Reti di Calcolatori. MPLS Simon Pietro Romano Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università di Napoli Federico II

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1 Reti di Calcolatori MPLS Simon Pietro Romano Dipartimento di Informatica e Sistemistica Università di Napoli Federico II Slide a cura di Vittorio Manetti vittorio.manetti@unina.it 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 1/

2 MultiProtocol Label Switching (MPLS) È una tecnica di forwarding che introduce meccanismi orientati alla connessione nell ambiente connectionless di IP Applicazioni TCP,UDP IP MPLS Data Link Fisico MPLS è stato progettato in modo da funzionare con la maggior parte dei protocolli di livello 3 e delle tecnologie di livello 2 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 2/

3 Il label switching La strategia di forwarding utilizzata in MPLS è il label switching (analoga al label swapping di ATM) Vantaggi del label switching: Maggiore semplicità nel forwaridng dei pacchtti Indipendenza del forwarding dai protocolli di routing Maggiore granularità nel forwarding Supporta Traffic Engineering e QoS Integra il mondo IP col mondo ATM 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 3/

4 MPLS: il processo di forwarding 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 4/

5 LSP ed LSR Nel gergo di MPLS, un circuito virtuale prende il nome di LSP (Label Switched Path) e un router viene detto LSR (Label Switching Router) Spesso un LSR sulla frontiera della rete MPLS viene detto LER (Label Edge Router), e classificato a seconsa dei casi come Ingress LER oppure Egress LER Importante: Un LSP costituisce un percorso unidirezionale 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 5/

6 Architettura di una nuvola MPLS LER LER LSR LSR LSR LER LSR LSR LER 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 6/ LER

7 La Forwarding Equivalence Class Gli Ingress LER classificano ogni pacchetto in base alla destinazione ed eventualmente ad altre caratteristiche più specifiche (appositi requisiti di qualità del servizio) come appartenente ad una determinata FEC (Forwarding Equivalence Class) La FEC consente di creare differenti livelli di aggregazione È indispensabile che il binding tra una FEC ed una label sia biunivoca 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 7/

8 Lo shim label header MPLS Gli Ingress LER aggiungono al pacchetto un header MPLS di 4 byte Label EXP S TTL L2 HeaderMPLS Header L3 Header L3 Payload La Label è un identificatore locale corto di lunghezza fissa, non strutturato, utilizzato per il label switching. La label identifica localmente l LSP su cui il pacchetto verrà inoltrato all interno della rete MPLS Il campo EXP è riservato per usi sperimentali Il bit di flag S è usato per indicare l ultimo header dello stack (nel caso in cui venga implementato il label stacking) 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 8/

9 Le tabelle di forwarding Ogni LSR inoltra un pacchetto sulla base del contenuto dell header MPLS e delle sue tabelle di forwarding Applicazioni Applicazioni TCP,UDP IP Data Link Fisico TCP,UDP IP MPLS Data Link Fisico La FIB (Forwarding Information Base) di MPLS: ILM (Incoming Label Map) NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) FTN (FEC to NHLFE map) 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 9/

10 Il processo di forwarding ILM Pacchetto Labeled con packet label NHLFE pop,dlv Pacchetto Unlabeled senza packet label FTN push(43),set push(20),set pop,push(77),set Si fa accesso alla ILM se il pacchetto processato ha una label MPLS: per ogni label in ingresso c è un puntatore ad una riga della NHLFE La NHLFE contiene la sequenza di operazioni con le quali il pacchetto verrà processato Si fa accesso alla FTN se il pacchetto processato non ha una label MPLS, e si ricerca la corrispondenza con una FEC 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 10/

