DE LA
CONMUTACIÓN DE
ETIQUETAS
MULTIPROTOCOLO
CAPÍTULO 3: ARQUITECTURA DE LA CONMUTACIÓN DE
ETIQUETAS MULTIPROTOCOLO.
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Al principio el IPv4 fue el único protocolo en ser conmutado por medio de etiquetas.
Después, se unió IPv6. Posteriormente, con AToM o “Cualquier trasporte sobre MPLS”
fue el comienzo para etiquetar y transportar tramas de capa 2 sobre una dorsal MPLS. Así es como se llenó el aspecto multiprotocolo de MPLS.
La conmutación de etiquetas indica que los paquetes conmutados ya no son paquetes IPv4, paquetes IPv6 o tramas de capa 2 cuando son conmutados, pero son etiquetados. La parte más importante para MPLS es la etiqueta.
3.1 ETIQUETAS MPLS.
Una etiqueta MPLS es un campo de 32 bits con una estructura determinada. La figura 3.1 muestra la constitución de una etiqueta.
Figura 3.1 Constitución de una etiqueta o label MPLS.
Los primeros 20 bits son los valores de la Label o etiqueta. Este valor puede estar entre 0 y 2²º-1 o 1,048,575. Por otro lado. Los primeros 16 valores fueron exentados de uso normal. Los bits de 20 a 22 son los tres bits experimentales o EXP. Estos tres bits son usados para la calidad de servicio o QoS (QoS - Quality of Service).
El bit 23 es la parte trasera de la pila o BoS (BoS – Bottom of Stack). Éste es 0 menos que sea la etiqueta trasera o la última de etiqueta en la cola. Si es así, el bit BoS es puesto como 1. La pila es una colección de etiquetas que son encontradas en la parte superior del paquete. La pila puede consistir de una o más etiquetas. El número de etiquetas que se puede encontrar en la pila no tiene límite.
Los bits de 24 a 31 son 8 bits usados para el tiempo de vida o TTL (TTL-Time To Live). TTL tiene la misma función que el TTL encontrado en el encabezado IP. Éste puede ser de un valor decrementado de uno en uno en cada salto. Su principal función
es evitar que un paquete se atore en un bucle “enrutado”. Si un bucle enrutado ocurre
y no hay un TTL presente, el paquete puede enlazarse eternamente. SI el TTL de una etiqueta alcanza el valor 0, el paquete es descartado.
3.2 APILADO DE ETIQUETAS.
Un enrutador con la capacidad de usar MPLS puede necesitar más de una etiqueta en
la parte superior de un paquete para “enrutar” dicho paquete a través de la red MPLS.
Esto es pasible si empaquetan las etiquetas en una pila. La primera etiqueta en la pila se denomina top label o etiqueta superior, y la última etiqueta es llamada etiqueta bottom label o última etiqueta. Entre estas etiquetas se puede tener cualquier número de etiquetas. La figura 3.2 muestra la estructura de una pila de etiquetas.
Figura 3.2 Estructura de una pila de etiquetas MPLS.
3.3 CODIFICACIÓN DE MPLS.
La pila de etiquetas o MPLS Label Stack se coloca en enfrente del paquete de capa 3, es decir, antes del encabezado del Protocolo Transportado o Transported Protocol pero después del Encabezado de Capa 2 o Layer 2 Header. En la figura 3.3 se puede visualizar la colocación de la pila de etiquetas para paquetes etiquetados.
El encapsulado del enlace puede ser casi cualquier tipo encapsulado suportado por el sistema operativo de un determinado router.
3.4 ENRUTADOR CONMUTADOR DE ETIQUETAS.
Un enrutador conmutador de etiquetas o label switch router es un enrutador que soporta MPLS. Es capaz de entender etiquetas MPLS; y de recibir y transmitir un paquete etiquetado en un enlace de datos. En una red MPLS, existen tres clases de enrutadores:
-LSRs de ingreso o Ingress LSRs.
Estos enrutadores reciben un paquete que aún no es etiquetado, insertan una etiqueta enfrente del paquete, después es enviado en el enlace de datos.
