cómo llegamos hasta aquí? Crecimiento y Evolución de Internet Relación Precio / Rendimiento Integración IP sobre ATM Cuestiones de escalabilidad Extensión de las funciones de ruteo El crecimiento “exponencial” que viene experimentando Internet crea una gran variedad de desafíos técnicos. El aumento tanto en el número de usuarios así como en los requerimientos de ancho de banda genera nuevas demandas hacia los proveedores de servicio de Internet (ISPs) y sus redes. A fin de satisfacer estas constantes demandas de los consumidores, los ISPs necesitan mejorar el rendimiento en la conmutación y ruteo de los datos. Adicionalmente al requerimiento de mayor velocidad, las redes necesitan aumentar su cobertura e incrementar el número de nodos (para capturar nuevos clientes), generando ello un aumento en las rutas dentro de las tablas de ruteo, un incremento del flujo de paso en un punto dado, y así sucesivamente. La escalabilidad no es un tema novedoso para los proveedores, entendiendo la misma como la habilidad para lograr el crecimiento de las redes sin morir en el intento... Pero tal vez el más importante de los factores detrás de la conmutación por etiquetas, y uno de los que normalmente no se valora correctamente en la comunidad de profesionales de redes, es la necesidad de lograr una evolución en la funcionalidad del ruteo de Internet y las redes IP en general. El crecimiento de Internet genera continuamente nuevas demandas en relación a los protocolos de ruteo, y también sobre la funcionalidad de los mismos. En el pasado, la funcionalidad del ruteo parecía no lograr evolucionar dada la estrecha relación entre el ruteo y el forwarding en redes IP. Por ejemplo, la propuesta para que los prefijos de red en las direcciones IP pudieran ser de longitud variable (Classless Interdomain Routing – CIDR) mejoraba notablemente la escalabilidad del direccionamiento IP. Pero ello implicaba también modificar el algoritmo de forwarding de virtualmente todos los routers IP. Dicho algoritmo puede implemantarse en software o podía existir en hardware, lo que complicaba aún más la situación. Uno de los atractivos de la conmutación de etiquetas es que el algoritmo de forwarding es fijo y que los nuevos paradigmas de control pueden implementarse sin modificar nada. Una amplia variedad de módulos de control pueden utilizarse para manejar el proceso de conmutación de etiquetas, y todos ellos utilizan el mismo algoritmo de forwarding. Esto genera un significante potencial para acortar los tiempos que demanda desarrollar e implementar nuevas funcionalidades de ruteo en redes IP.

¿Cómo llegamos hasta aquí? MPLS - Orígenes ¿Cómo llegamos hasta aquí? Cuestiones de escalabilidad Existe un importante y poco conocido problema de escala cuando una red IP se construye sobre un mallado de nivel 2, cómo pueden ser un backbone Frame Relay o ATM. Por problema de escala nos referimos a que alguna medida de la complejidad de la red crece mucho más rápidamente que el número de nodos en la red, provocando que en cierto punto resulte impracticable hacer a la red más grande. Consideremos una red con backbone ATM que provee conectividad de alta velocidad entre todos los routers que la circundan. Es necesario definir un mallado total de circuitos virtuales (VCs) para interconectar todos los routers entre sí. Si existiesen N routers la cantidad necesaria de VCs sería N(N-1)/2. Para llegar a apreciar el inconveniente es necesario conocer un poco acerca de cómo funcionan los protocolos de ruteo. Un router normalmente se configura para tener una adyacencia con cada uno de sus vecinos a los que está directamente conectado. Esta adyacencia le permite al router mantener actualizado los datos respecto a quién está conectado a él, respecto a si cualquier vínculo está fuera de servicio, y se utlizan para intercambiar información de ruteo entre vecinos. Cuando los routers se conectan utilizando un mallado total de VCs, el número de vecinos inmediatos en cualquier router es N-1. Los switches ATM pasan inadvertidos ya que pertenecen a un nivel 2 del modelo OSI y son efectivamente invisibles para los router en el nivel 3 o de red. Pues bien, el problema es que frente a una modificación de topología en el core de la red (por ejemplo agregar o quitar un router) la cantidad de información de ruteo que se transmitirá puede ser del orden de N^4. Como el monto de información de ruteo crece tan rápidamente al incrementar N, se puede llegar al punto dónde el tráfico de ruteo sature al router, conduciendo a un rendimiento pobre del equipo. Podemos concluír entonces que el diseño de red es pobre sobre la perspectiva de la escalabilidad. Este problema puede atacarse de diferentes formas. Una de ellas es evitar el mallado total, pero entonces será necesario que entre dos routers que no tienen VC entre sí, cualquier dato sea ruteado a un 3er. router que los interconecte, agregando de este modo un hop innecesario. En ciertas ocasiones, y siendo el rendimiento aceptable es preferible tener un salto más en la ruta a destino que saturar los equipos con el tráfico debido a las adyacencias. Otro método es utilizando Next Hop Resolution Protocol (NHRP) que permite a los routers establecer VCs sobre los que pueden enviar datos sin necesidad de establecer una adyacencia de ruteo sobre el VC. Sin embargo, este método tiene su propia gama de problemas como por ejemplo, la necesidad de corren un número de servers NHRP y la posibilidad de introducir bucles infinitos de forwarding. Además no admite multicast. Finalmente, podemos utilizar conmutación de etiquetas. Corremos los protocolos de ruteo IP sobre los switches ATM, convirtiéndose entonces el switch en la adyacencia del router. Ello reduce el número de adyacencias en el router y además no se incrementa con el agregado de un nuevo equipo a la red.

