Protocolos de Roteamento MPLS

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Centro Universitário Estácio do CearáProtocolos de Roteamento
MPLS (Multiprotocol Label Switching)
Prof. Marcus Fábio Fontenelle, M.Sc.
Mestre em Informática Aplicada
Furukawa DCSC, LPIC-1, NCLA, MCSE
Prof. Marcus Fábio, M.Sc 2
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Introdução
• Em uma rede IP tradicional o encaminhamento dos pacotes é feito através
de roteadores, que implementam a camada 3 do modelo OSI.
• Os pacotes de dados são encaminhados um a um de forma independente.
Não é estabelecido 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 uma tabela 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 e procedimentos definidos pelo protocolo de
roteamento utilizado.
• Um roteador pode ser configurado com múltiplos protocolos de
roteamento, por exemplo, Open Shortest Path First (OSPF), Routing
Information Protocol (RIP) e Border Gateway Protocol (BGP).
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Introdução
• Uma outra forma de encaminhar pacotes em uma rede é utilizando
switches. Um switch tem as seguintes características:
 Opera na camada 2 do modelo OSI (camada de enlace)
 O chaveamento é feito por hardware ou firmware do processador.
• Resumindo, em uma rede IP o encaminhamento dos pacotes de dados é
feito por roteadores. Roteadores são dispositivos da camada 3. Switches
são dispositivos da camada 2. Comparando os roteadores aos switches,
estes tendem a ser mais simples, pois suportam um número limitado de
protocolos e tipos de interfaces.
• O algoritmo de encaminhamento de um switch é invariavelmente muito
simples. Estas características fazem com que os switches sejam mais
rápidos e mais baratos que os roteadores.
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Tecnologia de Switching
• Nos anos 80, com o crescimento da popularidade da Internet, os pesquisadores
começaram a explorar maneiras de aumentar a performance dos sistemas de
processamento de pacotes. Uma ideia surgiu e foi logo adotada pelos fabricantes:
melhorar a comutação de pacotes IP, que usava uma conexão não orientada,
contendo uma tabela com longos índices, por uma abordagem orientada a conexão
que utilizava um algoritmo mais rápido de indexação. Esse conceito ficou
conhecido como switching. Os protocolos Frame Relay e ATM são exemplos de
protocolos que utilizam este conceito.
• A ideia básica por trás dos algoritmos de switching é a seguinte: um processador
típico pode indexar uma matriz a uma taxa constante, mas requer log2N para
pesquisar N itens nesta matriz. Indexar requer apenas cálculo, mas pesquisar
usualmente envolve múltiplos acessos a memória.
• A tecnologia de switching explora a indexação para obter altas velocidades. Para
isso, cada pacote carrega uma pequena informação em formato inteiro (integer)
para determinar a porta de saída de um switch. Essa informação é um identificador
de conexão também referenciado como rótulo (label). Quando um pacote chega no
switch, o switch extrai o rótulo e usa o valor como um índice dentro de uma tabela
que especifica a ação a ser tomada.
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Tecnologia de Switching
• Pode aparecer uma grande desvantagem o fato de um rótulo consistir de
um pequeno número inteiro. Mas para esse questionamento existem duas
resposta:
 O rótulo só é necessário quando um fluxo (caminho) está ativo e um
número de fluxos ativos em um determinado instante é pequeno.
Switching usa uma abordagem orientada a conexão na qual os rótulos
são associados a fluxos ativos e recuperados quando um fluxo é
terminado.
 Para evitar acordos globais na utilização de rótulos, os sistemas de
switching empregam um conceito de label swapping ou label
switching. Label Swapping significa que o rótulo em um pacote pode
ser alterado a medida que o pacote passa de swicth para switch, ou
seja, uma das funções que o swicth deverá executar é a reescrita do
rótulo.
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Tecnologia de Switching
• Label Swapping faz com que seja fácil configurar um switch porque
permite que seja definido um caminho através da rede sem forçar que o
mesmo rótulo seja usado a cada ponto ao longo do caminho.
• Na realidade, um rótulo só precisa ser válido através de um hop – os dois
switches que compartilham uma conexão física precisam concordar com o
rótulo que será associado a cada fluxo que atravessa a conexão.
Rótulo (Label ) Ação
0 Rótulo → 1; Saída → 0
1 Rótulo → 0; Saída → 0
2 Rótulo → 3; Saída → 0
3 Rótulo → 2; Saída → 0
S0
0
Rótulo (Label ) Ação
0 Rótulo → 2; Saída → 1
1 Rótulo → 4; Saída → 1
2 Rótulo → 1; Saída → 0
3 Rótulo → 3; Saída → 1
S3
S2
S1
1
0
0
0
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IP Switching
• Embora o paradigma da orientação a conexão usada com o switching pareça
contrastar com a não-orientação a conexão do IP, os dois foram combinados. E
existem 3 motivos para tal:
 Encaminhamento mais Rápido: Adotar uma abordagem orientada a
conexão permite aos roteadores efetuar um encaminhamento mais rápido dos
pacotes, pois o roteador pode usar indexação no lugar da busca em uma tabela
de roteamento. É claro que velocidades adicionais são necessárias para
roteadores que possuem conexões de alta velocidade e altas taxas de tráfego.