-LSRs de egreso o Egress LSRs.
Estos enrutadores reciben paquetes ya etiquetados, su función es remover las etiquetas y enviar estos paquetes en un enlace de datos. Los Ingress LSRs y Egress LSRs también son conocidos como LSRs de borde o Edge LSRs.
-LSRs intermediarios o Intermediate LSRs.
Este tipo de enrutadores reciben un paquete etiquetado, realizan alguna operación en él, conmutan el paquete y posteriormente envían el paquete al enlace de datos correcto.
Un LSR es capaz de remover una o más etiquetas de la parte superior de la pila de etiquetas antes de conmutar el paquete a la salida. Un LSR debe ser capaz de empujar una o más etiquetas en el paquete recibido. Si el paquete recibido ya ha sido etiquetado, el LSR empuja una o más etiquetas en la pila de etiquetas y conmuta el paquete a la salida. Si el paquete no ha sido etiquetado, el LSR crea una pila de etiquetas y la empuja en el paquete. Un LSR también debe ser capaz de intercambiar una etiqueta. Esto significa que cuando un paquete etiquetado es recibido, la etiqueta superior de la pila de etiquetas es intercambiada por una nueva etiqueta y el paquete es conmutado en la salida del enlace de datos.
Un LSR que empuja etiquetas en un paquete que no ha sido etiquetado es llamado LSR imponente o imposing LSR porque es el primer LSR en imponer etiquetas en el paquete. Un router que realiza imposición es un LSR de ingreso. Un LSR que remueve etiquetas de un paquete etiquetado antes de conmutar el paquete a la salida es un LSR disponente o disposing LSR. Un router que realiza esta acción es un LSR de egreso.
3.5 CAMINO CONMUTADO DE ETIQUETAS.
Un camino conmutado de etiquetas (LSP – Label Switched Path) es una secuencia de LSRs que conmutan paquetes etiquetados a través de una red MPLS. Básicamente, el LSP es el camino a través de la red MPLS o parte de ella que los paquetes toman. El primer LSR de una LSP es el ingress LSR para ese LSP, mientras que el último LSR del LSP es el egress LSR. Todos los LSRs entre los ingress y egress LSRs son los intermédiate LSRs.
En la figura 3.4, la flecha en la parte superior indica la dirección porque un LSP es unidireccional. El flujo de paquetes etiquetados en otra dirección, de derecha a izquierda entre los mismos edge LSRs puede ser otro LSP.
Figura 3.4 Red MPLS.
El ingress LSR de un LSP no es necesariamente el primer enrutador en etiquetar el paquete. El paquete puede haber sido etiquetado por un procedente LSR. Como un caso pudo ser un LSP anidado. Lo que quiere decir, un LSP dentro otro LSP. En la figura 3.5, se puede ver un LSP abarcando el ancho completo de una red MPLS. Otro LSP empieza en el tercer LSR y termina en el penúltimo LSR. Por lo tanto, cuando el paquete entra al segundo LSP en su ingress LSR (esto significa el tercer LSR), ya es etiquetado. Este ingress LSR del LSP anidado después empuja una segunda etiqueta en el paquete. La pila de etiquetas del paquete en el segundo LSP tiene dos etiquetas ahora. La etiqueta superior pertenece al LSP anidado y la etiqueta inferior pertenece al LSP que se expande en la red completa MPLS.
Figura 3.5 Red MPLS con LSPs anidados.
3.6 CLASES DE EQUIVALENCIA DE REENVÍO (FECs)
Una clase de equivalencia de reenvío (FEC – Forwarding Equivalence Class) es un grupo o flujo de paquetes que son reenviados en el mismo camino y son tratados con la misma consideración de reenvío. Todos los paquetes pertenecientes al mismo FEC tienen la misma etiqueta. No obstante, no todos los paquetes que tienen la misma etiqueta pertenecen al mismo FEC porque su valor EXP puede ser diferente; así que el tratamiento de reenvío puede ser diferente y pueden pertenecer a un FEC diferente. El enrutador que decide que paquete pertenece a que FEC es el ingress LSR. Es lógico porque el ingress LSR clasifica y etiqueta los paquetes.
