MPLS

REDES Y SERVICIOS DE BANDAREDES Y SERVICIOS DE BANDA ANCHA

MPLS: Multiprotocol Label Switching

Fernando Cerdán

fernando cerdan@upct [email protected]

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I t d ióIntroducción

• Crecimiento exponencial de Internet– Problemas para los proveedores de serviciop p

• Se ha multiplicado el número de usuarios, la velocidad de las conexiones, el tráfico en la red.

• Han aparecido múltiples nuevas aplicaciones• Han aparecido múltiples nuevas aplicaciones

• Hasta ahora bastaba con “store&fordward” : Modelo “best effort”best effort

• Ahora las nuevas aplicaciones de voz, tráfico multimedia, juegos online, comercio electrónico, etc:multimedia, juegos online, comercio electrónico, etc:– Precisan más ancho de banda y garantías de servicio.– Hay que implementar nuevas arquitecturas con QoS alHay que implementar nuevas arquitecturas con QoS al menor coste posible

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I t d ióIntroducción

• MPLS tiene capacidad para realizar “Traffici i ”engineering”

– SPs pueden ofrecer nuevos serviciosp

– SPs pueden escalar sus recursos actuales

– SPs pueden controlar mejor el tráfico ( creciente ) de la red

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F i i t d MPLSFuncionamiento de MPLS

• Redes IP carecen de técnicas de QoS al estilo de las redes orientadas a conexión como ATMredes orientadas a conexión como ATM

• MPLS proporciona la sofisticación de una red orientada a conexión al mundo IP no orientado a conexióna conexión al mundo IP no orientado a conexión.

• Términos más usados en MPLS1 F di E i l Cl (FEC) G d t1. Forwarding Equivalence Class (FEC): Grupo de paquetes

IP que se envían o tratan de la misma manera.

2 C b MPLS 32 bit l i i t2. Cabecera MPLS: 32 bits con los siguientes camposi. Label 20 bits : Contiene el valor de la etiqueta MPLS

ii Class of Service (CoS) 3 bits : Afecta a las prioridades yii. Class of Service (CoS) 3 bits : Afecta a las prioridades y algoritmos de descarte de los paquetes en las colas de los routers (LSR Label Switch Routers).

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iii. Stack (S) 1 bit : Permite tener una pila de etiquetas jerárquica, aunque sólo se tiene enetiquetas jerárquica, aunque sólo se tiene en cuenta la “top label”.

– Si el bit no existe se dice que la pila es deSi el bit no existe se dice que la pila es de profundidad cero

– Si la profundidad es m, la etiqueta del fondo es la 1, p , q ,la siguiente la 2, y así hasta la de arriba (top) que es la m.

– La pila de etiquetas se usa para enviar paquetes sobre túneles LSP (Label Switch Path)

i TTL ( i li ) 8 biiv. TTL (time‐to‐live) 8 bits

Figura 1: Cabecera MPLS5


3. Si la capa 2 soporta etiquetas (VCI/VPI en ATM DLCI F R l ) l ti t MPLSATM o DLCI en Frame Relay) la etiqueta MPLS se encapsula aquí. En otro caso se encapsula p q pen una cabecera estándar insertada entre la capa 2 y la cabecera IPcapa 2 y la cabecera IP.

Fi 2 C b d L2 MPLS L3Figura 2: Cabeceras de L2, MPLS y L3

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4. Etiqueta MPLS : Identificador de longitud fij ti id tifi FECfija, continuo, que identifica una FEC.

5 Label Switched Path (LSP): Es el camino que5. Label Switched Path (LSP): Es el camino que siguen los paquetes de una FEC de acuerdo al l d l l d lvalor de la etiqueta MPLS en un nivel de la

jerarquía. j q

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• Normalmente en IP la cabecera se examina en cada Router que pasa el paquete y la asignación de Clase de Servicio se hace en cada router hasta la IP de destino.

• Sin embargo en MPLS la asignación de un paquete a una FEC se hace sólo una vez al entrar en la red. La FEC se codifica como una etiqueta MPLS. La etiqueta se mantiene de router a router sin más análisis demantiene de router a router sin más análisis de cabecera IP.

• La etiqueta se usa como un índice dentro de una• La etiqueta se usa como un índice dentro de una tabla, que indica el siguiente salto, y nueva etiqueta. Se reemplaza la etiqueta y se envía el paquete al siguientereemplaza la etiqueta y se envía el paquete al siguiente router.

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Figura 3 : Esquema global stma. MPLS 9

B fi i d MPLSBeneficios de MPLS

• La idea inicial es llevar la rapidez de la conmutación de la capa 2 a la capa 3conmutación de la capa 2 a la capa 3. Examinar una etiqueta es más sencillo que

bl d i f ió d @IPuna tabla de routing en función de una @IP. Sin embargo los routers con tecnología ASIC son tan rápidos que la justificación anterior no tiene sentido.tiene sentido.

