GRUPPO TELECOM ITALIA Seminario Politecnico di Torino. Architettura e funzionalità di una rete di backbone IP/MPLS

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1 Seminario Politecnico di Torino Architettura e funzionalità di una rete di backbone IP/MPLS

2 Le reti del dominio Telecom Italia Internet Peering Nazionali Seabone Internet Data Center M Voice GW CL4 BBN (23 POP) M Nodi di ControlloCL5 (Inner Core) OPB Edge IBS Cliente VoIP CL5 MAN GBE Cliente Residenziale (ADSL e Dial-UP) Cliente Executive (ATM e MAN) Cliente Executive Dual BB Backbone DTC Edge DTC MAN GBE Cliente Executive Via ATM Cliente Executive Via MAN GBE 2

3 Interconnessione con altri ISP nazionali LAN Namex Peering di OPB, Pubblici e Privati GW Fastweb AS12874 Wind-Info AS1267 RM Inviolatella LAN Topix TO Lancia OPB RM Sud MI Bersaglio Tiscali AS8612 GW GW LAN MIX MI Malpaga Wind-Info AS1267 Fastweb AS

4 Topologia logica dell Optical Packet Backbone BZ TO AL M I CO BG BS VR PD VE TS Inner Core (4 POP, 2 a RM & 2 a MI) SV GE MO PI FI BO RI PG AN POP Principali (8) POP Secondari (20) Outer core RM PE BA CA PA NA CT NL CZ TA 4

5 Architettura interna di un POP NAS ADSL Router di Backbone (Giga/Tera Router) L2 Switch C2 Edge Executive Media Gateway C1 To Inner Core POPs 5

6 Lo stato dell arte dei router di backbone Juniper T640 Front View Rear View Cisco CRS-1 Craft Interface Air Filters 8 Flexible PIC Concentrator slots 2 x RE 4 Customer facing PICs 4+1 Redundant SIBs Craft Interface Connectors Air Filters Power Entry Modules Fans Capacity: 1.2Tb/s Power: 16.6kW Weight: 723kg 6

7 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 7

8 Tipi di interfacce Collegamenti Collegamentilocali locali (interni (internial al PoP): PoP): Gigabit Gigabit Ethernet Ethernet e e Gigabit Gigabit Ethernet Ethernet Collegamenti Collegamentimetropolitani: metropolitani: Gigabit Gigabit Ethernet/DWDM Ethernet/DWDM Collegamenti Collegamentigeografici: geografici: POS POS (STM-16, (STM-16, STM-64)/DWDM STM-64)/DWDM Trasporto su DWDM Transponder + Multiplexer DWDM Transponder + Optical Digital Crossconnect + Multiplexer DWDM Transponder integrato + Optical Crossconnect + Multiplexer DWDM 8

9 Architettura di routing 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 9

10 Altri aspetti di routing e segnalazione OSPF OSPF BGP BGP Utilizzo Utilizzo della della suddivisione suddivisione in in aree aree Meccanismi Meccanismi per per ridurre ridurre i i tempi tempi di di convergenza convergenza Utilizzo Utilizzo di di Route Route Reflector Reflector per per ridurre ridurre il il numero numero di di sessioni sessioni Multi Multi Protocol Protocol BGP BGP per per il il servizio servizio VPN VPN BGP/MPLS BGP/MPLS Multicast Multicast (es. (es. per per servizi serviziiptv) MPLS MPLS PIM PIM Sparse Sparse Mode Mode (Rendez-vous (Rendez-vous Point) Point) Progressivo Progressivo impiego impiego di di PIM PIM Source Source Specific Specific Multicast: Multicast: no no Rendez-vous Rendez-vous Point Point ma ma richiede richiede IGMPv3 IGMPv3 Abilitato Abilitato in in tutto tutto il il backbone backbone L applicazione L applicazione principale principale sono sono le le VPN VPN BGP/MPLS: BGP/MPLS: impiego impiego del del protocollo protocollo LDP LDP per per lo lo scambio scambio delle delle label label MPLS MPLS Traffic Traffic Engineering Engineering utilizzato utilizzato in in OPB OPB per per il il trasporto trasporto del del traffico traffico telefonico: telefonico: magliatura magliatura di di LSP LSP e e funzionalità funzionalità Fast Fast Reroute Reroute 10

11 Gestione della Qualità del Servizio Nel Nelbackbone la la gestione gestionedella dellaqualità Qualitàdel del Servizio Servizioè èla la più piùsemplice semplicepossibile possibile Il Il ricorso ricorso al al sovradimensionamento dei dei link link del del backbone backbone comporta comporta che che le le tecniche tecniche di di differenziazione differenziazionedelle delleclassi classidi ditraffico trafficointervengano intervenganosolo solo in in caso casodi diguasto In In condizioni condizioninormali normalinon non si siverifica verificamai maicongestione IPPREC o MPLS EXP bit VoIP BBN VOIP Dati Premium Best Effort SRT Default MDRR/WRED Strict priority 80% 20% 11

12 Tecniche di protezione dai guasti 12

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

14 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) 14

15 Funzionalità a livello di rete 15

16 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 16

17 Esempio di re-instradamento IP POP B POP A B1 B2 POP C A2 C1 A1 C2 POP D 17

19 Esempio di re-instradamento IP POP B POP A A1 A2 B1 Rilevamento Notifica Ricalcolo SPF Aggiornamento RT B2 C1 POP C C2 POP D 19

22 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) MPLS Fast Reroute Impiego del principio di local repair ed utilizzo di tunnel MPLS Traffic Engineering 22

23 GRUPPO TELECOM ITALIA Fast Convergence 23

24 Il processo di re-instradamento 24

25 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 25

26 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 26

27 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 27

28 GRUPPO TELECOM ITALIA MPLS-TE Fast Reroute 28

29 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 29

30 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 30

31 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 31

32 Instradamento dei tunnel principali 6 tunnel per nodo x 2 nodi per PoP x 4 PoP = 48 tunnel 32

33 Tunnel di backup: link protection NHOP backup tunnel NHOP backup tunnel 33

34 Tunnel di backup: node protection NNHOP backup tunnel NNHOP backup tunnel 34

35 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 35

36 Funzionalità a livello di apparato 36

37 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 37

38 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. 38

39 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 39

40 Strategie per la gestione della ridondanza del RP Graceful Restart Restart Non-stop Routing 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 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 40

41 Esempio Graceful Restart: OSPF 41

42 Esempio Non-stop Routing: Chiaro Networks 42

43 Esempio Non-stop Routing: Avici (1) (2) (3) (4) 43

44 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 44