Algunos ejemplos de FECs son:
-Paquetes con direcciones de destinos IP igualando un prefijo determinado. -Paquetes multicast perteneciendo un determinado grupo.
-Paquetes con un mismo tratamiento de reenvío.
-Tramas de capa 2 llevadas a través de una red MPLS recibidas en un VC o subinterface en el ingress LSR y transmitido en un VC o subinterface en el egress LSR.
-Paquetes con direcciones IP destino de Capa 3 que pertenecen a un conjunto de prefijos de protocolos de pasarela de borde (BGP), todo con el mismo siguiente salto BGP.
En el último ejemplo de un FEC, todos los paquetes en el ingress LSR para el cual la dirección IP destino apunta a un conjunto de rutas BGP en la tabla de enrutamiento pertenecen a un FEC. Es decir, todos los paquetes que entran a la red MPLS son etiquetados dependiendo en cual es el salto siguiente BGP. La figura 3.6 muestra una red MPLS en que todos los LSRs de borde corren BGP interno (iBGP).
Figura 3.6 Una red MPLS con LSR corriendo BGP o iBGP.
La dirección IP destino de todos los paquetes IP entrando al ingress LSR serán buscadas en la tabla de reenvío IP. Todas estas direcciones pertenece a un conjunto de prefijos que son conocidos en la tabla de enrutamiento como prefijos BGP. Varios de los prefijos BGP en la tabla de enrutamiento tienen la misma dirección del salto siguiente BGP, a saber esto un egress LSR. Todos los paquetes con una dirección IP destino para los cuales la búsqueda IP en los recursos de la tabla de enrutamiento a la misma dirección de siguiente salto BGP serán mapeados al mismo FEC. Todos los paquetes que pertenecen al mismo FEC obtienen la misma etiqueta impuesta por el ingress LSR.
3.7 DISTRIBUCIÓN DE ETIQUETAS.
La primera etiqueta es impuesta por el ingress LSR y la etiqueta pertenece a un LSP. El camino del paquete a través de la red MPLS es ligado a ese LSP. Todo lo que cambia es que esa etiqueta superior en la pila de etiquetas es intercambiada en cada salto. El ingress LSR impone una o más etiquetas en el paquete. Los intermediate LSRs intercambian la etiqueta superior (la etiqueta entrante) del paquete recibido etiquetado con otra etiqueta (la etiqueta saliente) y transmite el paquete en el enlace saliente. El egress LSR del LSP desmonta las etiquetas de este LSP y reenvía el paquete.
En el caso de IPv4 sobre MPLS, que es una red que consiste de LSRs que corren un protocolo de pasarela interior o IGP (Como es el caso del protocolo de información de
sistema intermedio [IS-IS] y protocolo de enrutamiento de pasarela interior mejorado [EIGRP]). El ingress LSR busca la dirección IPv4 destino de el paquete, impone una etiqueta y reenvía el paquete. El siguiente LSR recibe el paquete etiquetado, intercambia la etiqueta entrante por una etiqueta saliente y reenvía el paquete. El egress LSR remueve la etiqueta y reenvía el paquete IPv4 sin etiquetas en el enlace saliente. Para que esto funcione correctamente los LSRs adyacentes debe estar de acuerdo en que etiqueta debe usarse para cada prefijo IGP. Por lo tanto, cada intermediate LSR debe tener la capacidad de figurar que etiqueta saliente, la etiqueta entrante debe ser intercambiada. Esto significa, que se requiere un mecanismo que indique a los enrutadores que etiquetas se deben usar cuando se reenvíe un paquete. Etiquetas son locales para cada par de enrutadores adyacentes. Las etiquetas no tienen significado global a través de la red. Para cada enrutador adyacente esté de acuerdo en que etiqueta usar para que prefijo, estos necesitan alguna forma de comunicación entre ellos; de otra forma, los enrutadores no reconocen que etiqueta saliente es necesaria para igualar que etiqueta entrante. Por lo que es necesario un protocolo de distribución de etiquetas.
