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MPLS Este tutorial apresenta os conceitos básicos do Multi Protocol Label Switching (MPLS) utilizado em redes IP. Eduardo Tude Engenheiro de Teleco (IME 78) e Mestre em Teleco (INPE 81) tendo atuado nas áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Comunicações por Satélite. Ocupou várias posições de Direção em empresas de Teleco como VP de Operações da BMT, Diretor de Operações da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento Celular da Ericsson. Pioneiro no desenvolvimento de Satélites no Brasil (INPE), tem vasta experiência internacional, é detentor de uma patente na área e tem participado constantemente como palestrante em seminários. Assumiu em 2002 um novo desafio profissional como empreendedor e Presidente do Teleco. Email: [email protected] Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, Sistemas Celulares e Sistemas de Supervisão e Controle. Ocupou posições de liderança na Pegasus Telecom (Gerente - Planejamento de Redes), na Compaq (Consultor - Sistemas Antifraude) e na Atech (Coordenador - Projeto Sivam). Atuou também na área de Sistemas de Supervisão e Controle como coordenador de projetos em empresas líderes desse mercado. 1

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MPLS

Este tutorial apresenta os conceitos básicos do Multi Protocol Label Switching (MPLS) utilizado em redesIP.

Eduardo Tude Engenheiro de Teleco (IME 78) e Mestre em Teleco (INPE 81) tendo atuado nas áreas de Redes Ópticas,Sistemas Celulares e Comunicações por Satélite. Ocupou várias posições de Direção em empresas de Teleco como VP de Operações da BMT, Diretor deOperações da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento Celular da Ericsson. Pioneiro no desenvolvimento de Satélites no Brasil (INPE), tem vasta experiência internacional, é detentorde uma patente na área e tem participado constantemente como palestrante em seminários. Assumiu em 2002 um novo desafio profissional como empreendedor e Presidente do Teleco. Email: [email protected]

Huber Bernal Filho Engenheiro de Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, SistemasCelulares e Sistemas de Supervisão e Controle. Ocupou posições de liderança na Pegasus Telecom (Gerente - Planejamento de Redes), na Compaq(Consultor - Sistemas Antifraude) e na Atech (Coordenador - Projeto Sivam). Atuou também na área deSistemas de Supervisão e Controle como coordenador de projetos em empresas líderes desse mercado.

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Tem vasta experiência internacional, tendo trabalhado em projetos de Teleco nos EUA e de Sistemas deSupervisão e Controle na Suécia. Atualmente dedica-se à Teleco e à prestação de serviços de consultoria em telecomunicações. Email: [email protected]

Categoria: Banda Larga

Nível: Introdutório Enfoque: Técnico

Duração: 15 minutos Publicado em: 26/01/2004

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MPLS: Roteadores x Switches

Roteadores

A figura acima apresenta uma rede IP tradicional. Nesta rede o encaminhamento dos pacotes na rede é feitoatravés de roteadores, que implementam a camada 3 de rede do modelo OSI. Exemplos deProtocolos

IPRedeCamada 3

ATM, FREnlaceCamada 2

FísicaFísicaCamada 1

Em uma rede IP os pacotes de dados são encaminhados um a um e de forma independente. Não éestabelecido uma conexão ou circuito virtual que defina um caminho predeterminado para os pacotes. Ao receber um pacote IP o roteador analisa o endereço destino carregado pelo pacote IP, consulta umatabela de roteamento mantida pelo roteador e toma uma decisão de para onde encaminhar o pacote. A tabela de roteamento é mantida pelo roteador utilizando informação trocada entre roteadores eprocedimentos definidos pelo protocolo de roteamento utilizado. Um roteador pode ser configurado commúltiplos protocolos de roteamento. Open shortest path first (OSPF), Routing Information Protocol (RIP) eBorder Gateway Protocol (BGP) são exemplos de protocolos de roteamento. Como a decisão é tomada pacote a pacote, dois pacotes enviados pelo computador X podem seguircaminhos diferentes até o computador Y, passando por exemplo, pelo roteador 1 e indo direto para o

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roteador 3, ou passando pelos roteadores 1, 2 e 3. A tabela de roteamento pode ser vista também como uma forma de dividir o conjunto de todos pacotespossíveis que um roteador pode passar adiante em um nº finito de subconjuntos disjuntos. Pacotes de cadasubconjunto são passados adiante pelo roteador da mesma forma. Estes subconjuntos são chamados deClasses de equivalência para roteamento (FECs - Fowarding Equivalence Classes). Switches Uma outra forma de encaminhar pacotes em uma rede é utilizando switches. Uma switch tem as seguintescaracterísticas:

Operam na camada 2 de enlace do protocolo OSI, abaixo da camada de Rede.O chaveamento é feito no Hardware ou firmware do processador.

