Universidad Austral de Chile

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1 Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Electrónica ARQUITECTURA E IMPLEMENTACION DE MPLS EN UNA RED DE TELEFONÍA MÓVIL BASADA EN IP Tesis para optar al Título de: Ingeniero Electrónico Profesor Patrocinante: Sr. Néstor Fierro Morineaud. Ingeniero Electrónico, Licenciado en Ciencias de la Ingeniería, Diplomado en Ciencias de la Ingeniería. HUGO ANDRÉS SANTIBÁÑEZ SOTO VALDIVIA CHILE 2013

2 1 MIEMBROS COMISIÓN DE TITULACIÓN Profesor Patrocinante Néstor Fierro Morineaud Ingeniero Electrónico Profesor Informante Franklin Castro Rojas Ingeniero Electrónico Profesor Informante Pedro Rey Clericus Ingeniero Electrónico

3 2 Agradecimientos A mis padres por la educación entregada a lo largo de mi vida y especialmente a mi novia Paola por toda la comprensión, apoyo e infinita paciencia a través de este largo proceso. Quisiera utilizar esta instancia también para agradecer a toda la gente que se involucró de una u otra manera en este trabajo de titulación, ya sea amigos, familia y profesores en especial a Don Néstor Fierro por su apoyo y guía fundamental en este trabajo. Sin ustedes no lo hubiese podido lograr Muchas Gracias

4 3 RESUMEN El presente trabajo de titulación presenta un análisis detallado de la tecnología IP/MPLS presente hoy en día en Redes de Transporte basadas en paquetes (PTN) y su aplicación en una red de Transporte Mobile Backhaul de producción implementada recientemente a Nivel Nacional. Se da en primera instancia una Visión General de la implementación lógica de MPLS en Redes Corporativas y el porqué de la elección de IP MPLS para la implementación de este tipo de Redes. Por otro lado, se realiza la investigación de la implementación física de una red real de producción Mobile Backhaul de un Proveedor de Servicios a Nivel Nacional, para realizar el análisis detallado de la arquitectura y el equipamiento utilizado, además de implementar la solución lógica a nivel de protocolos IP. SUMMARY This graduation work presents a detailed analysis of the IP/MPLS technology present today in Packet Based Transport Networks (PTN) and its application in a production Mobile Backhaul Transport Network implemented recently Nationwide. In the first instance is given an overview of the logic implementation of MPLS in Corporate Networks and why the choice of IP MPLS for deploying this kind of Networks. Moreover, research is conducted of the physical and logical implementation of a real Mobile Backhaul Production Network Nationwide, to perform a detailed analysis of the architecture and the equipment used, as well the implementation with IP Protocols.

5 4 OBJETIVOS GENERALES Analizar la tecnología de transporte de datos MPLS y sus aplicaciones en redes corporativas. Evaluar los distintos servicios que pueden ser entregados sobre una red de transporte de datos MPLS y el equipamiento disponible para su implementación. Especificar la arquitectura para la implementación de la tecnología de transporte de datos MPLS en una red de telefonía móvil corporativa basada en IP (IPRAN). OBJETIVOS ESPECÍFICOS Investigar en qué consiste el mecanismo de transporte de datos MPLS (Multiprotocol Label Switching). Analizar los distintos tipos de tráfico que pueden ser transportados dentro de una red de transporte de datos MPLS. Investigar los protocolos que hacen posible el funcionamiento de una red de transporte MPLS. Analizar la arquitectura de una red de telefonía móvil corporativa basada en la tecnología de transporte de datos MPLS (IPRAN) y los mecanismos de protección frente a fallas proporcionados por el diseño. Investigar el equipamiento disponible hoy en día para realizar la implementación de redes de transporte MPLS corporativas.

6 5 INTRODUCCIÓN Desde que las demandas de ancho de banda de los clientes a los proveedores de servicios en Chile desde el año 2000 en adelante se han incrementado drásticamente, las redes troncales de los proveedores de servicios han debido evolucionar conforme a estos nuevos requerimientos. En el caso de las redes fijas los servicios han ido evolucionando desde una conexión simple de telefonía fija a grandes redes de transmisión de datos sobre el mismo par de cobre donde coexisten TvIP, VoIP y acceso de Banda Ancha. En el caso de las redes móviles, desde los primitivos servicios de solo voz y mensajería de texto hasta los actuales servicios de Banda Ancha Móvil 3G y el futuro 4G LTE. Dado que estos nuevos servicios entregados por los proveedores de Telefonía Móvil requieren mayor ancho de banda y capacidades avanzadas de manejo de tráfico se hizo necesario implementar en Chile nuevos mecanismos de transporte de información, debido a que las redes antiguas TDM y ATM se vieron colapsadas por estas crecientes demandas. Es aquí donde surgen las redes IP/MPLS como solución a estas demandas. Si bien es cierto la inversión que hacen las empresas de Telefonía Móvil (Ej: Claro, Movistar) y Acceso de Banda Ancha Hogar (Ej: Telefónica del Sur, Telefónica) en la compra de este equipamiento son muy altas para la implementación de este tipo de redes troncales, las ganancias a mediano y largo plazo son muy altas, pues pueden implementar una red convergente con multitud de servicios sobre la misma red de transporte (VoIP, Datos, TvIP) lo que les permite aumentar la diversidad de servicios que puede entregar a su clientes; como ejemplo VTR ha pasado de ser un proveedor de servicios de TV por Cable y Telefonía Fija a un proveedor de servicios de Televisión, Telefonía Fija y Telefonía Móvil actualmente, realizando modificaciones en su red de transporte de información. Como otro ejemplo tangible Claro Chile ha estado implementando una nueva red de transporte de información para sus servicios de telefonía móvil 3G y futuro LTE 4G hace poco tiempo basados en la tecnología IP/MPLS.

7 6 Dada esta motivación se ha escogido realizar en el presente trabajo de titulación el análisis en detalle de la implementación y arquitectura física y lógica de una red transporte de Telefonía Móvil basada en IP/MPLS de un proveedor de servicios en Chile y como las directrices técnicas definidas por un proveedor de equipamiento deben dar solución a las necesidades de los proveedores de Servicios.

