Commutazione di etichetta. Franco Callegati

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1 Commutazione di etichetta MPLS Franco Callegati

2 Label Switching E una modalità di trasferimento dei pacchetti IP basata su hardware veloce Gli algoritmi di routing sono quelli standard IP Serve a Migliorare le prestazioni!!! (idea iniziale) Ma anche Rendere possibile il trasferimento di pacchetti IP da parte di apparati che non sono in grado di trattare datagrammi IP (destination based routing) Trasferire pacchetti IP su percorsi prestabiliti diversi da quelli selezionati dai normali protocolli per il routing IP (explicit routing) Supportare reti private virtuali (VPN) 2

3 Principali vantaggi Mantenimento dei protocolli di routing IP standard (OSPF, BGP) disponibilità scalabilità flessibilità Trasferimento veloce dei pacchetti Possibilità di utilizzo di hardware sviluppati per altre tecniche di commutazione veloce (come ATM) per lo switch 3

4 I router Operano a livello 3 OSI Il compito principale di un router è di instradare i datagrammi IP attraverso la rete I router spesso realizzano un ampio insieme di funzioni addizionali packet filtering gestione della qualità di servizio Un router in genere supporta tipi diversi di protocolli e interfacce eventualmente a diversa velocità 4

5 Gli switch Operano a livello 2 OSI Supportano un insieme limitato di interfacce e di protocolli L algoritmo di trasferimento è molto semplice e basato tipicamente su modi di trasferimento orientati alla connessione Il rapporto costo/prestazioni in uno switch è migliore che in un router. 5

6 Obiettivi del label switching (LS) Fornire trasferimento di datagrammi IP al livello costo/prestazioni di uno switch 6

7 Trasporto dei datagrammi IP In una rete per il trasporto di datagrammi IP i router sono interconnessi: Per mezzo di collegamenti diretti punto-punto Per mezzo di una rete basata su un altra tecnologia (ad esempio ATM, Frame Relay ecc.) Rete di trasporto 7

8 Modello Overlay La rete IP e la rete di trasporto hanno diversi protocolli e metodologie per: Instradamento Segnalazione Gestione I router della rete IP vedono la rete di trasporto come una serie di collegamenti punto-punto Le decisioni di instradamento IP vengono prese nel router di ingresso alla rete di trasporto al fine di raggiungere un certo router di uscita 8

9 Modello Overlay: esempio Next Hop Collegamento trasparente Rete di trasporto Router di ingresso 9

10 Modello overlay: limiti Molte funzioni sono replicate nella rete IP ed in quella di trasporto In una rete di N router connessi a maglia completa devono esistere N(N-1) collegamenti nella rete di trasporto Se N è elevato: Ogni variazione topologica richiede un numero di messaggi di routing update prima di avere una nuova configurazione stabile La rete di trasporto potrebbe non essere in grado di mantenere il numero di collegamenti necessario Nel caso di reti ATM si stima che si possano interconnettere un centinaio di router 10

11 Modello Integrato La replicazioni delle funzioni e i problemi di scalabilità possono essere risolti con il modello integrato: Utilizza IP per segnalazione e definizione dei percorsi di instradamento Utilizza le funzionalità della rete di trasporto per l intradamento vero e proprio Rete di trasporto Routing protocol Datagrammi 11

12 Label Switching: obiettivo Scomposizione della funzione di instradamento in due componenti: controllo trasferimento La componente di controllo si basa sui protocolli di rete convenzionali e meccanismi di associazione delle etichette La componente di trasferimento si basa su hardware veloce e identificazione basata su etichette dei flussi informativi 12

13 Label switching: modo di trasferimento Si adotta un modo di trasferimento con commutazione orientata alla connessione La commutazione si basa sul riconoscimento di un etichetta (label) associata al datagramma È un entità breve e di lunghezza fissa Non codifica gli indirizzi di rete La label è trasportata dal pacchetto usando parte della intestazione di livello 2 (come in ATM) inserendola tra l intestazione dello strato di linea e l intestazione dello strato di rete 13

14 MPLS MultiProtocol Label Switching è definito da IETF per implementare il label switching La label viene utilizzata sia per il trasferimento sia per la gestione delle risorse Una stessa modalità di trasferimento viene fornita per servizi diversi (unicast, multicast, unicast con diversa QoS) E una soluzione multiprotocollo Rispetto allo strato di rete Rispetto allo strato di linea 14

15 Flusso di pacchetti Viene definito il concetto di flusso (flow) Un flow è una sequenza di datagrammi inviati da una particolare sorgente a una particolare destinazione e accomunati da: Medesimo instradamento (route) Uniformi richieste di qualità di servizio Insieme delle politiche di gestione richieste nei router (priorità ecc.) 15