• MPLS tiene otras muchas ventajas para redes IPIP

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B fi i d MPLSBeneficios de MPLS

1. Cualquier información no utilizada por la capa de red la podemos usar para asignar la FEC. (ejemplo IP de origen).

2. Podemos asignar etiquetas con prioridades a los paquetes. Posibilitando técnicas de QoS como en ATM.

3 L i ió d FEC d d l3. La asignación de un paquete a una FEC puede ser todo lo complicada que se quiera sin afectar para nada a los routers que solo reenvian paquetesrouters, que solo reenvian paquetes.

4. El payload no se examina por lo que podemos encriptarinformación y transportar cualquier protocolo.y p q p

5. Podemos forzar a un paquete a seguir una ruta. Esto puede ser tanto una técnica de TE como de QoS.

6. MPLS es independiente de las capas 2 y 3. Por tanto permite la integración de redes heterogéneas.

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T ffi E i i (TE) I t d ióTraffic Engineering (TE): Introducción

• Definición simple: Consiste en manipular el tráfico de la red para que éste se adapte a los recursos disponibles.

• Inconvenientes conocidos:– Podemos hacer TE observando métricas de tráfico en los interfaces, pero es inviable en grandes redes.E IP ATM (Ti TE) li d– En IP over ATM (Tiene TE) es complicado mapear arquitecturas de redes distintas. (definición y mantenimiento de topologías separadas, espacios demantenimiento de topologías separadas, espacios de direcciones, protocolos de routing, protocolos de señalización y mecanismos de reserva de recursos)

• MPLS‐TE supera la mayoría de los problemas anteriores y permite la fusión de las técnicas TE orientadas a conexión con el routing IPconexión con el routing IP.

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T ffi E i i (TE) Obj tiTraffic Engineering (TE): Objetivos

1. Minimizar la congestión:– ¿ Cuando tenemos congestión ?

a) Cuando los recursos de la red son insuficientes o inadecuados para la carga de tráfico.

b) Cuando los flujos de tráfico se distribuyen mal entre los recursos ) j ydisponibles. Unos infrautilizados y otros desbordados.

2. Operaciones de red fiables.H f l l d d i á id– Hacen falta enlaces redundantes, y mecanismos rápidos y eficientes de redirección del tráfico por esos enlaces en caso de fallos.

3. Requisitos de Calidad de Servicio (QoS)– En un entorno multiservicio, donde los servicios con

dif id d d i i i ll ldiferentes necesidades de servicio compiten entre ellos por los recursos, el papel del TE es decisivo. TE proporciona los recursos a cada servicio de forma selectiva y de forma justa atendiendo también a sus prioridades.

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C t d MPLS TEComponentes de MPLS‐TE

1. Information Distribution– TE necesita un conocimiento detallado de laTE necesita un conocimiento detallado de la

topología y de la variación de carga en la red (cargamáxima, actual y reservada de un enlace). Estainformación se guarda en los LSR en las TED (TEDatabase), y se consigue gracias al protocolo IGP(Internet Gateway Protocol)(Internet Gateway Protocol)

2. Path SelectionC l i f d l TED d LSR d d l d– Con la info de las TED cada LSR de entrada a la redcalcula las rutas explicitas de sus LSPs :

• Strict explicit route : se especifican todos los LSRs en el LSP• Strict explicit route : se especifican todos los LSRs en el LSP• Loose explicit route : Sólo se especifican algunos LSRs en el

LSP.

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C t d MPLS TEComponentes de MPLS‐TE

3. Signaling and Path‐Setup– La ruta calculada anteriormente no es realmente operativa ya

que la TED puede no estar actualizada. La componente TE de “signaling” se encarga de establecer de forma correcta elestado del LSP, fijar las etiquetas y su distribución en el, j q yproceso de “Path Setup”.

– Los “signaling protocols” más populares son: ResourceReservation Protocol with Traffic engineering ExtensionsReservation Protocol with Traffic engineering Extensions(RSVP‐TE) and Constraint‐based Router Label DistributionProtocol (CR‐LDP).

4. Packet‐ForwardingU li d l P th S t l LSR i i– Una vez realizado el Path‐Setup, el LSR comienza a enviarpaquetes, según el sistema de etiquetas MPLS ya estudiado.

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Principales características de MPLS‐TEPrincipales características de MPLS TE1. Explicit routes: Son importantes para balancear el tráfico

l b l d i l d “ h” liglobal o desviarlo de un “path” concreto para cumplir algún objetivo. Lo estudiaremos en detalle al ver el protocolo RSVP‐TEprotocolo RSVP TE.

