UNIVERSITY OF CAGLIARI

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1 UNIVERSITY OF CAGLIARI DIEE - Department of Electrical and Electronic Engineering InteServ, DiffServ ed MPLS 1

2 IntServ - Integrated Services 2

3 IntServ e DiffServ Due sono le principali soluzioni QoS per Internet Architettura IntServ flusso di traffico connection-oriented protocollo RSVP scheduling dei pacchetti Architettura DiffServ Per-Hop-Behavior (PHB) classificazione dei pacchetti classi di servizio connecton-less 3

4 Introduzione all IntServ Utilizzo IntServ nell Internet: RFC 1633 (1994) È un estensione del tradizionale modello IP nasce dall esperienza MBONE descrizione generale funzionamento elementi di rete utilizza un approccio per flusso focus nel worst-case delay QoS routing agent Admission control Reservation setup agent Resource reservation table Control plane Flow identification Packet scheduler Data plane 4

5 Selezione del percorso (route seletion) Hop-by-hop Percorso soddisfare requisiti vari (ritardo, perdita, banda) In IntServ si disaccoppia il routing dal processo di reservation il modulo di routing fornisce l ID del nodo successivo QoS routing agent Admission control Reservation setup agent Resource reservation table Control plane Flow identification Packet scheduler Data plane 5

6 Reservation Setup Necessario protocollo che configuri lo stato della reserv. sugli hop del percorso che trasporti le informazioni relative al traffico che si accordi con le variazioni topologiche della rete risoluzione authorization, authentication e accounting Il protocollo sviluppato è chiamato RSVP basato su receiver -initiated approch progettato per lavorare anche con IP Multicast QoS routing agent Flow identification Reservation setup agent Resource reservation table Admission control Packet scheduler Control plane Data plane 6

7 Admission Control (1/2) Due funzioni fondamentali determina se una nuova richiesta può essere soddisfatta in conformità alle politiche monitora e misura le risorse disponibili Esisto due approcci di base per l AC Basata su parametri: QoS routing agent caratterizzazione precisa dei Basata sulle misure: misurazione del carico Flow identification Reservation setup agent Resource reservation table Admission control Packet scheduler Control plane Data plane 7

8 Admission Control (2/2) Per ammettere una nuova richiesta esistono differenti algoritmi: somma semplice somma delle richieste di banda richiesta dei flussi correnti più quella della nuova richiesta non devono eccedere la capacità del link somma misurata si basa sul carico effettivo dei flussi esistenti piuttosto che sulle loro richieste di banda regione di approvazione basato su modelli statistici, massimizza la ricompensa dell incremento di utilizzazione contro la perdita dei pacchetti banda equivalente - basato su modelli statistici, definita per un set di flussi come la banda C(p), tale che la richiesta di banda stazionaria di tale set eccede di questo valore con probabilità al massimo pari a p 8

9 Flow Identification Necessaria associazione pacchetto-flusso Il flusso IP è identificato da 5 campi nell header Source IP address Dest IP address Protocol ID Source port Destination port la quintupla viene confrontata con la reservation table se il match è positivo il pacchetto va allo scheduler è trattato secondo lo stato previsto per quel flusso Il processo deve avvenire molto velocemente QoS routing agent Admission control Reservation setup agent Resource reservation table Control plane Flow identification Packet scheduler Data plane 9

10 Packet Scheduling Responsabile rispetto allocazione delle risorse Incide su delay e scarto pacchetti I modelli del best effort (FCFS) non danno prestazioni soddisfacenti per cui si ricorre a modelli differenti Il Weighted Fair Queuing (WFQ) è molto diffuso in IntServ QoS routing agent Admission control Reservation setup agent Resource reservation table Control plane Flow identification Packet scheduler Data plane 10

11 Flow Specification (1/2) L IntServ lavora a livello di singolo flusso è associato all'applicazione che ne fa richiesta Il Flow Specification descrive Traffico Requisiti di servizio Requisiti di servizio Banda di trasmissione minima Ritardo (worst case o media) Jitter Perdita di pacchetti Un policer verifica che il traffico lo rispetti all ingresso della rete 11

12 Flow Specification (2/2) Traffico Peak rate Average rate Burst size Intserv ricorre ai token bucket parameters Token arrival rate r Bucket depth b A ( t) r t + b r b Packet from source Packet out Packet buffer 12

13 Parametri Integrated Services (1/3) Sono dei parametri che descrivono le capacità IntServ di un certo dominio I principali sono definiti nella RFC 2215 ad ogni parametro è associato un identificativo <service_number, parameter_number> service_number uguale a 1 indica il valore di default es. <1, parameter_number> si applica a tutti i servizi sono usati per servizi individuali 2 per guaranteed service 5 per controlled-load service parameter_number identificano parametri generali applicati a tutti servizi identificano parametri specifici per particolari servizi 13

14 Parametri Integrated Services (2/3) Esistono due tipologie di valori con cui definire ogni parametro: Local: rilevanza solo per singolo componente di rete Composed: informazioni relative alla composizione, secondo opportune regole, dei valori locali lungo il percorso Es. AVAILABLE_BANDWIDTH è ottenuto con la regola di composizione del minimo 14