8 7 ÍNDICE Agradecimientos... 2 RESUMEN... 3 OBJETIVOS GENERALES... 4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 4 INTRODUCCIÓN Redes de Transporte Basadas en Paquetes de próxima Generación (PTN) y Visión General de IP MPLS en Redes Corporativas La creciente demanda de redes de proveedores de servicios Introducción a MPLS El valor de la Propuesta MPLS MPLS y las redes Convergentes Multi Servicios Servicios de Negocios con MPLS Utilización de la Arquitectura VPN IP/MPLS para cumplir con los requerimientos de una Red de Servicios Aplicaciones VPN IP/MPLS Red 2G Core Móvil para 2G Core Móvil para Redes de Datos (2,5G y 3G) El Transporte Mobile Backhaul Componentes de una Red Mobile Backhaul Arquitectura General de Acceso de una red Triple Play ADSL Red Hogar Red de Acceso La Solución Triple Play La Solución de Red de Retorno Móvil Equipamiento y protocolos utilizados para el despliegue de la tecnología MPLS en una Red Corporativa Mobile Backhaul... 50

9 8 2.1 Equipamiento Descripción del Equipamiento utilizado en la Red Mobile Backhaul Características del 7705 SAR Router de Servicios 7750 SR (Service Router) Descripción General del Router 7750 SR Protocolos empleados para la implementación de la solución Mobile Backhaul IP MPLS MPLS Protección de tráfico de LSP Protección de camino LSPs con Camino Secundario Non Standby Protección de Camino LSPs con Camino Secundario Standby Comportamiento de conmutación de LSP con caminos secundarios Información General sobre Fast Reroute (FRR) Métodos FRR para realizar la protección de LSP Funcionamiento de los distintos métodos Métodos de detección de errores en los Enlaces BFD Agregación de Enlaces IP Routing/IGP Diseño de Extremo a Extremo de OSPF Otras Consideraciones de diseño OSPF en redes IP RAN ID de Área Router ID OSPF Autenticación de Enlace OSPF (Opcional) Selección del tipo de red OSPF Ingeniería de Tráfico OSPF Métricas y temporizadores OSPF Tráfico Móvil Modelos de Transporte G (TDM) / 3G (ATM) G y LTE (IP)... 79

10 9 2.9 Calidad de Servicio Necesidad de Calidad de Servicio Diseño de la Calidad de Servicio Objetivos del Diseño Clases de Servicio Clase de Servicio CONTROL Clase de Servicio USER CONTROL Clase de Servicio REALTIME Clase de Servicio BUSINESS DATA Clase de Servicio STANDARD Política de Calidad de Servicio de Red QoS en el Acceso Implementación de MPLS en una red corporativa, y arquitectura de una red Mobile Backhaul Topología Física Última Milla Agregación Core Topología Lógica Modelo Lógico de Red Topología Lógica de Servicios utilizados en la red Análisis e implementación de la Topología Lógica y protocolos de red empleados en su configuración Configuración Base Implementación Lógica y Configuración de Servicios Prueba de Conmutación y Packet Loss Gestor SAM5620 y administración remota de equipamiento Evaluación de desempeño de la red en Clúster Valdivia Proyección de la tecnología IP/MPLS a MPLS TP en redes PTN MPLS

11 Plano de Reenvío Plano de Control CONCLUSIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS GLOSARIO

12 11 CAPÍTULO 1 Redes de Transporte Basadas en Paquetes de próxima Generación (PTN) y Visión General de IP MPLS en Redes Corporativas En este capítulo se darán a conocer los elementos principales de una Red de Transporte Basada en Paquetes de próxima generación, una visión general de qué es IP MPLS en redes corporativas y finalmente los parámetros técnicos y definiciones comúnmente utilizadas dentro de una PTN de próxima generación; si bien es cierto la red que se analizará en los próximos capítulos es en sí una PTN de próxima generación resulta interesante conocer cómo se van consolidando las diferentes tecnologías y su correlación con lo que es una red de transporte IP MPLS que es lo que se muestra dentro de esta nota introductoria. La idea principal que se esconde detrás de este tipo de redes es el transporte de paquetes encapsulados de información a través de internet. Estas nuevas redes son construidas a partir del protocolo IP, siendo el término all IP (todo IP) el más comúnmente utilizado para describir dicha solución. Las redes de próxima generación (NGN en inglés) es un amplio término que está referido a la evolución de la actual infraestructura de redes de telecomunicaciones y acceso telefónico, con el objetivo de lograr la convergencia de los nuevos servicios multimedia (voz, video y datos). Según la ITU T Una Red de Siguiente Generación es una red basada en la transmisión de paquetes capaz de proveer servicios integrados, incluyendo los tradicionales telefónicos, y capaz de explotar al máximo el ancho de banda del canal haciendo uso de las Tecnologías de Calidad del Servicio (QoS) de modo que el transporte sea totalmente independiente de la infraestructura de red utilizada. Además, ofrece acceso libre para usuarios de diferentes compañías telefónicas y apoya la movilidad que permite acceso multipunto a los usuarios Desde un punto de vista más práctico las Redes de siguiente Generación suponen tres cambios fundamentales en lo que es la arquitectura de una red tradicional que deben ser evaluados de forma independiente:

13 12 Respecto al núcleo de red, NGN supone la consolidación de varias redes de transporte (dedicadas u overlay) construidas históricamente a partir de diferentes servicios individuales (normalmente basados en protocolos IP y Ethernet). También implica, entre otras muchas cosas, la migración del servicio de voz desde la tradicional arquitectura conmutada (PSTN) a la nueva VoIP además de la sustitución de las redes tradicionales (legacy service) como la X.25 o la Frame Relay. Esto supone incluso una migración para el usuario tradicional hacia un nuevo servicio como es el IP VPN o la transformación técnica de las redes tradicionales. Respecto a las redes de acceso, NGN supone la migración del canal tradicional dual de voz y datos asociado a las redes xdsl hacia instalaciones convergentes en las que las DSLAMs integren puertos de voz o VoIP, permitiendo de esta forma dejar atrás las actuales redes conmutadas que multiplexan voz y datos por diferentes canales. Respecto a las redes cableadas, la convergencia NGN implica la migración de la tasa constante de flujo de bits a estándares CableLabs PacketCable que suministren servicios VoIP y SIP. Ambos servicios funcionan sobre DOCSIS como estándar para el cableado. En las Redes de Siguiente Generación existe una separación bien definida entre la porción de red de transporte (conectividad) y los servicios que corren por encima de esa red. Esto quiere decir que siempre que un proveedor telefónico desee habilitar un nuevo servicio, puede hacerlo fácilmente definiéndolo desde la capa de servicio directamente sin tener en cuenta la capa de transporte. Como se ha dicho, los servicios proporcionados serán independientes de la infraestructura de red. La tendencia actual es que estos servicios, incluyendo la voz, se inclinen hacia la independencia de red y normalmente residan en los dispositivos de usuario (teléfono, PC, receptores TDT,...). En la figura siguiente se muestra la correlación entre los principales segmentos de mercado actuales (Móvil, Datos y Fijo) y se denota la importancia del Plano de Transporte (marcado en verde) como conector entre las diferentes tecnologías de Acceso y su plano de Control.

14 13 Figura 1.1 Modelo de Referencia NGN 1.1 La creciente demanda de redes de proveedores de servicios Las Redes de proveedores de servicios deben evolucionar para mantenerse a la par con los tiempos cambiantes y los mayores ancho de banda demandados. Los proveedores de servicios a menudo se clasifican por la cantidad de infraestructura de acceso regional que poseen, versus la cantidad que debe contratar a otros proveedores: Operadores Tier 1 (Nivel 1): Los primeros dos proveedores en un país que por lo general son dueños de la infraestructura de acceso (cobre o fibra) dentro de su región de servicio. Los proveedores de servicios de Nivel 1 suelen ser los primeros en establecer infraestructuras en la región los grandes operadores. Operadores Tier 2 o Tier 3 (Nivel 2 o Nivel 3): Son proveedores que pueden usar la infraestructura de acceso de algún operador Tier 1 o construir su propia infraestructura

15 14 en algunas áreas de servicio. Los proveedores Tier 2 utilizan una combinación de su propia infraestructura y algunas infraestructuras de proveedores Tier 1. Los proveedores Tier 3 dependen por completo de acuerdos para utilizar la infraestructura de otros proveedores. Estos proveedores suelen surgir como competidores a los ya establecidos proveedores Tier 1, por lo que están en desventaja con los proveedores incumbentes (Tier 1) para obtener control del mercado. Los proveedores de servicios están clasificados de acuerdo a los tipos de servicios que ofrecen a sus clientes finales: Telco: Tradicionalmente ofrecen servicios de voz, así como servicios de negocios Proveedor de Servicios de Internet (ISP): Ofrecen acceso a Internet para clientes residenciales y de negocios Proveedor de Servicios VPN / Proveedor de Servicios Ethernet: Ofrecen servicios VPN de negocios Operador Multi Sistema de Cable (MSO): Ofrecen servicios residenciales y de negocios Un operador puede ofrecer todos o algunos de estos servicios a sus clientes finales. Ambos tipos de clientes, residencial (consumidor) y empresariales (negocios) demandan constantemente nuevos servicios e innovaciones de sus proveedores de servicios. Los servicios basados en las líneas tradicionales arrendadas, Frame Relay (FR) y ATM son característicos de organizaciones que administran sus propias redes empresariales (con sus propios equipos de TI), pero aquellas empresas deben adquirir la infraestructura de conectividad (típicamente líneas arrendadas punto a punto o conexiones virtuales permanentes Frame Relay o ATM) de un proveedor de servicio. Impulsados por los objetivos de negocio de la empresa y dirigidos a centrarse en las competencias básicas y reducción de costos, las empresas han comenzado a buscar a los proveedores de servicios para soluciones de conectividad administradas.

16 15 Las empresas también han estado exigiendo más en términos de velocidades de ancho de banda para la conectividad. La vieja regla del 80/20 (el 80% del tráfico queda dentro del sitio local y el 20% del tráfico está entre sitios remotos) ya no es válida. Debido a que muchas empresas han consolidado sus centros de datos para algunos sitios, la necesidad de una mayor velocidad de conexión a distancia se ha convertido en algo muy importante para los administradores de TI de las empresas. Además, las empresas están ahora en el proceso de implementación de aplicaciones de uso intensivo de ancho de banda como la videoconferencia, conferencia web y uso compartido de imagen electrónica en una zona amplia, lo que provocó la necesidad de más ancho de banda en sus redes de área extensa (WANs). Los servicios residenciales también están evolucionando de la conectividad a Internet marcada a la conectividad de banda ancha. Los servicios para los clientes residenciales están evolucionando para incluir servicios de triple o cuádruple play que incluyen voz, Video on Demand (VoD), televisión y acceso a Internet. Tradicionalmente, un proveedor de servicios contaba con redes separadas para ofrecer servicios de voz y datos. Dentro de una red de datos, un proveedor de servicio tradicional tendría típicamente redes separadas para ofrecer servicios basados en Líneas Arrendadas, Frame Relay y ATM para clientes de negocios y una red separada ofreciendo servicios basados en Internet (Acceso a Internet y conectividad segura basada en Internet) para clientes residenciales y de negocios. En áreas residenciales, los contenidos de TV para clientes son usualmente entregados por MSOs los cuales tienen su propia infraestructura dedicada (casi siempre instalaciones de cable). Las empresas casi siempre utilizan switches Ethernet y routers IP para construir sus propias LAN y obtienen servicios de Líneas Arrendadas de los operadores para conectarse a sus locaciones remotas.