16 Forwarding Equivalence Classes (FEC) Insiemi disgiunti su cui vengono suddivisi i flussi di pacchetti in base a Destinazione Classe di traffico Next hop Indirizzo del nodo successivo: è l elemento fondamentale che caratterizza una classe di equivalenza In una rete IP classica i datagrammi in ingresso al router: Vengono associati ad una FEC Instradati nella medesima direzione 16

17 Nomenclatura Label-switching router (LSR) Un router che supporta MPLS Label Edge Router (LER) Router di interlavoro tra la rete esterna e il dominio MPLS Dominio MPLS Gruppo di LSR interconnessi Il percorso attraverso uno o piu LSR seguito dai pacchetti appartenenti ad una FEC si chiama Labelswicthed path (LSP) Binding Associazione tra FEC e label Next hop Nodo a valle del nodo corrente 17

18 Label Switch Router - LSR Un router capace di label switching viene detto label switch router o LSR Ciascun LSR mantiene una tabella di instradamento detta Label Forwarding Information Base (LFIB) LFIB contiene: elenco delle label attive la label è di fatto la entry nella LFIB interfaccia sulla quale va inviato un datagramma con una certa label nuova label da associare a quel datagramma 18

19 Label Edge Router - LER Attribuisce ai pacchetti entranti dominio MPLS la label Toglie la label ai pacchetti uscenti Quando un LER riceve un pacchetto dall esterno Determina la FEC e il next hop Se il next hop è un LSR viene determinata la label da aggiungere al pacchetto Invia il pacchetto al next hop 19

20 Label e FEC In una rete tradizionale si deve valutare in ogni router la FEC di appartenenza di un pacchetto Sarebbe preferibile poter instradare i pacchetti senza valutare la FEC ad ogni hop Si associa alla FEC una label all ingresso del dominio MPLS nel LER Tutti i LSR del dominio MPLS instradano i pacchetti identificati dalla stessa label nella medesima direzione LER LSR LSR LER LSR 20

21 Label Switched Path - LSP Un Label Switched Path è una sequenza di routers tale che Inizia con un LSR che inserisce (push) la prima label a livello gerarchico m Tutti i LSR intermedi che commutano i pacchetti sulla base della label di livello m (con label swapping) Termina con un LSR che Prende una decisione d instradamento sulla base di una label di livello gerarchico < m Prende la decisione di instradamento in modo convenzionale senza utilizzare le label 21

22 Cosa c e di nuovo e non in label switching Algoritmo di forwarding Cambia da longest prefix match ad exact match Algoritmo di routing Può essere lo stesso delle reti IP standard Il percorso che il pacchetto segue è lo stesso del caso in cui MPLS non venisse applicato Conseguenza: apparati che non sono in grado di trasferire pacchetti IP possono essere utilizzati per farlo con la tecnica MPLS; es switch ATM Occorre equipaggiare tali apparati con protocolli di routing IP e algoritmi per realizzare il label swapping 22

23 MPLS: posizionamento delle etichette La label è una entità breve e di lunghezza fissa Non codifica gli indirizzi di rete E trasportata assieme al pacchetto, tipicamente inserita tra l intestazione del protocollo di linea e l intestazione del protocollo di rete DL MPLS IP DATI Label QoS S TTL 20 bit Label: è l etichetta vera e propria Exp: 3 bit riservati per uso sperimentale S: usato per label stacking in reti MPLS gerarchiche Se non ci sono ulteriori etichette S = 1 Altrimenti S = 0 TTL: è il tempo di vita del pacchetto 23

24 MPLS: label stacking S = 1 S = 0 DATI IP MPLS MPLS S = 1 DATI IP MPLS S = 1 S = 0 DATI IP MPLS MPLS S = 1 S = 0 DATI IP MPLS MPLS S = 1 DATI IP MPLS S = 0 MPLS È possibile innestare domini MPLS Si realizzano diversi livelli di instradamento (simile al concetto di routing gerarchico) Push label quando si entra in un dominio, viene aggiunta un etichetta valida per quel dominio Pop label quando si esce da un dominio che viene rimossa l etichetta 24

25 Gestione delle label nel LSR Associa una label ad ogni LSP (label binding) Riconosce i pacchetti che appartengono alla medesima FEC Associa ai pacchetti la label del LSP a cui appartiene la FEC Concorda le label con il LSR a monte Il LSR a monte deve etichettare i pacchetti appartenenti all LSP in modod che il LSR a valle li riconosca correttamente Calcola il prossimo LSR di un LSP Si basa sugli algoritmi e protocolli di routing tradizionali Concordare una label con il LSR a valle Il LSR a valle deve correttamente riconocere i pacchetti come appartenenti all LSP La label di ingresso e quella di uscita per un LSP non devono necessariamente essere uguali Mappatura fra label di ingresso e label di uscita 25

26 Label swapping IL LSR riceve un datagramma: estrae la sua label di ingresso cerca nella LFIB la entry relativa a quella label sostituisce la label di ingresso con la label di uscita invia il pacchetto sulla interfaccia specificata verso il next hop Int L IP Int L. 1 xx.x. 2 3 x Int L IP Int L. 5 3 xx.x x Int L IP Int xx.x. 2 x L DATI IP DATI IP 3 DATI IP 10 DATI IP LER LSR LER 26