11 Riepilogo del processo di forwarding L Ingress LER determina la FEC cui ogni pacchetto processato appartiene ed il corrispondente LSP su cui inoltrarlo, incapsula il pacchetto IP all interno di un header MPLS e lo invia verso la destinazione L LSR a valle utilizza la label MPLS come indice all interno della ILM, determina link ed etichetta di uscita, effettua lo swapping delle etichette e l instradamento opportuno dei pacchetti all interno della rete L Egress LER riceve un pacchetto con una label, determina la FEC a cui appartiene ed il next hop verso cui deve essere inoltrato; nel caso in cui il next hop non corrisponde ad un LSR, il LER elimina la label dal pacchetto e lo inoltra secondo il tradizionale forwarding di livello 3 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 11/

12 Le operazioni MPLS operazioni MPLS PUSH SWAP POP sequenza di istruzioni corrispondenti push, set pop, fwd, push, set pop, dlv push: aggiunge l header MPLS al pacchetto proveniente dal livello IP set: passa un pacchetto al quale sia stato aggiunto header MPLS al livello Data Link, al quale specifica inoltre l interfaccia verso cui va inoltrato e l indirizzo del next-hop pop: rimuove l header MPLS di un pacchetto proveniente dal livello Data Link; i pacchetti verranno in seguito processati da una delle seguenti istruzioni: fwd, set, dlv fwd: richiama l istruzione push da eseguire in relazione ad un pacchetto che sia appena stato processato dall istruzione pop dlv: passa al livello IP un pacchetto che sia appena stato processato dall istruzione pop 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 12/

13 Il processo di forwarding in dettaglio Ingress LER Analizza il campo protocol dell'header Ethernet e ritrova il codice corrispondente ad IP (0x0800), passa quindi il pacchetto a tale livello Esegue una ricerca nella FTN (tabella di routing) per cercare la corrispondenza con una FEC e quindi con una chiave di accesso alla NHLFE Nella tabella di uscita troverà la sequenza di istruzioni push - set che comporta l inserimento dell'header MPLS nel pacchetto, il quale verrà poi passato al livello Ethernet Genera (a livello Ethernet) una frame con campo protocol settato col codice MPLS e lo invia sul cavo 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 13/

14 Il processo di forwarding in dettaglio (contd) LSR Riceve un pacchetto con campo protocol settato col codice MPLS e lo passa a tale livello Esegue (a livello MPLS) la ricerca nella ILM in base all'etichetta MPLS e ritrova la sequenza di istruzioni pop fwd che comporta la rimozione dell'header MPLS e il salto ad una entry della NHLFE Accede alla NHLFE e determina la nuova etichetta da inserire nel pacchetto e l interfaccia su cui inoltrarlo Genera (a livello Ethernet) una frame con campo protocol settato col codice MPLS e lo invia sul cavo 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 14/

15 Il processo di forwarding in dettaglio (contd) Egress LER Riceve (a livello Ethernet) una frame con codice MPLS e lo passa a tale livello Accede (a livello MPLS) alla ILM e rileva la sequenza di istruzioni pop dlv che comporta la rimozione della label MPLS dal pacchetto Inoltra il pacchetto al livello IP 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 15/

16 MPLS: Creazione degli LSP 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 16/

17 La parte di controllo Distribuzione delle informazioni di routing Associazione tra label e FEC e distribuzione di tali informazioni agli LSR Mapping tra label e next-hop e costruzione delle tabelle di forwarding 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 17/

18 Creazione e distribuzione degli LSP Tecniche di piggybacking Protocollo standardizzati LDP (Label Distribution Protocol) RSVP (Resource reservation Protocol) Il compito di un protocollo per la distribuzione delle label è quello di determinare la sequenza di LSR che costituiscono il percorso da una sorgente ad una destinazione. A questo scopo possono essere usate le informazioni presenti nella tabella di routing 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 18/

19 Il protocollo LDP LDP crea gli LSP in maniera automatica a partire dalle informazioni presenti nelle tabelle di routing Categorie di messaggi: Discovery message Session message Advertisement message Notification message Meccanismi per il Neighbor Discovery Sono definite due modalità per la distribuzione delle label: downstream on demand downstream unsolicited 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 19/

