Multi Protocol Label Switching (MPLS)

1. MultiProtocolLabelSwitching(MPLS) Alfio Lombardo

2. Background: integrazione del trasporto del traffico • ISDN • B-ISDN ATM (Asynchronous Transfer Model) - Elevata velocità di commutazione - Possibilità differenziare QoS - Meccanismi di gestione e controllo traffico (Traffic engineering)

3. Background: Asynchronous Transfer Mode • http://www2.rad.com/networks/1994/atm/tutorial.htm • http://www.iec.org/online/tutorials/atm_fund/ • http://www.cne.gmu.edu/modules/atm/Texttut.html • http://www.lanl.gov/lanp/atm.tutorial.html • http://usuario.cicese.mx/~aarmenta/frames/redes/atm/tutorial1/tute.html

4. Background: Asynchronous Transfer Mode Assumptions ATM is a cell-based, connection-oriented transfer Methodology (label switching) ATM cell flow ATM net 1 2 3 1 2 3 5+48 bytes

5. Background: Asynchronous Transfer Mode • ATM works on fiber optic fabric with extremely low error rates No error correction on data GFC: Generic Flow Control VPI: Virtual Path Id VCI: Virtul Circuit Id PT: Payload Type CLP: Cell Loss Priority HEC: Header Error Control

6. Background: Asynchronous Transfer Mode ATM uses Virtual Connection divided in two levels (required for switching) : Virtual Path Virtual Circuit

7. Background: Virtual Channel There are many types of virtual channel connections: • User-to-user applications. Between customer equipment at each end of the connection. • User-to-network applications. Between customer equipment and network node. • Network-to-network applications. Between two network nodes and includes traffic management and routing. Virtual channel connections have the following properties: • A VCC user is provided with a quality of service specifying parameters such as cell-loss ratio, CLR, and cell-delay variation, CDV. • VCCs can be switched or semi-permanent. • Cell sequence integrity is maintained within a VCC. • Traffic parameters can be negotiated.

8. Background: Virtual Path • Virtual paths are used to simplify the ATM addressing structure • Within an ATM cross-connect, information about individual virtual channels within a virtual path is not required, as all VCs within one path follow the same route as that path

9. Background: virtual channels and paths relationship Cross connect node

10. Background: Asynchronous Transfer Mode • ATM can dynamically allocate bandwidth • ATM can dynamically manage QoS specifications • The devices to be connected to ATM networks might be very simple, like a telephone • ATM is organized in a hierarchy, like today’s phone network

11. Background:ATM Service Classes

12. Background: QoS parameters.

13. Background: QoS vs. Service class

14. Background: ATM Architecture

15. Modelli di integrazione IP/ATM • Modello overlay • Modello integrato

16. Modello overlay (rfc 1483) • Utilizzato a partire dalla meta’ anni 90 • Utlizza PVC (Permanent Virtual Circuit) • PVC di tipo UBR o ABR tra gli IP_Router • Trasporto pacchetti su celle ATM attraverso AAL5 PVC ATM N(N-1)/2 PVC per maglia completa

17. Intf In VPI/VCI In Intf Out VPI/VCI Out 1 0/40 3 0/50 Modello overlay: topologia fisica PVC setup: Segnal. ATM Rete ATM 3 1 Switch ATM Router IP 1 Switch interface

18. Rete Next Hop Interface Intf In Intf In VPI/VCI In VPI/VCI In Intf Out Intf Out VPI/VCI Out VPI/VCI Out atm 0/0/1 VPI/VCI=0/40 195.31.235.0/24 R2 2 1 0/40 0/50 3 3 0/60 0/50 195.31.235.88 195.31.235.88 Modello overlay: instradamento Segmentazione S1 S2 R2 R1 VPI/VCI=0/50 VPI/VCI=0/60 ATM 0/0/1 ATM 0/0/2 1 3 2 3 VPI/VCI=0/40 Riassemblaggio Commutazione ATM Host 195.31.235.88 172.16.12.10

19. Modello overlay: configurazione interfaccia router R1(config) # interface atm 0/0/1 R1(config) # ip address 172.16.12.1 255.255.255.252 R1(config) # pvc 0/40 R1(config) # abr 1000 500 R1(config) # encapsulation aal5snap Parametri PVC: PCR= 1 Mb/s MCR= 500 kb/s

20. Modello overlay:Segmentazione e riassembraggio ATM cell IP IP IP IP PVC ATM IP IP IP IP AAL5 AAL5 AAL5 AAL5 ATM ATM ATM ATM Fisico Fisico Fisico Fisico Ricostruzione pacchetti in tutti i router Reti completamente magliate

