MPLS – višeprotokolarna komutacija labela

1. MPLS – višeprotokolarna komutacija labela Multi-Protocol Label Switching dr Živko Bojović, dipl. ing.

2. MPLS -sadržaj • Zašto MPLS? • Šta je MPLS? • Terminologija • MPLS – koncept (RFC 3031) • MPLS – kako radi? • Enkapsulacija labela • Label Distribution Protocol – LDP (RFC 3036) • Traffic Engineering – RFC 2702 • MPLS – L2 i L3 VPN • MPLS i QoS (Class of Service, FC Class, E-LSP, L-LSP)

3. Zašto MPLS – nedostaci IP? • IP - prvi protokol i de facto jedini protokol za globalni rad na Internetu • Nedostaci IP-a • Klasičan IP ne može da pruži neke servise koji su vremenom postali značajni za ozbiljne primene u oblasti pružanja telekomunikacionih servisa (traffic engineering, VPN,...) • Protokol bez uspostavljanja konekcije (nema garancija za QoS) • Problem sa rutiranjem saobraćaja

4. Zašto MPLS – problemi IP sa rutiranjem saobraćaja? • Za metriku uzima samo najkraću putanju (ne uzimaju se u obzir dodatne metrike i ne podržava traffic engineering). • Svaki paket se nezavisno procesira i za svaki paket se donosi nezavisna odluka (klasično IP rutiranje saobraćaja).

5. Zašto MPLS? • Veliki IP Header (najmanje 20 bajtova)– više informacija nego što je potrebno za prosleđivanje paketa, pa je procesiranje sporije. • Paketi se “dugo” procesiraju: • pri dolasku paketa u ruter proverava se L2 checksum i IP header Checksum • kada se paket prosleđuje: menjaju se source i dest MAC adrese, dekrementira se TTL, računa se novi IP header checksum i računa se novi L2 checksum.

6. Zašto MPLS? • Rutiranje na osnovu destinacije se može izbeći – Policy based routing, ali ono tada postaje sporo i procesorski zahtevno • Više tehnika prosleđivanja paketa, a ni jedna nije potpuno efikasna • Process/interrupt prosleđivanje paketa • Fast switching (cache) prosleđivanje paketa

7. ATM kao rešenje problema? • Zamišljen kao tehnologija koja bi rešavala probleme IP-a jer je: • konekciono orijentisan (podržava QoS) • Brza komutacija paketa sa fiksnom dužinom paketa • integracijarazličitih tipova saobraćaja (voice, data, video) ….. ali postoje i nedostaci • Uvođenjem optičkih mreža brzine 40 Gb/s i više u core mreže, ATM sa velikim zaglavljem (5 bajta) i malom ćelijom (53 bajta) postaje: • kompleksno i skupo rešenje • motiv za ATM- smanjenje kašnjenja "real-time" saobraćaja je bespredmetan.

8. Problema odnosa L2 i L3 tehnologija • L2 tehnologije (FR, ATM) mogu da pruže neke od zahtevanih servisa, ali … • L2 tehnologije ne mogu da prosleđuju na osnovu IP adresa • Neoptimalno rutiranje • Statičko postavljanje L2 logičkih veza • Neskalabilnost • Teška procena potrebnog propusnog opsega

9. Predlog za rešenje problema? • Imajući sve ovo u vidu mrežni inženjeri su doneli odluku da se ATM zameni sa protokolom koji bi: • Radio sa okvirima (frejmovima)manjeg zaglavlja i promenljive dužine okvira, • pružao konekciono-orijentisane servise (kvalitet servisa) • sačuvao „inženjering saobraćaja“ i kontrole „izvan opsega“ koje su prisutne kod Frame Relay i ATM-a i atraktivne su za primenu kod velikih mreža.

10. ŠTA JE MPLS? • MPLS (Multiprotocol Label Switching) - skalabilna mreža sa komutacijom paketa koja obezbeđuje : • jedinstven servis prenosa podataka kako iz mreže sa komutacijom kola tako i iz mreža sa komutacijom paketa. • „virtualne veze“ između udaljenih čvorova, • enkapsuliranje paketa različitih mrežnih protokola (IP, ATM, Frame Relay, Ethernet) praveći kola s kraja na kraj kroz bilo koju vrstu transportnog medijuma, koristeći bilo koji protokol i time eliminiše zavisnost od određene L2 tehnologije .

