Multi-Protocol Label Switching Eine Einführung in MPLS Seminar: Mobile Kommunikationstechnologien Autor: Uwe Seiler Datum: 5.02.2003 Betreuer: Klaus Heck.

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1 Multi-Protocol Label Switching Eine Einführung in MPLS Seminar: Mobile Kommunikationstechnologien Autor: Uwe Seiler Datum: 5.02.2003 Betreuer: Klaus Heck

2 2 MPLS - Übersicht Einführung in MPLS: Begriffserläuterung Einordnung in das OSI-Referenzmodell Entwicklung von MPLS Allgemeines zu MPLS: Grundkonzept Vergleich mit Hop-by-Hop-Routing MPLS im Detail: Die Forwardingkomponente: Label Forwarding Equivalence Class (FEC) Label Swapping Die Kontrollkomponente: Label Switched Path (LSP) Labelverteilung Label Distribution Protocol (LDP) Traffic Engineering mit MPLS: Allgemeines zum Traffic Engineering Constraint-based Routing LDP Zusammenfassung

3 3 MPLS „Best of both worlds“ MPLS - Einführung Was ist MPLS überhaupt? Packet Forwarding Cell/Ciruit Switching Bei MPLS handelt es sich um ein verbindungsorientiertes Switching auf der Basis von IP-Routing und zusätzlichen Kontrollprotokollen. ATM Frame Relay IP Flexibility of Hop- by-Hop Routing Quality of Service + Traffic Engineering

4 4 MPLS - Unterstützte Protokolle und Technologien Welche Protokolle und Technologien werden unterstützt? Warum dann schon wieder eine neue Technologie? IP ist heutzutage das dominante Protokoll im Internet. Im Internet am weitesten verbreitet: Best Effort Services IP bietet keine Unterstützung von Quality of Service und Traffic Engineering. MPLS verspricht dagegen: Die Unterstützung von Traffic Engineering für die Provider Die Realisierung von end-to-end Quality of Service Die Möglichkeit der Skalierung in großen Netzwerken Die Bereitstellung von höherer Performance bei geringeren Kosten MPLS IPv6IPv4IPX Apple Talk Ethernet FDDI ATM Frame Relay Point-to- point Layer 3: Network Layer Protocols Layer 2: Link Layer Protocols Layer 2,5: MPLS

5 5 MPLS – Geschichte und Standardisierung Die Entwicklung von MPLS Hervorgegangen aus unterschiedlichen proprietären Ansätzen: Aggregate Route-Based IP Switching Cell Switch Routing Tag Switching IP Navigator IP Switching (Ipsilon) Standardisierung durch die Internet Engineering Task Force. Erstes Framework erschien bereits im März 1997. Mittlerweile sind 12 RFCs und 25 Drafts zu MLPS erschienen. Die Hauptarchitektur von MPLS und die Standards des Signalisierungsprotokolls LDP sind verfügbar, aber die Entwicklung geht natürlich weiter… MPLS ist ein Proposed Standard der IETF

6 6 MPLS – Das Konzept „Route at the edge, switch in the core.“ Versehe Pakete an den Netzwerkgrenzen mit Labels. MPLS Core Network Label Edge Router (LER) Analysiert den ankommenden IP-Verkehr und teilt ihn in Klassen (FEC) ein. Erfragt und verteilt Labels an den Netzwerkgrenzen. Führt am Ausgang des Core Networks Routing durch. Label Switch Router (LSR) Tauscht Labels mit den benachbarten LSR aus Führt Forwarding im Kern des MPLS-Netzwerkes aus. Datenfluss Ingress Router Egress Router Switching Routing