A switch implementa uma conexão ou circuito virtual, a decisão de encaminhamento não é tomada pacote apacote. São exemplos de switches para redes de dados as que utilizam os protocolos ATM e Frame relay. Uma switch pode ser descrita como um equipamento com um nº de portas onde diferentes dispositivospodem ser conectados. Quando um pacote chega a switch ela deve descartá-lo ou movê-lo para a portacorreta de saída para que ele siga seu caminho. A porta de saída correta é determinada pela informação contida no pacote e em alguns casos na própriaswitch. A informação contida no pacote de dados utilizada pelo ATM e o Frame Relay para determinar a porta desaída é um identificador de conexão também referenciado como rótulo (label). Este rótulo no cabeçalho dopacote é trocado quando ele passa pela switch, como exemplificado na figura a seguir.

Entrada Saída

Porta Rótulo Porta Rótulo

1 A 4 C

2 B 3 D

Sumarizando, em uma rede IP o encaminhamento dos pacotes de dados é feito por roteadores. Roteadoressão dispositivos da camada 3. Switches são dispositivos da camada 2. Comparado aos roteadores as switchestendem a ser mais simples. Elas suportam um nº limitado de protocolos e tipos de interfaces. O algoritmo deencaminhamento de uma switch é invariavelmente muito simples.

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Estas características fazem com que as switches sejam mais rápidas e mais baratas que os roteadores.

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MPLS: O que é?

Apesar do IP ter se tornado o protocolo padrão a nível do usuário, as vantagens apresentadas pelas switchesem relação aos roteadores, levaram a que a maior parte dos backbones IPs, inclusive da Internet fossemimplementados utilizando uma rede ATM no seu núcleo como ilustrado na figura a seguir.

Esta solução apresenta no entanto as seguintes desvantagens:

O mapeamento de pacotes IP no ATM é uma tarefa complexa, tendo sido objeto de vários grupos deestudos.Esta solução não é escalável. Como cada roteador está, na camada IP (rede), conectado por circuitosvirtuais a todos os roteadores conectados ao backbone ATM, pode ser mostrado que a quantidade deinformação de roteamento que é transmitida nesta rede no caso de uma mudança de topologia nonúcleo da rede pode chegar a ser da ordem de n elevado a quarta potência, onde n é o número deroteadores ao redor do núcleo. Desta forma pode-se chegar a um ponto em que o tráfego cominformações de roteamento sozinho pode sobrecarregar o roteador.

IP Switching Para solucionar estes problemas, a empresa Ipsilon apresentou em 1996 uma arquitetura de rede em que osprotocolos de controle do IP rodam diretamente no hardware da switch ATM. As switches ATM aindaencaminham pacotes através da troca de rótulos (label swapping), mas os mecanismos pelos quais elesestabelecem tabelas de encaminhamento e alocam recursos são todos estabelecidos por protocolos deroteamento do IP. Esta solução ficou conhecida com IP switching. Logo em seguida surgiram outros protocolos dentro desta linha de tecnologia, como o Tag Switching (Cisco)e o ARIS (IBM). O IETF criou então um grupo de trabalho para padronizar uma solução baseada nestesprotocolos e que deu origem ao Multiprotocol Label Switching (MPLS). MPLS

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O Multiprotocol Label Switching (MPLS) foi padronizado para resolver uma série de problemas das redesIP, entre eles:

Possibilitar a utilização de switches, principalmente em backbones de redes IP, sem ter de lidar com acomplexidade do mapeamento do IP no ATM. Switches são em geral mais baratas e apresentammelhor performance que roteadores.EscalabilidadeAdicionar novas funcionalidades ao roteamento

O MPLS fornece meios para mapear endereços IP em rótulos simples e de comprimento fixo utilizados pordiferentes tecnologias de encaminhamento e chaveamento de pacotes. Este mapeamento é feito apenas umavez no nó na borda da rede MPLS. A partir daí o encaminhamento dos pacotes é feito utilizando-se ainformação contida em um rótulo(label) inserido no cabeçalho do pacote. Este rótulo não traz um endereço eé trocado em cada switch. O chaveamento de dados a altas velocidades é possível por que os rótulos de comprimento fixo são inseridosno início do pacote e podem ser usados pelo hardware resultando em um chaveamento rápido. A pesar de ter sido desenvolvido visando redes com camada de rede IP e de enlace ATM, o mecanismo deencaminhamento dos pacotes no MPLS pode ser utilizado para quaisquer outras combinações de protocolosde rede e de enlace, o que explica o nome de Multiprotocol Label switching dado pelo grupo de trabalho doIETF.

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MPLS: Arquitetura

Apresenta-se a segui os principais conceitos da arquitetura do MPLS.