11. TERMINOLOGIJA • LER (Label Edge Router) ruter - ulazna ili izlazna tačka MPLS mreže koja: • na ulazu (Ingress LER) utisne (push) labelu ne obeleženim paketima. • na izlazu (Egress LER ) vrši ukloni (pop) labelu i prosledi paket van MPLS mreže.

12. TERMINOLOGIJA • Ostali ruteri u MPLS mreži su LSR (Label Router Switching) ruteri koji u svakom čvoru MPLS mreže: • kada im stigne paket prvo “skinu” postojeću labelu, • zatim dodele paketu novu labelu i • onda na osnovu nove labele “proslede dalje” taj paket ne razmatrajući sadržaj paketa. • FEC(Forward Equivalent Class ) - svi IP paketi koje odlikuje jednak način tretiranja u mreži i zajednički put kroz mrežu.Formiranje FEC odnosno “smeštanje” оdrеđеnоgpаkеtа u оdređenuFECvrši se samo jednom, kada paket ulazi u mrežu.

13. Terminologija • LFIB (Label Forwarding Information Base) -baza informacija o labelama za prosleđivanje koja sadrži tabele za mapiranje (mapping) između labela što je osnova za prosleđivanje paketa na izlaznim interfejsima. • LSP (Label Switch Paths) - “putevi sa komutacijom labela” koje paketi prolaze s jednog na drugi kraj MPLS mreže, tako što im se u svakom čvoru LSR menja postojeću i dodeljuje novu labelu. Put se uspostavlja pre nego što počne prenos podataka i on je prikaz jedne FEC klase. • LSPobezbeđuje mrežni operator sa namerom da obezbedi određeni nivo performansi, izbegne zagušenje u mreži ili da kreira IP tunele za virtuelne privatne mreže.

14. TERMINOLOGIJA • Komutiranje labela (label switching) seodnosi na hop po hop rutiranje (hop-by-hop routing) gde se na putu od tačke A do tačke B, na svakom čvoru,stalnotraži ko je bliži B i stara labela se menja sa novom (Label Substitution ili swapping). • LDP (Label Distribution Protocol) - protokol za distribuciju labela koji na osnovu tabela imrežne topologije postavlja vrednosti labela između susednih elemenata (LSP put).

15. MPLS - RFC dokumenta • IETF – MPLS • http://www.ietf.org/html.charters/mpls-charter.html • RFC3031 – MPLS Architecture • RFC2702 – Requirements for TE over MPLS • RFC3036 – LDP Specification

16. MPLS - koncept (RFC 3031) • Osnovna ideja MPLS je: • Podrška L2 mrežama (ATM, Frame-Relayi Ethernet) • Interfejsi sa postojećim protokolima rutiranja (RSVP, OSPF) • Razvrstavanje saobraćaja u FEC klase (Forwarding Equvalence Class) i upravljanje saobraćajnim tokovima različite granularnosti (Flow Management) • Realizacija putanja paketa od izvora da odredišta hop-by-hopmehanizmomza prosleđivanje na osnovu labela koje se podešavaju prema LDP protokolu • Ugradnja mehanizam za brzo prosleđivanje paketa (ne nužno na osnovu destinacione adrese i za različite servise)

17. MPLS - koncept (RFC 3031) • MPLS radi na sloju OSI modela koji se generalno smatra da je između tradicionalne definicije sloja 2 (Data Link Layer) i sloja 3 (Network Layer), pa se često naziva "sloj 2,5" protokol ("layer 2.5" protocol). • Nezavisan je od protokola na slojevima L2 i L3.

18. MPLS - koncept (RFC 3031) • MPLS mreža se sastoji od čvorova u jezgru(core) i na obodu mreže (edge). • Usmeravanje paketa vrši se na osnovu labela koje su zapisane u tabelama u formatu (ulazna labela, izlazna labela, izlazni port). • Labele nisu jedinstvene za neku FEC u celoj mreži već se: • na svakom ruteru menjaju i • najčešće dodeljuju na osnovu destinacione IPadrese paketa (dodeljuju se i na osnovu drugih parametara, poput interfejsa preko kog je stigao paket, na osnovu rutera,...).

