Gestión del tráfico en Internet la perspectiva del ISP MPLS (Multi Protocol Label Switching). Ejercicio MPLS. Anexo MPLS.

Transcripción

1 Sumario Gestión del tráfico en Internet la perspectiva del ISP MPLS (Multi Protocol Label Switching). Ejercicio MPLS. Anexo MPLS. Bibliografía: Computer Networks. Peterson & Davie. 3º edición. Computer Networks. Fourth Edition. Tanenbaum, 4º edición. 1

2 Gestión del tráfico en Internet la perspectiva del proveedor de servicios de Internet Asumiremos que las capacidades del ISP son escasas y se ha tomado la decisión de evitar el exceso de reserva de recursos. También puede haber casos en que un ISP ya está comprometido con una determinada tecnología y aumentar más las capacidades significaría reemplazar equipos costosos o añadir (no actualizar) enlaces lo que a su vez puede más causar problemas. Existen métodos para que los ISPs puedan gestionar el tráfico en la red - por ejemplo, se puede decidir cambiar el enrutamiento IP y reubicar una cierta fracción de los paquetes que congestionan un enlace en otro lugar. Esto es llamado Ingeniería de Tráfico Traffic Engineering. Otra opción es diferenciar entre, por ejemplo, un cliente de tarifa premium quien siempre debe experimentar las condiciones perfectas y un cliente de tarifa normal que debe ser capaz de aceptar algún grado de congestión. Esto es llamado Calidad de Servicio - Quality of Service (QoS). 2

3 MPLS MultiProtocol Label Switching RFC

4 ??? Red de circuitos virtuales 4

5 MPLS: Orígenes MPLS se introdujo originalmente como un medio para forwardear eficientemente paquetes IP a través de redes ATM; permitiendo a los administradores asociar ciertas clases de paquetes con los circuitos virtuales ATM (VC). Además, originalmente MPLS facilitaba el forwarding (usa una etiqueta de 20 bits en lugar de una dirección IP más compleja), lo que puede acelerar el proceso- algunos routers centrales están obligados rutear millones de paquetes por segundo, e incluso una implementación de hardware puro basada búsqueda por dirección IP es lenta en comparación a revisar etiquetas MPLS. Hoy en día, la ventaja de la velocidad de los switches MPLS sobre los enrutadores IP ha disminuído, y la razón principal para el uso de MPLS es la capacidad para llevar a cabo ingeniería de tráfico y para establecer túneles. 5

6 MPLS: Conceptos MPLS: Multi Protocol Label Switching. MPLS es Nivel 2 + switching. El forwarding se realiza de la misma forma que en los switches VC (Virtual Circuit). El forwarding de los paquetes se realiza en base a labels. 6

7 IP Motivación Primer protocolo definido y utilizado. De facto; el único protocolo para la Internet Global trabajando. pero tiene desventajas. 7

8 Motivación (cont.) Desventajas del Ruteo IP. Sin conexión. - e.g. no QoS. Cada router debe tomar decisiones independientes basado en las direcciones IP. Encabezado IP grande. - al menos 20 bytes. Ruteo en capa de red. - Más lento que switching. Usualmente diseñado para obtener el camino más corto - No toma en cuenta otras métricas. 8

9 Motivación (cont.) ATM (Asynchronous Transfer Mode). Orientada a conexión. - Provee QoS. Switcheo rápido de paquetes con paquetes (celdas) de largo fijo. Integración de diferentes tipos de tráfico (voz, datos, video). Pero también tiene desventajas. 9

10 Motivación (cont.) Desventajas de ATM. Complejo. Caro. No ampliamente adoptado. 10

11 Motivación (cont.) Idea: Combinar los algoritmos de re-envío usados en ATM e IP. 11

12 Bases de MPLS Multi Protocol Label Switching se inserta entre capa 2 y capa 3. 12

13 Bases de MPLS (cont.) Características de MPLS. Mecanismo para manejar el flujo de tráfico de tamaños variados (Flow Management). Es independiente de protocolos de capa 2 y 3. Mapea direcciones IP a labels de longitud fija. Interconecta a protocolos existentes (RSVP, OSPF). Soporta ATM, Frame-Relay y Ethernet y PPP. 13