¿Cómo llegamos hasta aquí? MPLS - Orígenes ¿Cómo llegamos hasta aquí? Extensión de las funciones de ruteo Es importante también recordar que la conmutación por etiquetas no es simplemente hacer que el hardware ATM se comporte más como un router IP. Tampoco se trata de hacer routers IP más económicos o veloces. La conmutación por etiquetas también agrega nuevas funcionalidades que no podían ofrecerse con las técnicas de ruteo IP existentes. Uno de los ejemplos más notables en dónde la conmutación por etiquetas parece expandir las capacidades del ruteo IP convencional es el área del ruteo basado en el destino. Prácticamente todo el ruteo actual en redes IP se basa en la dirección de destino. Esto es, que la decisión acerca de dónde enviar el paquete se realiza basándose únicamente en la dirección de destino. En principio, otros campos en el encabezado IP tales como la dirección de origen, el tipo de servicio, etc. podrían ser utilizados a la hora de decidir por dónde rutear el paquete. Como contraejemplo, las tecnologías que se basan en técnicas de intercambio de etiquetas, como Frame Relay y ATM, no se basan en la dirección de destino exclusivamente y pueden proveer diferentes funcionalidades. Si existiese un hub router C en dónde confluyan dos sitios A y B, ambos enviando paquetes a otro router que llamaremos F; en caso de que existan dos caminos posibles entre C y F (digamos uno a través del router D y otro a través del router E) en ruteo IP convencional sería imposible pedirle a C que utilice un camino en particular para el caso que el paquete venga de A. Esto ocurre pues lo único que C miraría es el destino del paquete sin importar quién lo enviase. En el caso de la definición de VCs puede hacerse la distinción y selección del camino sin mayores complejidades. Otra alternativa es utilizar conmutación de etiquetas. Esto se basa en que A y B no tienen porqué utilizar la misma etiqueta. C conocerá que los paquetes con etiqueta de A los debe enviar a través de D, y los que tengan etiqueta de B los enviará a F a través de E. Como vemos, conmutación por etiquetas provee nuevas funcionalidades respecto al ruteo IP convencional.

MPLS (“Multiprotocol Label Switching”)

Forwarding de datagramas en IPv4 Cada router verifica la máxima coincidencia con respecto a la dirección IP destino

Conmutación de celdas ATM

MPLS (“Multiprotocol Label Switching”)

MPLS (“Multiprotocol Label Switching”)

MPLS (“Multiprotocol Label Switching”)

Encapsulados b b Modo Frame: PPP Frame LAN Modo Célula: ATM MPLS – Tecnología de Base Encapsulados Modo Frame: PPP Encabezado PPP b Encabezado de Etiqueta Encabezado Nivel 3 Frame b Encabezado Frame Encabezado de Etiqueta Encabezado Nivel 3 Se lo conoce como encabezado tipo cuña dado que la etiqueta se inserta entre los encabezados de nivel 2 y 3 para modo MPLS. Una implicancia de esta técnica es que el tamaño de la trama debe incrementarse lo que puede aparejar inconvenientes en relación al MTU. El encapsulado del encabezado Célula ATM mostrado se utiliza para una implementación de Modo Célula Los demás encapsulados indicados son para implementaciones de Modo Frame LAN Encabezado MAC Encabezado de Etiqueta Encabezado Nivel 3 Modo Célula: ATM GFC VPI VCI PTI CLP HEC DATOS Encabezado de Etiqueta

MPLS – Tecnología de Base Resumen MPLS Standard Interior Gateway Protocol (IGP) se corre para “descubrir” la topología y calcular las “mejores rutas" Label Distribution Protocol (LDP) se agrega para crear los Label Switched Paths (LSPs) que mapean las rutas IGP. Label Edge Routers (LERs) manejan los límites entre IPV4 y MPLS - LER de ingreso agregan etiquetas y LER de egreso quitan etiquetas – además de cambiar o conmutar etiquetas en los paquetes

MPLS – Tecnología de Base Resumen MPLS Label Switch Routers (LSRs) conmutan etiquetas en los paquetes a través del core MPLS