Tais roteadores são tipicamente encontrados no núcleo (core) da Internet (Ex:
pertencentes a grandes ISPs).
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IP Switching
 Informação de Rota Agregada: Grandes ISPs no núcleo da Internet usam
switching como uma forma de evitar existir uma tabela de roteamento
completa em cada um dos seus roteadores. Ao invés disso, a pesquisa em uma
tabela de roteamento é feita apenas uma vez (quando o pacote chega pela
primeira vez uma ISP), o pacote é associado a um rótulo e os rotadores no ISP
usam o rótulo para encaminhar o pacote. Além disso, como o rótulo precisa
apenas especificar o próximo ISP ao qual o pacote deverá ser enviado e não o
destino final, muitos pacotes poderão ter associados o mesmo rótulo.
 Habilidade para Gerenciar Fluxos Agregados: Os grandes ISPs geralmente
escrevem SLA (Service Level Agreements) independente do tráfego que
poderá ser transmitido entre dois pontos. Usualmente, tais SLAs se referem ao
tráfego agregado (por exemplo, todo o tráfego encaminhado entre dois ISPs
ou todo tráfego VoIP). Tendo um rótulo associado a cada agregado torna-se
mais fácil implementar mecanismos de medição.
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Multiprotocol Label Switching (MPLS)
• Em 1996, a Ipsilon Corporation produziu os primeiros produtos que combinavam
IP e switches. Ela usou switches ATM, chamando sua tecnologia de IP Switching e
seus dispositivos de switches IP.
• Depois da Ipsilon Corporation, outras companhias produziram uma série de
projetos e nomes:
 Tag Switching
 Layer 3 Switching
 Label Switching
 Aggregate Route-Based IP Switching (ARIS)
 Cell Switching Router (CSR)
• Foi então que a IETF agrupou essas ideias e criou em dezembro de 1997 um
padrão chamado Multiprotocol Label Switching (MPLS).
• O MPLS foi criado para resolver uma série de problemasdas redes IP, entre eles:
 Possibilitar a utilização de switches, principalmente em backbones de redes IP,
sem ter de lidar com a complexidade do mapeamento do IP no ATM.
 Escalabilidade
 Adicionar novas funcionalidades ao roteamento
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Multiprotocol Label Switching (MPLS)
• O MPLS fornece meios para mapear endereços IP em rótulos simples e de
comprimento fixo utilizados por diferentes tecnologias de
encaminhamento e chaveamento de pacotes.
• Este mapeamento é feito apenas uma vez no nó na borda da rede MPLS. A
partir daí o encaminhamento dos pacotes é feito utilizando-se a
informação contida em um rótulo inserido no cabeçalho do pacote. Este
rótulo não traz um endereço e é trocado em cada switch.
• Em outras palavras, os roteadores que conectam os computadores dos
usuários usam o encaminhamento tradicional, enquanto que os roteadores
no centro da rede usam switching.
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Multiprotocol Label Switching (MPLS)
• Eventualmente, o pacote pode alcançar o limite do núcleo MPLS, nesse
caso o rótulo é retirado ou o pacote passa diretamente para o núcleo MPLS
de outra rede. Antes que os pacotes possam passar de um núcleo MPLS
para outro, a duas redes MPLS devem concordar com a associação dos
rótulos e seus significados.
• O chaveamento de dados a altas velocidades é possível por que os rótulos
de comprimento fixo são inseridos no início do pacote e podem ser usados
pelo hardware resultando em um chaveamento rápido.
• Apesar de ter sido desenvolvido visando redes com camada de rede IP e
de enlace ATM, o mecanismo de encaminhamento dos pacotes no MPLS
pode ser utilizado para quaisquer outras combinações de protocolos de
rede e de enlace, o que explica o nome de Multiprotocol Label Switching
dado pelo grupo de trabalho do IETF.
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Interação MPLS
Fonte: Redes de Computadores e a Internet, James Kurose, 5ª Edição, Fig. 5.36, Pág: 363
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Cabeçalho MPLS
• Label (Rótulo): Campo com 20 bits que transporta o valor efetivo do
rótulo.
• Class of Service (CoS): Campo com 3 bits utilizado para classificar a
prioridade dos pacotes.
• Stack (S): Indica o início/fim de uma pilha de rótulos hierárquicos, pois
pode-se ter uma sequência de rótulos contínuos entre o cabeçalho de
camada 2 e camada 3. O primeiro rótulo atribuído é indicado pelo valor 1
desse bit.
