Universidade Federal do Paraná

Mestrado em Telecomunicações

 

 

 

 

DANIEL MORÉS AIRES

 

 

 

 

 

 

 

 

MPLS: MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING. rfc 3031

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CURITIBA

2004

daniel morés aires

 

MPLS: MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING. rfc 3031

 

 

 

 

Trabalho apresentado à disciplina Comunicações de Dados do curso de Mestrado da Universidade Federal do Paraná.

 

Professor: Eduardo Parente Ribeiro

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CURITIBA

2003

1.      INTRODUÇÃO

 

O MPLS, desenvolvido pelo IETF – Internet Engineering Task Force (RFC 3031), tem como objetivo aumentar o desempenho do encaminhamento de pacotes, agregando escalabilidade a rede e gerenciamento da qualidade de serviço (QoS), além de facilitar o desenvolvimento de ferramentas de Engenharia de Tráfego (TE) e de Redes Privadas Virtuais (VPN).

 

2.      MOTIVAÇÃO

 

            Com o crescimento e popularização da internet, tornou-se necessário agilizar o processo de roteamento de pacotes, para poder suportar o tráfego crescente. Além disso, com a evolução da tecnologia, aplicações como vídeo, voz e outras aplicações em tempo real estão sendo cada vez mais utilizadas.

 

No roteamento IP, cada roteador analisa o cabeçalho IP dos pacotes e os encaminham de acordo com tabelas de roteamento, com isto o tempo de processamento torna-se elevado. Já em uma rede MPLS somente os roteadores de borda, analisam os pacotes, criando etiquetas (labels) que serão utilizadas para despachar os pacotes até o destino final. Desta forma a parte pesada do processamento dos pacotes é feita nas bordas da rede, diminuindo o processamento no núcleo.

 

Em relação a aplicações que exigem tempo real, a rede MPLS oferece facilmente à implementação de QoS. Desta forma, torna-se possível diferenciar diversos tipos de tráfegos e tratá-los de forma exclusiva, dando prioridades às aplicações mais sensíveis, por exemplo. Outro fator importante numa rede MPLS é a facilidade da implementação de engenharia de tráfego, onde se tem a opção de distribuir a carga de um enlace saturado, podendo, por exemplo, escolher caminhos mais rápidos, porém com custo mais elevado para pacotes de maior prioridade, melhorando assim o desempenho da rede.

 

Uma das áreas onde a arquitetura MPLS mostra-se extremamente promissora é no suporte a implementação de VPNs (Virtual Private Networks), onde pode-se trafegar dados com segurança em uma rede aberta, como a Internet, sem que os dados sejam descobertos por pessoas não autorizadas.

 

Resumidamente, uma rede MPLS além de acelerar o processo de encaminhamento dos pacotes, fornece diversas aplicações tais como suporte a QoS, Engenharia de Tráfego e VPNs. Além disso, é facilmente escalonável e possui interoperabilidade, ou seja, suporta redes com tecnologias distintas (Ethernet, ATM, Frame Relay, entre outras), pois é capaz de calcular caminhos tanto para pacotes como para células ATM.

 

3.      COMPONENTES DE UMA REDE MPLS

 

Neste tópico serão abordados os principais componentes de uma rede MPLS para que na seqüência, seja entendido como se realiza o encaminhamento dos pacotes.

 

 

3.1.   Label

 

O label é um identificador curto, de tamanho fixo e significado local. Todo pacote ao entrar numa rede MPLS recebe um label, este pode ser pensado como uma forma abreviada para o cabeçalho do pacote. Os roteadores somente analisam os labels quando do encaminhamento dos pacotes. O cabeçalho MPLS deve ser posicionado depois de qualquer cabeçalho da camada 2 e antes do cabeçalho da camada 3. É conhecido como Shim Header. Veja figura a seguir:

 

 

Onde:

 

 

3.2.   Label Switch Path – LSP

 

O LSP consiste em um caminho por onde os pacotes numa rede MPLS irão passar. Quando os pacotes entram numa rede MPLS, a cada pacote é associado a uma classe de equivalência FEC – Forwarding Equivalence Class – para depois ser criado uma LSP para esta FEC. Como a criação da LSP ocorre somente na entrada de uma rede MPLS, os demais roteadores, ou seja, os LSR-Label Switch Router (visto mais detalhadamente no item 3.6) do núcleo irão somente chavear os labels encaminhando os pacotes de acordo com a LSP pré-determinada. Os labels são distribuídos no momento do estabelecimento das LSPs. Uma LSP é unidirecional, portanto é preciso ter duas LSPs para que ocorra uma comunicação entre duas entidades.