7 7 MPLS vs. Routing Ist Hop-by-Hop Routing etwa veraltet? Traditionelle IP Router haben zeitintensive Aufgaben: Alle Informationen stecken im Paket: Bei Beginn der Entwicklung von MPLS waren Layer-3-Router noch langsam und teuer. Mittlerweile ist Layer-3-Switching kostengünstig und schnell in der Hardware verfügbar: Performance ist nicht mehr das Hauptargument für MPLS MPLS bietet aber andere Funktionen: Non destination routing Explicit (source) routing Traffic Engineering Leichte Integration von Virtual Private Networks (VPN) DatenHeader Routing Table 000111… Port 1, gw 10.2.3.1 001010… Port 4, gw 62.1.7.5 011101… Port 7, gw 10.1.1.1 MPLS soll Layer- 3-Routing nicht ersetzen! Router IP-Paket Auslesen der Zieladresse Durchführung eines Longest Prefix Matchings zur Bestimmung des Next Hops Umgang mit Headern variabler Länge

8 8 Trennung von Kontroll- und Forwardingkomponente bei MPLS MPLS Switching besteht aus zwei Hauptkomponenten, die bei MPLS vollkommen getrennt voneinander sind: Control Component: Dient dem Austausch von Kontrollinformationen mit anderen Routern. Sammelt Informationen über die Netzwerktopologie. Aufbau und Aufrechterhaltung von Forwarding Tables. Notwendigkeit eines Signalisierungsprotokolls Forwarding Component: Führt eine Routingentscheidung anhand der Forwarding Table durch. Leitet die Pakete routerintern vom Input Interface zum Output Interface weiter.

9 9 MPLS – Definition und Aufbau eines Labels Was ist ein Label? Ein Label ist ein kurzes Feld fester Größe, das keine interne Struktur aufweist. Ein Label assoziiert immer eine Forwarding Equivalence Class (FEC). Ein Label ist zwischen zwei Label Switch Routern immer eindeutig. Aufbau und Integration eines Labels: Label Bits (20 Bits) Experimental (3Bits) Stack (1 Bit) TTL (8 Bit) Layer-3-HeaderMPLS Shim HeaderLayer-2-HeaderData Label Bits (20 Bits) Experimental (3Bits) Stack (1 Bit) TTL (8 Bit) Label Bits (20 Bits) Experimental (3Bits) Stack (1 Bit) TTL (8 Bit) Label 1 Label 2 Label n Labelstack MPLS Frame

10 10 MPLS – Forwarding Equivalence Class 1 Forwarding Equivalence Class (FEC) Definition: Eine FEC ist die Menge aller Layer-3 Paketen, die in der gleichen Weise weitergeleitet werden, zum Beispiel über den gleichen Pfad. Eine FEC ist somit eine Menge von Layer-3 Paketen, die auf das gleiche Label gemappt werden können. Lokale Information des LERs Signalling Label Edge Router (LER) Label Switch Router (LSR) Classify traffic at the edge Assign packets to a given FEC IP Packet IP Packet IP Packet FEC 1 FEC 2 IP Packet IP Packet IP Packet Destination = 10.x.x.x Bandwidth = 1000 KBit/s Priorisation = High Lokale Speicherung und Verknüpfung mit dem Wert des Labels

11 11 MPLS – Forwarding Equivalence Class 2 Forwarding Equivalence Class (Fortsetzung) Gold Service 300 Kbps Silver Service 64 Kbps Aber auch ein Splitting des Verkehrs von einer Quelle zu einem Ziel ist aus Gründen des Quality of Service möglich. Normalerweise Bündelung von mehreren Paketen aus verschiedenen Quellen und zu unterschiedlichen Zielen Aggregation des Verkehrs und Möglichkeit zur Skalierung des Verkehrs

