Systemy i sieci telekomunikacyjne:telekomunikacyjne:MPLSWprowadzenie do MPLS

Krzysztof Wajda

Katedra Telekomunikacji AGHstyczeń, 2020

Plan wykładu

• Ewolucja od IP do MPLS • Klasyfikacja ruchu• Etykiety• Elementy funkcjonalne MPLS: LSR, E-LSR• Działanie LSR

2

• Działanie LSR• Dystrybucja etykiet

Motywacja wprowadzenia MPLS

• Krytyka skomplikowania techniki ATM • Przyspieszenie procesów realizowanych w

węzłach • Domyślna i prosta inżynieria ruchu• Fundamentalne wsparcie dla współpracy

3

• Fundamentalne wsparcie dla współpracy IP/ATM

• MPLS jako pomysł o zamierzonej łatwości działania porównywalnej z IP oraz szybkości działania ATM

Poprzednicy MPLS

• Cell Switching Router (Toshiba)

• IP Switching (Ipsilon)

• Tag Switching (Cisco)

4

• Tag Switching (Cisco)

• ARIS (IBM)

Poprzednicy MPLS – Ipsilon Networks

• IP Switching (Ipsilon)

• Firma specjalizowała się w IP switching

• IP Switch ATM 1600 wprowadzony w 1996

5

• IP Switch ATM 1600 wprowadzony w 1996 (cena 46 000 $): ATM hardware połączony z rutingiem IP

• Brak rynkowego sukcesu spowodował zakup firmy przez Nokię (1997 za 120 mln $)

IP, ATM, MPLS (1)

• IP = trasowanie + przełączanie/”forwarding”

• ATM = przełączanie na podstawie przygotowanej dwuwarstwowej struktury VP/VC + zaawansowane metody wsparcia

6

VP/VC + zaawansowane metody wsparcia QoS

• MPLS = przełączanie oparte na elastycznych zasadach prowadzących do zdefiniowania trasy dla zaklasyfikowanego strumienia ruchu

• IP = packet-based routing• ATM = cell-based circuit-switching• MPLS = frame-based circuit switching

based on labels

IP, ATM, MPLS (2)

7

StandardizationStandardization

MPLS - standardization

• Done by IETF• WG: Multiprotocol Label Switching• Area: Routing Area (rtg) • URL:

https://datatracker.ietf.org/wg/mpls/charter/

9

https://datatracker.ietf.org/wg/mpls/charter/

• Chairs: Loa Anderson (consultant), Nikolai Leiman (DT)

MPLS – RFC3468 (2003)

• The MPLS WG decision on MPLS signaling protocols

• WG: Multiprotocol Label Switching„consensus had been reached on:

• that the MPLS WG needs to focus its efforts on RSVP-TE (RFC 3209) as protocol for traffic engineering signalling.

10

(RFC 3209) as protocol for traffic engineering signalling. • that the Working Group will undertake no new work

related to CR-LDP. „Extending RSVP-TE to do in an MPLS environment what it

already was doing (handling QoS information and reserving resources) in an IP environment is comprehensible; you only have to add the label distribution capability.”

MPLS – RFC3031

Podstawowy dokument:E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon. Multiprotocol Label Switching Architecture. January 2001.

11

FundamentalsFundamentals

MPLS – motywacja

• Przenieść funkcjonalność i szybkość działania warstwy 2 (np. ATM, Ethernet) do warstwy 3 (IP):• Uprościć operacje w węźle• Zredukować wielkość bazy danych dla

13

• Zredukować wielkość bazy danych dla operacji trasowania.

MPLS – stos protokołów

warstwa „3”

14

warstwa „2,5”

warstwa „2”

MPLS – dystrybucja etykiet

• Systemy sygnalizacji: • CR-LDP,• RSVP-TE,

• inne (?) o funkcjonalności dystrybucji etykiet oraz zestawiania ścieżek,

15

etykiet oraz zestawiania ścieżek,

Pozycja MPLS w ewolucyjnym rozwoju nowoczesnych protokołów

Choć brak jest oficjalnego wsparcia dla CR-LDP ze strony IETF, prace wciąż trwają

MPLS

GMPLS

ATM

PNNI

16

CR-LDP RSVP-TE

GMPLS

CR-LDP RSVP-TE

ASON

CR-LDP RSVP-TE

Następstwo powołania obiektów w MPLS

FEC

Pakiet, strumień pakietów

17

FEC

LSP

Etykieta(y)

MPLS - węzły

• LSR – Label Switching Router, węzeł szkieletowy, dokonuje przełączania etykiet i kierowania pakietami