Label Rótulo é um identificador de comprimento curto e definido que é usado para identificar uma FEC, tendogeralmente significado local. No ATM este rótulo pode ser inserido no cabeçalho da camada de enlace nos campos de VCI ou VPI. Quando utilizado sobre protocolos onde o cabeçalho da camada de enlace não pode ser utilizado, o rótulo"shim" é inserido entre os cabeçalhos das camadas de enlace e de rede. Foward Equivalence Class (FEC) A Foward Equivalence Class (FEC) é a representação de um grupo de pacotes que tem os mesmo requisitospara o seu transporte. Para todos os pacotes neste grupo é fornecido o mesmo tratamento na rota até o seudestino. FECs são baseados em requisitos de serviço para um dado conjunto de pacotes ou simplesmente por umprefixo de endereçamento. No roteamento IP convencional um roteador em particular irá tipicamente considerar que dois pacotes estãona mesma FEC pela análise do endereço destino do pacote. Quando o pacote anda na rede, em cadaroteador o pacote é re examinado e atribuído a uma FEC. No MPLS, a atribuição de um pacote particular a uma FEC em particular é feita apenas uma vez, no LER,quando o pacote entra na rede. A FEC atribuída ao pacote é codificada como um valor de comprimento fixoe curto conhecido como "label". Quando o pacote é encaminhado para o próximo roteador o rótulo é

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enviado juntamente com ele, ou seja o pacote é rotulado antes de ser encaminhado. Nos roteadores subsequentes (LSR), não existe analise do cabeçalho da camada de rede do pacote. O rótuloé usado como um índice em uma tabela que especifica o próximo roteador e um novo rótulo. O rótulo antigoé trocado pelo novo e o pacote é encaminhado para o próximo roteador. No MPLS, uma vez que um pacote é associado a uma FEC, não é necessário mais nenhuma análise docabeçalho por parte dos outros roteadores, todo o encaminhamento é feito a partir dos rótulo. Label Edge Router (LER) Um nó MPLS que conecta um domínio MPLS com um nó fora deste domínio. Label Switching Router (LSR) O LSR é um nó do MPLS. Ele recebe o pacote de dados, extrai o label do pacote e o utiliza para descobrirna tabela de encaminhamento qual a porta de saída e o novo rótulo. Para executar este procedimento o LSRtem apenas um algoritmo utilizado para todos os tipos de serviço. A tabela de encaminhamento pode ser única ou existirem várias, uma para cada interface. Elas sãocompostas utilizando rótulos distribuidos utilizando-se label distribution protocols, RSVP ou protocolos deroteamento como o BGP e OSPF. Label Distribution Protocol (LDP) Label Distribution Protocol é um conjunto de procedimentos pelo qual um LSR informa outro dasassociações entre Label/FEC que ele fez. Dois LSRs que utilizam um LDP para trocar informações de associações label/FEC são conhecidos como"label distribution peers" em relação a informação de associação que trocaram. Label Switching Path (LSP) No MPLS a transmissão de dados ocorre em caminhos chaveados a rótulo (LSPs). LSPs são uma sequênciade rótulos em cada e todos os nós ao longo do caminho da origem ao destino. LSPs são estabelecidos antes atransmissão dos dados ou com a detecção de um certo fluxo de dados.

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MPLS: Considerações finais

Este tutorial apresentou os conceitos básicos sobre MPLS e como ele pode ser utilizado para melhorar aperformance de backbones de redes IP pela introdução de switches e evitando a complexidade domapeamento de pacotes IP em ATM. O MPLS proporciona também escalabilidade a rede uma vez que um roteador convencional passa a tercomo roteador adjacente o seu LER do Backbone MPLS e não todos os roteadores conectados ao backbonecomo acontece com backbones ATM. A utilização de rótulos para encaminhamento de pacotes permite também adicionar novas funcionalidadesao roteamento independentemente do endereço IP na camada de rede. É possível desta estabelecer rotaspré-definidas ou prioridades para pacotes quando da definição das FECs. O MPLS passa a ser portanto umaferramenta poderosa para implementação de QoS e classes de serviço em redes IP. Com o MPLS é possível também implementar túneis utilizados na formação de redes privadas virtuais(VPNs). Sendo esta a solução adotada pela maior parte dos provedores de VPN que possuem backbone IP.Referências IETF/MPLS-charter IETF/MPLS WG mailing list archive MPLS Forum MPLS World IEC - Tutorial MPLS MPLS Resouces Center

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MPLS: Teste seu entendimento

1. Quais características descritas aplicam-se aos roteadores:

Operam na camada 3 de rede do protocolo OSI.

O chaveamento de pacotes é feito por software.

Suportam diversos protocolos de roteamento, entre eles o OSPF, o RIP e o BGP.

O algoritmo de encaminhamento é baseado em tabela de roteamento mantidas pelos roteadores.

Todas as anteriores. 2. Quais características descritas aplicam-se as switches:

Operam na camada 2 de enlace do protocolo OSI, abaixo da camada de Rede.

O chaveamento de pacotes é feito no hardware ou firmware do processador.

Suportam um nº limitado de protocolos e tipos de interfaces.

O algoritmo de encaminhamento de uma switch é invariavelmente muito simples.

Todas as anteriores. 3. Quais problemas das redes IP foram resolvidos com a padronização do MPLS:

Possibilitar a utilização de switches em backbones de redes IP, sem ter de lidar com a complexidade domapeamento do IP no ATM.

Adicionar o protocolo Frame Relay sem o uso de conexões virtuais aos roteadores de acesso.

Aproximar o protocolo IP do modelo OSI pela adição de tuneis sem conexão.

Permitem o uso de canais dedicados sem alocação permanente de tabelas de roteamento.

Todas as anteriores.

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