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UFPR - UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

MESTRADO EM TELECOMUNICAÇÕES


AUTOR: MARCELO NELSON WADECK

ORIENTADO POR: PROF. DR. EDUARDO PARENTE RIBEIRO

NOVEMBRO DE 2001

INTRODUÇÃO AO MPLS
ABSTRACT

The rapid growth of the IP networks and the need for new services and quality garantees show the shortcomings of the IP stack to fulfill the management and control needs of this networks. Solutions like IP over ATM are expensive and do not provide the necessary escalability.

This work is a survey about the new paradigm of quality provinioning and management for IP networks: the MultiProtocol Label Switching – MPLS, giving an introductory overview of this protocol, its architecture and associated signalings.
KEYWORDS:

IP Networks, Quality of Service (QoS), MPLS, RVSP-TE, CR-LDP.




RESUMO

A crescente escalada das redes IP e a demanda por novos serviços e garantias de qualidade mostram as deficiências da família de protocolos IP para suprir as necessidades de controle e gerência destas redes. Soluções como IP over ATM se mostram custosas e sem a escalabilidade necessária.


Este trabalho é um apanhado geral do novo paradigma para a provisão de qualidade e gerência em redes IP: o MultiProtocol Label Switching – MPLS, fornecendo uma visão introdutório sobre este protocolo, sua arquitetura e sinalizações associadas.
PALAVRAS-CHAVE:

Redes IP, Qualidade de Serviço (QoS), MPLS, RVSP-TE, CR-LDP.




  1. Introdução: IP, um mundo do melhor esforço

Um dos mercados mais competitivos atualmente no ramo das telecomunicações é o do transporte de dados e de redes convergentes. E a grande maioria do tráfego a ser transportado é baseada em IP. Mas o IP é uma tecnologia regida pela lei do menor esforço, não foi desenvolvida para para prover qualidade diferenciada a clientes e serviços. As características do família de protocolos IP somada ao rápido desenvolvimento das redes baseadas IP apresenta vários desafios aos seus operadores de serviço.

As novas aplicações requerem serviços que são determinísticos por natureza e essas aplicações devem ser garantidas através de toda a rede por onde trafegam os dados. O desafio é prover tais condições em uma rede não-determinística como a rede IP.

As tecnologias de roteamento atuais levam em conta apenas o endereço de destino para determinar o melhor caminho, não considerando as características e atributos dos dados.

Com o crescimento da rede os roteadores tem que lidar com grandes volumes de informações de roteamento. Além disso, a decisão de encaminhamento é feita a cada hop, o que inibe escalabilidade e performance.

A redução de custos de deposição de equipamentos, manutenção e operação é essencial para os operadores de redes de grande porte (WANs). Se eles pudessem construir redes apenas baseadas em IP, seus custos diminuiriam sensivelmente. Contudo, o IP não está a altura desta tarefa, principalmente porque lhe falta mecanismos de engenharia de tráfego os quais os operadores necessitam para cumprir os contratos de Service Level Agreement (SLA) com seus clientes.

Como protocolo não orientado a conexão, o IP não realiza nenhuma destas tarefas. Embora suporte priorização de pacotes, o IP não pode garantir que os recursos da rede estejam disponíveis quando necessários. E ainda o IP faz o encaminhamento de tráfego entre dois pontos sempre sobre a mesma rota, mesmo durante períodos de congestionamento, enquanto outras rotas ficam sub-utilizadas.

Esta é outra razão pela qual muitos operadores utilizam ATM para transportar o tráfego IP, como apontado por Bellman1. Eles precisam dos circuitos virtuais do ATM para controlar a alocação de banda em rotas congestionadas. E porque o ATM é orientado a conexão, ele fornece aos operadores as ferramentas de engenharia de tráfego que eles necessitam para controlar o QoS e a utilização de recursos.

Mas o IP sobre ATM não é uma solução perfeita. Primeiramente, esta metodologia superposta significa que o operador de rede tem que lidar com dois planos de controle, administrando tanto roteadores IP e switches ATM. Tal solução é por demais custosa, além de impedir sua escalabilidade.

