MPLS. Definizioni. MPLS: motivazioni. Motivazioni

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1 Definizioni MPLS Introduzione 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) Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni 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 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

2 Il modello overlay MPLS Evoluzione da IP e ATM verso l MPLS Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni 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 Il modello overlay Il modello overlay PVC tra tutti gli edge (struttura full mesh) Topologia fisica della rete Topologia logica della rete

3 Il modello overlay Limiti del modello overlay: Non elimina la necessità del longest prefix matching 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 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) I Label Switching Router 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 Controllo routing IP Forwarding Longest prefix matching Controllo routing IP Forwarding Label switching ATM Controllo Forum ATM Forwarding Label switching ATM ROUTER LABEL SWITCHING ROUTER (LSR) SWITCH

4 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 Vantaggi del label-switching E possibile realizzare infrastrutture di backbone in grado di offrire servizi avanzati, quali: Virtual Private Network (VPN) Traffic Engineering Quality of Service (QoS) 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 Tecnologie di label-switching Diverse case produttrici di apparati di reti hanno elaborato una soluzione proprietaria basata sul label switching IP switching di Ipsilon Tag Switching di Cisco Aggregate Route-Based IP Switching (ARIS) di IBM Cell-Switched Router di Toshiba 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

5 L MPLS E il risultato dell evoluzione delle diverse tecnologie di label switching E uno standard multivendor Consente di superare i problemi di interoperabilità legati all utilizzo di tecnologie proprietarie E basato sul modello control-driven MPLS Architettura di rete Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni L architettura MPLS L architettura MPLS Un dominio MPLS è costituito da una serie di LSR contigui Gli LSR si distinguono in: LSR intermedi E-LSR (Edge Label Switching Router) o LER (Label Edge Router) sono gli LSR al confine del dominio MPLS hanno funzioni differenti rispetto ai nodi interni Il traffico tra due E-LSR viene instradato attraverso LSR intermedi su uno o più LSP E-LSR A LSP1 Dominio MPLS LSP2 E-LSR B E-LSR C

6 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 E-LSR e LSR intermedi 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 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 MPLS La componente di forwarding degli LSR Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

7 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 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 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 destination-based, 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 Granularità di forwarding Flussi applicativi: Ogni flusso viene associato ad una FEC E il modello di granularità più fine, ma con forti limiti di scalabilità

8 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 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 stacked 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 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 Il campo label I valori da 0 a 15 del campo labelsono riservati per specifici significati Il valore 0 rappresenta la IPv4 Explicit NULL Label. Può essere utilizzato solo nell etichetta più interna ed indica che la pila deve essere eliminata ed il pacchetto inoltrato seguendo le informazioni contenute nell intestazione IPv4 Il valore 1 rappresenta la Router Alert Label. Tale valore è ammesso in qualsiasi parte della pila eccetto nella label più interna. Indica che il pacchetto deve essere indirizzato ad un modulo software locale per l instradamento

9 Il campo label Il valore 2 rappresenta la IPv6 Explicit NULL Label. Simile al valore 0 con la differenza che il forwarding deve avvenire secondo lo schema d indirizzamento IPv6 Il valore 3 rappresenta l Implicit NULL Label. Tale valore può essere ricevuto e distribuito tra gli LSR per richiedere un operazione di pop (eliminazione dell etichetta) sulla pila ma non appare mai nell incapsulamento I restanti valori da 4 a 15 sono riservati per segnalazioni e per usi futuri 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) Label-switching table Ogni nodo MPLS realizza il forwarding grazie al mantenimento di una tabella, detta labelswitching tableo 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 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) 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

10 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 L algoritmo di forwarding: Esempio L2 IP L2 5 IP L2 9 IP L2 2 IP ELSR-IN LSR A LSR B ELSR-OUT IP addr OUT label IN label OUT label IN label OUT label L2 IP IN label OUT label 196.4/ /16 label pushing label swapping label swapping label popping Funzionalità MPLS La componente di controllo degli LSR 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 Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

11 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) Label -next-hop (Label-switching table) FEC -next-hop (Routing Protocol) 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 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) Label distribution Per poter settare gli LSP, sono necessarie delle procedure che consentano la trasmissione dei label bindingtra 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 setupo di distribuzione delle etichette (label distribution)

12 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) Il protocollo LDP Inizialmente il label distribution protocol (LPD) è stato definito quale unico un 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 Messaggi LDP I messaggi di segnalazione tra LDP peerssono: 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 discoverypuò 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 Messaggi LDP Session Management: dopo aver stabilito la sessione LDP, i due LDP peerssi 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 demando 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

13 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 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 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 RoutingLSP o CR-LSP 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 routeed 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

14 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 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 Il protocollo RSVP-TE L RSVP-TE opera a livello 3, utilizzando datagrammi IP per la comunicazione fra LSR peers Quando un E-LSR d ingresso individua la necessità di inizializzare un nuovo LSP, seleziona un percorso, ossia esegue un Explicit Routing Successivamente costruisce un messaggio di PATH che contiene l explicit routee i parametri di traffico da associare al nuovo LSP e lo invia al next-hop L LSR che riceve un messaggio di PATH, lo inoltra all LSR successivo presente nell explicit route, e così via fino all E-LSR d uscita Il protocollo RSVP-TE L E-LSR d uscita, a partire dai parametri di traffico indicati nel messaggio, calcola la banda richiesta e, se disponibile, ne effettua l allocazione Successivamente, seleziona un etichetta per il nuovo LSP; tale etichetta deve essere distribuita a ritroso lungo l explicit routemediante un messaggio di RESV Un LSR che riceve un messaggio di RESV calcola le risorse da riservare, aggiorna la tabella di forwarding, alloca un etichetta per il nuovo LSP e la invia al precedente LSR con un altro messaggio di RESV Quando il messaggio di RESVraggiungel LSR d ingresso, il setting dell LSP è terminato

15 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, richiedendo il supporto di opzioni di Router Alert 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 processingdell explicit route, overhead e problemi di scalabilità CR-LDP è tipo hard state: richiede una fase iniziale di segnalazione per definire dell explicit routeed i suoi parametri Migliora la velocità di processing, riduce l overhead, ma può risultare inefficace in situazioni di errore CR-LDP vs RSVP-TE 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