• TTL (Time to Live): Campo com 8 bits que fornece a duração de vida
permitida ao pacote para trafegar na rede.
INFORMAÇÕES TRANSPORTADASCABEÇALHO NÍVEL 2 RÓTULO MPLS CABEÇALHO NÍVEL 3
RÓTULO 
(LABEL)
CoS S TTL
20 3 1 8
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Componentes em uma Rede MPLS
• Label (Rótulo): É um identificador de comprimento curto e definido que é usado para
identificar uma Foward Equivalence Class (FEC), tendo geralmente significado local. O
rótulo é usado como um índice em uma tabela que especifica o próximo roteador e um novo
rótulo. O rótulo antigo é trocado pelo novo e o pacote é encaminhado para o próximo roteador.
• Label Edge Router (LER): Nó que conecta um domínio MPLS com um nó fora deste
domínio.
• Label Switching Router (LSR): Nó que recebe o pacote de dados, extrai o rótulo do pacote e
o utiliza para descobrir na tabela de encaminhamento qual a porta de saída e o novo rótulo. A
tabela de encaminhamento pode ser única ou existirem várias, uma para cada interface.
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Componentes em uma Rede MPLS
• Foward Equivalence Class (FEC): A Foward Equivalence Class (FEC) é a
representação de um grupo de pacotes que tem os mesmo requisitos para o seu
transporte, ou seja, representa um serviço ou conjunto de serviços cuja qualidade é
igual ou equivalente. Serviços com a mesma FEC percorrem o mesmo caminho ou
rota na rede. Para todos os pacotes neste grupo é fornecido o mesmo tratamento na
rota até o seu destino. A atribuição de um pacote a uma FEC em particular é feita
apenas uma vez, no LER, quando o pacote entra na rede. No MPLS, uma vez que um
pacote é associado a uma FEC, não é necessário mais nenhuma análise do cabeçalho
por parte dos outros roteadores, todo o encaminhamento é feito a partir dos rótulo.
• Forward Information Base (FIB): Base de dados dos equipamentos MPLS que
contém a tabela de encaminhamento com os valores de rótulo/porta de entrada e a
respectiva atribuição para rótulo/porta de saída.
• Label Information Base (LIB): Base de dados dos equipamentos MPLS que contém
a informação cruzada do tipo de rótulo a ser utilizado para se obter um determinado
QoS na rota.
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Componentes em uma Rede MPLS
• Label Switching Path (LSP): É o caminho virtual fim a fim que os pacotes de uma
dada aplicação percorrem na rede, comutando enlace a enlace pela troca de rótulos.
• Label Distribution Protocol (LDP): Protocolo que distribui automaticamente os
rótulos na rede, configurando as bases de dados (FIB e LIB) dos equipamentos
MPLS. De forma resumida é o conjunto de procedimentos pelo qual um LSR
informa outro das associações entre rótulo/FEC que ele fez. Dois LSRs que
utilizam um LDP para trocar informações de associações rótulo/FEC são
conhecidos como “Label Distribution Peers" em relação a informação de
associação que trocaram.
• Resource Reservation Protocol (RSVP): Protocolo de sinalização utilizado para
solicitar conexões MPLS (LSPs) e fazer a reserva de recursos da rede.
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Funcionamento MPLS
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Funcionalidade Roteamento
• No procedimento de estabelecimento de conexões a função de roteamento
tradicional do IP é separada em duas parte: controle e encaminhamento.
• A parte de controle é implementada em software e a parte de encaminhamento em
hardware.
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Exemplos
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Exemplos
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Exemplos
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Resumindo
• MPLS é a maneira mais efetiva de integrar IP e as redes ATM numa rede única;
• MPLS reduz o processamento dos roteadores, melhorando a eficiência no
encaminhamento dos pacotes;
• MPLS provê QoS às redes IP;
• MPLS elimina overheads, pois não é necessária a utilização do ATM como camada
2;
• MPLS facilita a operação e o projeto da rede (rede única);
• MPLS separa as funções de controle e de encaminhamento de tráfego;
• MPLS opera sobre qualquer tecnologia da camada 2 (desde ethernet até a óptica);
• MPLS aceita qualquer protocolo da camada 3.
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Referências Bibliográficas
• RFC 3031
• RFC 3032
• Interligação de Redes com TCP/IP, Douglas Comer, 5ª Edição –
Seções 17
• Redes de Computadores e a Internet, James Kurose, 5ª Edição –
Seção 5.8
• Redes de Banda Larga, Paulo Sérgio Milano Bernal, 1ª Edição –
Seção 5.1.5
• Redes de Nova Geração, Tânia Regina Tronco,1ª Edição – Seção
2.4
• Biblioteca Virtual Estácio