Traffic Engineering. Traffic Engineering: Introduzione. Obiettivi di ottimizzazione. La congestione nelle reti IP

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1 Traffic Engineering: Introduzione Traffic Engineering Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Il Traffic Engineering (TE) definisce un insieme di procedure finalizzate ad ottimizzare le prestazioni di reti operative (RFC 2702) E basato sull utilizzo di modelli matematici per la misura, la caratterizzazione, la modellizzazione e il controllo del traffico Permette di bilanciare il traffico ottimizzando lo sfruttamento delle risorse in modo da non avere link congestionati o scarsamente utilizzati Consente inoltre l allocazione delle risorse trasmissive per aggregati di flussi, rendendo possibile lo sviluppo di meccanismi di QoS end-to-end Obiettivi di ottimizzazione Gli obiettivi del TE possono suddividersi in due categorie: Traffic Oriented: comprende procedure di ottimizzazione nel trattamento del traffico in base ai requisiti di QoS desiderati (ad esempio minimizzare i ritardi, il jitter o la perdita di pacchetti) Resources Oriented: comprende procedure di gestione della banda disponibile per ottimizzare l utilizzo delle risorse in termini di efficienza, affidabilità e risparmio economico Condizione chiave per conseguire tali obiettivi è minimizzare la congestione prolungata La congestione nelle reti IP Nell architettura IP tradizionale, fenomeni di congestione possono verificarsi in due casi: Le risorse sono insufficienti rispetto al carico la congestione può essere superata con politiche di overprovisioning o controllando e riducendo la domanda degli utenti Il traffico è distribuito in modo inefficiente nella rete in questo caso si può ricorrere allo sviluppo di meccanismi di TE, con importanti implicazioni nelle procedure di routing IP tradizionali

2 Il problema del pesce Il problema del pesce L utilizzo inefficiente delle risorse nelle reti IP può essere illustrato col così detto problema del pesce In presenza di percorsi multipli tra due router, tutto il traffico viene instradato su un unico percorso (tipicamente quello più breve) La slide successiva mostra un tipico esempio di topologia a forma di pesce: R5 è la testa, R1 e R8 sono la coda Nonostante tra R2 e R4 ci siano due possibili percorsi, tutto il traffico viene instradato sul percorso più breve (R2R3R4), mentre l altro rimane inutilizzato R1 R8 600 Kbs 500 Kbs R2 R6 R3 R4 R7 R5 1 Mbs Il problema del pesce La causa di questo problema è duplice: Il routing IP è destination based: tutti i pacchetti con uguale destinazione sono trattati allo stesso modo I convenzionali protocolli di routing si basano su algoritmi che scelgono i percorsi utilizzando semplici metriche additive Per esempio, nel RIP (Routing Information Protocol) si cerca di minimizzare il numero di hop I protocolli IGP non tengono conto della banda disponibile sui vari link e delle caratteristiche del traffico Le decisioni di routing vengono effettuate su ogni nodo ottimizzando il sistema solo a livello locale La soluzione del TE La soluzione del TE al problema congestioni è: minimizzare la massima occupazione dei link nella rete Idea chiave: se tutti i link hanno lo stesso livello di occupazione, la rete raggiunge prestazioni massime in termini di qualità del servizio offerto Il TE agisce come un sistema di controllo centralizzato: osserva lo stato della rete applica le politiche di TE (preventive o reattive) in modo da guidare la rete verso lo stato desiderato

3 Blocchi funzionali del TE Data Base Stima della domanda di traffico Data Base Calcolo dei percorsi Memorizza informazioni su: Topologia della rete Stato dei link Domande di traffico Percorsi Politiche di TE Interfaccia utente grafica Monitoraggio della rete Interfaccia di rete Gli altri blocchi funzionali accedono al data base per memorizzare, prelevare o scambiare informazioni Monitoraggio della rete Esistono diversi approcci per monitorare e aggiornare dinamicamente lo stato della rete SNMP (Simple Network Management Protocol) traps e SNMP polling: consentono di raccogliere informazioni sulla banda residua e sull utilizzo dei link Estensioni di protocolli di routing, quali l OSPF (Open Shortest Path First): consente l aggiornamento automatico dello stato della rete essendo già largamente utilizzato per routing tradizionale, elimina la necessità di protocolli addizionali di TE Monitoraggio OSPF-based Prevede lo scambio delle seguenti informazioni: Indirizzo IP delle interfacce locali e remote per un dato link: consente di individuare link multipli paralleli tra due nodi Metriche per il TE: integrano quelle OSPF e vengono usate dai protocolli di routing per il calcolo dei percorsi Banda massima per link Banda massima riservabile per link Banda non riservata: informazione utilizzata per verificare la possibilità di accettare nuove chiamate Classe delle risorse: specifica il gruppo amministrativo cui appartiene un dato link