15 Parametri Integrated Services(3/3) Parameters numbers Descriptor NON_IS_HOP 1,2 NUMBER_OF_IS_HOP 3,4 AVAILABLE_BANDWIDTH 5,6 MINIMUM_PATH_LATANCY 7,8 A flag that provides information about the presence of network elements that do not implement QoS control services along the data path. The composition rule is an OR function. A counter that is the cumulative total of the Integrated Service-aware hop. The composition rule is to increment by 1 for each qualified hop. The amount of bandwidth available along a path followed by a data flow. The composition role is the MIN function. The minimum packet delay of a hop or a path. The latency includes fixed delay, such as propagation delay and processing delay, but not queuing delay. The composition rule is summation. The latency is reported in microseconds. The maximum value is (2 32-1). lf the sum is larger than (2 32-1), it is set to (2 32-1), and is regarded as indeterminate latency. PATH_MTU 9,10 The maximum transmission unit (MTU) along a path. The value is used to invoke services that require packet size to be limited to a specific MTU. The current MTU discovery mechanism cannot be used because it reported only to the sender and does not allow service elements to set a value smaller than the physical MTU. The composition rule is the MIN function. The value is measured in bytes, with a maximum of (2 32-1) bytes. TOKEN_BUCKET_TSPEC 127 Traffic parameters based on token bucket parameters. Note that this parameter is a data structure definition and is used only by the vender and the edge node. There are five parameters; token rate (r), bucket depth (d), peak rate (p), minimum policed unit (m), and maximum packet size (M). 15

16 Modelli di servizio Descrivono l interfaccia tra rete e utenti cosa gli utenti possono chiedere, che tipo di vincoli sulle risorse la rete può offrire InterServ standardizza due modelli base oltre al servizio best effort Guaranteed service Controlled-load service 16

17 Servizio Guaranteed Service Servizio a banda garantita comportamento simile ad un circuito virtuale più flessibile di un circuito reale Vincoli stringenti sul delay end-to-end D max_e2e = D fix + D max D fix componente fissa del ritardo (propagazione) D max ritardo massimo per attese in coda (limitato) il controllo è sul maximal queuing delay D max assume che il traffico entrante sia conforme ai parametri del token bucket i parametri TB sono difficili da determinare a priori garantisce l assenza di perdita di pacchetti per overflow dei buffer dei router (se contratto di traffico rispettato) 17

18 Guaranteed Service TSpec ed RSpec Un applicazione invoca questo servizio specificando un descrittore di traffico (TSpec) e una specifica di servizio (RSpec) della rete Parametri del TSpec r byte/s token bucket rate bbyte token bucket size p byte/s peak rate (può essere trascurato) m byte minimum policed unit M byte maximum packet size Parametri dell RSpec: (specifica la QoS) Rbyte/s requested rate (R>r) Sμs termine di correzione (slack term) Max delay -> b/r+c/r+d (C, D error parameters) S: differenza tra ritardo desiderato e quanto fornito 18

19 Guaranteed Service Traffico consentito Il numero massimo di byte A(T) emessi in un intervallo (t,t+t] da un Token Bucket di parametri (r,p,b) è dato dalla seguente curva 19

20 Guaranteed Service Policing&Shaping Policing verifica che il flusso emesso da una sorgente sia conforme al TSpec viene effettuato solo ai bordi della rete i datagrammi non conformi al TSpec verranno trattati in modo best effort Shaping ritarda i datagrammi sino a che il flusso non sia conforme al TSpec può essere effettuato da elementi all interno della rete 20

21 GS Slack Term Il termine di correzione S o slack Term indica la differenza tra il ritardo desiderato dalla sorgente ed il ritardo ottenuto tramite l assegnazione della banda R Es: e' utilizzato dagli elementi di rete per rendere più flessibile l assegnazione della banda percorso dato da due link in cascata: 2Mbps e 10Mbps R necessario per il constraint sul ritardo di 2.5Mbps Si può mettere in piedi se S è maggiore del ritardo superiore a quanto richiesto riservando 2Mbps anziché 2.5Mbps sul primo link Ritardo da compensare con un reservation superiore ai 2.5Mbps sul secondo link 21

22 Controlled load (1/3) Il traffico è soggetto allo stesso trattamento che subirebbe se fosse in una rete best-effort scarica È orientato al trattamento del traffico real-time di tipo adattivo Un alta percentuale di pacchetti trasmessi sarà consegnata a destinazione la percentuale di pacchetti persi deve essere dell ordine del packet error rate dovuto ai mezzi trasmissivi Ritardo di coda D max non limitato superiormente un elevata percentuale di pacchetti non subirà un ritardo molto superiore a quello minimo di attraversamento della rete 22

23 Controlled load (2/3) La sorgente deve specificare il proprio Tspec quando invoca un servizio (p,b,r) non l RSpec Il flusso è accettato se la rete è in grado di gestirlo senza congestione Gli elementi di rete devono assegnare al flusso banda sufficiente per il soddisfacimento dei requisiti di ritardo e perdita Algoritmi di allocazione non definiti I requisiti di ritardo e perdita possono essere soddisfatti mediante apposite politiche di scheduling 23