17 16 Teniendo en cuenta el escenario siempre cambiante de las demanda de los clientes, las redes de proveedores de servicios deben mantener el ritmo por mantener la competitividad y aumentar la rentabilidad. Es evidente que el enfoque de la construcción de redes separadas no es rentable cuando el proveedor de servicios deberá ofrecer múltiples servicios. La forma ideal de abordar el diseño de la red es una solución en la que varios servicios pueden ser convergentes en una única infraestructura de red. Esta es la razón por la cual MPLS como tecnología para redes de proveedores de servicios ha cobrado impulso rápido en el mercado. La tendencia más obvia es el rápido crecimiento del tráfico IP y Ethernet en la red. Debido al auge de Internet, y la invención de Gigabit Ethernet, el tráfico IP/Ethernet es ahora dominante en las redes de telecomunicaciones. Los clientes residenciales requieren servicios más rápidos de acceso a Internet y una mejor calidad de servicio IP para soportar voz sobre IP (VoIP). Los clientes empresariales están llevando a cabo más y más de sus negocios por vía electrónica a través de ubicaciones muy separadas geográficamente. Muchas aplicaciones de uso intensivo de ancho de banda y aplicaciones basadas en IP sensibles al tiempo están siendo ampliamente utilizadas para misiones críticas para los negocios. Los Datos IP se están incrementando en importancia estratégica en las redes inalámbricas. Los usuarios móviles están deseando servicios multimedia basados en IP de manera creciente. Los proveedores de servicios también quieren ofrecer contenidos de televisión a través de aplicaciones de IPTV, que requieren rendimiento de la red con gran ancho de banda y baja latencia. Está claro que la construcción de una red óptima para la entrega de tráfico IP/Ethernet es crucial para los proveedores de servicios. Debido a que las empresas están empezando a utilizar cada vez más aplicaciones basadas en IP/Ethernet, necesitan que sus infraestructuras de IT tengan un alto rendimiento y sean lo más confiables, seguras y rentables. Esto genera una gran demanda de los proveedores de servicios para ofrecer VPN. Las VPN permiten que el proveedor de servicios pueda prestar servicios a diferentes clientes con la

18 17 misma red troncal, mientras que se aíslan los clientes mediante instancias virtuales de servicios para garantizar la privacidad y la seguridad. Durante las últimas dos décadas, ya había muchas empresas que utilizan la VPN enrutada RFC2547bis para lograr la conectividad de intranet. Ahora, con el rápido crecimiento de la tecnología Ethernet, cada vez más clientes empresariales requieren servicios VPN Ethernet Capa 2. Los servicios VPN Capa 2 entregan a los clientes un control completo de sus dominios de enrutamiento y menos complicaciones de interconexión contra los proveedores de servicios. Los proveedores de servicios también buscan soluciones de redes que consoliden voz, datos y video en una misma infraestructura de red y que les permita atender a los clientes residenciales y de negocios desde la misma red. La red debe ser rentable y robusta. La red también debe ser capaz de proporcionar calidad de servicio diferenciada (QoS) en el servicio proporcionado para adaptarse a diferentes Acuerdos de Nivel de Servicios (Service Level Agreements SLAs). Con estas nuevas tendencias y demandas, los proveedores de servicios intentarán migrar sus redes a redes de Core IP/MPLS, entregando varios servicios VPN a sus clientes. 1.2 Introducción a MPLS La Conmutación Multi protocolo mediante Etiquetas es un mecanismo de conmutación de etiquetas utilizado por switches y routers (capaces de hablar en MPLS) para el intercambio de tráfico. En el plano de control, los dispositivos MPLS realizan la asignación de etiquetas que serán utilizadas para ciertos tipos de tráfico y distribuyen las etiquetas a través de ciertos protocolos de distribución de etiquetas. Cada dispositivo distribuye las etiquetas asignadas localmente hacia los otros dispositivos MPLS y recibe la información de distribución de etiquetas desde otros equipos. Cada equipo construye una Base de Información de Etiquetas (LIB Label Information Base) que almacena la información de las etiquetas. En el plano de datos, cada equipo realiza la encapsulación MPLS sobre el tráfico de datos antes de enviarlo a otros dispositivos MPLS. Cuando un dispositivo recibe el tráfico encapsulado, realiza decisiones de

19 18 renvío basado en el valor de la etiqueta MPLS en el encabezado de encapsulación MPLS. En la encapsulación de datos MPLS, el encabezado MPLS (32 bits de largo, que contiene un valor numérico de 20 bits utilizado como el valor de la etiqueta) está insertado entre el encabezado de Capa 2 y el encabezado de Capa 3 del dato que va a ser encapsulado. Por lo tanto, MPLS a veces se denomina protocolo de Capa 2.5, y el encabezado MPLS a veces se denomina encabezado de cuña. Antes de que los dispositivos MPLS puedan renviar el tráfico encapsulado a otro equipo se debe completar la distribución de etiquetas MPLS en el plano de control. Cuando se está intercambiando la información de las etiquetas, cada dispositivo MPLS almacena la etiqueta, como también la información de mapeo de la etiqueta para el tipo de tráfico que utiliza cada etiqueta. Todo el tráfico que utiliza la misma etiqueta se denomina como Clase Equivalente de Reenvío (FEC Forwarding Equivalent Class). El proceso de distribución de etiquetas distribuye la información de mapeo de etiquetas FEC entre dispositivos MPLS. Por lo tanto, los dispositivos MPLS forman una Ruta o Camino de Distribución de Etiquetas (LSP Label Switched Path) para cada FEC. El LSP es una conexión de extremo a extremo para el tráfico perteneciente a la misma FEC que será reenviado. MPLS construye un camino orientado a la conexión en una red no orientada a la conexión. MPLS fue introducido por primera vez para mejorar el rendimiento del enrutamiento en Capa 3 de enrutadores Capa 3 normales. Para un router MPLS o switch Capa 3, el intercambio de etiquetas MPLS que el ruteo de paquetes IP. En una red IP ruteada, los paquetes IP son ruteados desde su origen a su destino salto a salto. Cuando cada router encamina un paquete IP, este quita el encabezado de Capa 2 (usualmente un encabezado Ethernet), luego chequea el encabezado IP para encontrar la dirección IP de destino. Luego el router debe realizar una búsqueda en su tabla de enrutamiento para encontrar la dirección IP de la interfaz para el próximo salto y la información de encapsulación de la interfaz de egreso de Capa 2. Después de que la búsqueda de que se completa la búsqueda del próximo salto, el router re escribe el paquete añadiendo el nuevo encabezado de encapsulación de Capa 2 al paquete y luego reenvía el paquete a la interfaz del próximo salto. Este procedimiento es realizado por cada