2. Path preemption: Hay servicios más críticos que otros. Si la VoIP compite con Datos por el mismo recurso, el tunelp p ,de datos se desvía o se descartan los paquetes si no hay alternativa.

P i id d d l ú l– Prioridades de los túneles:• Setup priority (0 (+)‐>7 (‐): Los túneles con esta prioridad se

apropiarán de los recursos de túneles con prioridad “Hold” si fuera necesario.

• Hold priority (0 (+)‐>7 (‐):

3 Fast Re‐route: Cuando falla un enlace los “Interior3. Fast Re route: Cuando falla un enlace los Interior Gateway Protocols” pueden tardar 10 sg en converger. La protección se puede mejorar con preseñalización que se

d á d ll l l lestudiará con mas detalle al ver el protocolo RSVP‐TE.16

Protocolo de señalización RSVP‐TE : Introducción

• Los mayores proveedores de dispositivos de red Cisco y Juniper networks decidieron trabajar conCisco y Juniper networks decidieron trabajar con una extensión del protocolo RSVP estándar del IETF en vez de crear un nuevo protocoloIETF en vez de crear un nuevo protocolo.– Se ahorran grandes esfuerzos en di ñ t d i ió d ll d d ddiseño, estandarización, desarrollo y depurado de errores.

l ú á d d l ó d– RSVP es el único estándar de señalización de QoS en redes IP.

– Se extendió para dar soporte al establecimiento y mantenimiento de LSPs.

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RSVPRSVP

• RSVP es utilizado por los hosts para solicitar a la red una determinada QoS para una aplicación ored una determinada QoS para una aplicación o flujo de datos concreto.

T bié l l l• También lo usan los routers para entregar las peticiones de QoS a todos los nodos de un “path” o flujo.

• RSVP es un protocolo de control que estableceRSVP es un protocolo de control que establece una reserva determinada de recursos, pero la solicitud de reserva la hace otro componente desolicitud de reserva la hace otro componente de la arquitectura.

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RSVP P i i l C t í tiRSVP: Principales Características

1. Proporciona Reservas de ancho de banda en conexiones multicast (elcaso unicast se gestiona como una excepción del anterior).

2 El receptor es quien inicia y mantiene la reserva para el flujo de datos2. El receptor es quien inicia y mantiene la reserva para el flujo de datosque recibe.

3. Se trata de un “Soft state protocol” : Interesante para elementosdi á i bi d ti l d b fdinámicos y cambios de routing ya que la reserva debe refrescarseperiódicamente.

4. Las peticiones de reserva de recursos son sólo en una dirección( i l )(simplex).

5. Existen tres modelos o estilos de reserva:I. Fixed filter (FF)II. Wildcard filter (WF)III. shared explicit (SE)

6. Es Independiente del protocolo de routing. “Routing protocolsd h k f d d l d hdetermine where packets get forwarded; RSVP is only concerned withthe QoS of those packets that are forwarded in accordance withrouting” RFC 2205.

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Nodo con capacidad RSVP

VP

2

do RSV

1

2

3

4: N

od

54

Figura

1. La aplicación solicita una QoS

F

p

2. Se comprueba que hay permiso para realizar una reserva.

3. Se comprueba que haya recursos suficientes para la reserva.

4. 4 y 5 se encargan de proveer la QoS solicitada.

– 4 Observa si los paquetes de un flujo tienen reserva y que QoS deben recibir.

5 Envía el paquete de acuerdo a su QoS El scheduler se compone de varias– 5 Envía el paquete de acuerdo a su QoS. El scheduler se compone de varias colas y por tanto se pueden dar diferentes servicios a diferentes flujos.

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C t l d RSVPConceptos clave de RSVP

1. Flowspec– RSVP reserva recursos para un flujo (un LSP en MPLS).– Un flujo se identifica por la @IP destino, el identificador de

protocolo y opcionalmente el puerto de destino.RSVP identifica la QoS requerida para el flujo– RSVP identifica la QoS requerida para el flujo.

– La información específica de la QoS requerida se denomina “flowspec”. RSVP se encarga de pasar esta información desde p g pla aplicación al host y a los routers a lo largo del “path”.

– El host y los routers analizan el “flowspec” para aceptar y reservar los recursosreservar los recursos.

– Contenido del “flowspec”• Service Class• Reservation specs (La QoS concreta)• Traffic specs ( Define las características de tráfico del flujo)

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C t l d RSVPConceptos clave de RSVP

2. Filterspec

– Define el conjunto de paquetes a los que se les aplicará el flowspec (es decir los que recibirán la QoS)

Una solicitud RSVP consiste en un– Una solicitud RSVP consiste en un

flowdescriptor = flowspec + filterspec

– Flowspect fija los parámetros del scheduler

Filterspect fija los parámetros del clasificador de– Filterspect fija los parámetros del clasificador de paquetes.

