Reti di Trasporto. Ing. Stefano Salsano. AA2005/06 - Blocco 4. Programma del corso

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1 Reti di Trasporto Ing. Stefano Salsano AA005/06 - Blocco 4 Programma del corso Rete di accesso e rete di trasporto Tecniche di multiplazione, PCM, PDH SDH Evoluzione tecnologie per reti per dati ATM IP su ATM MPLS (Trasporto voce su IP) Esercizi, routing IP, OSPF, OSPF-TE Mi risulta difficile riconoscere tutti i contributi che ho utilizzato nel preparare il materiale per questa parte del corso scusandomi quindi per le omissioni, ringrazio Pietro Di Genio, Fabio Ricciato e Tiziano Tofoni

2 Multi Protocol Label Switching (MPLS) Il limite principale delle varie soluzioni IP switching è che sono proprietarie (non standard) e non interoperabili Inoltre quasi tutte le soluzioni richiedono ATM come tecnologia di trasporto e quindi non possono operare su infrastrutture differenti (Frame Relay, PPP, SONET/SDH, LAN) L IETF nel gennaio 997 ha dato vita all MPLS working group al fine di armonizzare ed integrare le varie proposte in modo da produrre uno standard multivendor che possa essere impiegato su qualsiasi tecnologia di trasporto MPLS è considerato un evoluzione del Tag Switching della cisco MPLS: architettura L idea alla base di tale architettura è quella di associare a tutti i pacchetti un breve identificativo di lunghezza fissa, detto Label, con cui gli apparati di internetworking possono effettuare un instradamento veloce basato sulla commutazione di etichetta (label swapping) MPLS è indipendente sia dalla sottorete di trasporto (Frame Relay, ATM, SDH etc.) sia dai protocolli di rete adottati 4

3 Nodo MPLS Il nodo di rete MPLS Label Switch = + Control component (routing protocol + LDP) Forwarding component (L switch) Control Component:» Intelligenza di livello (IP addressing, IP routing)» Insieme di moduli demandati all allocazione delle Label ed al binding (associazione) delle Label tra nodi adiacenti Forwarding Component:» Inoltro secondo il paradigma label swapping 5 Nodo MPLS Il nodo di rete MPLS Label Switch = + Control component (routing protocol + LDP) Forwarding component (L switch) Control Component e Forwarding Component Le due componenti sono logicamente indipendenti, in teoria MPLS può utilizzare diverse tecnologie di switching di livello. Sempre in teoria, la Control Component può essere realizzata controllore esterno di uno switch di livello Di fatto la Control Component e la Forwarding component sono integrate all interno di un Router IP che diventa IP/MPLS. La Forwarding Component è un estensione del router. 6

4 Label encoding La label MPLS viene incapsulata in un MPLS header detto anche shim header che viene inserito tra l header di livello e quello di livello Packet Over SONET/SDH PPP Header MPLS Header Layer Header MPLS Shim Header Label Exp S TTL 0 bit bit bit 8 bit 7 Label encoding Se il livello data-link supporta nativamente un campo per la label (ATM con VPI/VCI, Frame Relay con DLCI) in questo campo può essere inserita la label MPLS Questa soluzione è una eredità del passato (evoluzione di MPLS da IP su ATM), attualmente NON è più in voga Header cella ATM GFC VPI VCI PTI CLP HEC DATA MPLS Header 8

5 Packet over SONET (POS) PPP data unit format IP packet IP packet Flag Address Control Protocol Information Padding FCS Flag Inter-frame Fill /6 bits * * 6/ bits 00 or next Address HDLC-like encapsulation and scrambling 5 9 octects 6 octets Section Overhead AU-4 ptr Section Overhead VC-4 Path Overhead J B C G F H4 Z Z4 Z5 Virtual Container VC-4 Container C-4 Trama SDH 9 Packet over SONET (POS) Ottimizzazione della banda sui link geografici eliminando l overhead introdotto dall ATM» segmentazione in celle» header ATM» AAL5» LLC/SNAP IP ATM SONET/SDH Optical IP PPP SONET/SDH Optical Mbit/s OC-/STM Payload IP over ATM Bytes per Packet IP over SONET/SDH 0

6 Terminologia Label Edge Router (LER): router di frontiera per una rete MPLS; svolgono funzionalità di instradamento da e verso l esterno, applicando e rimuovendo le label ai pacchetti in ingresso ed uscita dalla rete Label Switching Router (LSR): switch che operano la commutazione di etichetta (label) all interno della rete e prevedono il supporto di funzionalità di instradamento Label Distribution Protocol (LDP): in congiunzione con i protocolli di routing tradizionali, LDP è utilizzato per distribuire le label tra i dispositivi della rete Forwarding Equivalence Class (FEC): un insieme di pacchetti IP che vengono instradati e trattati allo stesso modo (ad es. lungo lo stesso percorso, con lo stesso trattamento) Label Switched Path (LSP): Il percorso attraverso uno o più LSRs segutio da un pacchetto appartenente ad un certa FEC Funzionamento Il LER di ingresso al backbone MPLS analizza l intestazione IP del pacchetto, classifica il pacchetto, aggiunge la label e lo trasmette al next hop LSR Nella nuvola di LSRs il pacchetto viene instradato lungo il LSP in accordo alla label Il LER di uscita rimuove la label ed il pacchetto viene instradato in base all indirizzo IP di destinazione