12 12 MPLS – Forwarding Table und Algorithmus Forwarding im Detail Forwarding Algorithm: Label Swapping Weiterleitung eines Pakets ohne Label: Ermittlung der zugehörigen FEC durch Analyse des Layer-3-Headers, danach Bestimmung des zugehörigen Labels mittels der Tabelle FTN und Weiterleitung gemäß der Tabelle NHLFE. Weiterleitung eines Pakets mit Label: Ermittlung des NHLFE mittels der Tabelle ILM und anschließend Weiterleitung gemäß den entsprechenden Eintragungen in der Tabelle NHLFE. Weiterleitung am Empfänger eines Pakets: Der LSR stellt anhand der Tabelle NHLFE fest, dass er Empfänger des Pakets ist, entfernt das Label daraufhin vom Labelstack und reicht das Paket an Schicht 3 zur Weiterverarbeitung NHLFE 100 234 300 Next Hop LSR B LSR D LSR C Label Operation Outbound Label Outbound Port Push Pop Replace 23 50 3 1 Next Hop Label Forwarding Entry (NHLFE) FEC-to-NHLFE Map (FTN) FECNHLFE A B C 100 234 300 Incoming Label Map (ILM) LabelNHLFE 23 44 50 100 234 300 Label Information Database (LIB) MPLS Router Verwendung eines einzigen Algorithmus! (Herkömmliches Routing: 3)

13 13 MPLS – Label Switched Path Label Switched Path (LSP) Definition: Ein Label Switched Path ist ein virtueller Pfad, der mehrere Label Switch Router miteinander verbindet und entlang dem ein Paket weitergeleitet wird. Dabei hat jeder Label Switch Router folgende Aufgaben: Verhandlung mit den benachbarten Label Switch Routern über die Label für jede FEC entlang des LSP Aufbau der Label Information Base (LIB) zum Mapping der Label zu den zugehörigen FECs Neuverhandlung der Label, falls sich die Topologie ändert oder ein oder mehrere Label verworfen werden Zur Einrichtung eines LSP müssen die Labelbindings zwischen benachbarten MPLS Routern mit Hilfe eines Signalisierungsprotokolls ausgetauscht werden.

14 14 MPLS – Möglichkeiten der Labelverteilung Labelverteilung Datenfluss D: 123 Upstream (A)Downstream (B) Upstream (A)Downstream (B) C: 222 Datenfluss Upstream (A)Downstream (B) RequestD: 123 Datenfluss Upstream (A) Downstream (B) Downstream Label Allocation (Standard): Upstream Label Allocation: Downstream-on-Demand: Unsolicited Downstream:

15 15 MPLS – Allgemeines zu Signalisierungsprotokollen Anforderungen an ein Signalisierungsprotokoll: Robustheit Skalierbarkeit Umsetzung von speziellen Anforderungen des Quality of Service Auf- und Abbau von Label Switched Paths Setzen von Prioritäten für einzelne Label Switched Paths Möglichkeiten zum Setzen von alternative Routen sowie zum Rerouting Signalisierungsprotokolle: Benutzen herkömmliches IP-Routing zur Kommunikation zwischen LSRs und zum Transport von Label Bindings Verfügbare Protokolle und deren Eigenschaften: ProtocolNameRouting Traffic Engineering LDPLabel Distribution ProtocolImplicitNO BGPBorder Gateway ProtocolImplicitNO IS-ISIntermediate System-to-Intermediate SystemImplicitNO CR-LDPConstraint-based Routing LDPExplicitYES RSVP-TEResource Reservation Protocol – Traffic EngineeringExplicitYES OSPF-TEOpen Shortest Path First – Traffic EngineeringExplicitYES

16 16 MPLS – Überblick über das Label Distribution Protocol Label Distribution Protocol (LDP) Aufbau eines LSP Time 10.1.x.x10.2.x.x HELLO TCP Connection open to 10.2.x.x TCP connect Initialization Label Request Label Mapping 1.Discovery Messages 2.Session Messages 3.Advertisement Messages + 4.Notification Messages

17 17 MPLS – Charakteristiken des Label Distribution Protokolls Label Distribution Protocol: Hauptmerkmale LSR Neighbor Discovery Der Discovery Mechanismus von LDP läuft über UDP. In periodischen Zeitabständen werden HELLO Messages an alle LSR im gleichen Subnetz geschickt, so dass ein LSR mit der Zeit alle Nachbarn kennt. Danach kann eine LDP Session aufgebaut werden. Reliable Transport Um einen zuverlässigen Transport sicherzustellen, werden LDP Messages über TCP geschickt. Extensible Messages Das LDP ist so designt, dass es einfach erweiterbar ist. Codierung der Messages als eine Sammlung von TLV (type, length, value) Objekten LDP Messages Die am meisten benutzten Messages sind:  INITIALIZATION  KEEP ALIVE  LABEL MAPPING, LABEL WITHDRAWAL, LABEL RELEASE, LABEL REQUEST, LABEL REQUEST ABORT