• E-LSR – Edge LSR, (używa się także określenia LER)

18

określenia LER)Klasyfikuje ruch (FEC), Przydziela etykietę, Inicjuje zestawianie ścieżki LSP

MPLS – ogólna budowa etykiet

• „shim label”

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0

1

1

1

2

1

3

1

4

1

5

1

6

1

7

1

8

1

9

2

0

2

1

2

2

2

3

2

4

2

5

2

6

2

7

2

8

2

9

3

0

3

1

Etykieta EXP S TTL

19

• „shim label” • podstawowy format używany dla

IP/MPLS/Ethernet,

Etykieta (label)

Obiekt, który jednoznacznie identyfikuje przepływ w interfejsie fizycznym lub logicznym

Etykiety mogą być specyficzne dla interfejsuEtykieta „5” w interfejsie X jest czymś innym niż etykieta

„5” w interfejsie Y

lub etykiety mogą być ogólne dla techniki

20

lub etykiety mogą być ogólne dla technikiEtykieta „5” pozostaje niezmienna bez względu na interfejs wewnątrz jednolitej domeny technologicznej

Wartość etykiety może ulegać zmianie przy każdym skoku

Etykieta - wartości

LABEL DESIGNATION

0 IPv4 Explicit Null

1 Router Alert

2 IPv6 Explicit Null

0-15 Reserved

21

2 IPv6 Explicit Null

3 Implicit Null

4-14 Reserved for Future Use

15 OAM

16 - 220-1 Production Use

Podstawa zestawiania ścieżek

Podstawowym pojęciem jest FEC (Forwarding Equivalence Class) –różnicowanie ruchu,na podstawie adresu IP,na podstawie reguł TE,

22

na podstawie reguł TE,na bazie definiowania ścieżki typu „explicit”,

konsekwencją ustalenia FEC jest przydzielenie etykiety.

LSP

• LSP – Label Switched Path• Nazywany często „tunelem”• Zawsze jednokierunkowe „unidirectional”• Klasyfikowane jako

Dedykowane p-p (point-to-point)

23

Dedykowane p-p (point-to-point) łączone (merging)

MPLS - forwarding

Pakiet przesyłany

na podstawie adresu IP

węzła docelowego

LER dodaje

etykietę do pakietu

Przekazywanie pakietu

na podstawie etykiety

Węzeł „egress”

usuwa etykietę

24

W trakcie przekazywania wzdłuż LSP, korzysta się wyłącznie z etykiety a nie adresu docelowego IP

LER: Label Edge Router

LSR: Label Switching Router

Zagnieżdżanie ścieżek LSP

• Mechanizm umożliwia wstawianie ścieżek LSP do

innych LSP Wprowadza skalowalność

• Zaimplementowane przez umożliwienie posiadania przez pakiet więcej niż jednej etykiety jako wyróżnika

25

jako wyróżnika Tworzy się stos etykiet

• LSR kieruje pakiet na podstawie etykiety ustawionej na szczycie stosu

• Można zagnieżdżać ścieżki do dowolnego poziomu

Zagnieżdżanie ścieżek - przykład

IP

Etykieta wprowadzona do pakietu

L2IP

L2IP L1

Przesłanie na podstawie etykiety

Zdjęcie etykiety zewnętrznej

Zdjęcie etykiety

Etykieta L1 wprowadzona do pakietu

Przesłanie na podstawie etykiety L1

26

IPL2IP

zewnętrznej etykiety wewnętrznej

Resilience

• Protekcja (protection), automatyczne i szybkie przywrócenie ciągłości transmisji, zwykle bez możliwości optymalizacji użycia zasobów

• Odtwarzanie (restoration),

27

• Odtwarzanie (restoration),długoterminowe i wysokopoziomowe działanie, prowadzące do optymalizacji uzycia zasobów transportowych

MPLS (Fast rerouting)

Splicing• Uprzednie (pre-

establishment) powołanie ścieżki alternatywnej

Stacking• LSP bypass

uszkodzonego łącza• Najkrótsze obejście• Może prowadzić do

28

alternatywnej • Może prowadzić do zogniskowanego natłoku

MPLS – forwarding + protekcja

A B

C

Z

Y

100

450

100

29

D

X

W MPLS Label

IP header

300100

Y

300

100

200

50

150

MPLS nad ATM„ships in the night”

ATM

MPLS

ATMSW

L

S

R

ATMSW

L

S

R

30

• Sygnalizacja (control plane) ATM iMPLS działa na tej samej platformie sprzeętowej ale są odseparowane