19. MPLS - koncept (RFC 3031) • Zaglavlja paketa se analizira samo naingressčvoru (edge) kada se vrši “smeštanje” paketa u određeni FEC. • Labelu dodeljuje downstreamruter koji je bliži destinaciji i ona se nakon toga propagira ka upstream ruteru. • Ru – Upstream ruter • Rd – Downstream ruter • Labela L outgoing za Ru, a incoming za Rd • Ruteri informišu jedan drugog o načinu povezivanja FEC i labelama putem različitih protokola:LDP, MPBGP, RSVP.

20. MPLS - koncept (RFC 3031) • Zaglavlja paketa se analizira samo naingress čvoru (edge) kada se vrši “smeštanje” paketa u određeni FEC. • Paket može da se mapira u određenu FEC na osnovu: • Odredišne IP adrese, • izvorišne IP adrese, • TCP / UDP port, • klase servisa (CoS) ili usluge (TOS) • aplikacija koja se koristi,... • bilo koje kombinaciju prethodnih kriterijuma.

21. MPLS - koncept (RFC 3031) • Koncept FEC obezbeđuje fleksibilnost, skalabilnost i traffic engineering. • U MPLS različite putanje ka istoj destinaciji mogu da imaju paketi koji su u mrežu ušli preko npr. različitih rutera ili različitih interfejsa jednog rutera. • MPLS source routing – predefinisana putanja za neku FEC

22. MPLS - kako radi? • MPLS nudi dve opcije za podešavanje LSP: • hop-by-hop rutiranje (svaki ruter samostalno bira skok za dati FEC) • eksplicitno rutiranje (ingress LSR određuje listu čvorova kroz koje paket prolazi).

23. MPLS - kako radi? • Proces intenzivne analize, klasifikacije i filtriranja paketa obavlja se samo jednom - na ingress LSR-u. • Prosleđivanje paketa (slika) vrši se u 4 (četiri) koraka:

24. MPLS – kako radi? • Prvi korak: MPLS automatski na svakom ruteru gradi tabele usmeravanja na osnovu OSPF, BGP ili IS-IS podataka. LDP na osnovu tabela (slika) imrežne topologije ostavlja vrednosti labela između susednih elemenata čime se unapred kreira LSP kao mapa puteva između odredišnih krajnjih tačaka.

25. MPLS –kako radi? • Drugi korak: Paket ulazi na ingress LER gde mu se na osnovu zaglavlja određuje i ubacuje labela i on se prosleđuje na LSR. • Treći korak: LSR ruteri u core-u mreže čitaju labelu na svakom primljenom paketu, traže odgovarajući zapis unutar tabele usmeravanja i na osnovu njegapostavlja novu labelu i prosleđuju pakete ka sledećem LSR core ruteru. • Četvrti korak:Izlazni LER skida i odbacuje labelu, čita zaglavlje paketa i prosleđuje ga na odredišnu adresu zapisanu unutar IP zaglavlja.

26. Shim Header - format labele Exp - Experimental bitovikoriste se za Class of Service BS -Bottom of Stack bit ima vrednost 0 ako iza date labele postoji jošjedna labela ili vrednost 1 ako nema više labela TTL – Time to Leave bitovi imaju isto značenje kao i kod IP.

27. Enkapsulacija labela • Informacije o labelama (zaglavlje sa shim labelom) „ubacuju“ se: • između Layer 2 i Layer 3 zaglavlja (sloj mreže) • kao deo Layer 2 zaglavlja (ako Layer 2 zaglavlje obezbeđuje adekvatnu semantiku kao kod ATM). • U okviru zaglavlja mrežnog sloja (budućnost - IPv6).

28. Label Distribution Protocol – LDP (RFC 3036) • Automatska distribucija informacija o labelama između dva susedna (peer) rutera LSR (ili LER). • Poruke između rutera se razmenjuju putem Hello paketa. • Koristi TCP protokol po portu 646 • Tokom LDP sesije razmenjuju se sledeći tipovi poruka: • Discovery messages - oglašavanje postojanja LSR • Session messages - uspostava, održavanje i raskidanje sesije • Advertisement messages - kreiranje, promena i brisanje mapiranja labela • Notification messages – razmena informacija (npr. o greškama).