24 Controlled load (3/3) Policing Quando arriva un pacchetto non conforme, la rete: deve continuare a fornire per flussi conformi il servizio garantito per contratto dovrebbe impedire che il traffico in eccesso impatti negativamente sul traffico best effort rispettando i precedenti vincoli e se vi sono risorse disponibili, deve tentare il forwarding del traffico in eccesso secondo la tecnica best effort 24

25 GS vs CS Caratteristica Garanteed Service Controlled Load Servizio end-to-end Applicazioni Metodo di allocazione delle risorse Parametri richiesti Ritardo Max garantito Prob. di perdita nulla Real Time Stringente TSpec = r, b, p, M, m RSpec = R, S Equivalente ad un servizio Best effort su rete scarica Sensibili alla congestione in rete Controllo di ammissione da definire TSpec = r, b, p, M, m 25

26 RSVP (ReSerVation Protocol) Implementato in tutte le stazioni coinvolte nella tx dati nei router per stabilire il reservation state lungo il path negli host per comunicare i requisiti del servizio Caratteristiche fondamentali: IP protocol unidirectional reservation receiver oriented per supportare multicast Anche se in connessioni unicast è spesso triggerato da un messaggio path spedito al trasmettitore routing independent per operare con routing eterogenei Segue i percorsi suggeriti dal routing esterno all RSVP Conseguenza: percorso da ricevitore a trasmettitore differente. Per questo si usa il messaggio path iniziale dal trasmettitore al ricevitore Altra conseguenza: il percorso migliore scelto con il protocollo di routing potrebbe non avere banda a sufficienza mentre ci potrebbe essere un altro percorso valido soft state necessità di continui refresh, prenotazione risorse a tempo, alta adattabilità non specifica il meccanismo di ammissione dei flussi ed allocazione non specifica come la QoS è soddisfatta Prevede due tipi di messaggi principali: PATH e RESV 26

27 RSVP PATH message (1/2) Da sorgente a ricevitore: IP protocol ID 46 Installa un path state in ogni nodo attraversato Contiene: PHOP indicazione dell hop precedente Sender Template identifica univocamente il flusso in quella sessione Sender TSpec caratterizza il traffico e non può essere modificato dai nodi intermedi Adspec opzionale, viene aggiornato ad ogni nodo per descrivere le caratteristiche del percorso in termini di QoS PHOP Sender Template Sender TSpec Adspec PATH message 27

28 RSVP PATH message (2/2) PHOP Sender Template Sender TSpec Adspec PATH SENDER RECEIVER PATH contiene la specificazione del traffico Tspec 28

29 RSVP RESV message (1/2) Ricevuto il PATH il ricevitore analizza il TSpec ed Adspec e decide su quanto riservare e quale servizio chiedere Se la banda è limitata potrebbe chieder video standard anziché HD L RSVP è spedito dal ricevitore alla sorgente secondo il percorso inverso dei PATH message Contiene il Flow Descriptor Filter spec: identifica il flusso da tx a rx Flow spec specifica la QoS desiderata e parametri usati nello scheduling Tipo di servizio IntServ richiesto Tspec E instradato seguendo il percorso inverso del PATH Nella catena ci potrebbero essere dei routing non IntServ capable Inoltrano i messaggi senza processarli 29

30 RSVP RESV message (2/2) RESV SENDER RESV RECEIVER contiene la richiesta di prenotazione delle risorse 30

31 Considerazioni IntServ Vantaggi: garantisce il migliore livello di qualità del servizio per ogni flusso accettato Svantaggi: lo stato per-flow di tipo soft comporta un notevole aumento del traffico di segnalazione ogni router deve tenere traccia delle caratteristiche relative a ciascun flusso poco scalabile 31

32 DiffServ - Differentiated Services 32

33 Differentiated Services: Introduzione Proposta dall IETF nella RFC 2474/75 (12/98) Approccio basato sulle classi Meccanismo semplice gestione QoS Numero ben definito di comportamenti router Qualità di servizio a livello di classi di dati o aggregati Implementazione e sviluppo semplice La classe viene identificata attraverso l header NON fa uso di: resource reservation set up classification e scheduling per *flusso* Migliora la scalabilità Si fa invece la classificazione in classi per tutti i flussi 33

34 Allocazione delle risorse DiffServ vs IntServ Per aggregato di traffico, non per flusso Classificazione semplice nel core, non complessa Trattamento di forwarding, non di servizio Garanzie di provisioning, non di reservation SLA piuttosto che sulla segnalazione dinamica Focalizzazione sul singolo dominio piuttosto che sul end-to-end 34

35 Framework Elementi importanti del Dominio DiffServ Edge Router o border router nei bordi Nodi ingress o egress Core Router o interior router all interno Customer network Customer network ISP network Core Router Edge Router Customer network Edge Router Core Router Core Router 35

36 Classificazione e condizionamento traffico Ingress Router o Egress Router assegnazione ad una traffic class Applicazione di un Traffic Conditioner Block (TCB) Classificazione e condizionamento tipicamente nei border node del DS dominio dentro i domini sorgente, internamente al DS dominio Remarker Classifier Marker Meter Shaper Dropper Classifier Conditioning 36

37 IPv4 e QoS: il campo ToS (RFC 791) 37

38 Campo DS (Differentiated Services) Campo ToS in IPv4 e CoS in IPv6 DSCP (DS codepoint) 3 bit di precedenza, standard IPv4 Mantenuta compatibilità Usiamo la notazione <xxxxxx> codepoint , best-effort 38