• Węzeł działa jednocześnie jako MPLS LSR i przełącznik ATM

• Zarządzanie zasobami– Podział przestrzeni VPI.VCI

(space partitioning)– TM

Rezerwacja pasmaCACKolejkowanieshaping/policing

• Zarządzanie pasmem

Label distributionLabel distribution

RSVPRSVP

MPLS - dystrybucja etykiet

A B

C

Y

Z

RE

SV

Lab 1

00

200100

300100

100200

Label

Information

Base

Label Switched

Router

Y: to B Y: to C

Y: to Y

33

D

Y

RSVP-TE

X

W

PATH Lab_Req Y

Need label for

Destination Y

(LABEL_REQUEST

object in

PATH msg)

RESV Lab 300

RE

SV

Lab 1

00

Respond with a

label (receive)

(LABEL object

in RESV msg)

100200300100

100300

• Protokół sygnalizacyjny pierwotnie zaprojektowany w środowisku pakietowym

• Transport przez TCP/IP lub UDP/IP

• Rezerwacja zasobów zorientowana na odbiorcę(jednokierunkowa transmisja danych)

• Dodatkowa funkcjonalność w środowisku IP !

RSVP (1)

34

• Dodatkowa funkcjonalność w środowisku IP !• …

• PATH• Od nadawcy do

odbiorcy

• Zastosowanie Tspec

Podstawowe wiadomości (PATH/RESV)

• RESV• Rezerwacja

zasobów na ścieżce powrotnej

35

• Zastosowanie Tspec (charakterystyka ruchu)

• Zestawienie ścieżki (i utrzymanie) przez cykliczne powtarzanie

ścieżce powrotnej

• Zapis w ruterach

• Potrzeba odświerzania rezerwacji

• Soft-state

LDP{Label Distribution Protocol){Label Distribution Protocol)

• LSP Establishment• LSP inicjowane przez sygnalizację (Control-

driven, automatic, hop-by-hop)• Każdy LSR (on the way) decyduje o kolejnym

skoku na podstawie lokalnej informacji IP (forwarding table)

Powołanie LSP (1)

37

(forwarding table)• LDP to system sygnalizacji• Realizowane jest mapowanie Label

Requests/Mappings

• Explicitely routed LSPs (CR-LSPs, constrained-based routed LSPs)

• Dodatkowe wymagania na trasowanie (z ograniczeniami):• Set-up and control of an LSP between LERs

Powołanie LSP (2)

38

• Set-up and control of an LSP between LERs (edge routers)

• Strict or loose route specification (dokładne lub wybiórcze wskazanie trasy)

• Przydział parametrów QoS dla LSP• Protokoły w MPLS: CR-LDP, RSVP-TE

• Zdefiniowany w RFC 3036• dwa węzły LSRs podejmują decyzję o znaczeniu

(przypisaniu) etykiet w transmisji między nimi i przez te węzły (internally) – powiązanie (mapping) FEC/label

LDP – Label Distribution Protocol

39

FEC/label• LDP zawiera reguły, które rutery LSR stosują w

celu dystrybucji etykiet• przepływ etykiet (informacji) jest realizowany w

przeciwnym kierunku (upstream) jak strumień danych użytkownika (downstream)

• unikalność etykiet w interfejsach

• RFC 3035:

• "MPLS using LDP and ATM VC Switching”

LDP – protokół w Control Plane

40

• Discovery messages – neighbour discovery -advertise the presence of a LSR (Hello)

• Session messages – establish and maintain LDPsessions (Initialization, Keep Alive)

• Advertisement messages - generate, change,

LDP – klasy wiadomości

41

• Advertisement messages - generate, change, delete label bindings (FEC<-->Label): Address, Address Withdraw, Label Mapping, Label Request, Label Withdraw, Label Release

• Notification Messages - contain advisory and error information

• LSR realizują wzajemnie funkcje Discovery między sąsiadami (neighbours) przez wysyłanie -wiadomości HELLO

• Zestawienie sesji TCP• Inicjowanie parametrów/metod:

LDP – sesje

42

• Inicjowanie parametrów/metod:• Metoda dystrybucji etykiet• Wartości zegarów (values of timers)

• Zakresy etykiet• Podtrzymanie sesji LDP (maintaining)

• użycie wiadomości Keep-Alive

• Downstream Unsolicited Distribution• LSR, który jest położony „w dole” transmisji

(Downstream LSR) wysyła Label Mapping bez żądania (solicitation) ze strony LSR położonego „w górze” (upstream LSR)