20 19 paquete IP en cada salto. Con la introducción de la tecnología MPLS los routers pueden construir LSPs MPLS para cada FEC. Todo el tráfico perteneciente a la misma FEC es conmutado por etiquetas MPLS hacia su destino en vez de ruteado. Cuando un Router de Conmutación de Etiquetas (LSR Label Switched Router) realiza la conmutación MPLS sobre un paquete encapsulado en MPLS, la operación de intercambio de etiquetas MPLS es mucho más simple. Por lo tanto, el proceso de búsqueda de la IP de destino es reemplazado por el relativamente menos costoso proceso de intercambio de etiquetas. La utilización de la conmutación MPLS para remplazar el ruteo IP se denomina a veces atajo de ruteo. Además, el Protocolo de Gateway Fronterizo (BGP Border Gateway Protocol) puede ser quitado desde el core de la red debido a que los routers LSR en el core de la red no tienen necesidad de encaminar estos paquetes. Siempre que el proceso de distribución de etiquetas MPLS construya el LSP para cada router en el core para alcanzar todos los routers de borde que tienen pares BGP con routers fuera del Sistema Autónomo (AS Autonomous System), el tráfico a través de la red de core puede ser conmutado a través de MPLS en vez de ruteado a través de IP. El router de core utiliza la etiqueta MPLS para conmutar el tráfico hacia el router de frontera correcto. Se puede quitar también BGP de malla completa (full mesh) dentro del sistema autónomo. Solo los routers en la frontera necesitan tener pares BGP contra otros routers. El proceso de distribución de etiquetas utilizado por los dispositivos capaces de interpretar MPLS es en la mayoría de los casos el Protocolo de Distribución de Etiquetas (LDP Label Distribution Protocol). 1.3 El valor de la Propuesta MPLS MPLS ha evolucionado substancialmente desde los primeros días de su despliegue. Las razones para utilizar MPLS en una red también han cambiado. MPLS ya no ha sido usado para entregar un atajo al ruteo IP. Los dos cambios más grandes en la tecnología MPLS son: El Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP) está extendido para soportar la distribución de etiquetas MPLS RSVP TE (donde TE significa ingeniería de tráfico) entrega muchas

21 20 características de ingeniería de tráfico y características de resiliencia a la tecnología de tunelización MPLS. La VPN Capa2 basada en pseudowire MPLS está implementada en muchos proveedores de routers y switches MPLS. Con estas evoluciones en la tecnología MPLS, MPLS está ahora ampliamente desplegado en las redes troncales de los proveedores de servicios para entregar servicios VPN a sus clientes. La introducción de RSVP TE en la distribución de etiquetas MPLS entrega a MPLS flexibilidad excepcional y confiabilidad que las redes tradicionales ruteadas y conmutadas no pueden tener: MPLS entrega capacidades de ingeniería de tráfico para controlar el camino de renvío en la red. Utilizando RSVP TE, los routers MPLS pueden señalizar un LSP ruteado explícitamente. El operador puede manualmente especificar el camino y los saltos a lo largo de la ruta del LSP de extremo a extremo. Por lo tanto los operadores pueden manipular el camino del tráfico de datos en la red de la siguiente manera: o En una red solo IP, los paquetes que viajan desde los nodos origen a sus nodos de destino utilizan un camino que está determinado por la información de enrutamiento entregada por los routers IP. Una red sólo IP entrega una pequeña flexibilidad para entregar caminos alternativos al flujo de datos. Una red basada en MPLS soporta ingeniería de tráfico por lo cual un camino MPLS (conexión lógica) puede ser definida para usar enlaces de red que son diferentes al camino normal tomado por los paquetes IP. Esto ayuda a la mejor utilización de los enlaces dentro de una red empresarial. o Con la ayuda de las extensiones de ingeniería de tráfico de los protocolos OSPF (se verá en capítulos posteriores en detalle) e IS IS, RSVP TE permite el uso del cálculo de túneles MPLS basados en CSPF. Cuando se está realizando el cálculo de la ruta, CSPF puede considerar otros criterios distintos de la métrica de ruteo entregada por el IGP, como la reserva de ancho de banda del enlace y la pertenencia a un grupo de miembros administrativos (coloreo de enlaces)

22 21 MPLS entrega un excepcional rendimiento en el re enrutamiento. Las infraestructuras de red basadas en FR/ATM o redes Ethernet antiguas no pueden ofrecer la rápida convergencia durante la recuperación de una falla. MPLS utiliza mecanismos como el LSP secundario (o de Respaldo) y Fast Reroute (FRR) que puede entregar tiempos de reenrutamiento en el orden de los milisegundos: o LSP Secundario RSVP TE soporta el concepto de LSP y LSP Path. Este permite hasta ocho caminos LSP que pueden ser aprovisionados dentro del mismo LSP. En circunstancias normales el LSP Path (Camino LSP) primario reenvía activamente el tráfico; si el LSP Path primario falla, uno de los LSP Paths secundarios asume el control del tráfico. Cuando se provisiona un LSP Path secundario activo, el rendimiento en la recuperación de la falla está en el rango de las decenas de milisegundos. o FRR (Fast Re Route) Cuando se utiliza RSVP TE para señalizar un LSP, todos los routers tienen identificada la ruta completa que atraviesa el LSP. Por lo tanto cada router puede señalizar un LSP de protección para tomar un camino lejos del punto potencial de falla. Si ocurre una falla de red, los router MPLS cerca de la falla utilizan el camino de protección pre señalizado para proteger el LSP. Esto se denomina MPLS FRR. FRR puede entregar tiempos de recuperación de falla del orden de decimas de milisegundos después de que una falla es detectada. o Las implementación de VPN basadas en pseudowire IP/MPLS hacen posible tomar completa ventaja de la flexibilidad entregada por la MPLS. El nuevo modelo de VPN desacopla el procesamiento nativo de servicios de la encapsulación VPN y permite a los servicios con diferentes características compartir la misma troncal IP/MPLS. Las entidades de acceso de servicios de los servicios específicos del cliente son los encargados de proporcionar tráfico en formato nativo para satisfacer los requisitos del cliente, y las entidades de red de servicios VPN se encargan de realizar la encapsulación VPN y la de encapsulación para transportar los servicios a través de la red troncal.

