GRUPPO TELECOM ITALIA Seminario Politecnico di Torino. Evoluzione di meccanismi di protezione nelle reti geografiche IP/MPLS

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1 Seminario Politecnico di Torino Evoluzione di meccanismi di protezione nelle reti geografiche IP/MPLS

2 Sommario Caratteristiche di un backbone IP/MPLS Funzionalità di protezione del traffico a livello di rete Fast Convergence MPLS-TE Fast Reroute IP Fast Rerouting Funzionalità di protezione del traffico a livello di apparato Graceful Restart Non-stop Routing 2

3 Topologia di un backbone IP Milano Torino Bari Backbone Roma 3

4 Lo stato dell arte dei router di backbone Torino Milano Bari Cisco CRS-1 Roma Juniper T640 Front View Rear View Craft Interface Air Filters 8 Flexible PIC Concentrator slots Customer facing PICs Craft Interface Connectors Air Filters 2 x RE Redundant SIBs Power Entry Modules Fans 4

5 Architettura interna di un router di backbone Routing Engine Routing Engine Juniper T640 Switching FPC FPC FPC Fabric FPC PIC PIC PIC PIC Separazione tra trapiano di dicontrollo e piano di diforwarding Cisco CRS-1 5

6 Interconnessioni geografiche: IP over DWDM Torino Milano Bari Roma Passato Presente Futuro? Transponder + Multiplexer DWDM Transponder + Optical Digital Crossconnect + Multiplexer DWDM Transponder integrato + Optical Crossconnect + Multiplexer DWDM 6

7 Classificazione delle tipologie di guasto Fonte: Characterization of Failures in an IP Backbone,

8 Strategie per proteggere il traffico in caso di guasto A livello livellodi diapparato, ridondando le le parti particomuni comunied ed implementando meccanismi efficienti di diswitchover A livello livellodi direte, offrendo percorsi alternativi ed ed impiegando meccanismi efficienti per per re-instradare rapidamente il iltraffico trafficoin in caso casodi diguasto Link Failure Node Failure Linecard Failure RP Failure SW Upgrade L impatto L impattosul sulpiano di diforwarding èè inevitabile inevitabile Protezione Protezionetramite tramitemeccanismi meccanismia a livello livellodi direte Guasti Guastie e upgrade upgrade relativi relativial al solo solo Piano Piano di dicontrollo Controllonon non devono devononecessariamente necessariamenteavere averericadute ricadutesul sulpiano di di Forwarding Forwarding Protezione Protezione tramite tramite meccanismi meccanismi a a livello livello di di apparato apparato (con (con alcune alcuneeccezioni) eccezioni) 8

9 Funzionalità a livello di rete 9

10 Caratteristiche generali Consiste nel progettare la rete in modo tale che esistano percorsi alternativi utilizzabili per aggirare la risorsa (link o nodo) guasta Occorre garantire che i percorsi di backup abbiano sufficiente capacità disponibile per gestire il traffico da proteggere (in aggiunta a quello nominale) È necessario un meccanismo rapido per re-instradare il traffico sul percorso di backup Il meccanismo di re-instradamento base è costituito dai protocolli di routing IP 10

11 Esempio di re-instradamento IP Milano Torino M1 M2 Bari T2 B1 T1 B2 Roma 11

12 Esempio di re-instradamento IP Milano Torino M1 M2 Bari T2 B1 T1 B2 Roma 12

13 Esempio di re-instradamento IP Milano Torino T1 T2 M1 Rilevamento Notifica Ricalcolo SPF Aggiornamento RT M2 B1 Bari B2 Roma 13

14 Esempio di re-instradamento IP Milano Torino M1 M2 Bari T2 B1 T1 B2 Roma 14

15 Esempio di re-instradamento IP Milano Torino M1 M2 Bari T2 B1 T1 B2 Roma 15

16 Architettura di routing di un backbone IP Utilizzo Utilizzocongiunto congiuntodi diun un protocollo protocollodi dirouting IGP IGP (OSPF (OSPF o o ISIS) ISIS) e e del del protocollo protocollointernal BGP BGP Il Il protocollo protocolloigp IGP èè responsabile responsabiledella dellamutua mutuaraggiungibilità raggiungibilitàtra trai i nodi nodiinterni internialla allarete Il Il protocollo protocolloibgp ibgptrasporta trasportai i prefissi prefissiassegnati assegnatiai aiclienti Y via D IBGP OSPF/ISIS Net X Cliente Y via D A A Int POS 1/1 B B C C D D Net Y Cliente 16

17 Evoluzione del re-instradamento a livello IP 1) Fast Convergence Ridurre i tempi di convergenza dei protocolli di routing per ridurre i tempi di re-instradamento 2) 3) MPLS Fast Reroute Impiego del principio di local repair ed utilizzo di tunnel MPLS Traffic Engineering IP Fast Rerouting Impiego del principio di local repair ma mantenimento del routing hopby-hop (no tunnel) 17