 

No esquema acima podemos observar uma rede MPLS (dentro da nuvem) com diversos caminhos possíveis entre os roteadores. No caminho em vermelho (indicado pela seta) pode-se observar uma LSP calculada pelo protocolo MPLS.

 

 

3.3.   Label Distribution Protocol – LDP

 

O LDP é um protocolo que permite a distribuição de labels entres os roteadores LSR, possibilitando a criação das LSPs. Para isto o protocolo LDP oferece um mecanismo de “descoberta” de roteadores LSR para que se encontrem uns aos outros e estabeleçam comunicação. O LDP roda sobre o protocolo TCP para garantir a entrega de mensagens. Outros protocolos também podem ser usados para esta função como, por exemplo, o BGP (Border Gateway Protocol) ou RSVP (Resource reServation Protocol).

 

 

3.4.   Forwarding Equivalency Class – FEC

 

Uma FEC consiste numa classe de equivalência, ou seja, um conjunto de parâmetros que irão determinar um caminho para os pacotes. Pacotes associados a uma mesma FEC serão encaminhados pelo mesmo caminho.

 

A FEC é representada por um label e cada LSP é associada a uma FEC. Ao receber um pacote, o roteador da entrada da rede MPLS verifica qual FEC ele pertence e o encaminha através da LSP correspondente. Portanto há uma associação pacote-label-FEC-LSP.

 

 

A associação pacote-FEC acontece apenas uma vez, quando o pacote entra na rede MPLS. Isto proporciona grande flexibilidade e escalabilidade a este tipo de rede.

 

A FEC pode ser determinada por um ou mais parâmetros, especificados pelo administrador da rede. Alguns desses parâmetros são:

 

 

 

3.5.   Label Information Base – LIB

 

O LIB contém uma tabela de encaminhamento, ou seja, uma tabela que apresenta informações correlacionando os labels às interfaces do roteador. Uma vez criada uma LSP, a relação do label com a interface, será armazenada no LIB.

 

Quando o pacote entra no LSR, o roteador verifica para qual interface esse pacote deve ser encaminhado, através do LIB. Sendo assim, realiza a troca do label de entrada por um label de saída, para que o pacote possa alcançar o próximo nó.

 

Desta forma o LIB contém uma tabela que é usada para adicionar ou remover um label a um pacote, enquanto determina a interface de saída pela qual o pacote deve ser enviado.

 

 

 

3.6.   Label Switch Router – LSR

 

LSRs são os roteadores de comutação dos rótulos (labels). Existem dois tipos de LSR: O E-LSR (Edge – Label Switch Router), ou seja, o LSR de borda e os C-LSRs (Core – Label Switch Router) que ficam situados no núcleo de uma rede MPLS.

 

Quando o E-LSR está situado na entrada de uma rede MPLS, ele tem a função de inserir um label aos pacotes, agrupá-los a uma FEC e encaminhá-los através de uma LSP. Quando está situado na saída, é responsável pela retirada dos labels e a entrega dos pacotes a uma rede não MPLS.

 

Os C-LSR ou simplesmente LSR, têm a função de encaminhar os pacotes baseados apenas no label. Ao receber um pacote, cada LSR troca o label existente por outro, passando o pacote para o próximo LSR e assim por diante até chegar no E-LSR de saída.

 

 

 

4.      FUNCIONAMENTO BÁSICO

 

Quando um pacote IP entra numa rede MPLS, o E-LSR irá associá-lo a uma FEC. Desta forma, o pacote receberá um label e como a FEC está relacionada a uma LSP, o E-LSR encaminhará o pacote através desta LSP.

 

Nos saltos subseqüentes não há nenhuma análise do cabeçalho da camada de rede do

pacote. A cada LSR pelo qual o pacote passa, os labels são trocados, pois cada label representa um índice na tabela de encaminhamento do próximo roteador. Sendo assim, quando um pacote rotulado chega, o roteador procura em sua tabela MPLS pelo índice representado pelo label. Ao encontrar este índice o roteador substitui o label de entrada por um label de saída associado à FEC a que pertence o pacote. Depois de completada a operação de troca de labels, o pacote é encaminhado pela interface que está especificada na LIB.

 

Quando o pacote chega ao E-LSR de saída da rede MPLS, o label é removido e o pacote é encaminhado pela interface associada a FEC a qual pertence o pacote. Neste momento o pacote deixa de ser analisado pelo protocolo MPLS e é roteado normalmente pelos protocolos de roteamento.