21. Modello overlay: vantaggi • Allocazione di banda sui PVC ATM • Differenziazione dei flussi di traffico ATM Possibilità di ingegnerizzare il traffico in rete

22. Rete Next Hop Interface atm 0/0/1 VPI/VCI=0/40 atm 0/0/2 VPI/VCI=0/90 195.31.235.0/24 195.31.233.0/24 R2 R2 Modello overlay: ingegnerizzare il traffico in rete PVC setup: Segnal. ATM Rete ATM Switch ATM Router IP 1 Switch interface

23. Gestione di 2 reti differenti (ATM e IP) Limitata scalabilità (interfaccia SAR-ATM 622 Mbit/s) Cell tax Stress del protocollo di routing IP (elevato numero adiacenze elevato numero di messaggi di segnalaz. per configurare le tabelle dei router) Modello overlay: svantaggi Ridurre il numero di adiacenze: Modello Integrato

24. Modello integrato Gli switch ATM implementano funzioni di instradamento IP Switch IP+ATM Switch ATM Router IP Intelligenza: SW ATM forum Intelligenza: routing IP Inoltro: Longest-match lookup Inoltro: Commutazione di etichetta - Esegue funzioni di routing IP (es.: RIP, OSPF, …) - Forwarding con modalità ATM Risultato: rete IP dove i pacchetti vengono trasportati in celle ATM su collegamenti virtuali che seguono un percorso determinato da un protocollo di routing IP (es. RIP, OSPF, …)

25. Modello integrato: associazione delle etichette (label binding) • Nel modello integrato il collegamento virtuale non puo’ essere realizzato dalla segnalazione ATM …. Quindi e’ necessario integrare nella componente di controllo dello Switch IP+ATM un meccanismo per associare al percorso individuato dal routing IP le etichette VPI/VCI

26. Richiesta: 195.31.235.0/24 Richiesta: 195.31.235.0/24 Richiesta: 195.31.235.0/24 VPI/VCI: 0/40 VPI/VCI: 0/50 VPI/VCI: 0/60 Modello integrato: associazione delle etichette (label binding) Prot. Routing IP: per raggiungere 195.31.235.0/24 R1 – IA1 – IA2 – R2 IA1 IA2 R2 R1 IA2 IA1 195.31.235.0/24 Definisce un circuito virtuale tra R1 e R2 assegnando delle etichette ATM al percorso individuato dall’instradamento IP

27. Intf In Intf In VPI/VCI In VPI/VCI In Intf Out Intf Out VPI/VCI Out VPI/VCI Out 1 2 0/40 0/50 3 3 0/50 0/60 Modello integrato: Rete Next Hop Interface atm 0/0/1 VPI/VCI: 0/40 195.31.235.0/24 IA1 IA1 IA2 R2 R1 VPI/VCI=0/40 VPI/VCI=0/50 VPI/VCI=0/60 ATM 0/0/1 ATM 0/0/2 Riassemblaggio 195.31.235.88 Segmentazione 195.31.235.88 Commutazione ATM Host 195.31.235.88

28. Overlay PVC tra R1 e R2 realizzato con segnalazione ATM Coesitenza 2 protocolli di routing Adiacenza con router R2 Integrato PVC tra R1 e R2 realizzato con label binding protocol Protocollo di routing IP Adiacenza con switch IP+ATM Modelli overlay e integrato: confronto Nota: nel modello Integrato il pacchetto IP viene riassemblato solo nei router IP “reali” , non negli swithc IP+ATM….

29. Adiacenze IP Modello “integrato” Modello “overlay”

30. Open issues • Spreco di banda introdotto dalla segmentazione ATM • Scalabilità interfaccia SAR ATM (segmentazione solo ai bordi della rete) • Mancanza di uno standard multivendor MultiProtocol Label Switching protocol: MPLS

31. MPLS target • Recepire il modello integrato • Utilizzare diverse tecnologie di livello 2 • Possibilità di ingegnerizzare traffico IP • Supportare QoS in reti IP in accordo a DiffServ • Offrire RVP

32. Pacchetti di livello 3 (IPv4, IPv6, IPX, …) Trame di livello 2 (PPP, Ethernet, …) Tipo di pacchetti/trame trasportati . . . Commutazione di Etichetta MPLS . . . Frame Relay ATM PPP Ethernet Livello 2 (Data Link) MPLS: concetti base • Introduce nelle reti IP (backbone) la commutazione di etichetta tipico del circuito virtuale • Non è legato alla tecnologia di trasporto • Non è conscio del contenuto dl trasporto