39 DiffServ: funzionamento generale Differentiated IP class Voice Platinum Class Low Latency E-Commerce , Web Voice Traffic Classification Gold Guaranteed: Latency and Delivery Browsing Silver Guaranteed Delivery Bronze Best Effort Delivery 39

40 Per-Hop Behaviors (PHB) (1/2) Sono associati ai DSCP di 6 bit Applicato ad un behaviour aggregate Tutti i pacchetti che hanno lo stesso DSCP e che quindi appartengono alla stessa traffic class I PHB sono implementati mediante una opportuna gestione del buffer e dello scheduler Gruppo PHB PHB con trattamento descritto in rapporto tra loro L implementazione del servizio end-to-end avviene attraverso la combinazione opportuna del PHB condizionamento del traffico network provisioning (fornitura della risorse di rete) La classificazione complessa avviene negli edge router Nei core router avviene la semplice 40

41 Per-Hop Behaviors (PHB) (2/2) Scheduler Outbound Packets Packets in Various Queues 41

42 Servizio e Forwarding Treatment Il Forwarding Treatment (FT) descrive il PHB comportamento osservabile esternamente di forwarding implementato in un nodo diverso dal servizio: definito sulla base dalla performance complessiva che l utente riceve FT può essere usato per costruire un servizio Esempio Servizio no-loss Può essere implementato con express forwarding Oppure FCFS con controllo load complessivo A differenza dei servizi che sono tempo-varianti, i FT sono stabili temporalmente 42

43 Classi di servizio e PHB Il servizio end-to-end si ottiene mediante la concatenazione di diversi PHB Default service: è la modalità di spedizione best effort tradizionale utilizzata in Internet Le classi di servizio per le applicazioni che richiedono priorità sono realizzate mediante: Expedited Forwarding Virtual Leased Line (oppure Premium Service) Assured Forwarding Olimpic Service (Gold, Silver, Bronze) Altre classi di servizio sono su base locale Classe di traffico PHB codepoint 43

44 Tre pools di codepoints: Pool di PHB codepoint 32 codepoints (xxxxx0) riservati a PHB standard 16 codepoints (xxxx11) riservati a PHB sperimentali o locali futuri 16 codepoints (xxxx01) sono inizialmente disponibili per PHB sperimentali o locali I codepoint xxx000 sono assegnati preferibilmente a PHB che assegnino priorità progressiva 44

45 Class Selector (CS) Set di codepoint del range xxx000 dove la x può assumere il valore 1 o 0 Usano solo i primi tre bit del DSCP, ovvero i bit definiti per il campo precedenza IP 8 classi per la differenziazione dei pacchetti la priorità e assegnata alla classe con valore più alto. È stato il primo tipo di PHB definito mantiene la compatibilità con le architetture esistenti Le classi con valore 11x000 sono riservate all amministrazione di rete ed hanno quindi priorità massima. 45

46 DSCP e PHB DSCP Binary Hex Decimal CS0 (Default) x00 0 Typical application CS x08 8 Scavenger Examples YouTube, Gaming, P2P CS x10 16 OAM SNMP,SSH,Syslog CS x18 24 Signaling SCCP,SIP,H.323 CS x20 32 Realtime TelePresence CS x28 40 CS x30 48 CS x38 56 Broadcast video Network control Cisco IPVS EIGRP,OSPF,HSR P,IKE 46

47 DSCP e PHB Assured forwarding Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Low drop probability AF11 (DSCP 10) AF21 (DSCP 18) AF31 (DSCP 26) AF41 (DSCP 34) Med drop probability AF12 (DSCP 12) AF22 (DSCP 20) AF32 (DSCP 28) AF42 (DSCP 36) High drop probability AF13 (DSCP 14) AF23 (DSCP 22) AF33 (DSCP 30) AF43 (DSCP 38) Expedited forwarding EF PHB

48 Rappresentazione di alcuni servizi DSCP Uso Classe 0 Best effort BE 26 Voice control (SIP, H.323) AF31 46 Voice data (RTP, RTSP) EF 10 Streaming video AF11 48 Network-layer control (OSPF, RIP, EIGRP) CS6 Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Low drop probability AF11 (DSCP 10) AF21 (DSCP 18) AF31 (DSCP 26) AF41 (DSCP 34) Med drop probability AF12 (DSCP 12) AF22 (DSCP 20) AF32 (DSCP 28) AF42 (DSCP 36) High drop probability AF13 (DSCP 14) AF23 (DSCP 22) AF33 (DSCP 30) AF43 (DSCP 38)

49 Per-Domain Behavior (PDB) La RFC 3086 definisce i PDB Definiscono un particolare comportamento end-to-end sviluppato in un dominio DiffServ funzioni di conditioning del traffico (shaping, policing, marking ) agli edge router funzioni di gestione dei pacchetti (accodamento, scheduling, accettazione nel buffer) di ciascun router Il PHB è relativo al comportamento su un hop del dominio mentre PDB è relativo al comportamento previsto per un intero dominio Ne viene definito solo uno: lower effort PDB RFC 3662 Tutte le altre classi hanno precedenza nell occupazione della banda mentre il traffico supportato dall LE PDB potrà usare la banda disponibile non usata dalle altre classi 49