18 18 MPLS – Traffic Engineering Traffic Engineering Zielbasiertes Routing tendiert zur Konzentration des Verkehrs: Ziele des Traffic Engineerings: Reduktion des Verkehrs auf stark benutzten Pfad und Verteilung dieses Verkehrs auf weniger benutzte Pfade Aufbau eines effizienten und zuverlässigen Netzwerkes Optimierung der Benutzung von Netzwerkressourcen und der Performance des Verkehrs (z.B. Minimierung der Paketverluste und der Verzögerung) Traffic Engineering Anforderungen: Die Netzwerktopologie kann sich ändern. Ressourcen können unterschiedlich zugeteilt werden. Komponenten können ausfallen und somit unerreichbar werden. Diese Fähigkeit wird als Reoptimization bezeichnet. ?

19 19 MPLS – CR-LDP Constraint-based Routing LDP (CR-LDP) Arbeitet auf der Ebene von Traffic Trunks: Zusammenfassung von unterschiedlichen TCP- bzw. UDP-Strömen, die den gleichen Pfad sowie dieselbe Class of Service benutzen. Benutzt dasselbe Protokollformat wie LDP Messages mit zusätzlichen (optionalen) TLVs Teilt sich die TCP-Verbindung mit LDP Definition 7 verschiedener Traffic Parameter: Peak Data Rate, Peak Burst Size, Committed Data Rate, Committed Burst Size, Excess Burst Size, Frequency, Weight Erlaubt Traffic Engineering durch die Reservierung von Netzwerkressourcen Berechnung der expliziten Route an der Netzwerkgrenze Jeder LSR muss der Route folgen Ermöglicht durch die Mitgabe einer Liste von Knoten in einer LABEL REQUEST Message Ermöglicht Routing auf der Basis von Quality of Service Explicit Route mit CR-LDP:

20 20 MPLS - Fazit Zusammenfassung: MPLS bietet viele Chancen: MPLS wird momentan stark von der IETF vorangetrieben MPLS ermöglicht den Providern die Einführung von Quality of Service Traffic Engineering ermöglicht eine bessere Auslastung der Netze Einfache Unterstützung von Virtual Private Networks (VPN) Integration von ATM und IP Lässt sich relativ einfach in bestehende Netze integrieren MPLS birgt aber auch Risiken: MPLS ist im Bereich der Signalisierung noch nicht fertig spezifiziert Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern kann momentan nicht garantiert werden Anhebung der Komplexität von IP-Netzen um ein Vielfaches MPLS wird vor allem beim Neuaufbau von Netzwerken verwendet (China Telecom), aber auch in bestehende Netze wird MPLS integriert (Arcor).

21 21 MPLS – Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis Wichtige Request for Comments (z.B. unter www.rfc-editor.org):www.rfc-editor.org RFC 3031: MPLS Architecture RFC 3032: MPLS Label Stack Encoding RFC 3034: Use of Label Switching on Frame Relay Network Specifications RFC 3035: MPLS using LDP and ATM VC Switching RFC 3036: LDP Specification RFC 3037: LDP Applicability RFC 3038: VCID Notification over ATM Link for LDP RFC 2547: BGP/MPLS VPNs RFC 2702: Requirements for Traffic Engineering over MPLS Bruce Davie, Yakov Rekhter: MPLS – Technology and Applications, Morgan Kaufmann, 2000 MPLS Resource Center: www.mplsrc.comwww.mplsrc.com MPLS Charter: www.ietf.org/html.charters/mpls-charter.htmlwww.ietf.org/html.charters/mpls-charter.html Unofficial MPLS List: www.cellstream.com/MPLS_List.htmwww.cellstream.com/MPLS_List.htm