A escalabilidade é também comprometida já que cada roteador necessita de um VC separado para cada outro roteador. Quando a rede cresce, o número de rotas e VCs cresce exponencialmente, eventualmente superando a capacidade tanto de switches como roteadores.

O MultiProtocol Label Switching (MPLS) é um novo paradigma que permite tornar uma rede baseada somente em IP uma realidade, provendo a capacidade de engenharia de tráfego que os operadores necessitam. Capacidade que não pode ser subestimada, especialmente no mundo orientado a SLA dos controladores de rede. A engenharia de tráfego provê aos operadores o controle da qualidade de serviço (QoS) e a otimização dos recursos da rede. Além disso, também fornece a base natural para a criação de redes privadas virtuais (VPNs). O MPLS trata destes problemas diretamente, trazendo conexões tipo ATM sob o controle de protocolos de roteamento IP.

  1. MPLS: um novo paradigma de qualidade

No MPLS os pacotes são encaminhados baseado em pequenos labels, ao invés dos mecanismos tradicionais de análise do cabeçalho IP. A cada pacote que entre na rede é anteposto um label que direciona-o a um fluxo.

A tecnologia MPLS utiliza informações de roteamento da camada três enquanto executa a comutação na camada dois (através de suporte de hardware), resultando em um roteamento rápido através da rede, e que onde os requisitos de QoS das aplicações são levados em conta.

Uma rede MPLS compreende uma série de “label switch routers” (LSRs), que são roteadores e/ou switches ATM com capacidade MPLS. Cada vez que um pacote entra na rede, a LSR de entrada atribui a ele um label baseado no seu destino, se faz parte de uma VPN, tipo de serviço, etc.



A cada próximo hop, um LSR utiliza este label como índice em uma tabela de encaminhamento. Esta tabela atribui a cada pacote um novo label – para prover escalabilidade, os labels tem apenas significado local – e direciona o pacote para uma porta de saída. Como resultado, todos os pacotes marcados com o mesmo label seguem o mesmo caminho, o “label switched patch” (LSP), através da rede.


Figura 1: Operação básica do MPLS.
Diferenças entre o MPLS e o roteamento convencional IP incluem o fato que pacotes enviados entre dois pontos podem ter labels diferentes e então seguir caminhos diferentes. Ainda o encaminhamento MPLS é rápido e simples, porque cada LSR analisa apenas o label e nada mais.






Roteamento IP tradicional

Comutação por labels

Análise completa do cabeçalho IP

Executada a cada hop na rede.

Executada apenas uma vez no ingresso do pacote na rede.

Suporte para Unicast e Multicast

Requer mecanismos especiais para roteamento multicast e algoritmos de encaminhamento.

Requer apenas um algoritmo de encaminhamento.

Decisões de roteamento

Baseado unicamente no endereço destino do cabeçalho IP.

Baseado em um número de parâmetros, incluindo endereço de destino, QoS, tipo de dados, etc.


Tabela 1: Diferenças entre roteamento IP tradicional e comutação por labels MPLS
No roteamento convencional IP, um roteador utiliza o endereço de destino no cabeçalho IP para determinar o encaminhamento do pacote. Em uma rede MPLS um label (rótulo) de 20 bits é utilizado para tomar esta decisão. No encaminhamento tradicional, cada decisão de encaminhamento tomada por um roteador é independente das demais já tomadas. No MPLS esta decisão é feita uma única vez, no ingresso do pacote na rede. Um vez atribuído um label a um pacote, este viaja com ele até o próximo nó. Todos os demais pacotes que atendam aos mesmos critérios são rotulados com o mesmo label. Não haverá mais analises dos cabeçalhos dentro da rede, apenas do label. O label é utilizado como índice em uma tabela, que fornecerá o próximo nó e um novo label, que substituirá o antigo, e o pacote será encaminhado ao próximo nó.