50 Management della banda interdominio Articolazione in Domini edge router core router bandwidth broker (BB) I BB possono essere impiegati per una gestione end-to-end della banda Bandwidth Broker Edge Router Core Router Dominio DiffServ Core Router Core Router Receiver Edge Router Sender 50

51 Bandwith Broker (BB) (1/2) Alloca banda nei propri domini sulla base delle priorità dell azienda e delle sue politiche Comunica con altri BB per poter gestire l allocazione di risorse in domini differenti Mantiene traccia dell allocazione di banda del traffico marcato Mantiene traccia dello stato in una base di dominio amministrativo e non su ogni core router Controllo di accesso: Admission control Può essere usato per realizzare la negoziazione di risorse inter-dominio dinamica Può essere usato in una struttura gerarchica 51

52 Bandwidth Broker (BB) (2/2) 52

53 Considerazioni DiffServ Vantaggi architettura di rete semplice alta scalabilità fornisce modelli di servizio flessibili e aperti supporta la QoS senza bisogno di un sistema di segnalazione complesso Svantaggi DiffServ non consente di richiedere requisiti quantitativi ma soltanto qualitativi; può garantire un numero limitato di priorità non può essere la soluzione per la fornitura di QoS end-to-end alternative: IntServ altro progetto IETF 53

54 Conclusioni IntServ/DiffServ IntServ si mostra molto più utile ed efficiente per la rete d'accesso dell'utente Per garantire che alcuni utenti non saturino la banda ad altri utenti nella rete di accesso DiffServ è certamente più adatto per le reti di transito sulle quali passano grossi aggregati di traffico La complementarietà delle due strategie ha portato alla concezione di una gestione mista della qualità che può essere sfruttata per il management end-to-end delle risorse 54

55 Interoperabilità RECEIVER SENDER 55

56 MPLS MultiProtocola Label Switching 56

57 Definizioni L MPLS (MultiProtocol Label Switching) è uno standard sviluppato dall IETF per infrastrutture di backbone MultiProtocol significa che è in grado di operare con qualunque protocollo di livello rete (anche se tipicamente opera su IP) Label Switching significa che il forwarding è basato su un etichetta collocata all interno del pacchetto La specifica base è la RFC 3031 (2001) 57

58 Motivazioni E stato sviluppato per integrare i livelli IP e ATM Il forwarding IP è connectionless: i router instradano ogni pacchetto (datagram) indipendentemente dagli altri sulla base dell indirizzo di destinazione e delle corrispondenze contenute nelle tabelle di routing Risultato: il calcolo dei percorsi è ottimale la velocità di forwarding è limitata a causa del longest prefix matching non ci sono garanzie di QoS 58

59 Ricordiamo il routing in IP 59

60 Longest prefix matching 60

61 MPLS: motivazioni L ATM è connection oriented: si basa sulla creazione di circuiti virtuali tipicamente calcolati e settati dall amministratore Risultato: forwarding veloce QoS garantita la scelta dei percorsi non è ottimale L integrazione delle due tecnologie combina i vantaggi del routing IP con la velocità di forwarding tipica degli switch ATM 61

62 ATM circuiti virtuali 62

63 Evoluzione da IP e ATM verso l MPLS 63

64 Il modello overlay E stato il primo approccio all integrazione tra IP e ATM I due livelli operano in maniera indipendentemente: l infrastruttura ATM associa ad ogni coppia di Edge Router un PVC (Permanent Virtual Circuit), creando una struttura Full Mesh fra gli end-point a livello IP, i router non conoscono la topologia fisica della rete, ma solo quella logica creata dal livello ATM l instradamento avviene sulla base di tabelle di routing nelle quali è aggiunto un campo per la corrispondenza tra next-hop e PVC 64

65 Il modello overlay Topologia fisica della rete 65

66 Il modello overlay PVC tra tutti gli edge (struttura full mesh) Topologia logica della rete 66

67 Il modello overlay Limiti del modello overlay: Presenta notevoli problemi di scalabilità e di adattabilità ai cambiamenti della rete fisica Se N è il numero di Edge Router, bisogna configurare un O(N 2 ) di PVC La quantità di informazione che si propaga nella rete in presenza di un cambiamento nella topologia fisica è dell ordine di un O(N 4 ) Soluzione: il label switching 67

68 Il label switching IP e ATM non sono più sovrapposti ma completamente integrati La rete risultante è una semplice rete IP in cui i protocolli di routing (es. RIP, OSPF, IS-IS) vengono usati per il calcolo dei percorsi virtuali Il forwarding si basa su un etichetta di lunghezza fissa, inserita nell header del pacchetto Ad ogni hop, l etichetta viene sostituita con quella corrispondente all hop successivo La successione dei valori delle etichette definisce un percorso virtuale chiamato label switched path (LSP) 68

69 I Label Switching Router Gli apparati di rete usati nel label switching sono detti Label Switching Router (LSR) Un LSR è tipicamente un router con funzionalità di forwarding tipiche del livello 2 la componente di controllo, ossia quella dedicata alle decisioni di routing, utilizza i tradizionali protocolli di routing IP la componente di forwarding utilizza la commutazione di etichetta tipica di uno switch ATM 69