14 Para qué se usa? Los sectores que más provecho pueden sacar de MPLS, son los proveedores de servicio, las grandes empresas e instituciones gubernamentales (grandes redes). Algunas empresas medianas pueden contratar un servicio de VPNs de algún proveedor de servicio, basado en MPLS. Los usos más importantes son: Ingeniería de tráfico / QoS / Congestión: El enrutamiento IP tradicional suele llevar a sobrecargar los caminos más cortos (a veces los caminos más largos pueden tener menor congestión y menor delay). Respecto a este problema MPLS puede ser utilizado para: - Maximizar la utilización de los enlaces y los nodos - Garantizar el nivel de delay (respetar los SLAs). - Minimizar el impacto de las fallas. El principal protocolo para realizar ingeniería de trafico con MPLS es RSVP-TE. Integración de redes diversas: ATM, Frame relay, IP, Ethernet y ópticas Mantener una red, es más barato que mantener muchas. Con MPLS podemos armar una red de transporte universal. MPLS-VPN: Con MPLS pueden realizarse VPNs robustas, más escalables y menos costosas que otras alternativas como IPSec, ATM o frame relay; además agrega QoS. 14

15 MPLS: Esquema básico Label push Label Swapping Label Pop IF1 Incoming L1 LIB Outgoing IF2 L2 15

16 MPLS: Esquema básico IP IP #L1 IP #L2 IP #L3 IP IP Forwarding LABEL SWITCHING IP Forwarding 16

17 Terminología MPLS FEC (Forwarding Equivalence Class): conjunto de paquetes que entran en la red MPLS por la misma interfaz, que reciben la misma etiqueta y por tanto circulan por un mismo trayecto. LSP (Label Switched Path): camino que siguen por la red MPLS los paquetes que pertenecen a la misma FEC. Es equivalente a un circuito virtual en ATM o Frame Relay. LSR (Label Switching Router): router que puede encaminar paquetes en función del valor de la etiqueta MPLS LIB (Label Information Base): La tabla de etiquetas que manejan los LSR. Relaciona la pareja (interfaz de entrada - etiqueta de entrada) con (interfaz de salida - etiqueta de salida) LER (Label Edge Router): LSR Frontera de Ingreso: los que se encuentran en la entrada del flujo a la red MPLS (al principio del LSP). Se encargan de clasificar los paquetes en FECs y poner las etiquetas correspondientes. LSR Frontera de Egreso: Los que se encuentran a la salida del flujo de la red MPLS (al final del LSP). Se encargan de eliminar del paquete la etiqueta MPLS, dejándolo tal como estaba al principio. 17

18 Terminología MPLS LSP FECs α δ - - β γ 5 3 α LIB 5 β 4 α γ 4 7 β β - - no MPLS enabled no MPLS enabled A B α δ X β γ 3 α α β 5 4 V Y β 2 α W 7 β α γ Z β C LER LIB LIB α 3 β 2 α 2 β 7 LER MPLS LER Multiple Protocol Label Switching Label Edge Router LSR (V, W, Y) LSR Label Switch Router LSRs X, Y, Z, V, W: MPLS enabled. LIB Label Information Base LSP Label Switch Path FEC Forward Equivalence Class 18

19 Forwarding Equivalence Class LER LSR LSR LER LSP IP1 IP1 #L1 IP1 #L2 IP1 #L3 IP1 IP2 IP2 #L1 IP2 #L2 IP2 #L3 IP2 FEC: es un grupo de paquetes que son forwardeados de la misma manera, por el mismo camino, y con el mismo tratamiento de forwarding. Los flujos que se agrupan bajo un mismo label se dice que pertenecen a un mismo FEC. Un FEC tiende a corresponder con un LSP. Un LSP puede y (usualmente es) usado por múltiples FECs. Un FEC no es un paquete, no es un label. Un FEC es una entidad lógica creada por el router para representar una clase (categoría) de paquetes. Cuando un paquete llega al router de ingreso de un dominio MPLS, el router revisa las cabeceras del paquete, y chequea si el paquete coincide con un FEC (clase) conocido. Una vez que se determina el FEC que matchea, se utiliza el camino y el label de salida asignado a ese FEC para forwardear el paquete. 19

