2 – CONCEITOS E FUNCIONAMENTO

 

2.1 - Definições e Conceitos Fundamentais

 

Muitos conceitos básicos aplicados a qualquer tecnologia de encaminhamento devem ser revisados antes de descrever o funcionamento do MPLS.

 

                        2.1.1 – Roteamento (routing):

                        É o termo utilizado para descrever as ações tomadas por qualquer rede para transmitir pacotes. Pode haver um número qualquer de roteadores em uma rede, conectados de forma arbitrária. Os pacotes avançam na rede sendo enviados de uma máquina à outra em direção ao seu destino. Protocolos de roteamento permitem cada máquina entender qual é deve ser o próximo “nó” em que um pacote deve passar para chegar ao seu destino. Os roteadores utilizam protocolos de roteamento para construir as chamadas “tabelas de roteamento”. Quando um pacote é recebido e deve ser feita uma decisão de encaminhamento, o roteador procura nesta tabela, utilizando o endereço de destino do pacote como um índice, obtendo qual deve ser a próxima máquina. A construção das tabelas e seu uso são operações lógicas essencialmente independentes. A figura abaixo ilustra essas funções como podem ocorrer em um roteador.

 

                        2.1.2 – Comutação (switching):

                        É geralmente usada para descrever a transferência de dados de uma porta de entrada para uma porta de saída de uma máquina onde a seleção é baseada em informações de camada 2  (por exemplo, ATM VPI/VCI).

 

                        2.1.3 – Componente de controle:

                        Constrói e mantém uma tabela de encaminhamento para uso de um nó. Trabalho com os componentes de controle de outros nós para distribuir informações de roteamento de forma consistente e acurada, também certifica que procedimentos locais consistentes são usados para criar as tabelas de encaminhamento. Protocolos de rotamento padrão (OSPF,BGP,RIP) são usados para trocar informações de roteamento entre os componentes de controle. Deve reagir quando alguma alteração ocorre na rede, como falha de um enlace, mas não está envolvido no processamento de pacotes individuais.

 

                        2.1.4 – Componente de encaminhamento:

                        Realiza o encaminhamento de pacotes propriamente dito. Uso informações da tabela de encaminhamento, informações contidas no próprio pacote e um conjunto de procedimentos locais para tomar a decisão. Em um roteador convencional, um algoritmo de busca compara o endereço de destino com entradas na tabela de encaminhamento até obter a informação mais próxima possível. É importante ressaltar que um processo de tomada de decisão deve ser repetido em cada nó ao longo do caminho da origem até o destino. Em um roteador de tecnologia MPLS (LSR), um algoritmo de busca exata e troca de rótulo usa o rótulo no pacote e uma tabela de encaminhamento baseada em rótulos para obter um novo rótulo e uma interface de saída para o pacote.     

 

                                   2.1.5 – Tabela de encaminhamento:

                                   É um conjunto de registros em uma tabela que provê informação para ajudar o componente de encaminhamento a executar sua função. A tabela de encaminhamento deve associar cada pacote com um registro que provê instruções    relativas ao próximo destino do pacote.

           

                                   2.1.6 – Classe de equivalência de encaminhamento (FEC):

                        É definida como qualquer grupo de pacotes que podem ser tratados de forma equivalente para fins de encaminhamento. O exemplo de uma FEC é o conjunto de pacotes vindos de uma mesma origem com endereços de destino como mesmo prefixo de endereço IP. Outra FEC é o conjunto de pacotes cujos endereços de origem e destino são o mesmos. FECs podem ser definidas para qualquer nível de granularidade. A figura abaixo demonstra esta idéia:

 

                                   2.1.7 – Rótulo (Label):

            Um rótulo é um identificador relativamente curto, de tamanho fixo e não estruturado que pode ser usado para ajudar o processo de encaminhamento. Rótulos são associados a uma FEC por um processo de ligação (binding). São geralmente locais a um único enlace de dados e não possuem significado global (como o endereço). São análogos ao VPI/VCI usado em ambientes ATM. Como o ATM é uma tecnologia que já usa campos pequenos e de comprimento fixo para tomar decisões de comutação, a comutação por rótulos é avaliada como uma forma efetiva de aplicar IP sobre ATM. Rótulos são ligados a uma FEC como resultado de um evento que indica a necessidade de uma ligação. Esses eventos podem ser divididos em duas categorias:

- Ligação gerada por dados: Ocorrem quando o tráfego começa a fluir, é submetido a um LSR e reconhecido como um candidato a comutação por rótulo. A ligação é estabelecida apenas quando necessário, resultando em menos registros na tabela de encaminhamento. Rótulos são atribuídos a fluxos individuais de tráfego IP e não a pacotes individuais. Em uma rede ATM, isso pode resultar no uso de um número substancial de circuitos virtuais, o que pode limitar a escalabilidade da rede.

