MPLS

Alexander Calle, Gabriel Castro, Ricardo Guerrero, Cristian Vintimilla

1. Introduccion.

MPLS (siglas de Multiprotocol Label Switching) es un mecanismo de transporte de datosestandar creado por la IETF y definido en el RFC 3031. Opera entre la capa de enlace de datos yla capa de red del modelo OSI. Fue disenado para unificar el servicio de transporte de datos paralas redes basadas en circuitos y las basadas en paquetes. Puede ser utilizado para transportardiferentes tipos de trafico, incluyendo trafico de voz y de paquetes IP.

MPLS esta reemplazando rapidamente frame relay y ATM como la tecnologa preferida parallevar datos de alta velocidad y voz digital en una sola conexion. MPLS no solo proporciona unamayor fiabilidad y un mayor rendimiento, sino que a menudo puede reducir los costos generalesmediante una mayor eficiencia de la red. Su capacidad para dar prioridad a los paquetes quetransportan trafico de voz hace que sea la solucion perfecta para llevar las llamadas VoIP.

Hoy MPLS trabaja con otras redes de conmutacion de paquetes, proporcionando los mismosbeneficios como lo hace para IP. Sin embargo, para simplificar, vamos a centrar nuestra discusionsobre como funciona con IP. MPLS pueden ser considerada como una capa intercalada entre lacapa IP y la capa de enlace de datos. MPLS proporciona un camino de conmutacion de etiquetas(LSP) entre los nodos en la red.

Una implementacion del router MPLS se llama un router de conmutacion de etiquetas (LSR).Cada paquete ahora lleva una etiqueta que esta asociada con un camino de etiquetas conmuta-das. Cada LSR mantiene una tabla de etiquetas de reenvo, que especifica el enlace de salida yla etiqueta de salida para cada etiqueta de entrada. Cuando un LSR recibe un paquete, extraela etiqueta, lo utiliza para ndice en la tabla de reenvo, sustituye a la etiqueta entrante con laetiqueta de salida, y reenva el paquete en el enlace especificado en la tabla de reenvo.

Este paradigma MPLS muy simple tiene varias aplicaciones en una red IP.1. Separacion de control y de planos de datos: Una de las filosofas de diseno fun-

damentales en MPLS es que la etiqueta de conmutacion y proceso de reenvo de paquetes encada enrutador esta completamente desacoplados de como LSP se configura y toma en la red.Podemos pensar en este ultimo como una funcion de control de la red, que implica primerodecidir que LSP para configurar o tomar hacia abajo y luego en realidad la que fueron creados yllevarlos hacia abajo. Esta simple separacion nos permite construir el hardware optimizado parael reenvo de paquetes, independiente de los mecanismos de control de la red.

2. Procesamiento de reenvo de Paquete: Un LSR haciendo de envo de etiquetas po-tencialmente puede procesar un numero mucho mayor de paquetes por segundo en comparacioncon un router regular, porque la etiqueta de conmutacion y proceso de reenvo es mucho massimple que el enrutamiento IP clasica y puede ser implementado casi enteramente en hardwa-re. Mientras que muchas de las funciones de encaminamiento IP clasica discutido en la seccionanterior tambien se puede implementar en hardware, existe un acoplamiento estrecho entre lafuncion de encaminamiento y la funcion de control en IP. Cualquier cambio en el marco decontrol se reflejan en el comportamiento de enrutamiento. MPLS, puede optimizar el hardwarede reenvo en los LSRs, independiente de como los caminos por conmutacion de etiquetas estan

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configurados o bajados.

3. Conexion orientada: el reenvo de paquetes IP se basa en las direcciones de destino delos paquetes, es decir, sin conexion de enrutamiento. Esto significa que los paquetes en un nodocon el mismo destino seran enviadas fuera de un nexo comun. No importa si estos paquetes tienendiferentes requisitos de servicio. Ademas, este tipo de desvo puede tener el efecto no deseadode canalizar el trafico de paquetes a ciertos vnculos y sobrecargarlos. MPLS es orientado a laconexion. Sus paquetes se organizan en flujos de paquetes llamados clases de equivalencia haciaadelante, y cada clase de equivalencia hacia adelante tiene un LSP. Esto tiene varias implica-ciones. En primer lugar, los paquetes con diferentes requisitos de servicio se pueden separar endiferentes clases de equivalencia hacia delante, y sus LSP pueden tomar diferentes rutas, inclusosi tienen los mismos nodos de origen y de destino. En segundo lugar, el trafico para el mismodestino se puede dividir para mejorar el rendimiento de la red, por ejemplo, el equilibrio de cargadel trafico entre los enlaces para aliviar la congestion del enlace. Esto se denomina ingenierade trafico. Se puede implementar dividiendo el trafico de paquetes en clases de equivalenciade avance y de enrutamiento de sus LSP para evitar la congestion. Por ultimo, MPLS puedeutilizarse para soportar multiples redes privadas virtuales (VPN) a traves de una red IP unica.Cada VPN se puede llevar a lo largo de un conjunto separado de LSP, que permite al proveedorde servicios para proporcionar calidad de servicio, seguridad y otras medidas de poltica sobreuna base VPN especfica.