20 FEC: Criterios de clasificación Un FEC puede corresponder con alguna clase de tráfico que el LER considere significativo. Por ejemplo, todo el tráfico con un cierto valor de IP precedence puede constituir un FEC. Destination IP unicast address. Traffic Engineering. QoS (Quality of Service). VPN. Etc 20

21 MPLS. Label 21

22 Qué capa es MPLS? Como el label de MLPS se encuentra normalmente entre las cabeceras de los paquetes de capa 3 y capa 2, se lo refiere algunas veces como un protocolo de capa

23 Dónde se insertan los labels? a. Etiqueta en un paquete ATM. b. Etiqueta en un paquete PPP. 23

24 Dónde se insertan los labels? 24

25 Escenario de una red MPLS IP Router IP IP LAN Analiza Etiqueta LSR MPLS Analiza Etiqueta LSR LER LAN LER IP Etiqueta LSP IP Introduce (push) Etiqueta LSR LSR Extrae (pop) Etiqueta Analiza Etiqueta Analiza Etiqueta 25

26 Forwarding en MPLS Las etiquetas tienen significado local; no tienen significado global IP Router IP LER IP 23 FEC Interfaz Etiqueta de salida de salida a 2 70 b 2 23 IP 2 1 IP 70 LAN 1 1 LSR 2 3 LSR Interfaz Etiqueta Interfaz Etiqueta de entrada de entrada de salida de salida 2 IP MPLS IP LSR LSR 4 IP 77 IP 71 IP LER IP 3 IP LAN IP Interfaz Etiqueta Interfaz Etiqueta de entrada de entrada de salida de salida Interfaz Etiqueta Interfaz Etiqueta de entrada de entrada de salida de salida

27 Las etiquetas MPLS pueden ser apiladas Un paquete etiquetado puede transportar varias etiquetas. Stack tipo LIFO: Last-In-First-Out. Label stacking permite la agregación de LSPs en un sólo LSP creando un túnel. Al inicio del túnel, un LSP asigna la misma etiqueta a paquetes provenientes de varios LSPs, introduciendo la etiqueta en la parte superior del stack. 27

28 Label stacking Label: Label Value, 20 bits. Exp: Experimental Use, 3 bits. S: Bottom of Stack, 1 bit. TTL: Time to Live, 8 bits. 28

29 IP IP Label stacking P 29 LSP1 IP 81 IP 27 IP IP 9170 IP 9117 IP 91 IP 72 LSP IP 7270 IP 7217 IP 61 IP 25 LSP 2 LSP LSP 1 LSP 2 Túnel IP IP 91 IP 31 IP 72 IP 41 LSP 1 LSP2

30 Cómo se distribuyen los labels? MPLS no especifica un único método para distribuir los labels. Los labels se distribuyen utilizando diferentes tipos de protocolos de señalización: Label Distribution Protocol (LDP), para distribución, señalización y administración. RSVP (Resource ReSerVation Protocol) ha sido extendido para incluir intercambio de labels. (RSVP-TE). 30

31 Label Distribution Protocol (LDP) RFC 3036 (Andersson et al. 2001). LDP se utiliza para establecer LSPs cuando no se requiere realizar ingeniería de tráfico. Establece LSPs que siguen la tabla de ruteo IP existente. Es particularmente bueno para establecer full-mesh de LSPs entre todos los routers de la red. LDP puede operar en varios modos para satisfacer diferentes requerimientos. El uso mas común es el unsolicited mode, que configura un full mesh de túneles entre routers, necesario para VPNs de capa 2 y capa 3. 31

