Redes MPLS

Histórico

Por possuir altas velocidades, quando a tecnologia ATM - Asynchronous Transfer Mode - foi lançada, em 1990, esperava-se que ela dominasse o mercado de redes, porém, essa tecnologia não era compatível com o IP, o protocolo mais utilizado em redes de computadores. Pensando nisso, foi criada a tecnologia LBS - Label Based Switching - que aliou o que há de melhor em redes baseadas em pacotes (redes IP) e em redes orientadas à conexão (como redes ATM). Foi dessa junção que surgiu o MPLS.

Nos anos atuais, o MPLS tem se difundido bastante para a criação de novos serviços, mas não é uma tecnologia nova: desde meados dos anos de 1990, iniciativas de protocolos baseados em métodos de engenharia de tráfego já utilizam essa tecnologia. À medida que esses protocolos convergiram e, consequentemente, se fundiram ao MPLS sob a proteção do IETF, tanto operadoras quanto fabricantes de equipamentos perceberam o potencial da tecnologia, fora do âmbito de engenharia de tráfego.

O que é MPLS?

O MPLS, Multi-protocol Label Switching ou Comutação de Rótulos Multiprotocolo, é uma tecnologia de chaveamento de pacotes, que proporciona encaminhamento e comutação eficiente de fluxos de tráfego através da rede, visando diminuir o processamento nos equipamentos e interligar com maior eficiência redes de tecnologia distintas.

O MPLS é padronizado pelo IETF - Internet Engineering Task Force, através da RFC-3031 e atua entre as camadas 2 e 3 do modelo OSI sendo, por isso, nomeado por alguns autores como o protocolo da camada 2,5.

Essa tecnologia consiste em direcionar dados de um nó da rede para o próximo nó, baseando-se em rótulos de menor caminho ao invés de endereços de rede longos, evitando consultas complexas em uma tabela de roteamento. Esses rótulos identificam enlaces virtuais – caminhos - entre nós distantes, ao invés de pontos terminais.

O termo “Multiprotocol” designa que essa tecnologia pode ser usada sob qualquer protocolo de rede, mas o estudo e a implementação têm se resumido basicamente para redes IP, devido a ampla utilização.

Por possuir a capacidade de associar a facilidade dos roteadores com a eficiência dos switchs, é uma tecnologia que está se consolidando, com atuação notória em países em desenvolvimento e ampla difusão em países de primeiro mundo.

Conceitos de uma rede MPLS

O MPLS possui uma metodologia diferenciada de tratamento do tráfego da rede: Os dispositivos MPLS operam com base em etiqueta inseridas nos pacotes, assim que eles ingressam na rede, ao invés de analisar o cabeçalho, como é feito na camada 3, em redes IP tradicionais. Por causa disso, o MPLS possui independência dos protocolos da camada de rede.

Conforme Morgan e Lovering (2009), “o rótulo de um pacote de entrada é analisado e comparado com uma etiqueta do banco de dados. Com base nessas informações um novo rótulo acompanha o pacote que é transmitido a interface apropriada”.

Figura 1: Encaminhamento dos rótulos switchs MPLS.

Fonte: http://www.teleco.com.br/

Alguns conceitos são importantes para entendermos como funciona uma rede MPLS, são eles:

FEC (Fowarding Equivalence Class) ou Classes de Encaminhamentos equivalentes: é definida como qualquer grupo de pacotes que podem ser tratados de forma equivalente para fins de encaminhamento. Exemplo: pacotes que tenham o mesmo prefixo de origem e destino.

Label ou rótulo: é um pequeno identificador que o pacote recebe ao entrar em uma rede MPLS. Este identificador será utilizado para o seu roteamento dentro da rede.

LSP (Label Switch Path): É o caminho, ou túnel, determinado dentro de uma rede MPLS.

LER (Label Edge Router): Faz o papel do roteador de borda em uma rede MPLS, rotulando e desrotulando os pacotes que entram e saem da rede.

LSR (Label Switch Router): São os roteadores responsáveis somente pela comutação de rótulos em uma rede MPLS.

Elementos de uma Rede MPLS

Uma rede MPLS é formada por equipamentos do tipo CE (Custumer Edge Equipament), PE (Provider Edge Equipamente) e P (Provider Equipament), conforme exemplificado na figura abaixo:

Figura 2: Equipamentos da rede MPLS.

Fonte: http://www.teleco.com.br/

Os roteadores que compõem as redes MPLS, de acordo com a sua função, são o LSR (Label Switching Routers) e o LER (Label Edge Routers).