4. Enrutamiento explcito: enrutamiento IP sigue caminos mas cortos a nodos de destino.Aunque esto puede ser eficiente en el uso de recursos de red, tambien puede ser limitante. MPLSpermite encaminamiento explcito. LSP se pueden dirigir explcitamente para garantizar que seatraviesan enlaces que ofrecen ciertas garantas de calidad de servicio para sus paquetes. Ellos sepueden dirigir a lo largo de los vnculos con suficiente ancho de banda reservado para habilitargarantas de calidad de servicio. Encaminamiento explcito puede ser usado para implementarla ingeniera de trafico y evitar la congestion de la red. Puede ser utilizado para implementar elservicio VPN. Otra aplicacion importante es la supervivencia de los fallos de la red, donde unaruta de respaldo se utiliza LSP si un LSP principal falla.

Decidir que LSP para instalarse en una red puede ser un proceso complicado, en funcionde los objetivos y la aplicacion. Por suerte, como hemos indicado anteriormente, esta funcionesta completamente desacoplada del mecanismo de conmutacion de etiqueta en los LSRs. Porejemplo, si el objetivo es simplemente para reducir el retardo de paquetes, podramos configurarLSP entre pares de nodos con una gran cantidad de trafico entre ellos. Si el objetivo es propor-cionar garantas de calidad de servicio, configuramos LSP basado en la disponibilidad de anchode banda en la red.

2. Etiquetas y Envo

La figura 1 ilustra los conceptos de etiquetas y envo. Un paquete IP transmitido en la LSPX adquiere una etiqueta X1 al ingresar a la LSP. Mientras esta siguiendo la LSP, una etiquetade paquete puede cambiar de un enlace a otro. Esto se conoce como intercambio o conmutacionde etiquetas. Notese que en el nodo anterior al ultimo nodo de la LSP, la etiqueta es removida.Realmente no es necesaria ya que esta saliendo de la LSP. Esto se conoce como remocion depenultimo salto (PHP) y se realiza para que el ultimo nodo de la LSP tenga un procesamientomenor. Para los LSRs A y B, la LSP X se comporta como un enlace virtual punto a punto. Estoa menudo se conoce como tunel porque pasa por debajo de la clasica capa de enrutamiento IP,y esta es la razon por la cual MPLS es visto como una capa entre la clasica capa IP y la capade enlace.

MPLS extiende el concepto de tunneling permitiendo que las LSPs tengan su propios tuneles

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Figura 1: Una LSP X simple

LSP, como se muestra en la figura 2. La figura considera nuevamente la LSP X pero en lugarde los LSRs C y D esten conectados por un enlace fsico, estan conectados por una LSP Y. Portanto, la LSP Y es un tunel para la LSP X. Un paquete IP pasara a traves de la LSP X usandouna etiqueta para X. Sin embargo, cuando llega al LSR C, el LSR insertara una etiqueta parala LSP Y y lo enviara por esta LSP. Cuando llega al final de la LSP Y, la etiqueta para Yes removida usando PHP. En el LSR D, el paquete continua en la LSP X. Las etiquetas sonanadidas y eliminadas del paquete como una pila. Una propiedad agradable de la organizacionen pila es que para enviar un paquete a traves de la red, solo la cima de la pila de etiquetas esexaminada. Multiples LSPs pueden usar un tunel LSP comun como un enlace virtual.

Figura 2: Un tunel LSP Y para una LSP X

Un paquete MPLS tiene una cabecera MPLS de 4 bytes: un campo de etiqueta de 20 bits,un campo experimental (EXP) de 3 bits, una bandera de final de pila, y un campo de tiempode vida (TTL) de 8 bits, como se muestra en la figura 3. TTL es un indicador de cuanto tiempoel paquete ha estado en la red; cuando expira, el paquete es descartado. Esto ayuda a removerpaquetes que han sido direccionados de manera erronea y siguen persistentes en la red. Unaposible aplicacion del campo experimental de 3 bits es implementar la calidad de servicio (QoS).

Figura 3: Una etiqueta MPLS

Estas cabeceras MPLS son apiladas en la parte delantera del paquete IP como se muestraen la figura 4. Para enviar paquetes, los LSRs deben ser capaces de procesar la cima de lapila mediante las operaciones de apilar (PUSH) una cabecera, desapilar (POP) una cabecera, ointercambiar (SWAP) etiquetas.