4 Calcolo dei percorsi Il routing TE (detto anche Constraint-based routing o CBR) calcola i percorsi sulla base di vincoli multipli e complessi Il CBR può essere implementato in due modi: off-line: il calcolo dei percorsi viene frequentemente aggiornato secondo le più recenti informazioni I percorsi risultano sempre ottimali, ma frequenti rerouting possono causare perdita di flussi di traffico on-line: per ogni nuova richiesta di traffico, viene calcolato il percorso ottimale, col minimo impatto sui percorsi già esistenti Calcolo dei percorsi Consiste di due elementi base: Route optimization: calcola i percorsi per una data domanda rispettando contemporaneamente il criterio del costo minimo e un set di vincoli (constraints) sullo sfruttamento delle risorse Alcuni esempi: trovare un percorso con una data minima capacità disponibile in ogni link garantire un ritardo minimo end-to-end evitare o includere un determinato link Route placemnet: implementa i percorsi calcolati sulla rete per l instradamento del traffico Stima della domanda di traffico Gli algoritmi di TE si basano sulla stima del traffico effettivo che la rete dovrà trasportare La domanda di traffico può essere specificata negli accordi tra utente e provider sulla qualità del servizio (Service Level Agreement o SLA) Alternativamente, può essere stimata tramite misure di traffico Tipicamente vengono raccolte statistiche sul carico di traffico per link e sull interruzione di tipologie di traffico Interfaccia di rete Consente di configurare gli elementi di rete in base ai percorsi calcolati L unità di controllo centrale del TE può comunicare con gli elementi di rete utilizzando diversi approcci: Protocolli di gestione, quali Common Open Policy Services (COPS) o Simple Network Management Protocol (SNMP) Embedded Web Server: consente la configurazione della rete con un interfaccia Web-based Soluzione semplice, ma specifica per ogni vendor

5 Implementazione del TE su reti IP Per poter implementare il CBR su reti IP è necessario introdurre funzionalità aggiuntive quali: protocolli di routing opportunamente estesi (quali OSPF-TE o ISIS-TE) algoritmi per il calcolo dei percorsi secondo i vincoli protocolli per l allocazione delle risorse opportunamente estesi (quali RSVP-TE) Modello Overlay e TE L approccio tradizionalmente utilizzato per supportare il TE è il modello overlay Questa soluzione comporta diversi vantaggi: realizzare tramite i PVC un routing vincolato aggregare percorsi spostare il traffico da percorsi sovraccaricati a percorsi poco utilizzati modificando le Designated Transit List (DTL, ovvero l elenco dei nodi di un PVC) proprie dell ATM proteggere e riconfigurare link logici in caso di fault supportare politiche di CAC, traffic policing e shaping MPLS e TE L MPLS è in grado di fornire funzionalità di TE analoghe a quelle del modello overlay con i seguenti vantaggi: possibilità di automatizzare gli interventi di TE possibilità di caratterizzare flussi mediante attributi possibilità di caratterizzare le risorse di rete mediante attributi facilità di integrazione con meccanismi di Constraint- Based Routing minore complessità realizzativa Il problema del TE in MPLS Dato un dominio MPLS, vengono definiti: un grafo base G=(V,E,c) associato alla topologia fisica del dominio MPLS V è l insieme dei nodi, E è l insieme dei link fisici, c è il vettore delle capacità dei singoli link fisici un grafo MPLS H=(U,F,d) dove: U è un sottoinsieme di V che coincide con l insieme degli E-LSR, F è l insieme degli LSP e d è l insieme dei valori di banda associati ai singoli LSP Il problema del TE in MPLS consiste nel definire la mappatura ottima del grafo H nel grafo G

6 I Traffic Trunk L implementazione dell MPLS-TE necessita dell introduzione del concetto di Traffic Trunk (TT): Un TT è definito come un aggregazione di flussi di traffico appartenenti ad una stessa FEC che vengono instradati nello stesso LSP E caratterizzato da: gli LSR di ingresso e di uscita la FEC in cui è mappato gli attributi che ne specificano il trattamento nella rete Operazioni sui Traffic Trunk I TT vengono gestiti con le seguenti funzioni: Establish: creazione di un nuovo TT con allocazione delle risorse necessarie Activate: attivazione di un TT, ovvero abilitazione del transito dei pacchetti Deactivate: terminazione del transito dei pacchetti associati ad un TT Attribute modify: modifica degli attributi associati ad un TT Rerouting: modifica del percorso seguito dall LSP su cui è mappato un TT Destroy: rimozione di un TT L MPLS-TE prevede la definizione di attributi che possono essere modificate dal gestore per intervenire sullo stato della rete Definizione di un insieme di attributi associati ad ogni TT che ne specifichino le modalità di trattamento nella rete Definizione di un insieme di attributi associati alle risorse di rete che vincolino l instradamento dei TT Definizione di algoritmi di CBR per la scelta dei cammini di instradamento dei TT in base ai vincoli fissati dagli attributi dei TT e delle risorse Parametri di traffico: specificano le caratteristiche statistiche del flusso di traffico trasportato dal TT Peak rate Average rate Burst size consentono di valutare le risorse di rete necessarie al trasporto del TT Parametri di policing: stabiliscono il trattamento da riservare al traffico in eccesso (scarto, marcatura)