20 LDP: downstream on demand C1 E2 MPLS table MPLS table MPLS table Dst Out In Out In Out E3 18 Lbl map Lbl map Lbl map E1 C2 C3 E3 Routing table Lbl req Dst E Routing table Lbl req Dst E Routing table Lbl req Dst E3 16 dst gw dst gw dst gw E3 C2 E3 C3 E3 E3 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 20/

21 Il label stacking MPLS permette di accodare più label in un pacchetto in modo da formare un label stack Consente la creazione di LSP annidati, quindi di una gerarchia multilivello dove più LSP possono essere aggregati in un unico LSPtunnel Col sistema strutturato le informazioni di setup diventano invisibili ai nodi interni al tunnel Penultimate hop popping: la label più alta è tolta dal penultimo LSR dell LSP a cui si riferisce e non dall ultimo 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 21/

22 Il label stacking (contd) Gli LSR A e B devono settare due LSP rispettivamente verso gli LSR C e D. Normalmente otterremmo questi due LSP: A-E-F-G-H-C e B-E-F-G-H-D Con il label stacking settiamo prima un LSP-tunnel E-F-G-H, e poi sfruttiamo questo tunnel per collegare A con C e B con D I nuovi LSP sono A-E-H-C e B-E-H-D: del tunnel interno appaiono solo l ingresso e l uscita 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 22/

23 Configurazione di un path dinamico Step 1: configurazione dell interfaccia di loopback per l associazione al tunnel PE1-AS1(config)# interface loopback 0 PE1-AS1(config)# ip address /05/2009 GV/RC/TCP-IP 23/

24 Configurazione di un path dinamico (contd) Step 2: abilitazione del TE per ogni interfaccia PE1-AS1(config)# mpls traffic-eng tunnels PE1-AS1(config)# interface serial 2/0 Step 3: configurazione dei parametri di RSVP per le interfacce PE1-AS1(config)# interface serial 2/0 PE1-AS1(config)# ip rsvp bandwidth Step 4: configurazione dei parametri della tunnel interface PE1-AS1(config)#interface Tunnel0 PE1-AS1(config-if)# ip unnumbered Loopback0 PE1-AS1(config-if)# tunnel destination PE1-AS1(config-if)# tunnel mode mpls traffic-eng PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng priority 1 1 PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng bandwidth 100 PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng path-option 1 dynamic Step 5: fase di announce PE1-AS1(config)#interface Tunnel0 PE1-AS1(config-if)#tunnel mpls traffic-eng autoroute announce 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 24/

25 Configurazione di un path esplicito Step 1: PE1-AS1(config)#interface Tunnel1 PE1-AS1(config-if)# ip unnumbered Loopback0 PE1-AS1(config-if)# tunnel destination PE1-AS1(config-if)# tunnel mode mpls traffic-eng PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng priority 2 2 PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng bandwidth 100 PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng path-option 1 explicit name LSP1 Step 2: fase di announce PE1-AS1(config-if)#interface Tunnel1 PE1-AS1(config-if)# tunnel mpls traffic-eng autoroute announce 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 25/

26 MPLS: supporto al Traffic Engineering e alla QoS 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 26/

27 MPLS: perché tanto successo? Il principale motivo è che consente di applicare tecniche per l ingegnerizzazione del traffico Il Traffic Engineering è un insieme di tecniche che utilizzano principi scientifici per la misura, la caratterizzazione, lamodellizzazione ed il controllo del traffico Internet Il principale obiettivo è quello di migliorare le prestazioni di una rete a commutazione di pacchetto per quanto riguarda sia l utilizzo delle risorse che la qualità del servizio offerta al traffico 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 27/

28 Il Traffic Engineering Per migliorare le prestazioni di una rete è necessario che i flussi siano instradati tenendo conto di: requisiti dei diversi flussi di traffico risorse di rete disponibili politiche amministrative Questo vuol dire che i flussi (almeno quelli che hanno particolari esigenze) devono essere instradati lungo percorsi che non siano creati tenendo conto delle tabelle di routing 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 28/