Se pueden distribuir etiquetas en dos maneras:
-Recargar las etiquetas en un protocolo de enrutamiento IP existente. -Tener un protocolo separado que distribuya las etiquetas.
El primer método tiene la ventaja que un nuevo protocolo no es necesario para correr en los LSRs pero cada protocolo de enrutamiento IP necesita ser entendido para llevar las etiquetas. La gran ventaja de tener un protocolo de enrutamiento que lleve las etiquetas es que el enrutamiento y la distribución de etiquetas siempre están en sincronía. Lo que significa que no se puede tener una etiqueta si el prefijo se encuentra perdido y viceversa. También elimina la necesidad de otro protocolo para la distribución de etiquetas. La implementación para protocolos de enrutamiento vector de distancia (como EIGRP) es completamente plana, ya que cada enrutador origina un prefijo de su tabla de enrutamiento.
Los protocolos de enrutamiento de estado de enlace (como IS-IS y OSPF) no funcionan de esa forma. Cada enrutador origina actualizaciones de estado del enlace que después son reenviadas y sin alteraciones por todos los enrutadores dentro de un área.
El segundo método, que es correr un protocolo separado para distribución de etiquetas tiene la ventaja de ser protocolo de enrutamiento independiente. De la forma que sea el protocolo de enrutamiento, si es capaz de distribuir etiquetas o no, un protocolo separado distribuye las etiquetas y permite a los protocolos de enrutamiento distribuir los prefijos.
3.8 IP SOBRE ATM.
El protocolo IP fue conquistando terreno como protocolo de red ante otras arquitecturas que se encontraban en uso. El gran auge de la Internet y su explosivo crecimiento generó un déficit de ancho de banda, ya que las redes dorsales IP de los proveedores de servicio estaban construidos con enrutadores conectados por líneas dedicadas, lo que ocasionaba congestión y saturación de las redes. Por lo que se requirieron otras alternativas de ingeniería de tráfico.
La respuesta de los proveedores de servicio de Internet o ISPs fue el incremento del número y de la capacidad de los enlaces. Del mismo modo, se plantearon la necesidad de aprovechar mejor los recursos de red existentes, sobre todo la utilización eficaz del ancho de banda de todos los enlaces. Con los protocolos habituales de encaminamiento (basados en métricas del menor número de saltos), ese aprovechamiento del ancho de banda global no resultaba efectivo.
Por lo tanto, los esfuerzos se centraron en aumentar el rendimiento de los enrutadores tradicionales, tratando de combinar de diversas maneras, la eficacia y rentabilidad de los conmutadores ATM con las capacidades de control de IP.
A favor de integrar conmutación y enrutamiento, estaban las infraestructuras de redes ATM que comenzaban a desplegar los operadores de telecomunicación. Estas redes ofrecían entonces una buena solución a los problemas de crecimiento de los ISPs. Por un lado, proporcionaba mayores velocidades y además, las características de respuesta determinanticas de los circuitos virtuales ATM posibilitaban la implantación de soluciones de ingeniería de tráfico. El modelo de red "IP sobre ATM" (IP/ATM) pronto ganó adeptos entre la comunidad de ISPs, a la vez que facilitó la entrada de los operadores telefónicos en la provisión de servicios IP y de conexión a la Internet al por mayor.
El funcionamiento IP/ATM supone la superposición de una topología virtual de enrutadores IP sobre una topología real de conmutadores ATM. Cada enrutador se comunica con el resto mediante los circuitos virtuales permanentes (PVC) que se establecen sobre la topología física de la red ATM, desconociendo la topología real de la infraestructura ATM que sustenta los PVC.
La base del modelo IP/ATM está en la funcionalidad proporcionada por el nivel ATM, es decir, los controles de software (señalización y enrutamiento) y el envío de las celdas por hardware (conmutación). En realidad los circuitos (PVCs) se establecen a base de intercambiar etiquetas en cada conmutador de la red, por lo tanto asociando etiquetas entre todos los elementos ATM se determinan los PVCs.