Este label é similar aos identificadores de conexão VPI/VCI do ATM e é utilizado para identificar uma classe equivalente de encaminhamento (FEC – Forwarding Equivalence Class). Uma FEC descreve um conjunto de pacotes encaminhados pela mesma rota pela rede, mesmo que seus destinos finais sejam diferentes. Todos os pacotes assinalados para um FEC em particular são enviados por um Label Switched Patch (LSP), o equivalente funcional de um VC, já que define o caminho entre a entrada e a saída da rede.

Um exemplo de cabeçalho MPLS pode ser observado abaixo:

L2 Layer MPLS Header IP Header User data


Label CoS S TTL 32 bits no total


20 bits 3 bits 1 bit 8 bits
Figura 2: Cabeçalho MPLS
O campo Label (20 bits) carrega o rótulo MPLS.

O campo Class of Service (QoS), também chamado de extensão (EXT) pode afetar os mecanismos de enfileiramento e descarte aplicados aos pacotes no transverso da rede.

O campo de Stack (S) é um bit que indica a ordem hierárquica no label stacking.

O campo Time-to-live (TTL) provê a mesma funcionalidade do IP TTL.

O MPLS é constituído por uma série de blocos funcionais, nas quais se destacam os mecanismos de atribuição/encaminhamento por labels e o de distribuição de labels.

O primeiro componente inclui o algoritmo de de classificação dos pacotes no ingresso da rede para marcá-los com um label inicial, bem como a tabela de encaminhamento para uma porta/label de entrada para um pacote entrante.

O mecanismo de distribuição de labels representa a sinalização de controle, que utiliza protocolos de roteamento/distribuição de labels como o BGP, o RSVP e o LDP, para trocar informações com outros roteadores, e construir a tabela de encaminhamento com a informação obtida.

Existem três funções básicas dos roteadores na rede MPLS, realizadas pelos LSRs:

a) Roteador de ingresso: é o roteador no início de um LSP. É seu trabalho encapsular os pacotes IP com um frame MPLS e encaminhado até o próximo LSR no caminho.

b) Roteador de saída: é o fim de um LSP, deve remover o encapsulamento, transformando o pacote novamente em um pacote IP convencional e encaminhando-o a seu destino final.

c) Roteador trânsito: qualquer LSR intermediário no LSP entre o roteador de ingresso e o de saída da rede MPLS, que executa o encaminhamento dos pacotes ao próximo LSR.

Existem dois tipos de LSPs, os estáticos, cuja configuração é executada manualmente, de maneira semelhante a configuração estática de rotas em IP; e os LSPs dinâmicos, criados através dos mecanismos de distribuição de labels como o RSVP e o CR-LDP.




Figura 3: Conceitos MPLS.
Uma outra facilidade do MPLS bastante útil aos operadores de serviço é o empilhamento de labels (“label stacking”). Label stacking permite aos LSRs inserir um label adicional na frente de cada pacote já marcado com um label, criando um túnel encapsulado que pode ser compartilhado por múltiplos LSPs. Ao final do túnel, um outro LSR retira o label stack, revelando o label interno. Ao contrário do ATM, que permite apenas um nível de empilhamento – Virtual Channels dentro de Virtual Paths – o MPLS suporta empilhamento ilimitado, o que permite o agregamento de fluxos de dados. Os provedores de serviço podem utilizar label stacking para unir centenas de milhares de LSPs em um número relativamente pequeno de túneis backbone entre pontos de presença, o que leva a tabelas de roteamento menores, tornando mais fácil aos provedores a tarefa de prover escalibilidade da rede.

A construção de VPNs pode não ser o objetivo principal do MPLS, mas é sem dúvida uma de suas facilidade com maior apelo de marketing. MPLS permite aos operadores de serviço criar VPNs com a flexibilidade do IP mas com o QoS do ATM. Labels separados garantem a privacidade entre VPNs sem recorrer a criptografia. De fato, a criação de VPNs está entre as primeiras aplicações do MPLS para muitos operadores.




Figura 4: Construção de Redes Privadas Virtuais (VPNs) utilizando o MPLS.



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