LSR - Label Switching Routers: é um roteador de núcleo, que participa do estabelecimento de LSP (Label Switching Paths) usando protocolos de distribuição de rótulos. Ele executa os algoritmos e mantém as tabelas de encaminhamento. Os LSRs de um domínio MPLS comunicam-se através de um protocolo adequado (LDP, RSVP estendido ou qualquer outro protocolo), para manter as tabelas de encaminhamento do domínio atualizadas. O LSR tem a função de encaminhar os pacotes, baseando-se apenas no rótulo: ao receber um pacote, cada LSR troca o rótulo existente por outro, passando o pacote para o próximo LSR, até chegar no roteador de borda de saída.

LER - Label Edge Routers: é um LSR que, além das funções de encaminhamento e controle, quando está na entrada de um domínio MPLS, é responsável por rotular o pacote e atribuir os pacotes a uma classe de equivalência de encaminhamento (FEC). O processo de atribuição de pacotes a uma FEC não afeta o desempenho geral da arquitetura, pois é efetuado somente na admissão do pacote, não importando então o nível de complexidade empregado na atribuição. Quando um LER está na saída do domínio MPLS, ele é responsável pela retirada do rótulo, mantendo a estrutura normal de um pacote IP, para ser entregue a uma rede não MPLS.

O caminho percorrido por pacotes MPLS, entre dois LRS quaisquer, conforme a definição de uma FEC, é chamado de LSP (Label Switched Path). Conforme Enne (2009, p.41), “Uma FEC representa, em uma visão básica, o prefixo do endereço IP de destino de pacotes MPLS ou o próprio endereço IP de destino, que se constituiu no elemento de FEC único para definição do caminho a ser seguido por esses pacotes na rede [...]” É possível atribuir vários FECs ao mesmo LSP e vários LSPs a uma mesma FEC, resultando na facilidade da agregação de fluxos multicast.

Os rótulos são associados às FECs devido a um evento que mostra a necessidade dessa associação. Estes eventos podem ser de dois tipos: Data Driven e Control Driven.

Data Driven: a associação é feita quando se chega a um LSR possuindo tráfego identificado como candidato a Label Switching. As associações de rótulos a FECs só são estabelecidas quando necessário, resultando num menor número de entradas na tabela de expedição.

Control Driven: as associações são feitas como consequência da atividade do plano de controle e são independentes da informação a transportar. A escalabilidade deste método é superior à do Data-Driven, sendo por esta razão usada em MPLS.

A colocação dos rótulos MPLS pode ocorrer de três formas diferentes:

Frame-based LRSs: Constituídos sobre Ethernet switches e sobre roteadores IP operando com o protocolo PPP.

ATM-LSRs: Constituídos sobre switchs ATM.

FR-LSRs: Constituídos sobre switchs Frame Relay.

Figura 3: Encapsulamento do quadro com rótulo.

Fonte: http://www.teleco.com.br/

O rótulo é inserido no pacote e todo o seu percurso no domínio MPLS é determinado. O encapsulamento pode ser de várias formas, como na camada de ligação lógica (ATM, Frame-Relay, PPP) ou encaixado num pequeno cabeçalho entre o cabeçalho da camada de ligação lógica e o cabeçalho da camada de rede. Por conta disso que o MPLS suporta qualquer protocolo e qualquer tecnologia da camada de ligação. O rótulo MPLS é constituído pelos campos mostrados na figura abaixo:

Figura 2: Estrutura e encapsulamento do cabeçalho MPLS.

Fonte: http://www.teleco.com.br/

Rótulo: Onde contém o valor do rótulo MPLS.

CoS - Class of Service: Onde é determinado a forma com que o pacote será tratado nas filas de espera dos equipamentos da rede.

S – Stack: Onde é feita a hierarquização dos rótulos.

TTL – Time To Live: É onde permite que a funcionalidade TTL IP convencional funcione.

O mecanismo utilizado para fazer atualizações da tabela de roteamento, quando há mudanças na topologia, é o FIB (Forwarding Information Bases): No FIB, há associação das FECs aos endereços de IP do próximo salto (next-hop), formando um espelho da tabela de roteamento, com as devidas interfaces de saída.

Quem mantém o mapeamento entre o prefixo IP, rótulo atribuído e atribuição de rótulos é a LIB (Label Information Bases). A LIB pode conter também os bindings – locais entre FECs e labels - desempenhando a função dos label space, que são espaços disponíveis nos LSRs que contêm uma margem de rótulos e uma base de informações onde são registrados os bindings locais.