33. Forwarding Equivalent Class La decisione di instradamento di un router può essere vista come appartenente a due passi logici: • Ricavare dalle intestazioni del pacchetto le informazioni per classificare il pacchetto in una data FEC • Utilizzare la FEC per ottenere il next hop dalla tabella FEC - NH

34. FEC 1: pacchetti destinati alla rete 195.31.235.0 FEC NH FEC 1 1 FEC 2: pacchetti destinati alla rete 195.31.235.0 con IP PRECEDENCE=111 FEC 2 2 1 . . . . . . 2 n . . . . . . FEC n: pacchetti destinati al terminale 145.50.1.2 con indirizzo sorgente 195.35.4.5 Tabella di routing IP (FEC-To-Next-Hop) FEC: esempi • IP • Ricavare dalle intestazioni del pacchetto il Destination Address (FEC) • Utilizzare la FEC per ottenere il next hop sulla base del Longest Match Prefix • Applicato alla tabella di routing Generalizzazione FEC: Policy based routing

35. FEC: granularità FEC a: pacchetti destinati alla rete 195.31.235.0 Granularità grossa FEC b: pacchetti destinati al terminale 145.50.1.2, porta 80, con indirizzo IP sorgente 195.35.4.5, porta sorgente 11782 Granularità fine

36. Generalizzazione FEC: Policy based routing • Ricavare dalle intestazioni del pacchetto la FEC: dest addr.+ sourceadd.+ IP_TOS +... (Policy base routing) • Utilizzare la FEC per ottenere il next hop Analizzare tutti i campi che determinano la FEC è molto oneroso se effettuato in tutti i router • Analisi dei campi necessari solo nei router di accesso alla rete • Associazione di una label alla FEC nei router di accesso • Istradare in accordo alla label nei router interni alla rete

37. I nodi intermedi analizzano solo l’intestazione MPLS ed eseguono la traslazione di etichetta (label switching) Classificazione dei pacchetti all’entrata del Dominio MPLS (assegnazione ad una FEC) Consegna dei pacchetti al Livello 3 all’uscita dal Dominio MPLS Pacchetto Pacchetto Pacchetto L2 Pacchetto L3 Il nodo in uscita dal dominio MPLS rimuove l’etichetta (Label Disposition) Il nodo in ingresso al dominio MPLS assegna l’etichetta in accordo alla FEC (Label Imposition) Pacchetto L1 MPLS: modalità di funzionamento IGP IGP IGP IGP IGP Router MPLS

38. I pacchetti MPLS arrivano a un nodo intermedio il quale cambia l’etichetta; il pacchetto viene quindi inoltrato al Next-Hop 195.31.235.78 195.31.235.78 98 195.31.235.78 56 I pacchetti IP arrivano alla rete MPLS e vengono etichettati 195.31.235.15 195.31.235.15 195.31.235.15 56 98 MPLS: inoltro dei pacchetti MPLS non viene implementato nel dominio dei clienti 195.31.235.78 & 195.31.235.15 sono associati alla FEC 195.31.235.0/24 FEC 195.31.235.0/24 197.26.15.94 R1 R2 R3 Rete MPLS

39. Architettura di un router MPLS Label Switching Router • L’architettura di un router MPLS (Label Switching Router) è divisa in due distinte componenti • Controllo • Dati (Forwarding) Componente diControllo = + Componente Dati

40. consigliati Label Switch Router:componente di controllo Criteri per la definizione delle associazioni tra etichette e FEC (label bindings) Distribuzione delle associazioni tra etichette e FEC Protocollo di Routing IP (es. OSPF, IS-IS, BGP, PIM) Creazione/aggiornamento delle Tabelle di Instradamento Gestione delle associazioni etichette-FEC

41. 29 45 64 29 Label Switch Router:componente dati 1 2

42. MPLS: architettura di rete ATM/FR POP SDH Sito Cliente ATM/FR POP LSR Edge-LSR

43. 29 45 64 29 Tabelle di Routing IP MPLS: tab di routing e gestione etichette ILM + LIB FTN + LIB Edge-LSR LSR Pacchetti di livello 3 (non etichettati) FTN: Fec To NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) ILM: Incoming Label Map LIB: Label Information Base

44. IGP Ehi tu, 172.16.0.1, guarda che ho associato l’etichetta 45 alla FEC 195.31.235.0/24. Vedi di memorizzarlo nella tua LIB Label 45  FEC 195.31.235.0/24 Label 50  FEC 195.31.235.0/24 Ehi tu, 175.16.0.1, guarda che ho associato l’etichetta 50 alla FEC 195.31.235.0/24. Vedi di memorizzarlo nella tua LIB 29 45 175.16.5.2 195.31.235.0/24 50 172.16.1.4 64 29 192.106.248.0/24 172.16.1.4 70 172.16.5.2 MPLS:LIB Ho associato l’etichetta 29 alla FEC 195.31.235.0/24. Lab 29 …. 172.16.5.2 172.16.0.1 Label Rem. Label Loc. FEC Prov. 172.16.1.4 . . . Interfaccia IP . . . Identificativo LSR (una delle interfacce IP 172.16.5.2 LIB