29. Label Distribution Protocol – LDP (RFC 3036) • Unsolicited vs. On demand režim rada LDP: • Unsolicited – ruter šalje svoje parove (FEC (prefiks),labela) svim susednim ruterima, bez pitanja. Ruter poredi next hop rute u svojoj ruting tabeli sa ruterom od kog je dobio par. Ukoliko je par dobijen od next hop rutera za dati prefiks (a to je downstream ruter), labela se prihvata. • On demand – ruter šalje svoje parove (FEC prefiks,labela) po zahtevu susednog rutera.

30. Label Distribution Protocol – LDP (RFC 3036) • Independent vs. Ordered control režim rada LDP: • Independent control - ruter dodeljuje labele prefiksima u svojoj ruting tabeli i šalje ih bez obzira na to da li je ruter dobio mapiranje u labelu za tu rutu od downstream rutera. • Ordered control – Ruter šalje svoje(FEC,labela) parove samo za one FEC za koje ima mapiranje dobijeno od downstream. rutera

31. Label Distribution Protocol – LDP (RFC 3036) • Liberal retention vs. Conservative retention režim rada LDP: • Liberal retention – ruter čuva sve parove (FEC,Labela) dobijene od svih suseda, a prosleđujepakete na osnovu labela dobijenih od nizvodnog rutera. • Conservative retention - ruter čuva samo one parove (FEC, Labela) dobijene od downstream suseda za dati FEC (od Next Hop). • Liberal – više memorije, brza konvergencija– manje memorije, sporija konvergencija.

32. MPLS aplikacije • Traffic Engineering • Virtual Private Network • Quality of Service (QoS)

33. Traffic Engineering – RFC 2702 • Osnovna ideja: optimalno iskorišćenje resursa mreže tako što se prosleđivanje paketa tj. upravljanje saobraćajem vrši na osnovu: • topologije mreže, • skupa ograničenja, • raspoloživih resursa. • Upravljanje saobraćajem može biti ručno ili automatski (novi protokoli RSVP-TE ili CR-LDP).

34. Traffic Engineering – RFC 2702 • Atributi (ograničenja) na osnovu kojih se određuje optimalni LSP su: • Destinacija • Propusni opseg • Preče pravo (eng. preemption) • Afinitet (svaki link po 32 “boje”, po kašnjenju, nekoj karakteristici linka...) • Optimizovana metrika • Zaštita pomoću Fast Reroute mehanizma.

35. MPLS TE – RFC 2702 • Preče pravo (preemption) znači da LSP većeg prioriteta u slučaju nedovoljnih resursa ima pravo da raskine LSP nižeg prioriteta. • Na svim linkovima administratori konfigurišu koliko propusnog opsega može da se zauzme LSP-ovima. Svaki novi LSP sa određenim zahtevom za propusnim opsegom izaziva promenu slobodnog propusnog opsega na nekom linku => LSA se generiše => novo Dijkstra izračunavanje.

36. MPLS TE – RFC 2702 • Uspostavljanje TE-LSP • PATH poruke idu u downstream smeru, sa posebnim poljem LABEL_REQUEST u kojem su opisani parametri (ograničenja) zahtevanog LSP • RESV poruke idu u upstream smeru i alociraju labele

37. MPLS – L2 i L3 VPN • MPLS VPN je kreiranje privatnih mreža preko MPLS infrastrukture pri čemu svaka privatna mreža može da ima: • proizvoljan skup adresa • nezavisno interno rutiranje (slanje informacija o rutama unutar jedne od lokacija). • Postoje tri vrste MPLS VPN koje danas postoje u mrežama: • Point-to-point (Pseudovire) • Layer 2 (VPLS) • Layer 3 (VPRN)

38. MPLS – L2 i L3 VPN • Point-to-point MPLS VPN-ovi koriste virtuelne iznajmljene linije (Virtual leased lines - VLL), za obezbeđivanje L2 point-to-point konektivnostiizmeđu dva sajta. Ethernet, TDM, i ATM frejmovi mogu se enkapsulirati unutar VLL-ova. • L2 MPLS VPN, ili VPLS (Virtual Private LAN Service), nudi prekidač "u oblaku" tzv. VPLS servis. VPLS pruža mogućnost kalibrisanja između VLAN sajtovima. L2 VPN-ovi se obično koriste za usmeravanje glasa, video i AMI saobraćaj između stanica i data centar lokacija.