O LFIB (Label Forwarding Information Bases) serve como base de informação em LSRs, indexado por valores de FEC. Ele fornece a base de dados utilizada no encaminhamento de pacotes rotulados.

O IGP (Interior Gateway Protocol) serve para preencher as tabelas de roteamento em todos os roteadores MPLS da rede.

Os switchs MPLS não têm a necessidade de analisar os dados do cabeçalho da camada de rede, pois, quando o roteador LSR insere o rótulo ao pacote, a rota para chegar até o seu destino já está definida; por isso, o processo de roteamento se torna muito eficiente.

O MPLS possui duas formas de propagar as informações necessárias:

-> Estendendo a funcionalidade em protocolos já existentes, que é o caso do BGP e OSPF, por exemplo;

-> Criando um novo protocolo dedicado para fazer a distribuição de rótulos, que é o caso do LDP (Label Distribution Protocol)'.

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Funcionamento Básico

Quando um pacote entra em uma rede MPLS, o primeiro passo a tomar é identificar a qual classe de encaminhamento (FEC) este pacote pertence. Esta análise é feita somente no LER, ou seja, na entrada da rede MPLS, onde é aberto o pacote de rede para classificá-lo como pertencente de uma determinada FEC. Com esta identificação, é possível desginar o melhor caminho (LSP) para o pacote. Após tomada a decisão do LSP a utilizar, o pacote é rotulado e encaminhado ao próximo salto.

Nos saltos subsequentes não há nenhuma análise do cabeçalho da camada de rede do pacote. A cada Roteador Comutador de Rótulos (Label Switch Router – LSR ) pelo qual o pacote passa, os rótulos são trocados pois cada rótulo representa um índice na tabela de encaminhamento do próximo roteador. Sendo assim, quando um pacote rotulado chega, o roteador procura em sua tabela (NHLFE - Next Hop Label Forwarding Entry) pelo índice representado pelo rótulo. Ao encontrar este índice o roteador substitui o rótulo de entrada por um rótulo de saída associado à CEE a que pertence o pacote. Após completada a operação de troca de rótulos o pacote é encaminhado pela interface que está especificada na tabela de roteamento.

Quando o pacote chega ao LER de saída da rede MPLS, o rótulo é removido e o pacote é encaminhado pela interface associada à FEC a qual pertence o pacote.

Engenharia de Tráfego com MPLS

Um problema comum e redes de computadores, principalmente em redes públicas e de grande porte, é a incapacidade de explorar os recursos da rede com eficiência, gerando congestionamentos e lentidões no serviço disponibilizado. No roteamento IP padrão, o parâmetro utilizado para decisão de uma rota é através do caminho mais curto até o destino, entretanto, muitas vezes esta não é a solução ideal. Podemos fazer uma analogia com o trânsito de veículos nas grandes cidades. Muitas vezes o menor caminho é também o mais congestionado, fazendo com que demoremos muito mais em nosso trageto do que se escolhessemos rotas alternativas com menor congestionamento.

Neste cenário surge a necessidade de repensarmos o modelo de roteamento para melhor utilizar os recursos disponibilizados pela rede, de onde vem o conceito de Engenharia de Tráfego.

A engenharia de tráfego no MPLS utiliza a largura de banda existente de forma mais eficiente, permitindo que pacotes possam ser encaminhados por rotas explícitas e com uma largura de banda específica garantida. Isto é conhecido como CBR (Constraint-Based Routing). O CBR gere caminhos do tráfego de dados dentro de uma rede MPLS, permitindo que o tráfego seja encaminhado a rotas desejadas.

A engenharia de tráfego MPLS também permite confiabilidade e escalonabilidade para ser introduzida ao longo da rede, aumentando a disponibilidade e valor da rede para os clientes. Ao utilizá-la, as conexões LSP’s podem ser otimizadas e deduzidas. Quando ocorrem falhas, o tráfego pode ser re-roteado automaticamente por outro link ao redor da falha. Para isto, o MPLS utiliza protocolos do tipo soft-state, ou seja, protocolos onde os dados de roteamento devem ser atualizados periodicamente, para isto utiliza pacotes UDP como mecanismo de sinalização das configurações de comunicação do LSP, incluindo descoberta de pares, rótulos perdidos, mapeamento e gestão.

Devido a sua grande maleabilidade, o MPLS oferece suporte a diversos protocolos de engenharia de tráfego, além de possuir os próprios como o RSVP – TE (Resource Reservation Protocol with Tunneling Extensions) e o CR-LDP (Constrained-based Label Distribution Protocol)