32 LDP: Funcionamiento básico 32

33 LDP: R2 asigna etiquetas y anuncia los enlaces a R1 33

34 LDP: R1 almacena las etiquetas recibidas en una tabla 34

35 LDP: R3 anuncia otro enlace y R2 almacena la etiqueta recibida en una tabla 35

36 Resource ReSerVation Protocol with Traffic Engineering (RSVP-TE) RFC 3209, RSVP-TE es una extensión de RSVP para ingeniería de tráfico. Soporta la reserva de recursos a través de una red IP. Las aplicaciones que corren IP en los sistemas finales pueden usar RSVP para indicar a los otros nodos la naturaleza (bandwidth, jitter, maximum burst, etc.) de los streams de paquetes que quieren recibir. RSVP-TE generalmente permite el establecimiento de LSPs, teniendo en cuenta parámetros de restricciones de red, tales como ancho de banda disponible y explicit hops. El router de ingreso puede usar un algoritmo para determinar un camino hacia el destino, asegurando que se cumplan todos los requerimientos de QoS. El camino resultante es entonces utilizado para establecer el LSP. El overhead operacional de RSVP-TE comparado con LDP es generalmente más alto. Este es un clásico trade-off entre complejidad y optimalidad en el uso de tecnologías en redes de telecomunicaciones. 36

37 LDP vs RSVP-TE Qué protocolo usar? LDP o RSVP-TE?. La respuesta tradicional es Use LDP cuando quiere simplicidad. Use RSVP-TE cuando quiere garantias de ancho de banda y 50 ms de reencaminamiento alrededor de una falla Porqué no ambos? - LDP over RSVP-TE (LDPoRSVP-TE). 37

38 Principales usos actuales de MPLS Calidad de servicio (QoS). Ingeniería de tráfico - Ruteo explícito. Redes Privadas Virtuales (Virtual Private Networks VPN): Layer 2 VPN. Layer 3 VPN. 38

39 QoS y MPLS Como ya hemos visto, el tráfico se agrega en grupos llamados FEC y esos grupos son asignados a LSPs específicos. Se puede implementar calidad de servicio (Quality of Service QoS) asignando FECs de alta-prioridad a LSPs de alta-calidad y FECs de baja-prioridad a LSPs de baja-calidad. 39

40 QoS y MPLS α δ - - β γ 5 3 α 5 β 4 α γ 4 7 β β - - Usuario A Tarifa premium Usuario B Tarifa normal A B Los routers X y Z se encargan de etiquetar los flujos según origen-destino α δ X β γ 3 α 5 α β 4 V 2 β α 7 γ β α 3 β 2 α 2 β 7 Y W α Z β C Usuario C C ha de distinguir de algun modo los paquetes que envía hacia A o B (puede usar subinterfaces diferentes) 40

41 Ingeniería de tráfico - Ruteo explícito Similar a source routing en redes IP. Una de las aplicaciones del enrutamiento explícito es realizar "ingeniería de tráfico". El ruteo explícito también puede ayudar para que las redes sean más resistentes en caso de fallas, usando una capacidad llamada Fast ReRoute (FRR). FRR es actualmente una extensión de RSVP-TE. (RFC 5151). Las rutas explícitas no necesitan ser calculadas por un operador de red. Existen algoritmos que los routers pueden usar para calcular las rutas explícitas automáticamente. 41

42 Ingeniería de tráfico Así define el RFC 2702 (Awduche et al. 1999) ingeniería de tráfico en Internet (Internet traffic engineering): Internet traffic engineering is defined as that aspect of Internet network engineering dealing with the issue of performance evaluation and performance optimization of operational IP networks. Traffic Engineering encompasses the application of technology and scientific principles to the measurement, characterization, modelling, and control of Internet traffic. 42

43 Ingeniería de tráfico Como vemos, el término abarca una gama muy diversa de cosas. En la práctica, sin embargo, el objetivo es principalmente enrutamiento; del RFC 3272 (Awduche et al. 2002): One of the most distinctive functions performed by Internet traffic engineering is the control and optimization of the routing function, to steer traffic through the network in the most effective way. 43