18 GRUPPO TELECOM ITALIA Fast Convergence 18

19 Il processo di re-instradamento 19

20 Riduzione dei tempi di convergenza Per ridurre i tempi di convergenza occorre agire su tutti i contributi Utilizzare hardware migliore (CPU più veloci) Ottimizzare l implementazione software L implementazione standard dei protocolli IGP ha, tra i principali obiettivi, quello di filtrare eventuali condizioni di instabilità che possono verificarsi in rete Tale obiettivo è stato perseguito dai costruttori inserendo alcuni timer (talvolta dell ordine di secondi) tra la ricezione delle informazioni relative ad un nuovo evento e l esecuzione della conseguente azione da parte del processo di routing 20

21 Fast Convergence Tutti i principali costruttori stanno migliorando le proprie implementazioni software Alcuni offrono la possibilità di intervenire sui principali timer OSPF/ISIS riducendone il valore configurando un algoritmo di exponential backoff La riduzione dei timer può consentire di rendere più reattivo il protocollo e ridurre di conseguenza i tempi di convergenza in caso di guasto Con il termine Fast Convergence si indica genericamente l obiettivo di contenere i tempi di re-instradamento del traffico al di sotto di 1 sec La maggior parte delle ottimizzazioni riguarda i protocolli IGP, ma occorre tenere presente che gran parte del traffico è destinata verso prefissi BGP 21

22 Effetti sulla stabilità La riduzione del valore dei timer che regolano il funzionamento del protocollo IGP può comportare un aumento della instabilità all interno della rete. In particolare: la riduzione dei timer relativi alla LSA origination ed al flooding può causare un aumento del numero di messaggi di routing che circolano all interno della rete la riduzione dei timer relativi alla SPF computation può causare un aumento del numero di esecuzioni dell algoritmo di calcolo degli instradamenti Ciò può tradursi in un eccesso di traffico di routing e di eccessiva contesa nell uso della CPU da parte di più processi concorrenti 22

23 Contributi al processo di convergenza di un protocollo IGP Alcuni contributi temporali al al processo di di convergenza sono sono particolarmente significativi e non non consentono di di ottenere tempi inferiori a ms ms Aggiornamento della tabella di forwarding sul processore e sulle linecard 23

24 GRUPPO TELECOM ITALIA MPLS-TE Fast Reroute 24

25 Caratteristiche di base Richiede la presenza di MPLS Traffic Engineering: magliatura di tunnel principali È una tecnica di recovery locale, a differenza della riconvergenza del protocollo IGP che agisce invece globalmente È una tecnica di protezione, in quanto il percorso di backup è completamente calcolato e instaurato prima che si verifichi l evento di guasto Consente di ottenere tempi di re-instradamento contenuti entro ms È un meccanismo temporaneo, utilizzato fintantochè non sono stati ricalcolati i percorsi ottimali 25

26 Link e Node Protection Link protection: il tunnel di backup termina ad un hop di distanza dal nodo PLR (Point of Local Repair) NHOP Backup tunnel R3 R1 R2 R4 R5 R3 NNHOP Backup tunnel R1 R2 R6 R9 R4 R7 R5 R8 Node protection: il tunnel di backup termina a due hop di distanza dal nodo PLR 26

27 Bypass tunnel L impiego della tecnica del BYPASS tunnel fa leva sulla possibilità di annidare gerarchicamente più LSP (stack di label) Protezione di tipo 1:N: consente di ridurre il numero di tunnel utilizzati Backup tunnel R3 R4 R5 R1 Fast reroutable LSPs PLR NON Fast reroutable LSPs R6 R9 MP R7 Protected tunnels R8 27

28 Instradamento dei tunnel principali Milano Torino Bari Roma 6 tunnel per nodo x 2 nodi per PoP x 4 PoP = 48 tunnel 28

29 Tunnel di backup: link protection Milano Torino Bari Roma NHOP backup tunnel NHOP backup tunnel 29

30 Tunnel di backup: node protection Milano Torino Bari Roma NNHOP backup tunnel NNHOP backup tunnel 30

31 FRR senza Traffic Engineering Nel caso in cui non si utilizzino tecniche di Traffic Engineering, è possibile ridurre il numero di tunnel, evitando il full-mesh end-to-end One-hop Protected LSP R3 R4 R1 R2 R9 R6 R7 R8 NHOP backup tunnel 31

32 GRUPPO TELECOM ITALIA IP Fast Rerouting 32

33 Obiettivo L obiettivo consiste nell ottenere tempi di re-instradamento di ms senza ricorrere a MPLS-TE, al fine di evitare i problemi di configurazione e gestione della magliatura di tunnel Occorre rimuovere i contributi che impediscono ai protocolli di routing di convergere rapidamente: Azione di recovery locale Precalcolo di un percorso alternativo e FIB update 33

