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MPLS y QoS

CONVERGENCIA DE REDES Y CALIDAD DE SERVICIO QoS

La clasificación habitual de tecnologías utilizadas en el núcleo de red se basa en dos aproximaciones:

Conmutación de Circuitos:

Como por ejemplo en telefonía clásica caracterizada por los siguientes elementos:

  • Los recursos necesarios a lo largo del camino (buffers, ancho de banda de los enlaces) para proporcionar la comunicación entre los sistemas finales se reserva mientras dura la conexión. Las redes de teléfonos son ejemplos de redes de conmutación de circuitos.
  • Los conmutadores en el camino entre emisor y receptor mantienen el estado de la conexión. A esto se le denomina circuito.
  • En estas redes se garantiza un ratio constante de transmisión.

Conmutación de paquetes

Como por ejemplo en redes IP donde los recursos no son reservados al ser compartidos entre distintos equipos y hablamos de redes (best effort) cuyas características fundamentales.

  • Los datos que envían las aplicaciones se transmiten en fragmentos denominados paquetes.
  • Los paquetes se envían a la red sin reservar recursos (buffers, ancho de banda)
  • Si un enlace está congestionado, el paquete debe esperar en un buffer del router, y sufrir un retardo.
  • Es una red best effort en el sentido del intento de enviar los datos a tiempo, pero no da ninguna garantía.
  • La conmutación de paquetes ofrece mejor reparto de ancho de banda que la conmutación de circuitos.

La tendencia de los últimos años y sin duda las redes futuras en hacia una convergencia hacia redes IP donde para lo que a los objetivos de esta asignatura respecta implica introducir determinadas modificaciones o parámetros de control para poder cursar trafico real time en redes IP (aplicaciones inelásticas) con tres parámetros básicos de calidad de servicio o QoS.

Perdida de paquetes (loss packet)

  • Muchas aplicaciones requieren transferencia de datos fiables (sin pérdida).
  • Otras aplicaciones son tolerantes a fallos, especialmente las aplicaciones multimedia.

Retardo (Delay)

Puede ocurrir que los paquetes tomen un largo período en alcanzar su destino, debido a que pueden permanecer en largas colas o tomen una ruta menos directa para prevenir la congestión de la red. En algunos casos, los retardos excesivos pueden inutilizar aplicaciones tales como VoIP o juegos en línea.

Jitter (variabilidad del retardo)

Los paquetes del transmisor pueden llegar a su destino con diferentes retardos. Un retardo de un paquete varía impredeciblemente con su posición en las colas de los ruteadores a lo largo del camino entre el transmisor y el destino. Esta variación en retardo se conoce como jittter y puede afectar seriamente la calidad del flujo de audio y/o vídeo.

Ancho de banda (througput)

  • Aplicaciones sensibles al ancho de banda: requieren transmitir datos a cierta velocidad para ser efectivas. Ejemplo: aplicaciones multimedia.
  • Aplicaciones elásticas: pueden hacer uso de tanto o tan poco ancho de banda como tengan a su disposición. Ejemplo: correo electrónico.

Respecto a estas restricciones el operador configurara los diferentes niveles de servicio que quiere ofrecer ofreciendo distintas garantías o niveles de servicio.

MPLS (Multi-Protocol Label Switching) es un mecanismo de transporte que pretende combinar la flexibilidad de las comunicaciones punto a punto de Internet y la fiabilidad, calidad y seguridad de los servicios Frame Relay o ATM basados en circuitos virtuales. Definida en la RFC 3031 buscar proporciona la capacidad para establecer caminos orientados a conexión sobre una red IP no orientada a conexión.

El objetivo era y es claro: Ofrece niveles de rendimiento diferenciados y priorización del tráfico, así como aplicaciones de voz y multimedia. Y todo ello en una única red.

En el origen, para conseguir este objetivo se pensó en poder crear circuitos virtuales como en ATM, utilizando etiquetas añadidas a los paquetes en lugar de almacenar la información del circuito virtual en los routers. Estas etiquetas definen el circuito virtual por toda la red. Y estos circuitos virtuales están asociados con una QoS determinada.

De las dos opciones para conseguirlo se plantearon dos métodos diferentes o en capa 3 o en capa 2(OSI), siendo sin duda la opción de capa 2 la más interesante, por ser independiente de la capa de red, ofrecer así un nivel de convergencia entre redes mayor y porque además permite una conmutación más rápida.