44 Un problema simple de ingeniería de tráfico 44

45 Una red que requiere ruteo explícito R1 R7: R1-R3 R3-R6-R7R7 R2 R7: R2-R3 R3-R4-R5-R7R7 No podemos usar LDP para distribuir las etiquetas porque asigna las etiquetas de manera de seguir los caminos normales elegidos por el enrutamiento IP. Se necesita otro mecanismo. El protocolo que se usa para esta tarea es RSVP-TE. Es posible enviar un mensaje RSVP-TE a lo largo de una ruta especificada explícitamente (por ejemplo, R1-R3-R6-R7) y utilizarlo para configurar las entradas de la tabla de forwarding a lo largo de ese camino. Esto es muy similar al proceso de establecimiento de un circuito virtual. 45

46 MPLS Fast Reroute (MPLS FRR) (RFC 4090 ) Primary path (LSP) de A a E a través de B y D. El tráfico de los clientes conectados a A y E tomará este camino en operación normal. Secondary path (LSP) de A a E via C. Para el LSP primario, FRR (Fast ReRoute) está habilitado. Una vez activado, los otros elementos de red en el LSP sabrán que FRR está habilitado. 1) Hay una falla entre D y E. D inmediatamente lo sabe y se lo informará a B y A. Hasta que A sepa que hay una falla entre D y E, pasará un cierto tiempo. 2) Puesto que D conoce de inmediato acerca de la falla y FRR está habilitado en el LSP, D utiliza el detour path D-C-E para evitar la falla inmediatamente y el tráfico seguirá fluyendo a lo largo de ese camino. Esto toma menos de 50 ms. 3) Una vez que el secondary LSP está operativo, el tráfico se conmuta a la ruta LSP secundaria y el detour path se desactiva. 46

47 Tipos de protección 47

48 Protección de enlace - Protección de nodo 48

49 MPLS layer 2 VPN (pseudowire emulation) MPLS-enabled routers El router Head se configura con el incoming port, el incoming VCI, el demultiplexing label para ese circuito emulado, y la dirección del router en el extremo del túnel. El router Tail se configura con el outgoing port, el outgoing VCI, y el demultiplexing label. 49

50 MPLS layer 3 VPN Los detalles de las VPN de capa 3 son bastante complejos. Representan uno de los usos mas populares de MPLS. Se usa una pila de labels MPLS para tunelear paquetes a través de una red IP. Sin embargo, los paquetes que son tuneleados son en sí mismos paquetes IP. por eso el nombre layer 3 VPNs.. En una VPN de capa 3, un único proveedor de servicio opera una red de routers MPLS-enabled y provee un servicio de red IP privado a una cantidad de clientes distintos. Cada cliente del proveedor tiene una cantidad de sitios, y el ISP crea la ilusión para cada cliente que no hay otros clientes en la red. 50

51 MPLS layer 3 VPN El cliente ve una interconexión de redes IP de sus propios sitios, y no ve otros sitios. Esto significa que cada cliente está aislado de todos los demás clientes tanto en términos de encaminamiento como de direccionamiento. El Cliente A no puede enviar paquetes directamente al Cliente B, y viceversa. El Cliente A puede incluso utilizar direcciones IP que han sido utilizadas por el Cliente B. Como en las VPNs de Capa 2, MPLS es usado para tunelear paquetes de un sitio a otro. La configuración de los túneles se realiza automáticamente por un uso elaborado de BGP (BGP/MPLS VPNs RFC 2547). 51

52 Layer 3 VPN. Los clientes A y B obtienen un servicio de VPN de un único proveedor. 52

53 MPLS: Resumen Funcionamiento similar a circuitos virtuales (VC) - Usa labels para forwardear los paquetes. Usa el concepto de FEC para clasificar los paquetes y asignarlos a los LSPs. Permite apilar los labels. Dos protocolos para distribuir labels y señalización: LDP: Usado generalmente para establecer VPNs. Sigue el ruteo IP. RSVP-TE: Usado para ingeniería de tráfico y QoS - Usa Fast ReRoute para recuperación rápida ante fallas. Usos de MPLs: QoS. Ingeniería de tráfico. Integración de distintos tipos de redes. VPN. 53