29 Il Constraint-Based Routing Il compito degli algoritmi è quello di individuare il percorso con metrica minore considerando esclusivamente quelli che soddisfano particolari requisiti Constrained SPF Il costrained-based routing è source-routing: è la sorgente che deve calcolare tutto il path L algoritmo che calcola il path deve disporre di informazioni relative a tutti i link della rete Il forwarding deve avvenire mediante l uso di meccanismi di routing esplicito (es.: MPLS) 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 29/

30 MPLS e il Traffic Engineering MPLS supporta in maniera semplice il Traffic Engineering perché consente la creazione di LSP espliciti, ovvero LSP creati secondo un percorso prestabilito La creazione di un LSP esplicito richiede la segnalazione del percorso che esso dovrà seguire È dunque necessario aggiungere ai protocolli per la distribuzione delle label i messaggi explicit route CR-LDP (Constraint-based Routing-LDP) RSVP-TE (RSVP-Traffic Engineering) 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 30/

31 Il Fast Rerouting Variazioni della topologia provocano cambiamenti delle informazioni di routing con la possibilità che alcune di queste siano temporaneamente inconsistenti e comportino quindi la formazione di loop transitori di forwaridng Per ogni link viene creato un LSP di protezione; quando necessario l LSR sfrutta il label stacking e redirige il traffico sull LSP di protezione 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 31/

32 La QoS Il constraint-based routing consente di calcolare il path migliore con determinati requisiti nell ambito di una richiesta di QoS MPLS fornisce anche altri strumenti per l integrazione con architetture per la QoS: Possibilità di assegnare agli LSP i parametri degli SLA Abilità di gestire con efficienza LSP alternativi (continuità del servizio) Capacità dell LSP di ingresso di classificare il traffico e di mapparlo sul relativo LSP; gli LSR interni eseguiranno semplicemente il label switching 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 32/

33 MPLS in reti ATM 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 33/

34 MPLS in reti ATM Per ogni LSP viene creata un apposita connessione ATM : quando l associazione tra classi di equivalenza e percorsi viene completata in entrambe le direzioni, ciascun modulo di controllo richiede che una connessione ATM sia realizzata all interno della rete In seguito a questo processo, verrà creato un circuito ATM tra il nodo di ingresso e quello di uscita: le celle attraversano la rete MPLS senza alcun bisogno di operazioni di livello tre da questo momento in avanti gli unici router che effettuano operazioni di livello rete sono quelli di frontiera (LER) 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 34/

35 Elementi della rete 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 35/

36 Elementi della rete (contd) Label-Controlled ATM interface (LC-ATM interface) Interfaccia ATM gestita dagli elementi di controllo di MPLS. Le celle che attraversano tale interfaccia trasportano etichette nel campo VCI relative ad un range di VPI assegnati all utente ATM LSR LSR realizzato su uno switch ATM Packet-based LSR LSR in grado di inoltrare pacchetti tra le proprie interfacce. Un LSR packet-based può avere una o più interfacce LC-ATM. Solitamente un LSR packet-based è un router ordinario su cui è in esecuzione il software relativo ad MPLS ATM Edge LSR LSR packet-based connesso alla nuvola ATM-LSR attraverso una interfaccia LC- ATM. La funzione assegnata a tale LSR è quella di aggiungere ed eliminare etichette su pacchetti abilitati 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 36/

37 LSR ATM LSR LSR LSR-CC OSPF LSR-CC OSPF LDP LDP LDP LDP FE FE 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 37/

38 Tecnica di incapsulamento L etichetta MPLS viene codificata sul campo VCI oppure su entrambi i campi VPI/VCI. Le procedure per l allocazione e la distribuzione delle etichette vengono modificate in modo tale che gli LSR ATM leggendo i valori riportati nei campi VCI e VPI possano determinare sia l interfaccia che l etichetta di uscita 26/05/2009 GV/RC/TCP-IP 38/