Downstream-on-demand Label Distribution

LDP – dystrybucja etykiet

43

• Downstream-on-demand Label Distribution• LSR, który jest położony „w górze” transmisji

(Upstream LSR) żąda (wysyłając Label Request) od LSR położonego „w dole” transmisji (downstream LSR) wyboru etykiety i wysłania wstecz mapowania etykiety (label mapping)

Realizacja przydziału etykiet „z dołu”

• LSP Setup Control• Independent Control

• LSR wysyła Label Mappings w dowolnym czasie

• Ordered Control

LDP – powołanie LSP

44

• Ordered Control• Egress LSR inicjuje dystrybucję etykiet (label

distribution)• LSR, który jest położony w kierunku „w dół”

(Downstream LSR) wysyła Label Mappings „w górę” tylko po otrzymaniu od innego LSR (sąsiada położonego bardziej „w dół”) – jest sekwencyjne żądanie (hop-by-hop)

• Hard-state protocol• (zmiana następuje po bezpośrednim żądaniu)

• Elastyczny sposób wybierania trasy• Strict, loose and loose pinned path set-up

• Zmiana (optymalizacja – path optimization) ścieżki

CR-LDP – rozszerzenie

45

• Zmiana (optymalizacja – path optimization) ścieżki realizowana w bezpieczny sposób • the make-before-break rule

• Niezbędne są rozszerzenia do LDP aby wskazać elementy ścieżki i przekazać parametry QoS • Explicit route TLV

• dokładnie wskazana ścieżka (zestaw węzłów) – explicit path

CR-LDP – rozszerzenie

46

– explicit path• Traffic parameters TLV (dla ATM i DiffServ)

• Peak Rate Token Bucket• Commited Data Rate Token• Route Pinning TLV

• Traffic parameters TLV (dla ATM i DiffServ) • Peak Rate Token Bucket

• Peak Data Rate• Peak Burst Size• Commited Data Rate

• Commited Data Rate Token Bucket (see srTCM)

CR-LDP – gwarancje parametrów

47

• Commited Data Rate Token Bucket (see srTCM)• Commited Data Rate• Commited Burst Size• Excess Burst Size

• Route Pinning TLV

IP/MPLS brieflyIP/MPLS briefly

OSPF + LDP

• OSPF definiuje ruting (widzialność adresów/sieci i metrykę - shortestpath)

• LDP propaguje informację o trasach• LDP propaguje informację o trasach

(pary sieć-etykieta)

• CR-LDP wprowadza dodatkową swobodę w definiowaniu tras

OSPF + RSVP-(TE)

• RSVP korzysta z OSPF definiuje ruting(widzialność adresów/sieci i metrykę -shortest path)

• RSVP przenosi informacje o rezerwacji przepustowości (ewentualnie o błędzie przepustowości (ewentualnie o błędzie rezerwacji)

• RSVP zestawia tunele „na żądanie” – nie propaguje całej informacji o zasobach/trasach

• OSPF przenosi info o stanach łączy (TED)

• Rezerwacja (konfiguracja) RSVP jest ograniczona w czasie („soft-state”)

Podsumowanie

• wieloprotokołowość, • skalowalność,• wszechstronne potraktowanie zagadnień

inżynierii ruchu, oparte na sygnalizacji, QoS, ale także na trasowaniu statycznym (CR)

51

ale także na trasowaniu statycznym (CR)• duże wymagania względem systemów

sygnalizacji,• ewolucja w kierunku G-MPLS.

Skróty

• FEC - Forwarding Equivalence Class• FTN - FEC to NHLFE Map• ILM - Incoming Label Map• LDP - Label Distribution Protocol• L2 - Layer 2

52

• L2 - Layer 2 • L3 - Layer 3• LSP - Label Switched Path• LSR - Label Switching Router• MPLS - MultiProtocol Label Switching• NHLFE - Next Hop Label Forwarding Entry• TTL - Time-To-Live

Literatura

•Yekhov, Rekhter, MPLS, Kluwer 2000• RFC3031, E. Rosen, A. Viswanathan, R. Callon. Multiprotocol Label Switching Architecture. January 2001.• RFC3036, LDP Specification L. Andersson, P.

53

• RFC3036, LDP Specification L. Andersson, P. Doolan, N. Feldman, A. Fredette, B. Thomas,

January 2001

• Wykłady: http://www.kt.agh.edu.pl/~wajda/students/systemy-i-sieci-telekomunikacyjne-3r-eit//

Dziękuję za uwagę !Dziękuję za uwagę !