El intercambio de etiquetas es uno de los componentes fundamentales en la arquitectura MPLS. Las etiquetas tienen solamente significado local en los conmutadores y son la base de la rapidez en la conmutación de celdas. La potencia de esta solución de topologías superpuestas está en la infraestructura ATM de la
de los 90, tenían una calidad cuestionable, al estar basados en funcionamiento por software.
La solución de superponer IP sobre ATM permite aprovechar la infraestructura ATM existente. Las ventajas inmediatas son el ancho de banda disponible a precios competitivos y la rapidez de transporte de datos que proporcionan los conmutadores. En los casos de ISPs de primer nivel que poseen y operan la red dorsal ATM para ofrecer el servicio de sus redes IP, los caminos físicos de los PVCs se calculan a partir de la necesidades del tráfico IP, utilizando la clase de servicio ATM UBR (UBR - Unspecified Bit Rate), ya que en este caso el ATM se utiliza solamente como infraestructura de transporte de alta velocidad (no hay necesidad de apoyarse en los mecanismos inherentes de ATM para control de la congestión y clases de servicio). La ingeniería de tráfico se hace a base de proporcionar a los enrutadores los PVCs necesarios con una topología lógica entre enrutadores totalmente superpuestos. El "punto de encuentro" entre la red IP y a ATM está en el acoplamiento de las subinterfaces en los enrutadores con los PVCs, a través de los cuales se intercambian los enrutadores la información de enrutamiento correspondiente al protocolo interno IGP. Lo habitual es que, entre cada par de enrutadores, haya un PVC principal y otro de respaldo, que entra automáticamente en funcionamiento cuando falla el principal.
El modelo IP/ATM tiene también sus inconvenientes: se debe gestionar dos redes diferentes, una infraestructura ATM y una red lógica IP superpuesta, lo que supone a los proveedores de servicio unos mayores costos de gestión global de sus redes. Existe, además, lo que se llama la "tasa impuesta por la celda", una cabecera aproximada del 20% que causa el transporte de datagramas IP sobre las celdas ATM y que reduce en ese mismo porcentaje el ancho de banda disponible. Por otro lado, la solución IP/ATM presenta los típicos problemas de crecimiento exponencial n x (n-1) al aumentar el número de nodos IP sobre una topología completamente superpuestas. Debido al crecimiento exponencial de rutas el protocolo de pasarela interior debe realizar un mayor esfuerzo.
3.9 CONMUTACIÓN DE PAQUETES
Es la respuesta a los requerimientos de mantener una convergencia entre el enrutamiento de IP y la conmutación ATM. El nombre de conmutación de IP (IP switching) engloba dos términos antagónicos. IP: un protocolo no orientado a conexión, basado en enrutamiento, y Conmutación: método empleado por las redes ATM, gracias a la cual son posibles todas sus funcionalidades. Se basa en un mecanismo de intercambio de etiquetas al igual que Tag Switching.
Se caracteriza por no ocultar la verdadera topología de la red a la capa IP, evitando, entre otras cosas complejidad y duplicación de funcionalidad. Sin embargo, ciertos artículos que analizan pruebas sobre este sistema indican que el protocolo no ha sido
lo suficientemente cuidadoso con el manejo de direcciones. Esto conlleva a que su escalabilidad se ve limitada en redes grandes debido al gran número de circuitos virtuales que se requieren para cada conexión.
La convergencia continuada hacia IP de todas las aplicaciones existentes, junto a los problemas de rendimiento derivados de la solución IP/ATM, llevaron posteriormente a que varios fabricantes desarrollaran técnicas para realizar la integración de niveles de forma efectiva, sin las discontinuidades señaladas anteriormente. Esas técnicas se conocieron como "conmutación IP" (IP switching) o "conmutación multinivel" (multilayer switching). Una serie de tecnologías privadas condujeron finalmente a la adopción del actual MPLS. El problema que presentaban soluciones anteriores era la