39. MPLS – L2 i L3 VPN • L3 VPN radi na trećem sloju referentnog OSI modela i omogućava : • virtualno povezivanje različitih lokacija putem kreiranja virtuelne privatne mreže (VPN) • korišćenje resursa javne IP/MPLS mreže • nezavisnost sa aspekta rutiranja i adresnog plana, (algoritmi rutiranja i adresni plan nezavisni su od drugih mreža) • da resurse ovih veza koristi samo korisnik L3 VPN usluge kome su veze dodeljene.

40. MPLS – L2 i L3 VPN • VRF (VPN Routing and Forwarding instance) - logička terminaciju jedne MPLS VPN mreže odnosno VRF se odnosi samo na jedan VPN. • Svaki VPN ima svoj VRF na edge i core ruteru čime se onemogućava “dodir” između različitih VPN-ova. • Na jednom LER ruteru može da postoji više VRF, ali jedan interfejs LER rutera može da pripada samo jednoj VRF, odnosno, interfejs se dodeljuje određenoj VRF.

41. MPLS – L2 i L3 VPN • Jedna VPN može da ima jednu ili više VRF na jednom LER ruteru. • Da bi se razlikovaosaobraćaj između različitih VPN, paketi moraju da budu na neki način obeleženi. Obeležavanje sevrši drugim setom labela, koje su enkapsulirane u labele za prenos paketa po MPLS mreži.

42. MPLS i QoS • Najvažnija prednost MPLS-a je sposobnost da se obezbedi kvalitet servisa (QoS). • QoS mehanizmi: • Pre-konfiguracija zasnovana na fizičkom interfejsu • Klasifikacija ulaznih paketa u različite klase • Klasifikacija zasnovana na mrežnim karakteristikama (kao što su zagušenja, propusna moć, kašnjenje i gubitak). • Različite aplikacije zahtevaju različite uslove u pogledu kašnjenja, jitter-a, i gubitka paketa pri prenosu kroz mrežu.

43. Class of Service (CoS) • Klasa servisa (Class of Service) označava pridruživanje toka saobraćaja određenom servisnom nivou. • Ruteri koji podržavaju COS rade: • klasifikaciju paketa, • polisiranje - ograničavaju odgovarajući tok saobraćaja, • primenuju polisa za slanje saobraćaja na osnovu CoS atributa, • raspored transmisije paketa na izlaznom interfejsu (scheduler), • markiranje bita na izlaznom interfejsu.

44. Kalsifikacija paketa • BA (Behavior Aggregate) klasifikator u jezgru mreže - koristi rezervisana polja unutar zaglavlja paketa i na osnovu njihove vrednosti, svrstava paket u njemu odgovarajuću klasu servisa. (U zavisnosti od primenjene enkapsulacije paketa mogu se koristiti DSCP, IEEE 802.1p ili MPLS EXP biti). • MF (Multifield) klasifikator na obodu mreže - vrši klasifikovanje primljenog korisničkog saobraćaja na osnovu IP adresa pošiljaoca ili odredišta…

45. Klase za slanje podataka (FC - Forwarding Class) • EF (Expedited Forwarding) - najniže vrednosti gubitaka, kašnjenja i varijacije datog kašnjenja, osigurava propusni opseg. • AF (Assured Forwarding) - definisanje grupnih vrednosti za pojedine podklase i tri različite mogućnosti odbacivanja. • BE (Best Effort) klasa - ne obezbeđuje određeni profil servisiranja i primenjuje RED (Random Early Discard) profil odbacivanja. • NC (Network Control) klasa uobičajeno poseduje visok prioritet obzirom da podržava funkcionisanje protokola.

46. MPLS DiffServ standard • DiffServ model garantuje kvalitet prenosa za svaku klasu određivanjem QoS karakteristika paketa na svakom pojedinačnom čvoru u mreži, tzv. PHB (Per-hop Behavior) ponašanje.

47. Metode prenosa različitih klasa servisa MPLS mrežom • E-LSP • L-LSP