- Ligação gerada por controle: São estabelecidas como resultado de uma atividade do plano de controle e são independentes dos dados. Ligações de rótulos podem ser estabelecidas em resposta a atualizações de roteamento ou recebimento de mensagens RSVP. Esse tipo de ligação é mais facilmente escalável que a abordagem anterior e por esse motivo é usada no MPLS.

 

 

2.2 – Teoria de funcionamento

 

O roteamento por Rótulo é uma forma avançada de encaminhamento de pacotes que substitui os encaminhamentos convencionais por verificação de          endereços longos por uma algoritmo de troca de rótulos mais eficiente.

As letras MP (multi-protocol) significam que o protocolo pode transportar uma multidão de outros protocolos, isto é: é um protocolo de encapsulamento. As lestras LS (label switching) indicam que os protocolos estão sendo encapsulados com um rótulo que é trocado a cada nó.

Existem três distinções importantes entre uma comutação por rótulos e o roteamento convencional:

 

 

Um Roteador de comutação por rótulos (LSR) é um equipamento que suporta tanto o componente de controle padrão IP e componente de     encaminhamento por troca de rótulo. A figura abaixo mostra uma rede simplificada de comutação por rótulos e ilustra os LSRs de borda e de interior. Uma rede MPLS serve ao mesmo propósito de qualquer rede de roteamento convencional: entregar tráfego a um ou mais destinos. A adição de          encaminhamento por rótulo complementa mas não substitui o roteamento convencional.

           

           

 

                        2.2.1 -  Formato de Rótulos

O grupo de trabalho IETF decidiu que, quando possível, o MPLS deveria usar formatos existentes de rótulos. Por essa razão, MPLS suporta três tipos diferentes. Em hardware ATM, usa os bem definidos rótulos VCI e VPI. Em frame relay, usa o rótulo DLCI e em qualquer outro lugar, usa um novo e genérico rótulo conhecido como Shim, que se posiciona entre as camadas 2 e 3. Como o MPLS permite criar novos formatos de rótulos sem ter que trocar os protocolos de roteamento, deve ser relativamente simples extender a tecnologia para formas de transporte óptico emergentes, como DWDM e comutação óptica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 O cabeçalho Shim consiste em 32 bits em quatro partes: 20 bits são usados para o

rótulo, 3 bits para funções experimentais, 1 bit para função de de empilhamento e oito bits para TTL (Time to Leave).

 

 

 

2.2.2- O componente de Encaminhamento no MPLS

Uma vez que uma seqüência de rótulos – chamada de LSP (Label Switch Path) ou MPLS tunnel – tenha sido estabelecida, um LSR pode comutar tráfego rapidamente.

Na borda de uma rede MPLS, os LSRs fazem a classificação e decisões de encaminhamento examinando o cabeçalho IP dos pacotes não-rotulados. O resultado é que rótulos apropriados são aplicados aos pacotes e eles são então encaminhados a um LSR que serve como o próximo nó em direção ao destino final.

O rótulo serve como uma representação curta para o cabeçalho IP, reduzindo a complexidade de processamento em todos os nós subseqüentes do caminho. O rótulo é gerado durante o processamento do cabeçalho no nó LSR. Todos os nós subseqüentes na rede usam o rótulo para suas respectivas decisões de encaminhamento. É claro que o valor do rótulo pode, e geralmente muda a cada LSR no caminho pela rede.

Quando o pacote emerge do interior de uma rede MPLS, os LSRs de borda descobrem que devem encaminhar pacotes a uma interface não-rotulada, simplesmente removem qualquer encapsulamento de pacote antes de encaminhar.

Quando um LSR de interior recebe um pacote rotulado, o rótulo é extraído e usado como índice para a tabela de roteamento residente no LSR. Quando o rótulo extraído é encontrado na tabela, é verificado o rótulo de saída é adicionado ao pacote, que é então enviado à interface de saída encontrada na tabela (se houver multicast, haverá múltiplos pacotes de saída). As tabelas podem ser implementados em nível de nó (uma única tabela por nó) ou em nível de interface (uma tabela por interface).

O mais importante é que apenas um único algoritmo de encaminhamento é necessário para todos os tipos de comutação, e isso pode ser implementado em hardware para maior velocidade.      

O MPLS usa FEC, que permite o mapeamento de uma LSP em uma diversidade de formas. Dois pacotes são considerados da mesma FEC se serão colocados na mesma LSP. São suportados mapeamentos por prefixos de endereços IP de tamanho arbitrário ou endereços IP completos de 32 bits. Mapeamentos ais complexos são possíveis como protocolos de controle explicitamente roteados.