34 IP Fast Rerouting: caratteristiche L azione di recovery è intrapresa dal nodo a monte del link o del nodo guasto Il traffico è re-instradato verso un next-hop alternativo, pre-calcolato e pre-installato nel piano di forwarding Analogamente alla funzionalità Equal Cost MultiPath, permette di avere più percorsi per ogni destinazione nella tabella di forwarding In tal modo si riduce notevolmente il tempo di re-instradamento: infatti è subito disponibile nel piano di forwarding un next-hop alternativo verso cui inoltrare il traffico IPFRR applica lo stesso principio di MPLS-TE Fast Reroute ma, non utilizzando tunnel, deve risolvere il problema dei routing loop 34

35 Loop Free Alternate: il principio di base Loop-free alternate è la più semplice tecnica di IP Fast Rerouting ma anche quella più promettente Il next-hop alternativo è considerato valido se soddisfa la seguente condizione: Distance_opt(N,D) < Distance_opt(N,R) + Distance_opt(R,D) Dove R èilnodochestaeffettuandoilcalcolo, N èilcandidatonext-hop alternativo e D è la destinazione del traffico Tale tecnica non è applicabile in alcune topologie di rete (o porzioni di esse), dove la disuguaglianza non è mai verificata 35

36 Loop Free Alternate: un esempio Instradamento del traffico in assenza di guasti Re-instradamento basato sulla tecnica LFA Situazione in seguito alla riconvergenza del protocollo IGP 36

37 Loop Free Alternate: analisi I LFA sono semplici da calcolare Versione node based richiede meno risorse elaborative, ma ha copertura topologia minore Versione prefix based richiede più risorse elaborative, ma ha copertura maggiore Supporta anche MPLS senza la necessità di estensioni ai protocolli Applicabile su topologie meshed non sempre applicabile in topologie reali degli ISP studi hanno dimostrato che è applicabile al 70-85% delle topologie reali degli ISP Non richiede interoperabilità tra i nodi 37

38 Funzionalità a livello di apparato 38

39 Ridondanza del Piano di Controllo I router di fascia alta sono caratterizzati da un architettura distribuita: Separazione tra Piano di Controllo (operazioni di segnalazione e gestione) e Piano di Forwarding (inoltro del traffico). Un disservizio al Piano di Controllo non necessariamente coinvolge il Piano di Forwarding: il router potrebbe continuare ad inoltrare il traffico. Il problema dello switchover tra processori Occorre preservare le adiacenze e le sessioni stabilite dai protocolli di routing, senza causare oscillazioni dei prefissi annunciati 39

40 Ridondanza dei Route Processor Attualmente l affidabilità è ottenuta mediante ridondanza hardware (due processori) In presenza di una coppia di processori, un guasto al processore attivo provoca il passaggio del controllo al processore in standby (procedura di Switchover) causando disservizio al traffico. I meccanismi di High Availability permettono di gestire al meglio la ridondanza del processore, al fine di garantire impatti nulli sul traffico e sulla stabilità della rete in seguito ad uno Switchover. 40

41 Le alternative disponibili attualmente Graceful Restart Estensione dei protocolli di routing e segnalazione e cooperazione con i router adiacenti Non-stop Routing Le informazioni di stato necessarie a mantenere attivo il Piano di Controllo durante lo switchover sono mantenute sincronizzate anche sul processore di backup 41

42 Strategie per la gestione della ridondanza del RP Graceful Restart Restart (Cisco, (Cisco, Juniper) Non-stop Routing Routing (Avici, (Avici, Chiaro) Chiaro) Tornerò I I nodi nodi vicini vicini sono sono consapevoli dell operazione di diswitchover Le Le adiacenze/sessioni sono sonomantenute attive attive durante lo lo switchover (per (per un un tempo tempo prestabilito) Il Il nodo nodo che che effettua lo lo switchover continua a inoltrare traffico traffico (non-stop forwarding) I I nodi nodi vicini vicini aiutano aiutano il il nodo nodo in in switchover ad ad aggiornare le le informazioni di dirouting Sono ancora ancoraqui I I nodi nodi vicini vicini non non si si accorgono dell operazione di diswitchover Le Le adiacenze/sessioni rimangono stabili stabili Il Il forwarding prosegue senza senzasoluzione di dicontinuità 42

43 Esempio Graceful Restart: OSPF 43

44 Esempio Non-stop Routing: Chiaro Networks 44

45 Esempio Non-stop Routing: Avici (1) (2) (3) (4) 45

46 Conclusioni Graceful Restart Restart Non-stop Routing Vantaggi: approccio approccio seguito seguito dai dai principali principali costruttori costruttori (realizzazione (realizzazione più piùsemplice) Svantaggi: necessità necessitàdi di applicare applicare i i meccanismi meccanismi di di HA HA per per tutti tutti i i protocolli protocolli utilizzati utilizzati esistono esistono alcune alcune implementazioni implementazioni proprietarie proprietarie Vantaggi: non non richiede richiede nè nè estensioni estensioni ai ai protocolli protocolli esistenti esistenti nè nèinteroperabilità tra tra diverse diverse implementazioni implementazioni Svantaggi: soluzione soluzione poco poco diffusa diffusa e e ritenuta ritenuta in in genere genere di di complessa complessa realizzazione realizzazione 46