27 Assegnazione delle label Chi crea l associazione fra label e FEC/LSP? Deve essere garantita l unicità dell assegnazione per evitare ambiguità L associazione viene fatta sempre dal LSR a valle del collegamento Dipendentemente dall implementazione le label possono essere uniche per interfaccia per LSR 27

28 Allocazione delle label Le label sono una risorsa gestita dai LSR a valle di un link Le label sono allocate con due diverse modalità: Downstream on demand allocation Unsolicited downstream allocation Downstream on demand L allocazione viene richiesta dal LSR a monte L allocazione viene resa nota solamente al LSR richiedente Unsolicited downstream L allocazione avviene senza esplicita richiesta L allocazione viene notificata a tutti i LSR a monte di quello che esegue l allocazione 28

29 Label retention A seguito di unsolicited allocation dal LSR X si possono ricevere allocazioni su di un percorso non utilizzato dal LSR a monte Cosa fare in questo caso? Liberal retention mode Si tiene memoria dell associazione e questa può essere immediatamente utilizzata se ad un certo punto si vuole instradare traffico attraverso X Maggiore velocità di esecuzione Conservative retention mode Si cancella l associazione e, in caso di bisogno, si deve eseguire un allocazione on demand Maggiore economia nella gestione delle label 29

30 Time To Live: TTL TTL fa parte dell intestazione IP Quando un datagramma emerge da una rete di trasporto MPLS il campo TTL dovrebbe avere un valore che tiene conto del numero di LSR attraversati TTL viene inserito nella label MPLS Ha lo stesso valore del TTL di IP all ingresso del primo LSR Viene decrementato ad ogni attraverso di un LSR Viene copiato nell intestazione IP al momento di ritornare ad un normale router 30

31 Esempio Dominio MPLS di livello n DATI IP TTL=8 label Dominio MPLS di livello n+1 DATI IP TTL=7 TTL=6 DATI IP TTL=7 TTL= IP TTL -3 IP IP 31

32 Aggregazione Se l allocazione della label non dipende dall interfaccia nel caso di unsolicited allocation: Può accadere che due o più flussi di traffico siano aggregati in un unico flusso a valle di un certo LSR Int. L IP Int. L 1 3 xx.xx 3 10 DATI IP 10 Int. L IP Int. L 10 xx.xx 2 5 Int. L IP Int. L 2 6 xx.xx 2 3 DATI IP 3 DATI IP 5 DATI IP 5 I due flussi di traffico sono aggregati in unico flusso 32

33 Modalità di controllo di un LSP Independent LSP control Ogni LSR prende le decisioni di binding in modo indipendente e le distribuisce ai LSR a monte Può accadere che pacchetti di una stessa FEC seguano strade diverse prima che venga formato completamente il LSP Ordered LSP control Un LSR crea un bind per una certa FEC solamente se È l ultimo nodo di un LSP Ha già ricevuto il bind per quella FEC dal LSR che lo segue lungo il LSP La label all ingresso è disponibile solamente quando tutto il LSP è stato creato Tutti i pacchetti di una FEC seguono lo stesso percorso e incontrano le medesime caratteristiche di rete 33

34 Label Distribution Protocol (LDP) La label di uscita da un LSR a monte deve essere uguale a quella di ingresso per il LSR a valle E necessario uno scambio di informazioni fra gli LSR al fine di accordarsi sulla label da utilizzare per una certa FEC E possibile modificare protocolli esistenti per svolgere questo compito: RSVP, BGP, RSVP-TUNNELS Si possono definire nuovi protocolli ad hoc Label distribution protocol LDP CR-LDP 34

35 LDP Messaggi di notifica i esistenza e di mantenimento di un LSR Apertura, gestione e chiusura di una sessione fra LSR Messaggi per la gestione dell assegnazione delle label Creare Modificare Cancellare Gestione errori Router A Router B Hello (UDP) Hello (UDP) Open (TCP) Inizializza Label Request Label Mapping # 35

36 Fish picture Nei router IP convenzionali la decisione di instradamento è presa solo sulla base dell indirizzo IP Con routing convenzionale tutti i pacchtti verso una certa destinazione seguono lo stesso percorso Il percorso è quello riconosciuto di lunghezza minima dall algoritmo di routing Da A e C Verso F A C B E D F 36

37 Routing esplicito Utilizzando indicazioni esplicite è possibile ripartire i flussi di traffico su diversi percorsi : Si creano diversi LSP A seconda della label inserita dal nodo sorgente il pacchetto percorrerà uno degli LSP disponibili E possibile ripartire il traffico su diversi percorsi E possibile avere percorsi alternativi già pronti da utilizzare in caso di guasto A D B F C E 37