De este modo, se realiza la conmutación de paquetes o datagramas en función de las etiquetas añadidas en capa 2 (etiquetas establecidas según la clasificación establecida por la QoS) a través de los caminos (paths) denominados Label switched path (LSP).

VENTAJAS DE MPLS

MPLS proporciona:

  • Soporte para Calidad de Servicio.
  • Mecanismos para que la red desarrolle sistemas y procesos de ingeniería de tráfico en el sentido de optimizar la congestión y el tráfico de manera global.
  • Un mecanismo para proporcionar redes privadas virtuales.
  • Soporte a múltiples protocolos.
  • Garantiza una capacidad fija para aplicaciones determinadas.
  • Control de latencia y jitter para comunicaciones con requisitos de tiempo real.
  • Proporciona diferentes niveles de calidad de servicio (QoS) para distintos y múltiples usuarios.
  • MPLS impone un marco orientado a conexión sobre una red IP.
  • No es conmutación de circuitos: se determina un camino pero no se reserva recurso de manera continuada. Evidentemente se realiza una dimensión adecuada de capacidad de los distintos caminos de la red MPLS.

MPLS. ELEMENTOS FUNCIONALES

Se destacan los siguientes elementos funcionales en una red MPLS:

Label:

Identificador de longitud fija que se usa para asociar una FEC (ver a continuación su definición) al paquete que ingresa en una red MPLS. En la cabecera:

Existen diferentes protocolos de distribución de etiquetas:

  • LDP (Label Distribution Protocol) y Targeted LDP.
  • RSVP-TE (Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering).

Label Edge Router (LER).

Son los routers límite de la red MPLS con las siguientes misiones

  • Ingress:
    • Clasifica los paquetes IP entrantes en una FEC.
    • Genera la cabecera MPLS y asigna etiquetas.
    • El resto de routers de la red MPLS no mira direcciones IP si no las etiquetas MPLS.
  • Egress:
    • Quita la cabecera y etiqueta MPLS al paquete.
    • Procesa el trafico hacia fuera de la red MPLS basado en la dirección de destino IP.

Label Switched Router (LSR)

Los routers MPLS reciben el paquete etiquetado entrante y basándose en la etiqueta entrante buscan la etiqueta de salida correspondiente y el router de siguiente salto. Al transmitir el paquete el router sustituye la etiqueta de entrada por la etiqueta de salida.
Forwarding Equivalence Class (FEC)

  • Un FEC es un conjunto de paquetes de capa 3 que se envían todos ellos por el mismo camino (LSP) y con el mismo tratamiento en su envío.
  • El envío de un FEC implica:
    • Determinar el FEC del paquete.
    • Mapear cada FEC a un LSP y añadirle una etiqueta.
  • La determinación del FEC se hace solo una vez, a la entrada de la red MPLS y el paquete sigue el LSP asignado a ese FEC hasta que sale por la red.
  • Mapeo entre el campo DSCP de DiffServ y el campo EXP de MPLS para asignar QoS.
  • Se puede dejar que la red decida los caminos o el operador puede preconfigurarlo definiendo un camino principal y un camino de back up.

MPLS . DESCRIPCION BASICA DE FUNCIONAMIENTO

Como se he definido con anterioridad, los routers habilitados para MPLS reciben el nombre de LSR (Label Switched Routers) o Encaminadores de Conmutación de Etiquetas. El primer LSR de la red MPLS recibe los paquetes y toma decisiones sobre el envío basándose en la dirección de destino del paquete o en cualquier otra información que incluya la cabecera del paquete, siempre bajo el marco de políticas de envío que se haya especificado como política local para el envío de esos datos. En cualquier caso el primer LSR coloca la etiqueta y lo envía al siguiente LSR. Al recibir el paquete el siguiente LSR analiza la etiqueta de forma que a partir de la misma obtiene información sobre el siguiente salto y la nueva etiqueta a asignar.
Este procedimiento se repite tantas veces como sea necesario y si la información de configuración es correcta el propio proceso garantiza que a lo largo del LSP o camino que seguirá el paquete, se cumplirán los requisitos de QoS especificados.

Es por tanto clave que la información que cada LSR dispone en función de la etiqueta recibida sea correcta y coherente con el estado de la red en todo momento. Para que eso sea así es necesario por tanto otro mecanismo o protocolo paralelo dedicado en exclusiva a mantener actualizadas las tablas LSR. Ejemplos válidos de protocolos que sirvan para tal fin pueden ser el Protocolo de Distribución de etiquetas LDP bien usando el mismo mecanismo de MPLS o en combinación con el protocolo RSVP.

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