70 I Label Switching Router Controllo routing IP Controllo routing IP Controllo Forum ATM Forwarding Longest prefix matching Forwarding Label switching ATM Forwarding Label switching ATM ROUTER LABEL SWITCHING ROUTER (LSR) SWITCH 70

71 Vantaggi del label-switching Il forwarding dei pacchetti è più veloce rispetto al caso del routing IP La ricerca nelle tabelle di forwarding non richiede un longest prefix matching Gli LSR interni al dominio devono leggere nell header solo un etichetta di dimensioni ridotte Le operazioni di routing e quelle di switching vengono effettuate in maniera distinta Nuove tecnologie di routing possono essere implementate senza modificare quelle di forwarding 71

72 Tecnologie di label-switching La differenza principale tra le varie proposte é costituita dal meccanismo di assegnazione delle etichette Modello data-driven (IPSILON, Toshiba): le etichette sono allocate e distribuite soltanto quando arriva un flusso di pacchetti Modello control-driven (Cisco, IBM, Ascend): le etichette sono allocate e distribuite in seguito all elaborazione del protocollo di routing, indipendentemente dall arrivo di traffico dati; quando arrivano i pacchetti, il setup degli LSP è già avvenuto utilizzato nell MPLS 72

73 Architettura di rete 73

74 L architettura MPLS E-LSR A LSP1 Dominio MPLS E-LSR B LSP2 E-LSR C 75

75 E-LSR e LSR intermedi Gli E-LSR rappresentano l interfaccia del dominio MPLS con l esterno Devono essere in grado di implementare sia il forwarding IP che le tecnologie del label switching Estraggono le informazioni contenute nell header IP dei pacchetti in ingresso Classificano i pacchetti Traducono le informazioni IP in un etichetta MPLS Inviano il pacchetto al primo LSR intermedio sull LSP verso destinazione Gli LSR intermedi implementano solo la componente di forwarding tipica del label switching Inoltrano i pacchetti utilizzando l etichetta MPLS, senza nessun controllo sull header IP 76

76 Gli LSP Gli LSP sono unidirezionali Per una comunicazione tra due E-LSR è necessario instaurare almeno due LSP, uno per direzione I nodi sorgente e destinazione di un LSP vengono chiamati rispettivamente E-LSR di ingresso (o di upstream) e E-LSR di uscita (o di downstream) Allo stesso modo, gli LSR intermedi lungo il percorso di un LSP vengono detti di upstream o di downstream a seconda della direzione del traffico nell LSP 77

77 La componente di forwarding degli LSR 78

78 Funzionalità La componente di forwarding nell MPSL è responsabile dell inoltro dei pacchetti in base al valore delle etichette Esegue operazioni di: Classificazione Gestione delle etichette (inserimento, modifica, rimozione) Inoltro dei pacchetti sulla base delle corrispondenze tra etichette e next-hop contenute nelle tabelle di forwarding 79

79 Le classi di forwarding All ingresso di un dominio MPLS, i pacchetti IP vengono classificati in classi di forwarding, o Forwarding Equivalent Class (FEC) Una FEC identifica un aggregato di flussi di traffico che devono essere trattati allo stesso modo all interno del dominio Le FEC possono essere definite sulla base di informazioni contenute nell header IP o di altre informazioni, come ad esempio l interfaccia d arrivo Il criterio di classificazione viene scelto sulla base del livello di granularità desiderato 80

80 Granularità di forwarding I principali tipi di granularità nella definizione delle FEC sono: IP prefix: Pacchetti con lo stesso prefisso nel campo indirizzo di destinazione IP vengono associati ad una data FEC In tal caso, l MPLS effettua un forwarding di tipo destinationbased, analogamente al tradizionale routing IP E-LSR d uscita: Pacchetti indirizzati allo stesso E-LSR vengono classificati in una data FEC E il più banale modello di granularità attualmente supportato e può scalare bene al crescere della rete Flussi applicativi: Ogni flusso viene associato ad una FEC E il modello di granularità più fine, ma con forti limiti di scalabilità 81

81 Le etichette MPLS L etichetta MPLS è una stringa di 32 bit che può essere inserita in diversi modi in un pacchetto In alcuni casi, le etichette sono poste all interno dell header a livello 2, per esempio nei campi VCI e VPI dell ATM o nel DLCI del Frame Relay In altri casi (Ethernet, FDDI, Token Ring), l header MPLS viene inserito tra l header del livello 2 e quello del livello 3 e per tale motivo viene definito shim header Header di livello 2 Shim header Header di livello 3 82

82 Il label Stack L MPLS prevede che una o più etichette possano essere inserite nell header di uno stesso pacchetto L insieme delle etichette è chiamato label stack ed è una pila di tipo LIFO L instradamento del pacchetto avviene sulla base dell etichetta più esterna (in cima allo stack) Le altre etichette, se presenti, vengono utilizzate nel caso di LSP annidati, per creare degli LSP tunnel o per applicazioni particolari, quali Traffic Engineering o VPN 83