En una operacion SWAP, la etiqueta es cambiada por otra y el paquete es enviado en latrayectoria asociada a esta nueva etiqueta. En una operacion PUSH una nueva cabecera esempujada encima de otra, si existe. Si en efecto haba otra cabecera antes de efectuar esta ope-racion, la nueva cabecera encapsula a la anterior. En una operacion POP la etiqueta es retiradadel paquete, lo cual puede revelar una cabecera interior en caso de existir. A este proceso se lollama desencapsulado y es usualmente efectuado por el enrutador de egreso, con la excepcion de

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Figura 4: Una pila de etiquetas LSP antepuesta a un paquete IP

PHP.

El paradigma de etiqueta de MPLS puede simplificar la operacion y reducir la complejidad,resultando en una mejor escalabilidad para redes grandes. Las pilas de etiquetas solo requierenque sus cimas sean procesadas. Ademas, usando un tunel LSP comun para transportar multiplesLSPs constituyentes se puede reducir la complejidad debido a que un LSR intermedio se ocupaunicamente de un solo tunel en lugar de varias LSPs constituyentes. Adicionalmente, redes queestan organizadas de manera jerarquica pueden usar tuneles LSP para simplificar su operacion.

3. Calidad de Servicio(QoS)

MPLS soporta calidad de servicio. En primer lugar, cada cabecera MPLS tiene un campoEXP de 3 bits que puede ser utilizado para mantener valores de prioridad o de clase de servicio.LSRs pueden procesar y enviar paquetes de acuerdo a estos valores. En segundo lugar, los pa-quetes con calidad comun de los requisitos de servicio pueden ser agrupados como una clase deequivalente. Entonces un LSP y su etiqueta MPLS corresponden a una clase de servicio. Paracumplir requisitos de calidad de servicio, la LSP puede colocarse de forma que hay suficientesrecursos a lo largo de la ruta. Ademas, LSRs pueden procesar y enviar paquetes de la LSP paracumplir los requisitos.

QoS permite a los administradores de redes el uso eficiente de los recursos de sus redes con laventaja de garantizar que se asignen mas recursos a aplicaciones que as lo necesiten, sin arriesgarel desempeno de las demas aplicaciones. En otras palabras el uso de QoS le da al administradorun mayor control sobre su red, lo que significa menores costos y mayor satisfaccion del cliente ousuario final.

En los ultimos anos el trafico de redes ha aumentado considerablemente, la necesidad detransmitir cada vez mas informacion en menos tiempo, como video y audio en tiempo real(streaming media). La solucion no es solo aumentar el ancho de banda (bandwidth) cada vezmas, ya que en la mayora de los casos esto no es posible y el ademas es limitado. Es aqu dondela administracion efectiva de recursos que provee QoS entra a relucir.

QoS trabaja a lo largo de la red y se encarga de asignar recursos a las aplicaciones quelo requieran, dichos recursos se refieren principalmente al ancho de banda. Para asignar estosrecursos QoS se basa en prioridades, algunas aplicaciones podran tener mas prioridades queotras, sin embargo se garantiza que todas las aplicaciones tendran los recursos necesarios paracompletar sus transacciones en un periodo de tiempo aceptable.

En resumen QoS otorga mayor control a los administradores sobre sus redes, mejora lainteraccion del usuario con el sistema y reduce costos al asignar recursos con mayor eficiencia(bandwidth). Mejora el control sobre la latencia (Latency y jitter) para asegurar la capacidad detransmision de voz sin interrupciones y por ultimo disminuye el porcentaje de paquetes desecha-dos por los enrutadores: confiabilidad (Reliability).

MPLS impone un marco de trabajo orientado a conexion en un ambiente de Internet basadoen IP (Internet Protocol) y facilita el uso de contratos de trafico QoS exigentes.

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Figura 5: Priorizacion de trafico

4. Senalamiento y Ruteo

Los protocolos de senalamiento originales para MPLS fueron: el Protocolo de Reserva de Re-cursos (RSVP) y el Protocolo de Distribucion de Etiquetas (LDP). Bajo estos protocolos, cuandoingresa un LSR se tiene un LSP para establecer que enve un mensaje de solicitud a la salida LSR.

La salida LSR enva un mensaje de respuesta por el trayecto inverso que establece las tablasde reenvo de etiqueta a lo largo del trayecto. Los mensajes de reenvo y solicitud siguen lostrayectos que son limitados a las rutas de trayectoria mas cortas de IP, entonces LSPs son mascortos a lo largo de la ruta de trayectoria.

Ingeniera de trafico es usada para trasmitir de manera optima el trafico de usuarios desdela fuente al destino.