7 Attributi per la selezione e gestione del cammino in rete: Instradamento esplicito: specifica se il cammino per l instradamento di un TT è specificato, completamente o parzialmente, dall operatore Regole di scelta: stabiliscono una gerarchia di scelta in un insieme di cammini specificati a priori per l instradamento di un TT Distribuzione del carico: indica la porzione di traffico che può essere instradata su diversi TT che sono definiti tra due punti terminali della rete Affinità di classe di risorse: specifica le classi di risorse di rete che possono essere utilizzate o meno per l instradamento di un TT Ad esempio è possibile imporre che un LSP transiti esclusivamente in una specifica regione o su link la cui capacità sia superiore ad un certo valore o che assicurino un determinato livello di affidabilità Adattività: indica se l LSP associato ad un TT può essere soggetto a reinstradamenti per l ottimizzazione Priorità di set-up: definisce l importanza di un TT rispetto agli altri e determina l ordine con cui deve essere instaurato un LSP Priorità di preemption: determina la priorità con cui un TT può sottrarre banda ad un altro TT su un particolare cammino assicura che TT ad alta priorità vengano sempre instradati sui cammini ottimali Sono possibili quattro modalità di preemption per un TT: TT con possibilità di preemption TT senza possibilità di preemption TT preemptable TT non preemptable L associazione di default è quella tra la seconda e la quarta modalità (preemption non abilitata)

8 Resilienza: determina il grado di sopravvivenza di un LSP in presenza di guasti in rete prevede diverse politiche possibili: assenza completa di rerouting rerouting possibile solo su un cammino avente caratteristiche pienamente compatibili con quelle richieste dal TT rerouting possibile su qualsiasi cammino senza riguardo ai vincoli sulle risorse disponibili combinazioni delle precedenti Attributi delle risorse di rete Sono relativi alla topologia della rete e determinano i vincoli per l instradamento dei TT: Maximum Allocation Multiplier: determina la proporzione delle risorse (su un link o sul buffer di un LSR) che è disponibile per un TT Resource Class: consente di suddividere l insieme delle risorse di rete in classi separate in modo da realizzare varie politiche d uso Algoritmi di CBR in ambiente MPLS Gli algoritmi di CBR vengono eseguiti tipicamente dagli E-LSR di upstream Input: attributi associati al TT, attributi associati alle risorse di rete e informazioni sullo stato della topologia di rete Output: calcolo del percorso di rete su cui instradare l LSP associato al TT Una volta determinato il percorso, l E-LSR attiva il processo di segnalazione che porta all instaurazione dell LSP in rete Constrained Shortest Path First Il Constrained Shortest Path First o CSPF è uno degli algoritmi di CBR usati in ambito MPLS E un estensione dell algoritmo SPF di Dijkstra, con due modifiche principali: eliminare dal grafo le risorse di rete che non soddisfano i requisiti definiti dagli attributi del TT applicare l algoritmo SPF al grafo residuo Il nodo sorgente calcola l intero cammino dei TT di cui è origine (source routing)

9 Constrained Shortest Path First Esempio: instradamento di un flusso da 15Mbps tra LSR1 e LSR2 LSR1 20Mbps 20Mbps LSR5 LSR3 20Mbps 10Mbps LSR6 LSR4 20Mbps 20Mbps LSR2 Shortest-Widest Path routing Gli algoritmi di CBR Shortest-Widest Path (SWP) sono stati definiti per riservare banda a singoli flussi Selezionano il percorso utilizzando come metrica la banda di bottlenek, ovvero il minimo valore di banda non utilizzata sui link: viene selezionato il percorso col valore più grande della banda di bottlenek se più percorsi hanno lo stesso valore della banda di bottlenek, viene scelto quello col minor numero di hop Algoritmi ibridi Combinano gli algoritmi CSPF e SWP, usando come metrica sia il costo dei percorsi che l occupazione della banda: fij + btt fij + btt α ij = + T MAX 0, α c ij c ij f ij è la porzione di banda utilizzata sul link l ij, c ij la capacità totale, b TT la banda richiesta e α la massima banda utilizzata T è un parametro che può essere definito dall operatore f ij eα sono inizialmente settati a 0 e vengono aggiornati ad ogni richiesta Virtual Private Network (VPN) Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

10 VPN e MPLS VPN e MPLS Oltre il Traffic Engineering, un altro importante ambito di applicazione dell MPLS è la possibilità di implementare Virtual Private Network (VPN) Due possibili approcci Livello 2: Consente di offrire su backbone MPLS servizi di livello 2 (es. Ethernet over MPLS) Livello 3: Consente a più organizzazioni di condividere la stessa infrastruttura di dorsale senza limitazione nello spazio indirizzi e con la stessa sicurezza delle VPN ATM/Frame Relay Frame Relay Layer 2 VPN Overlay Model VPN Layer 3 VPN Peer-to-Peer Model Layer 3 VPN PPTP ATM MPLS IPSec MPLS L2TP Traditional VPNs CPE-based VPNs Provider Provisioned VPNs Esempio di architettura VPN Layer 3 39 VPN A Client Edge Provider Network P-LSR P-LSR VPN A Client Edge PE-ELSR PE-ELSR VPN B Client Edge P-LSR VPN B Client Edge