83 Le etichette MPLS LABEL EXP S TTL 20bit 3bit 1bit 8bit Label: rappresenta l etichetta vera e propria utilizzata per l instradamento del pacchetto IP Exp: campo inizialmente definito come sperimentale; un suo possibile utilizzo è il setting della drop priority in modo analogo a quanto avviene nell architettura DiffServ Stack: indica l eventuale presenza di uno stack di etichette; è settato ad 1 alla fine dello stack, a 0 negli altri casi TTL: campo time-to-live, definito per rilevare ed eliminare eventuali loop in un LSP 84

84 Gestione delle etichette L etichetta MPLS ha valore locale presso l interfaccia utilizzata Le operazioni effettuate sulle etichette dei pacchetti in transito sono: Pushing (inserimento dell etichetta): viene eseguita dall E-LSR d ingresso Swapping (sostituzione dell etichetta): viene eseguita dagli LSR intermedi Popping (rimozione dell etichetta): può essere effettuata dall E-LSR d uscita o dall ultimo LSR intermedio (penultimate popping) 85

85 Label-switching table Ogni nodo MPLS realizza il forwarding grazie al mantenimento di una tabella, detta label-switching table o incoming label map (ILM) Una ILM definisce le corrispondenze tra label in ingresso e next-hop Ogni label in ingresso nella ILM ha un puntatore ad una Next Hop Label Forwarding Entry (NHLFE) La NHLFE specifica l interfaccia in uscita e label in uscita corrispondenti al next-hop e le operazioni da effettuare sulle etichette (solo per gli ELSR) Addizionalmente, può contenere informazioni sullo stato degli LSP (es. numero di hop) 86

86 L algoritmo di forwarding Quando un pacchetto IP entra in un dominio MPLS: L E-LSR d ingresso elabora le informazioni contenute nell header IP e classifica il pacchetto in una particolare FEC Quindi, associa al pacchetto un etichetta (label pushing) che ne identifica la FEC di appartenenza e lo invia al next-hop in base alle corrispondenze contenute nella ILM L LSR che riceve il pacchetto consulta la ILM, sostituisce l etichetta di ingresso con la corrispondente etichetta di uscita (label swapping) e invia il pacchetto al next-hop 87

87 L algoritmo di forwarding Il meccanismo si ripete su tutti gli LSR intermedi fino a raggiungere l E-LSR d uscita L E-LSR d uscita consulta la ILM, rimuove l etichetta (label popping) e invia il pacchetto al next-hop sulla base dell indirizzo IP 88

88 L algoritmo di forwarding: Esempio L2 IP L2 5 IP L2 9 IP L2 2 IP L2 IP ELSR-IN LSR A LSR B ELSR-OUT IP addr OUT label IN label OUT label IN label OUT label IN label OUT label 196.4/ /16 label pushing label swapping label swapping label popping 89

89 La componente di controllo degli LSR 90

90 Funzionalità L esecuzione dell algoritmo di forwarding presuppone che siano già state eseguite le funzioni della componente di controllo, ovvero: creare associazioni tra FEC e label (label binding) creare associazioni tra FEC e next-hop (selezione degli LSP) informare tutti gli LSR dei bindings creati (label distribution) utilizzare le associazioni create per compilare le labelswitching table 91

91 La componente di controllo Le prime due operazioni vengono eseguite in maniera indipendente l una rispetto all altra Le corrispondenze create tra FEC e label e tra FEC e next-hop vengono utilizzate per la definizione delle ILM FEC - Label (Label binding) FEC -next-hop (Routing Protocol) Label - next-hop (Label-switching table) 92

92 Il Label Binding Nell MPLS, gli LSR di upstream e downstream devono accordarsi sulla corrispondenza tra label e FEC (label binding) Tale operazione viene gestita dagli LSR di downstream per evitare in ricezione assegnazioni doppie Sono possibili due modalità di label binding Downstream on demand: su richiesta di un LSR di upstream al suo next-hop Unsolicited Downstream: un LSR può segnalare a tutti i suoi predecessori un binding anche se questo non è stato esplicitamente richiesto 93

93 Selezione degli LSP La selezione di un percorso avviene utilizzando i tradizionali protocolli di routing secondo due modalità possibili: Hop-by-Hop: ogni nodo associa ad una FEC un nexthop in modo indipendente, basandosi sul protocollo di routing in uso (per esempio sulla base del prefisso di destinazione IP collegato alla FEC) Explicit Routing: un singolo LSR (l E-LSR di ingresso o di uscita di un LSP) stabilisce a priori l intero percorso, utilizzando particolari algoritmi di routing detti contraint-based routing (CBR) 94

94 Label distribution Per poter settare gli LSP, sono necessarie delle procedure che consentano la trasmissione dei label binding tra nodi adiacenti I protocolli di routing non sono adatti a questo scopo perché inoltrano le informazioni di routing a tutti i nodi della rete Per tale motivo sono stati definiti dei protocolli appositi, detti di LSP setup o di distribuzione delle etichette (label distribution) 95

95 Label distribution Protocol L IETF ha definito tre possibili protocolli per la distribuzione delle etichette: Label Distribution Protocol (LDP) Constraint Routing Label Distribution Protocol (CR- LDP) Resouce ReserVation Protocol Traffic Engineering (RSVP-TE) 96