23 22 Las características de resiliencia como la conmutación de pseudowire y la redundancia de pseudowire aseguran la entrega del servicio de extremo a extremo con la calidad deseada. Con las mejoras de MPLS y los nuevos servicios VPN basados en pseudowire, el proveedor de servicios puede ahora desplegar diferentes tipos de servicios para diferentes clientes en una sola red troncal convergente utilizando la tecnología IP/MPLS. Las redes VPN IP/MPLS tienen las siguientes ventajas: Eficiencia en el costo Elimina el requerimiento para los proveedores de servicios de construir redes separadas para diferentes tipos de servicios. Todos los servicios están compartidos en la misma infraestructura de la red troncal. Utilizando una red IP/MPLS con infraestructura de Capa 2 Gigabit Ethernet o 10 Gigabit Ethernet se reducen significativamente los costos comparados con las tecnologías antiguas como ATM o FR. Flexibilidad Todos los servicios VPN basados en pseudowire MPLS utilizan una arquitectura común de servicios, diferenciándose solo en el circuito de conexión de cara al cliente. Cuando se implementa un nuevo tipo de servicio, este puede ser fácilmente desplegado en la red troncal IP/MPLS existente simplemente añadiendo el nuevo tipo de interfaz de acceso en el router PE (provider edge). La capacidad de implementación de TE entregada por IGP TE y CSPF permite a los operadores controlar fácilmente los caminos de re envío de tráfico de servicios en la red core. Confiabilidad Los pseudowires utilizados por los router VPN PE y el túnel de transporte LSP MPLS soportan redundancia y rápida recuperación ante una falla. La arquitectura de servicios permite al operador redistribuir los servicios a más de un router PE para alcanzar la redundancia de pares para un servicio. Con la suma de características de resiliencia MPLS que poseen rápida recuperación frente a fallas, la red de servicios puede ser construida con alta disponibilidad. Escalabilidad Los servicios VPN IP/MPLS son altamente escalables. La arquitectura de servicios VPN IP/MPLS permite a los routers de core (P routers) realizar la conmutación del tráfico de servicios sin saber qué instancias de servicios existen. Solo los router PE en

24 23 el borde de la red troncal conocen cada instancia de servicio. Solo los routers PE con circuitos de conexión de cara al cliente están involucrados en el aprovisionamiento de servicios. Todas las instancias de servicios compartiendo el mismo router PE están aisladas por la encapsulación VPN. LDP es uno de los protocolos MPLS utilizados para realizar la señalización. Con LDP, los router MPLS distribuyen las etiquetas y establecen automáticamente los LSPs. LDP distribuye etiquetas mapeadas con prefijos IP. Por lo tanto, el rendimiento en la convergencia es dependiente de los protocolos de enrutamiento subyacentes. La introducción de RSVP TE en la señalización LSP MPLS brinda mejoras significativas a la flexibilidad, confiabilidad y rendimiento del mecanismo de transporte de servicios en la red IP/MPLS. Con un túnel de transporte LSP con señalización RSVP TE, una red IP puede ahora entregar rendimiento en la convergencia a nivel de carrier utilizando las características de resiliencia como FRR y el LSP secundario. La nueva y mejorada tecnología MPLS permite a los operadores entregar flujos de tráfico para muchos clientes utilizando diferentes tipos de servicios en una sola red convergente. Es hoy en día la nueva tecnología de redes troncales WAN. 1.4 MPLS y las redes Convergentes Multi Servicios Por muchas décadas las redes de computadores han sido generalmente categorizadas como LAN, MAN y WAN. Cada tipo de red tiene su propia arquitectura y mecanismos de entrega de tráfico. Sus velocidades, costos y confiabilidad difieren también. Diferentes tipos de proveedores de servicios utilizan diferentes tipos de redes para entregar los servicios para estas redes. Con la innovación tecnológica y el incremento en las demandas de los consumidores, los requerimientos para la creación de redes están cambiando constantemente: El amplio despliegue de conmutadores Ethernet y pequeños routers IP de alto rendimiento y relativamente baratos trajeron la primera oleada en la evolución de las redes. Muchos computadores pueden ser conectados por estos dispositivos de trabajo

25 24 en red orientados a LAN y ganan gran velocidad en aplicaciones sensibles al tiempo o aplicaciones de tráfico intenso. La invención de Internet trajo la segunda ola en la evolución. Las redes de computadores alrededor del mundo pueden ser conectadas por la red troncal compartida de Internet. Esta ola trajo consigo la demanda de routers de red troncal de alto rendimiento y alta disponibilidad. Hoy en día, la tercera ola de la evolución ha llegado. Con la invención de la VoIP, IPTV y otras aplicaciones multimedia basadas en IP, los ISPs no solo entregan el acceso a Internet, sino también necesitan entregar estos servicios con beneficios adicionales sobre su infraestructura de red troncal. Estos servicios requieren ancho de banda y accesibilidad global, como también la garantizada QoS de extremo a extremo. Para alcanzar estas metas se utiliza el concepto de router de servicios. Los router de servicios localizan sus recursos de acuerdo a los requerimientos de diferentes servicios y entregan los servicios con la calidad deseada. Por lo tanto se desean las redes convergentes multiservicio por los proveedores de servicios para cumplir con los nuevos requerimientos. La Figura 1.2 muestra una red convergente con múltiples servicios. En la Figura 1.2, la red de entrega de servicios, brinda múltiples servicios en una simple red troncal que contiene a los router de servicios. La red de entrega de servicios proporciona varios servicios a muchas empresas y clientes residenciales. Esta red se basa en la nueva y evolucionada tecnología de servicios VPN IP/MPLS.