7 MPLS: esempio Host IP core net Router LSR MPLS domain access net Structure of a Label Switched Router LSR IP Header processing + [LDP] Destination Next Hop A A B C Traditional IP Routing Table LABEL processing Input Label Next Hop IP Layer A C Output Label Label Lookup Table 006 C

8 Label Switched Router Dst. IP addr in IP Header Destination Next Hop A Traditional IP Routing Table A B C 00 Input Label 0000 Next Hop IP Layer Output Label To Router B A C To Router C 006 IP Layer 0000 Label Lookup Table 5 LSP In MPLS sono UNIDIREZIONALI Offre lo stesso livello di controllo di un backbone ATM No cell tax (se il livello data-link non è ATM) Maggiore scalabilità rispetto a IP over ATM classico» la scalabilità del protocollo di routing è proporzionale alla topologia fisica della rete» interfaccie a capacità >65 Mb/s (SAR evitato) Maggiore gestibilità rispetto a IP over ATM classico» non devono essere gestite due reti sovrapposte Configurazione statica o dinamica di LSP» Label Distribution Protocol 6

9 Label-Switched Connection-oriented packet network (eg. ATM) VC_ID IN 6 OUT Link_ID - VC_ID IN 4 OUT IN 4 OUT IN 5 OUT IN Entries in the label lookup tables are associated to OUT flows Label-Switched Connection-oriented packet network (e.g. ATM)

10 Path differentiation in c.o. nets VC_ID Connection-less packet network (eg. IP) Dst. address Dst. Next Dst. Next Dst. Next Entries in the routing tables are NOT associated to flows but to paths 0

11 Path aggregation in c.l. nets Paths tree Instradamento nelle reti dati La funzione di instradamento è diversa nelle reti dati datagramma e in quelle a circuito virtuale Nelle reti datagramma due pacchetti consecutivi in una relazione di traffico tra due utenti possono seguire percorsi diversi all interno della rete Nelle reti a circuito virtuale tutti i pacchetti di una data relazione di traffico tra due utenti seguono lo stesso percorso all interno della rete Nelle reti datagramma si ha una decisione di instradamento presa indipendentemente per ogni pacchetto (approccio connectionless come in IP) Nelle reti a circuito virtuale l instradamento viene deciso in fase di instaurazione della connessione

12 Inoltro connection-less lungo il cammino di default IP LER (Edge LSR) IP packet 00 IP-DATA IP-H E 00 IP packet IP-DATA IP-H A B C D F 00 IP packet IP-DATA IP-H MPLS LABEL L instradamento è deciso dalle tabelle di routing (al livello IP) L header IP viene processato in A, B, E e D se all ingresso es. IP TTL=8, all uscita IP TTL=4 Inoltro lungo un LSP LER (Edge LSR) IP packet 5 IP-DATA IP-H E 67 IP packet IP-DATA IP-H A B C D F IP packet IP-DATA IP-H MPLS LABEL 06 L instradamento è deciso dalle tabelle di Label Lookup (al livello MPLS) L header IP viene processato in A e D (LER di ingresso e LER di uscita) se all ingresso es. IP TTL =8, all uscita IP TTL=6 4

13 Considerazioni su MPLS Ci sono alcuni miti riguardo il ruolo di MPLS nel core di Internet I mito: MPLS serve per ovviare ai limiti prestazionali dei router e trasformare switch ATM in router ad alte prestazioni» Sebbene questo sia stato uno degli obiettivi originari delle soluzioni proprietarie nella metà degli anni 90, i recenti progressi nella tecnologia del silicio consentono di effettuare (attraverso ASIC dedicati) una IP route lookup alla stessa velocità di una lookup ATM Considerazioni su MPLS 5 II mito: MPLS è stato progettato per eliminare completamente la necessità del routing IP convenzionale» L analisi di un pacchetto a livello (e livelli superiori) è fondamentale per la sicurezza (firewall)» Gli host non implementano MPLS, quindi i pacchetti IP trasmessi da un host devono essere elaborati a livello (almeno) dal primo router» Se un LER esamina l header IP ed assegna una label, la label rappresenta una route aggregata (sarebbe impensabile avere un LSP per ciascun host su Internet). Questo significa che, in qualche punto lungo il tragitto del pacchetto, l header IP dovrà essere riesaminato a livello per determinare una granularità più fine per continuare l instradamento del pacchetto» L ultimo router prima del destinatario, dovrà esaminare il pacchetto a livello 6