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M j RSVPMensajes RSVP

• Path (Path messages)– Se envían desde el host emisor a lo largo del “path” y

almacenan en cada nodo el “path state”.– “Path state” incluye:

• @IP nodo previo• @IP nodo previo• Sender template: formato de los datos del emisor• Sender tspec : características del flujo de datos• Adspec : información adicional sobre el “data path” y para controlar la QoS. Se usa con la arquitectura de Servicios Integrados (RFC 2210).

• Resv (Reservation messages)Resv (Reservation messages)– Se envían desde el receptor hasta emisor a lo largo del “path”– Incluye la “flowspec” que identifica los recursos que precisa el

flujo.

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F i i t d RSVPFuncionamiento de RSVP

1 Server envía “path messages” periódicamente al cliente (unicast o multicast)1. Server envía path messages periódicamente al cliente (unicast o multicast). 2. Cada nodo que recibe el “path message” y guarda la info como “path state”.3. El cliente inicia una reserva con un “resv message” hacia el servidor. (3 modos

de reserva)de reserva)1. FF : Reserva exclusiva para los paquetes de un emisor especificados en el

“filterspec”.2 S i f ifi d l “fil ”2. SE : La reserva es para varias fuentes especificadas en el “filterspec”3. WF : La reserva se comparte entre todas las fuentes de un grupo multicast.

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Funcionamiento de RSVPu c o a e to de S

• Cada cliente realiza la reserva en función de susCada cliente realiza la reserva en función de sus necesidades. En una conexión multicast sólo se realiza la reserva del cliente con los requisitos másrealiza la reserva del cliente con los requisitos más exigentes. 25

RSVP‐TE in MPLS: ResourceR ti P t lReservation Protocol

ól l d d• RSVP‐TE no es sólo un protocolo de reserva de recursos, si no también ,

– Un LDP: (procedimiento por el cual un LSR i f t d l i i dinforma a otro de las asignaciones de etiquetas/FEC que ha hecho).

– Establecer, mantener y eliminar LSPs

• RSVP TE también soporta LSPs sin reservas• RSVP‐TE también soporta LSPs sin reservas para tráfico “best effort”.

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RSVP TE i MPLSRSVP‐TE in MPLS

• Mejoras añadidas a RSVP‐TE1. Label request and distribution (using Label Request Object in Path

messages and Label Object in Resv messages)messages and Label Object in Resv messages).2. Explicit routing (using Explicit Route Object ERO)3. Bandwidth reservation for LSPs4. Rerouting LSPs after failure5. Tracking of the actual route of an LSP (using Record Route Object

RRO)RRO)6. Preemption options (like setup priority, holding priority in Session

Attribute Object).

LSP RSVP TE h i l l• LSP setup en RSVP‐TE se hace igual, excepto en que los nuevosobjetos de información se añaden en los Path y Resv messages. – Por ejemplo, cada Path message trasporta un Label Request Object j p , g p q j

mientras que cada Rev message contiene un Label Object. – El uso de ERO y RRO es opcional.

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RSVP‐TE in MPLS: Reroute and Bandwidth Increase Operations

• Estas operaciones son el núcleo del Traffic Engineering.

• El término “make‐before‐break” se usa durante el• El término make‐before‐break se usa durante el rerouting de túneles :

Significa que mientras se intenta un reroute (por ejemplo– Significa que mientras se intenta un reroute (por ejemplopor saturación de un path), primero se crea un nuevotunel, se configura y se transfiere el tráfico, y atunel, se configura y se transfiere el tráfico, y a continuación se elimina el LSP no válido.

– make‐before‐break precisa de éstas dos condiciones:p1. En los enlaces comunes a ambos LSPs, los recursos usados por

el LSP no válido no deberian liberarse antes de la trasferenciade tráfico al nuevo LSPde tráfico al nuevo LSP.

2. Las reservas no deben contarse dos veces.

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RSVP‐TE in MPLS: Reroute and Bandwidth Increase Operations

• Las dos condiciones anteriores se tienen en cuenta de la siguiente manera:1. Escogemos un nuevo LSP ID y por tanto un nuevo

SENDER_TEMPLATE. (De cada a la sesion RSVP pareceque hay dos transmisores diferentes) Se añade la nuevaque hay dos transmisores diferentes). Se añade la nuevaERO (explicit route) y después el nodo envía un nuevoPath Message utilizando la original SESSION object, con el g g j ,nuevo SENDER_TEMPLATE y el ERO.

2. Once the ingress node receives a Resv message for the LSP t ffi b t f d t it d th ld LSPnew LSP, traffic can be transferred to it and the old LSP

tore down, using PathTear message.

• Similar approach is also used for bandwidth increase• Similar approach is also used for bandwidth increase operation.

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