 

 

 

No esquema acima podemos observar o funcionamento básico do Protocolo MPLS, através do trajeto percorrido pelo Pacote IP. Verificamos que ele recebe um label quando ingressa na nuvem MPLS, sendo posteriormente retirado na saída da nuvem.

 

 

5.      ALGUMAS APLICAÇÕES DO MPLS

 

5.1.   Virtual Private Networks – VPNs

 

VPN é uma rede privada, onde trafegam informações de forma segura, construída sobre a infra-estrutura de uma rede pública, como a Internet. Utilizando a técnica chamada de tunelamento, pacotes são transmitidos na rede pública em um túnel privado que simula uma conexão ponto-a-ponto. As VPNs permitem estender as redes corporativas de uma empresa a pontos distantes. Porém, ao invés de utilizar um grande número de linhas dedicadas para interconexão entre seus diversos pontos, o que onera muito o custo da rede, uma VPN utiliza os serviços das redes IP.

 

A utilização de redes públicas tende a apresentar custos muito menores que os obtidos com a implantação de redes privadas, sendo este, justamente o grande estímulo para o uso de VPNs. No entanto, para que esta abordagem se torne efetiva, a VPN deve prover um conjunto de funções que garanta confidencialidade, integridade e autenticidade aos dados a serem trafegados.

 

O MPLS, atuando como mecanismo de encaminhamento dentro de um cenário de VPN, provê agilidade, facilidade de gerenciamento para grandes redes e suporte a QoS, bem como suporte a segurança.

 

 

No esquema acima, pode-se verificar o objetivo da criação de VPNs. Através da criptografia dos dados utilizados pela VPN, o tráfego entre redes (nesse caso pode ser a Internet ou somente um backbone) é totalmente transparente, sendo mostrado como um Túnel Virtual. Esse túnel é que garante a privacidade da dos dados trafegados por esta rede.

 

5.2.   QoS

 

Qualidade de Serviço (QoS) é um requisito das aplicações para a qual exige-se que determinados parâmetros (atrasos, perdas, largura de banda, variação de atrasos ou jitter) estejam dentro de limites bem definidos (valor mínimo, valor máximo). Desta forma, a QoS é um desafio para o backbone de qualquer empresa. Essas redes servem de transporte para uma série de aplicações, incluindo voz e vídeo com alta taxa de utilização de largura de banda, sendo fundamental o correto dimensionamento e configuração dos equipamentos que a compõem, para que tais aplicações possam funcionar conforme os níveis de serviços pretendidos. As redes, portanto, devem fornecer serviços seguros, previsíveis, mensuráveis e às vezes garantidos a essas aplicações. Alcançar a qualidade de serviço exigida de ponta a ponta, ao mesmo tempo mantendo a simplicidade, escalabilidade e gerenciabilidade é o segredo para executar uma infra-estrutura que realmente atenda à empresa.

 

5.3.   Traffic Engineering - TE

 

Engenharia de tráfego é o processo que organiza como o tráfego flui através da rede, evitando congestionamentos causados pela utilização desigual da rede.

 

Um objetivo da engenharia de tráfego na Internet é facilitar a operação eficiente e confiável da rede, de forma otimizada.

 

A engenharia de tráfego pode ser feita manualmente, ou utilizando algum tipo de técnica automatizada, como por exemplo, a MPLS e/ou Roteamento com QoS para descobrir e fixar os caminhos mais adequados a determinados fluxos dentro da rede. No roteamento comum, os roteadores no caminho precisam consultar sua tabela de roteamento para encaminharem os pacotes. Isso poderia ser evitado, fixando os caminhos com MPLS para que os roteadores encaminhem os pacotes baseados em comutação por rótulos.

 

 

6.      CONCLUSÃO

 

O protocolo MPLS desponta como uma arquitetura emergente, que através do modelo de encaminhamento de pacotes baseados em labels, permite a interoperabilidade e compatibilidade de diversas tecnologias de rede usadas pelos principais backbones do mundo.

 

Alguns dos principais benefícios gerados pelo MPLS são:

 

 

Todas essa características levam a creditar o protocolo MPLS como uma tecnologia capaz de melhorar a qualidade das transmissões de voz e vídeo (através de QoS), a segurança (através das VPNs) e a velocidade e planejamento nas transmissões de dados (através do TE).

 

 

7.      REFERÊNCIAS

 

 

http://www.cisco.com

 

 

            http://www.ciscoredacaovirtual.com/redacao/perfistecnologicos/conectividad.asp?Id=18