96 Il protocollo LDP Inizialmente il label distribution protocol (LPD) è stato definito quale unico protocollo di distribuzione delle etichette tra LSR adiacenti su domini MPLS Può essere utilizzato solo per il setting hop-by-hop degli LSP Due LSR che stabiliscono una comunicazione mediante LDP sono detti label distribution peers 97

97 Messaggi LDP I messaggi di segnalazione tra LDP peers sono: Discovery: consente ad un LSR di informare i nodi vicini della propria presenza inviando periodicamente un messaggio HELLO col proprio identificativo Questo messaggio viene trasmesso in modalità multicast come pacchetto UDP verso tutti i nodi dello stesso gruppo multicast Il discovery può essere utilizzato anche per stabilire una sessione LDP Un LSR invia un messaggio TARGETED HELLO ad un altro LSR; se quest ultimo risponde con lo stesso messaggio, la sessione viene attivata 98

98 Messaggi LDP Session Management: dopo aver stabilito la sessione LDP, i due LDP peers si scambiano su una connessione TCP i seguenti messaggi: INITIALIZATION: contiene i parametri per inizializzare la sessione LDP, tra cui la versione del protocollo, il meccanismo di distribuzione delle etichette (downstream on demand o unsolicited downstream), il valore del timer e l intervallo di valori delle etichette che possono essere utilizzati sul collegamento tra i due peers KEEPALIVE: consente di mantenere attiva la sessione In assenza messaggi KEEPALIVE o di messaggi di altro tipo la sessione viene terminata 99

99 Messaggi LDP Advertisement: a questa categoria appartengono messaggi quali LABEL MAPPING, LABEL WITHDRAWAL, LABEL RELEASE e altri, che consentono di creare, modificare o cancellare le associazioni label-fec Notification: viene utilizzato per lo scambio di informazioni di segnalazione e per notificare situazioni di errore Funziona su TCP per garantire l inoltro dei messaggi 100

100 Il protocollo CR-LDP Il protocollo CR-LDP estende le funzionalità dell LDP con le seguenti opzioni: Explicit Routing Resource reservation Supporto alle classi Blocco di un percorso Preemption (rimozione di vecchi LSP per il setup di LSP con priorità maggiore) Gestione delle failures LSP ID 101

101 Il protocollo CR-LDP Il CR-LDP supporta due modalità di costruzione di un LSP Modalità strict: l LSP è completamente specificato dall E-LSR d ingresso. Si tratta di un particolare cammino manualmente costruito dall operatore di rete Modalità loose: l operatore non ha necessità di specificare l intero cammino, ma seleziona un gruppo di nodi che dovranno costituire l LSP Gli LSP costruiti con il CR-LDP sono anche detti Constraint Routing LSP o CR-LSP 102

102 Il protocollo CR-LDP Come l LDP, il CR-LDP utilizza delle sessioni TCP tra LSR peer Quando un E-LSR d ingresso individua la necessità di inizializzare un LSP, seleziona un percorso, ossia esegue un Explicit Routing, e gli associa un LSP ID Successivamente, invia al primo LSR un messaggio di LABEL_REQUEST, contenente l explicit route ed i parametri di traffico da associare al nuovo LSP Quando un LSR riceve il messaggio di LABEL_REQUEST, inoltra la richiesta lungo l explicit route, prenotando le risorse richieste per il nuovo LSP 103

103 Il protocollo CR-LDP L ELSR d uscita alloca le risorse necessarie ed assegna un opportuna etichetta all LSP, che dovrà essere distribuita a ritroso lungo l explicit route mediante un messaggio di LABEL_MAPPING Quando un LSR riceve tale messaggio, finalizza la precedente prenotazione di risorse e definisce un etichetta per l LSP Il meccanismo prosegue sino a quando il messaggio di LABEL_MAPPING raggiunge l ELSR d ingresso che completa il procedimento di setting dell LSP 104

104 Il protocollo RSVP-TE Il protocollo RSVP-TE estende le funzionalità dell RSVP con le seguenti opzioni: Explicit Routing Bandwidth reservation per un LSP Rerouting di un LSP a seguito di una failure Verifica dell attuale percorso di un LSP Preemption 105

105 CR-LDP vs RSVP-TE I protocolli CR-LDP e RSVP-TE differiscono per due aspetti principali: Protocollo di trasporto CR-LDP garantisce affidabilità e sicurezza delle trasmissioni utilizzando il protocollo TCP (raramente UDP) e i protocolli di sicurezza associati (IPSEC, TCP MD5) RSVP-TE non utilizza un protocollo di trasporto, ma invia direttamente datagrammi IP 106

106 CR-LDP vs RSVP-TE Gestione dell explicit route RSVP-TE è tipo soft state: richiede l aggiornamento periodico dello stato dell LSP per mantenerlo attivo Comporta ritardi nel processing dell explicit route, overhead e problemi di scalabilità CR-LDP è tipo hard state: richiede una fase iniziale di segnalazione per definire dell explicit route ed i suoi parametri Migliora la velocità di processing, riduce l overhead, ma può risultare inefficace in situazioni di errore Attualmente, a livello di costruttori, non è stata fatta una scelta comune tra i due protocolli: Alcuni, come Cisco, implementano nei propri apparati l RSVP-TE, altri, come Nortel, il CR-LDP 107