45. LIB (Cisco 3640) P1# show mpls ldp bindings 192.168.0.22/32, rev 53 local binding: label: 24 remote binding: lsr: 192.168.1.3:0, label: 25 remote binding: lsr: 192.168.1.2:0, label: 22 remote binding: lsr: 192.168.0.11:0, label: 27 remote binding: lsr: 192.168.0.12:0, label: 34 192.168.0.31/32, rev 31 local binding: label: 25 remote binding: lsr: 192.168.1.3:0, label: 21 remote binding: lsr: 192.168.1.2:0, label: 24 remote binding: lsr: 192.168.0.11:0, label: 28 remote binding: lsr: 192.168.0.12:0, label: 35 192.168.0.32/32, rev 33 local binding: label: 26 remote binding: lsr: 192.168.1.3:0, label: 22 remote binding: lsr: 192.168.1.2:0, label: 25 remote binding: lsr: 192.168.0.11:0, label: 29 remote binding: lsr: 192.168.0.12:0, label: 36 Etichetta locale FEC Etichette remote Provenienze

46. Multicast/load bal. FECn FEC1 FEC2 FTN (negli Edge_LSR) FEC-To-NHLFE (1) (k) NHLFE NHLFE . . . Classificazione in FEC NHLFE NHLFE . . . . . . . . . . . . NHLFE NHLFE . . .

47. Multicast/load bal. Ln L1 L2 ILM (nei LSR) Incoming Label Map (1) (k) NHLFE NHLFE . . . Etichetta entrante NHLFE NHLFE . . . . . . . . . . . . NHLFE NHLFE . . .

48. Next Hop Label Forwarding Entry E adesso come e a chi li inoltro questi pacchetti ? • -Next-Hop (interfaccia di uscita, label) • -Operazionisulla pila delle etichette • Swap • Pop • Push • - (opzionale) • -Informazioni per il livello 2 • -Modalità di trattamento del pacchetto • - . . . FEC/Label 64 Ehi tu, guarda che le istruzioni per l’inoltro sono contenute nel NHLFE delle tabelle FTN/ILM NHLFE Tabella FTN/ILM

49. Costruzione ILM • dinamica: la ILM viene costruita a partire dalla tabella di routing IP presente nel LSR e dalla LIB; in questo caso l’indicazione del Next-Hop proviene dal protocollo di routing adottato dalla rete (OSPF, IS-IS, ecc.). • esplicita: la ILM viene costruita tramite un protocollo di segnalazione che permette di scrivere la riga corrispondente a ciascuna FEC; in questo caso il Next-Hop viene determinato esplicitamente (da un Operatore o automaticamente) attraverso un protocollo di segnalazione (es. RSVP-TE, CR-LDP, vedi capitolo su “Traffic Engineering”).

50. ILM CISCO 3640 P1# show mpls forwarding-table Local Outgoing Prefix Bytes tag Outgoing Next Hop tag tag or VC or Tunnel Id switched interface 16 Untagged 10.1.1.2/32 0 Se0/0 point2point 17 Pop tag 192.168.0.12/32 0 Fa0/0 172.16.1.12 18 Untagged 172.16.2.0/24 0 Fa0/0 172.16.1.1 19 Untagged 172.16.3.0/24 0 Fa0/0 172.16.1.1 20 Untagged 172.16.12.0/24 0 Fa0/0 172.16.1.1 21 Untagged 172.16.13.0/24 0 Fa0/0 172.16.1.1 22 Untagged 172.16.23.0/24 0 Fa0/0 172.16.1.1 23 Pop tag 192.168.1.1/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 24 19 192.168.1.2/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 25 20 192.168.1.3/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 26 28 192.168.0.21/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 27 24 192.168.0.22/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 28 25 192.168.0.31/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 29 26 192.168.0.32/32 0 Fa0/0 172.16.1.1 30 Untagged 10.10.0.0/24 0 Se0/0 point2point 31 Untagged 10.1.11.0/24 0 Se0/0 point2point 32 Untagged 10.11.0.0/24 0 Se0/0 point2point Etichetta entrante FEC Interfaccia uscente Fa=Fast Ethernet Se=Seriale Next-Hop Etichetta uscente