54 Ejercicio: Considere la siguiente red MPLS, siendo R1 y R6 sus LER. 1. Analice la posibilidad de establecer un LSP de R1 a R6 que cumpla con los siguientes requerimientos. (a) Bandwidth >= 1000 Mbps. y Delay <= 60 ms. y (b) Bandwidth >= 100 Mbps. y Delay <= 30 ms. 2. Qué protocolo usaría en este escenario para la tarea de distribuir los labels? 54

55 Solución 1. (a) No se puede establecer ningún LSP que cumpla estas condiciones. L2, L6, L9 son enlaces de 100 Mbps y son de tránsito obligado para cualquier LSP entre R1 y R6. 1. (b) El LSP L1-L9-L10-L12-L5 cumple con ambas condiciones. Bandwidth >= 100 y delay: =15 <= RSVP-TE. LDP en su forma básica no soporta seleccionar un camino explícito. 55

56 MPLS Anexo 56

57 Comportamiento del TTL 57

58 Propagación del TTL entre el header de IP y los labels de MPLS 58

59 Propagación del TTL en el caso de las operaciones SWAP, PUSH y POP 59

60 ICMP "Time Exceeded" enviado por un router en una red MPLS 60

61 Ejemplo de MPLS 61

62 Ejemplo de MPLS En este ejemplo se quiere comunicar el router (no MPLS) que se encuentra en la parte superior y el router (no MPLS) que se encuentra en la parte inferior a través de la red MPLS Las tablas muestran la asociación de las direcciones de red con las parejas interfaz-etiqueta de salida y de entrada. 62

63 Ejemplo: MPLS - LDP -IP Paso 1: Vemos la tabla del router externo que está conectado a dos redes de clase C. La flecha azul claro indica que el router externo comunica al LSR frontera las rutas que posee (a través del protocolo que sea). Es el routing update. 63

64 Ejemplo: MPLS LDP - IP Paso 2: El LSR elige una etiqueta no usada mediante LDP (la 5 por ejemplo). Así un paquete que llegue por el Serial1 con la etiqueta 5 será enviada por el Serial0 sin etiqueta. La flecha roja indica que se comunica el uso de la etiqueta 5 al siguiente LSR. 64

65 Ejemplo: MPLS LDP - IP Paso 3: El siguiente LSR almacena la etiqueta 5 (como etiqueta de salida) en su LIB asociada con la Serial0. Escoge la etiqueta 17 (como etiqueta de entrada) y la asocia con el Serial1 y lo propaga al siguiente LSR vía LDP. De este modo los paquetes que lleguen por el Serial1 con la etiqueta 17 se enviaran por la Serial0 con la etiqueta 5. 65

66 Ejemplo: MPLS LDP - IP Pasos 4 y 5: Se procede de forma similar a los anteriores pasos. La tabla del paso 4 es más grande porque se actualiza con información del LSR de la derecha. La tabla del LSR frontera (paso 5) solo tiene etiquetas de salida porque esta conectado al router no-mpls emisor. El LSP establecido queda señalado con la flecha azul marino. 66

67 Ejemplo: MPLS LDP - IP Paso 6: El LSR frontera envía información de routing al router externo. Éste actualiza sus tablas de routing, de modo que para enviar paquetes a las redes de clase C del router de la parte inferior, lo hará a través del Serial0. 67

68 Ejemplo: MPLS LDP - IP Pasos 7 y 8: El LSR frontera del fondo también propaga la información de routing al LSR que tiene conectado por el Serial2. Éste actúa de forma similar y propaga la información al otro LSR. Se supone que se seguiría propagando por todos los LSR 68

69 Ejemplo: MPLS LDP - IP Paso 9: El LSR recibe información de routing del LSR de la izquierda y actualiza su tabla LIB. Podemos observar el comportamiento multipunto del MPLS en el LSR del paso 4 ya que todos los paquetes que entran son etiquetados con la misma etiqueta (17) y enviados por el Serial0. 69