14 MPLS: realtà Perchè un ISP dovrebbe impiegare MPLS?» Il vantaggio principale di MPLS è che offre ad un ISP uno strumento di maggior controllo sullo strato di rete, utile per» costruire nuovi servizi» semplificare alcune procedure di rete» ottimizzare l utilizzo della rete Attualmente possono essere individuate queste applicazioni di MPLS nel core degli ISP:» Virtual Private Networks (VPN)» è il fattore principale che ha spinto gli operatori ad adottare MPLS» Qualità del Servizio» Class of Service (CoS)» Fault protection» migliora rispetto alle prestazioni dei protocolli di routing» Traffic Engineering Evoluzione del Backbone: Full Stack 7 Dati Telefonia IP ATM Traffic Engineering SDH Protezione, Management WDM Capacità trasmissiva Dati IP ATM Telefonia SDH WDM 8

15 Evoluzione del Backbone: IP su SDH Dati Telefonia ATM IP/MPLS SDH WDM Traffic Engineering, Protezione, Management (Protezione, Management) Capacità trasmissiva ATM Dati IP Telefonia SDH WDM 9 Programma del corso Rete di accesso e rete di trasporto Tecniche di multiplazione, PCM, PDH SDH Evoluzione tecnologie per reti per dati ATM IP su ATM MPLS (Trasporto voce su IP) Esercizi, routing IP, OSPF, OSPF-TE 0

16 Voice over IP, IP Telephony, Internet Telephony PSTN Vocal Gateway PSTN GSM Router Internet/Intranet GSM ISDN ISDN The three terms are often used as synonymous... Voice over IP : support for voice communications using the IP Protocol over Internet/Intranet The phone path may be entirely or partially over IP network Voice over IP, IP Telephony, Internet Telephony PSTN Vocal Gateway PSTN GSM Router Internet/Intranet GSM ISDN ISDN IP telephony and Internet telephony focus on the service at least one terminal should be IP: the service is not PSTN Internet Telephony represents a service over the (best-effort) Internet, IP telephony is typically used for a service on one Intranet, or offered by a provider

17 VoIP general architecture Voice coding and packetization System Management Security, Addressing, Accounting Speech Representation And Coding PSTN/IP Interworking Telephone Call Control PSTN/IP Interworking: Gateways between networks Requirements: Latency, Packets loss Limited Delay, Jitter Packet Transport Signaling Protocol and Service Transparency regardless the used technology Voice Transport Requirements The impairments in the transport of Voice over IP are: loss delay delay variation (jitter) This transport impairments impact the perceived voice quality A subjective measurement of voice quality is still used, called Mean Opinion Score (MOS) 4

18 Speech quality: Mean Opinion Score (MOS) Rating Speech Quality Level of Distortion 5 Excellent Imperceptible 4 Good Just perceptible, not annoying Fair Perceptible, slightly annoying Poor Annoying but not objectionable Unsatisfactory Very annoying, objectionable MOS of 4.0 = Toll Quality 5 Voice Coding year 6

19 End-to-end delay components End-to-end delay is given by :» Fixed component:» processing delay (voice coding and packetization)» propagation delay» serialization delay» Variable component» Delay introduced by the network (queuing delay, packet processing)» Variable packet sizes Dejitter buffers compensate the variable component 7 Fixed Delay Components Propagation Delay Serialization Delay Buffer to Serial Link Processing Delay Propagation six microseconds per kilometer Serialization Processing»Coding/compression/decompression/decoding»Packetization 8

20 Variable Delay Components Queuing Delay Queuing Delay Queuing Delay Dejitter Buffer Queuing delay Variable packet sizes 9 Delay Variation Jitter Sender Network Receiver A B C Sender Transmits t A B C Sink Receives D D = D D = D t 40

21 Sender Gateway V Dejitter buffer Rete IP Receiver Gateway V 0ms 0ms C B RTP Timestamp From Router A Interframe gap of 0ms A ms 80ms 0ms 0ms C B A C B A RTP Timestamp From Router A Delitter Buffer removes Variation RTP Timestamp From Router A Variable Interframe Gap (Jitter) Large packets can cause playback buffer underrun, resulting in slight voice degradation Jitter or playback buffer can accommodate some delay/delay variation Il piano di controllo - la segnalazione» I protocolli di segnalazione creano, modificano ed abbattono le sessioni» Coinvolgono, oltre ai terminali anche i server (Proxies, gatekeepers )» Le procedure di autenticazione si svolgono a questo livello» Non c è relazione diretta e standardizzata con i meccanismi di QoS delle reti 4

22 SIP: architectural elements Proxy Server Redirect Server Registrar Server IP network User Agent User Agent SIP Gateway PSTN 4 SIP call setup IP network User Agent User Agent INVITE user@xy.it ( audio G.79 ) 00 PROGRESS 00 OK SIP - SDP (UDP) ACK RTP Streams Media (UDP) 44

23 SIP principles - Client Server Proxy can be easily introduced in the call flows... Proxy Server INVITE Proxy Server Server Client 00 OK ACK Server Client Client INVITE 00 OK ACK INVITE 00 OK ACK Server User Agent User Agent 45