 

            A forma mais simples de “fluxo de dados” ocorre quando pacotes IP são transmitidos para o LSR de ingresso (LER). Este roteador classifica o tráfego, associando a ele uma FEC. Os LER usam diferentes formas de rotular tráfego. No modelo mais simples, pacotes IP são asociados a um rótulo e a uma FEC usando tabelas pré-programadas. Após passar pelo LER, os pacotes são passados ao próximo LSR, que vai verificar e trocar o rótulo, repassando-o para o próximo LSR:

 

           

            2.2.3 – O componente de Controle do MPLS

                        Os rótulos são inseridos nos pacotes por um LSR de “subida”. O LSR de “descida”, que recebe esses pacotes rotulados deve saber (ou descobrir)    o que fazer com eles. É de responsabilidade do componente de controle esta tarefa.  Para tanto, são usados os componentes de um registro na tabela de     encaminhamento como guia.

                        O estabelecimento e manutenção dessas tabelas são essenciais e devem ser executadas por cada LSR. Existem dois modos para carregar as   tabelas. Cada roteador poderia ouvir tabelas de roteamento, criar suas próprias tabelas de conexão e informar aos outros a sua informação. Esses       roteadores estariam atuando de forma independente. Não haveria nenhum gerenciador de rótulos, e todo roteador tem a possibilidade de ouvir a    protocolos de roteamento, gerar tabelas e distribuí-las.

                        O outro modelo é chamado de controle ordenado. Neste caso, um roteador – geralmente o LER de egresso - é responsável pela distribuição de rótulos.

                        Cada um dos modelos tem vantagens e desvantagens. Controle independente provê uma rápida convergência. Qualquer roteador que ouvir uma mudança de roteamento pode passar a informação aos outros. A desvantagem é que não há um ponto de controle de tráfego, o que torna a engenharia  mais difícil.

                        O controle ordenado tem a vantagem de melhor engenharia de tráfego e controle mais rígido da rede; entretanto, sua convergência é mais lenta e o    controlador é um ponto único de falha.

            Dentro do controle ordenado, existem dois grandes métodos de ativar a distribuição de rótulos. São chamados de “down-stream” não solicitado e sob  demanda.

                        Na primeira forma, o gerenciador de rótulos envia-os quando desejar. Ele pode utilizar, por exemplo, um intervalo fixo de tempo. Ou pode utilizar a mudança de tabelas de roteamento padrão como estímulo.

            Já na segunda forma, os rótulos são enviados quando pedidos. Podemos ver abaixo que primeiro os rótulos são solicitados para, depois, serem enviados.

            As tabelas são atualizadas do roteador 3 ao 1, nesta ordem. Os dados contidos são:

                        - Rótulo de Entrada

                        - Porta de Entrada

                        - Rótulo de Saída

                        - Porda de Saída

                        - Instrução

 

            No caso mais comum, a instrução é de trocaro rótulo.

           

            Após a atualização das tabelas, os dados podem fluir do roteador de origem ao  destino.

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        2.2.4 – Protocolos

                   Encontrar um veículo de transporte para a construção das tabelas é uma grande preocupação dos projetistas de redes. É necessário um protocolo    que possa carregar todos os dados necessários e, ao mesmo tempo, ser rápido, auto-recuperável e de alta confiabilidade.

                        O grupo de trabalho MPLS criou o Protocolo de Distribuição de Rótulos (LDP). Esse protocolo funciona como uma chamada telefônica. Quando os rótulos são associados, permanecem associados até um comando para desfazê-los. Esse protocolo provê roteamento implícito.

                        Outros grupos argumentos contra o uso de um protocolo novo e não testado, quando existem protocolos de roteamento que podem ser alterados    ou adaptados para carregar as associações. Assim, alguns protocolos já existente foram alterados para tal função. O Protocolo de Ponte de Borda (BGP) e o IS-IS funcionam bem para tais objetivos.

                        Os protocolos LDP, BGP e IS-IS estabelecem a LSP, mas fazem pouco pela engenharia de tráfego, pois o tráfego roteado poderia ser      redirecionado para uma LSP de maior prioridade, causando congestionamento.

                        Para ultrapassar esse problema, os protocolos de sinalização foram estabelecidos para criar “túneis” de tráfego (roteamento explícito). Eles são o  Protocolo de Distribuição de Rótulos com Rota Restrita (CR-LDP) e o Protocolo de Configuração com Reserva de Recursos (RSVP-TE). Além desses o Protocolo de Caminho mais Curso (OSFP) foi alterado para suportar engenharia de tráfego (OSPF-TE), mas não é largamente usado.

 

Protocolo	Roteamento	Engenharia de Tráfego
LDP	Implícito	Não
BGP	Implícito	Não
IS-IS	Implícito	Não
CR-LDP	Explícito	Sim
RSVP-TE	Explícito	Sim
OSPF-TE	Explícito	Sim