RSVP-Traffic Engineering (RSVP-TE) and Constrained-based Routing LDP (CR-LDP) sonactualizaciones para RSVP y LDP, as que las rutas LSP pueden ser definidas explcitamentepor las entradas LSRs. Ahora una entrada LSR pueden calcular un trayecto para un LSP nuevoy almacenar la informacion del trayecto en una solicitud de mensaje. La solicitud del mensajesigue el trayecto usando la informacion que esta llevando. El mensaje de reenvo del mensajesigue el trayecto reverso, estableciendo tablas de reenvo de etiqueta a lo largo del trayecto.

Para calcular rutas LSP, entradas LSRs recogen informacion acerca de la topologa de lared y recursos de cada enlace. por ejemplo, usando el mismo mecanismo usado para recogerinformacion de la topologa para ruteo IP. Los trayectos pueden ser calculados para evitar que elenlace no pueda soportar el nivel de servicio de un LSP, tal como enlaces con insuficiente anchode banda. En la siguiente se muestra como se vera la topologa.

5. Transporte de Portadora

La tecnologa MPLS puede ser usada por proveedores de servicio para implementar serviciosde conexion, especialmente servicios de transporte de paquetes para clientes. Un ejemplo deservicio cliente es la Conectividad Ethertnet.

Para el operador de red, MPLS ha sido ampliamente usada en protocolos de senalamiento talcomo LDP y RSVP-TE, as como otras operaciones y funciones de mantenimiento. Las etiquetashacen que el procesamiento sea escalable a redes mas grandes. El soporte de calidad de servicio

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Figura 6: Cliente IP enva un paquete encapsulado a traves de MPLS Label Switched Path(LSP)

asegura acuerdos de nivel de servicio e ingeniera de trafico para optimizar el uso de recursos dered.

MPLS puede ser hecho para proveer servicios de conexion para una variedad de protocolosusando tecnologa pseudowire. Un pseudowire es un servicio de conexion sobre una red de con-mutacion de paquetes, la cual en muchos casos es MPLS. Por ejemplo, hay un pseudowire deEthernet sobre MPLS, el cual tiene una conexion MPLS parecida a una conexion Ethernet.

Transportar MPLS (T-MPLS) es otra tecnologa de redes que soportan servicio de transporteen grado portador para el trafico de paquetes. T-MPLS y MPLS no son redes iguales, as quepaquetes IP/MPLS deben ser encapsulados para ser transportados en una conexon T-MPLS.T-MPLS reutiliza la arquitectura de MPLS y la simplifica para el transporte. Esto anade carac-tersticas para soportar conexion bidireccional, ya que MPLS es una tecnologa unidireccional.Ya que se espera que las conexiones T-MPLS tengan tiempos de vida muy largos, T-MPLS tieneproteccion para conmutacion, operaciones y mantenimiento que no se encuentra en un MPLS or-dinario. Debido a las preocupaciones de la compatibilidad de T-MPLS y MPLS, el desarrollo deT-MPLS se ha detenido y se empezo a trabajar sobre un nuevo MPLS llamado MPLS-TransportProfile (MPLS-TP). Este nuevo desarrollo incorporara probablemente algunos de los aspectosde T-MPLS.

6. Preguntas

En que capa del modelo OSI opera el mecanismo de MSP?

Que es la LSR y para que sirve?

Una de las desventajas de MPLS es que no permite una separacion optimizadopara el reenvo de paquetes, independiente de los mecanismos de control de lared. (verdadero o falso).

Cual es la ventaja del procesamiento de reenvo de paquetes?

Como se denomina a la conexion orientada, cuando se mejora el equilibrio decarga del trafico para aliviar la congestion del enlace?

Explique que es el enrutamiento explcito, mencione dos beneficios?

Cual es la ventaja DVB por conexion de alta velocidad?

A que se conoce como conmutacion de etiquetas?

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Explique el PHP

Que es un tunel?

Como esta constituida una cabecera MPLS?

Explique las operaciones que realizan los LSRs para procesar la cima de la pila

Como se puede reducir la complejidad de una red?

Que campo de la cabecera MPLS es utilizada como valores de prioridad oclases de servicio?

Que permite el QoS?

Por que la importancia de QoS?

Indique los beneficios principales de QoS

Cuales son los protocolos originales de MPLS y que sucede bajo estos?

Para que se usa la ingeniera de trafico?

Como se comportan las actualizaciones para los protocolos originales?

De que manera se calculan las rutas con las actualizaciones?

Para que se calculan los trayectos?

Como se puede usar MPLS? Ejemplo

Que permiten o hacen las etiquetas?

Como se provee servicios para varios protocolos?

Que es T-MPLS?

Como se transporta un paquete IP/MPLS a traves de T-MPLS y por que?

Como T-MPLS soporta comunicacion bidireccional?

T-MPLS sigue en desarrollo? Por que?

Como se llama y que incorporara el nuevo desarrollo?

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