26 Servicios de Negocios con MPLS Figura 1.2 Red Convergente Multi Servicios Hoy en día, muchas nuevas aplicaciones ejecutándose en redes residenciales y empresariales generan nuevas demandas para las redes troncales de telecomunicaciones: VPN compleja en Capa 3 Muchos clientes empresariales requieren servicios VPN de conectividad compleja. Conectar simplemente todos los routers no es adecuado. Una VPN en Capa 3 es usualmente denominada como una Red Privada Virtual Ruteada (VPRN). Los clientes necesitan diferentes topologías de VPN como:

27 26 o Extranet Algunas empresas necesitan compartir parte de sus redes con sus partners para mejorar la productividad mientras se aíslan las otras partes de sus redes. o VPN Hub Spoke Algunos clientes requieren que sus sucursales sean conectadas con sus sedes y necesitan que el tráfico pase forzadamente a través del firewall de la sede central. o VPN de Superposición Clientes que necesiten acceso a Internet a través de alguno de sus sitios mientras se aísla el resto de su red de Internet. VPN Capa 2: Servicio de Lan Privada Virtual (VPLS) y Línea Arrendada Virtual (VLL) Muchos clientes necesitan tomar ventaja de la simplicidad de la Capa 2 junto al proveedor de servicios. Ellos necesitan comprar los servicios de conectividad en Capa 2 (punto a punto o punto a multipunto) desde el proveedor de servicios mientras manejan su propio enrutamiento en Capa 3. A los proveedores de servicios también les gusta el hecho de que no necesitan lidiar con el enrutamiento en Capa 3 con sus pares y la aislación de diferentes clientes y solo se enfocan en tener accesibilidad en Capa 2. Con la introducción de Gigabit Ethernet y Ethernet 10G en las redes de clientes y redes troncales, las VPLS y los servicios Ethernet VLL se han hecho muy populares. La VLL también se conoce como VPWS o Servicio de Cable Privado Virtual (Virtual Private Wire Service). Infraestructura de IPTV MPLS con la nueva generación de soluciones de IPTV, la entrega de contenidos de televisión (de definición normal y alta definición (HD)) sobre redes IP se han hecho posibles y muy rentables. Muchos proveedores de servicios quieren usar su red troncal IP para entregar contenidos de TV y competir con los proveedores tradicionales de televisión por cable. La entrega de contenidos por IPTV necesita que la red troncal tenga un gran ancho de banda y alta calidad de servicio. Infraestructura de Servicios Móviles MPLS y Red de Retorno Móvil (Mobile Backhaul) La nueva generación de redes móviles entregan voz servicios de datos de alto ancho de banda a través de servicios celulares. Los proveedores de servicios móviles buscan una

28 27 solución eficiente en el costo y óptima de uso de la red convergente para entregar voz y servicios de datos en la red troncal. Tecnologías de Acceso Mejoradas El crecimiento significativo de tecnologías de acceso entrega más ancho de banda hacia los suscriptores finales. Las tecnologías DSL (Digital Subscriber Line) y PON (Red Óptica Pasiva) pueden entregar al usuario final 10 Mbps, 100 Mbps o incluso mayor rendimiento. Las aplicaciones de uso intensivo de ancho de banda como IPTV, TV Personal, descargas rápidas y juegos en línea pueden ser desplegados de extremo a extremo a través de la red troncal. Todos los cambios anteriores y las nuevas demandas desafían a los proveedores de servicios a construir una red troncal convergente de alto rendimiento, alta confiabilidad y eficiente en el costo para cumplir con los requerimientos de diferentes clientes. También, los proveedores de servicios están buscando más servicios de generación de ingresos para vender a los consumidores. La frontera entre los carriers y los proveedores de contenidos se ha vuelto ambigua. Los proveedores de TV Cable ahora están entregando acceso a Internet y servicios de telefonía VoIP. Los ISPs están entregando contenidos de TV hacia sus clientes a través de IPTV y utilizan las tecnologías DSL y PON para proveer de servicios de Internet y voz. Los proveedores de celulares están entregando también servicios de datos móviles y la entrega de contenidos de TV a teléfonos celulares a través de tecnologías 2G o 3G junto con los servicios de voz móviles. La evolución de la tecnología de VPNs IP/MPLS proporciona una solución para todos estos tipos de proveedores de servicios. Con la tecnología de VPNs IP/MPLS, todos los tipos de servicios pueden ser entregados en una simple red troncal convergente de servicios MPLS, como sigue: La red troncal de alto rendimiento (usualmente conectada a Gigabit Ethernet o 10 Gigabit Ethernet) proporciona el ancho de banda suficiente para entregar aplicaciones de alta demanda de ancho de banda como IPTV.

29 28 La tecnología de VPNs IP/MPLS flexibles permite múltiples servicios como voz, datos, transmisión de TV, red de retorno móvil y circuitos ATM/FR sean aprovisionados en la misma red. Las funciones avanzadas de QoS permiten la diferenciación entre diferentes tipos de servicios y clientes y tratan los diferentes tipos de flujos de tráficos basados en sus características únicas. La entrega garantizada de calidad de servicio para cumplir con los SLAs mientras se utilizan los recursos disponibles en la red para servir a subscriptores estáticamente multiplexados puede ser alcanzada de manera simultánea. El altamente seguro motor de enrutamiento de servicios proporciona redundancia en caliente en el plano de control. La resiliencia MPLS entrega rendimiento en la convergencia a nivel de carrier para proteger los servicios de fallas en la red. Los cortes de servicio pueden ser minimizados. La Figura 1.2 muestra una red de servicios VPN IP/MPLS. La invención e implementación de solución VPN IP/MPLS basadas en pseudowire les entrega a los proveedores de servicios una propuesta segura y escalable para entregar servicios a múltiples clientes utilizando la misma red troncal mientras se aísla eficientemente el tráfico de los clientes. Las VPN basadas en pseudowire desacoplan el rol de los routers de borde que están frente al cliente (PE) y el rol de los routers de la red troncal (P). Los pseudowires MPLS conectan los routers PE a las instancias de servicio de cara al cliente. La red troncal MPLS solo hace transitar el tráfico encapsulado de las VPN de extremo a extremo escondiendo los detalles de la topología de red de core del servicio en sí mismo. Por lo tanto los router PE de servicios pueden estar enfocados solo en proveer acceso a los dispositivos del cliente, multiplexando y demultiplexando el tráfico desde múltiples servicios y tomando decisiones de re envío de VPN. Los routers P se encargan de entregar alta disponibilidad y alto rendimiento re enviando tubos con QoS garantizada. El modelos de VPNs IP/MPLS basadas en pseudowires entrega diferentes tipos de servicios utilizando la misma red troncal IP/MPLS. Dentro de estos servicios se incluyen:

30 29 Figura 1.3 VPN Punto a Punto Capa 2, Línea arrendada virtual o VLL Servicio de entubamiento punto a punto altamente escalable que acarrea el tráfico del cliente entre dos sitios de clientes. Los servicios VLL soportan muchas tecnologías antiguas como ATM, FR Ethernet y CES (Servicio de Emulación de Circuitos)

31 30 o VPLS Servicio Ethernet de puenteo punto a multipunto que puentea al tráfico Ethernet del cliente entre ubicaciones geográficamente separadas o VPRN Servicio de ruteo IP punto a multipunto que encamina el tráfico IP entre diferentes sitios e intercambia las rutas del cliente entre estos sitios. Los servicios VPRN pueden entregar varias topologías de servicios como Intranet, Extranet, VPN de superposición (Overlay VPN) o una VPN Hub Spoke. El modelo de VPN basadas en pseudowire unifica el despliegue de la arquitectura de servicios en la red. Diferentes tipos de servicios VPN utilizan la misma infraestructura de VPN: Las instancias de servicios en cada router PE de cara al cliente, están conectadas por los pseudowires de extremo a extremo, y los routers PE están conectados hacia los demás por las Rutas de Distribución de Servicios (SDPs) utilizando encapsulación GRE o tunelización MPLS. Los diferentes tipos de servicios comparten la misma red troncal MPLS con una configuración similar de cara al core o núcleo de la red. Los servicios solo se diferencian en la configuración de los SAP (Puntos de Acceso al Servicio) en las instancias de servicios de los routers PE locales. Esta visión modular unificada de despliegue de servicios hace que la red troncal o backbone sea más fácil de mantener y expandir. Los servicios VPN IP/MPLS basados en pseudowire están estandarizados y soportados por múltiples proveedores (Cisco, Alcatel Lucent, etc) y por lo tanto se puede alcanzar la interoperabilidad multi proveedor. 1.6 Utilización de la Arquitectura VPN IP/MPLS para cumplir con los requerimientos de una Red de Servicios Para la entrega de servicios VPN mencionados anteriormente (VLL, VPLS, VPRN, etc.) el proveedor de servicios debe construir una red troncal capaz de entregar esos servicios.

32 31 Una red de VPNs IP/MPLS es una red VPN de ruteo por IP, orientada a los servicios y de conmutación. La evolución de la tecnología MPLS es la base de una re VPN IP/MPLS. El equipamiento para construir una red de este tipo debe: Dar soporte a protocolos de enrutamiento IP, incluyendo IGP (Protocolo de Pasarela Interior) y BGP. EL equipamiento debe soportar también Ingeniería de Tráfico y resiliencia avanzada MPLS. Ser capaz de realizar la conmutación MPLS en el plano de datos y la señalización de etiquetas MPLS en el plano de control. Para tomar ventaja de la resiliencia avanzada MPLS el equipo debe soportar RSVP TE con protocolo de distribución de etiquetas. Para implementar los servicios VLL y VPLS, debe soportar Target LDP (T LDP) para señalizar los pseudowires utilizados por estos servicios. Soportar el despliegue de QoS basada en servicios, accounting y políticas de seguridad. La implementación de calidad de servicio, QoS, debe ser orientada al servicio. Para servicios compartiendo el mismo equipamiento físico, la QoS debe entregar granularidad para la administración por servicio. Ser diseñada para entregar alta disponibilidad. Se requiere el diseño redundante del plano de control y del plano de datos para alcanzar el rendimiento y confiabilidad a nivel de carrier (carrier class). Dar soporte a características avanzadas de resiliencia MPLS y VPN para alcanzar la escalabilidad, resiliencia y estabilidad deseadas. Soportar una solución de administración de red para que los proveedores de servicios puedan desplegar, modificar y monitorear todos los servicios en tiempo real. La solución de administración de red debe ser también inteligente por lo cual las interferencias manuales deben ser reducidas al mínimo. Una red de VPNS IP/MPLS es una red IP ruteada. Para que MPLS trabaje apropiadamente, todos los dispositivos de red deben ser capaces de dar soporte a protocolos de enrutamiento escalables. OSPF o IS IS deben ser usados como IGP en la red backbone debido a este tipo de necesidades (escalabilidad y confiabilidad). En la red troncal o backbone el IGP realiza la

33 32 comunicación de la topología de red y la ubicación de todos los routers PE y P hacia los elementos de red. También para dar soporte a la conmutación y enrutamiento avanzado IP/MPLS, se necesitan las extensiones de ingeniería de tráfico (TE) del IGP. Estas extensiones de TE de los protocolos de enrutamiento llevan la información relacionada a TE en las actualizaciones de ruteo para permitir a cada router en la red construir una Base de Datos de Ingeniería de Tráfico (TED). La utilización de TE y CSPF permiten al sistema tomar más factores (recursos reservados por el sistema y políticas administrativas) en cuenta cuando se realiza el enrutamiento del tráfico. Con la ayuda de TE, los operadores pueden realizar el enrutamiento del tráfico a través de un camino que no sea la mejor ruta por IGP. Además, con la ayuda de TE y CSPF, RSVP TE entrega características de resiliencia como Fast Reroute y LSP Secundario en los LSPs MPLS. Esto hace que los túneles de transporte de servicios sean más seguros y se mejore significativamente el rendimiento en la convergencia del backbone IP/MPLS.

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