Redes MPLS Fundamentos e Aplicações - SITOE ARTUR

Redes MPLS Fundamentos e Aplicações - SITOE ARTUR

(Parte 1 de 5)

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Apresentação

A crescente demanda de tráfego e o dinamismo do mercado de Redes de

Computadores, necessitando a cada dia de maior integração entre serviços (voz, vídeo e dados), fazem com que os provedores de acesso à Internet (ISPs – Internet Service Providers) estejam sempre em constante atualização tecnológica. É fundamental acompanhar as tendências do mercado, com o objetivo de entregar sempre a melhor tecnologia para o cliente, com isto provendo uma boa qualidade nos serviços ofertados.

A tecnologia MPLS (MultiProtocol Label Switching) é indicada para prover evolução, otimização e flexibilidade ao núcleo da rede que une vários enlaces de alta velocidade (backbones) atuais, mostrando-se como uma tecnologia emergente a ser empregada nos provedores de acesso à Internet.

Este livro apresenta a tecnologia MPLS, desde seus fundamentos às suas aplicações. São apresentados os benefícios obtidos com sua utilização, propiciando flexibilidade e otimização, deixando o backbone dos ISPs muito mais eficientes devido à capacidade de efetuar o roteamento dos pacotes baseado em rótulos, acelerando o processo de transmissão das informações e provendo alguns serviços agregados, tais como: VPNs (Virtual Private Networks), TE (Traffic Engineering), PseudoWire e QoS (Quality of Service).

São tratados aspectos relacionados ao protocolo IPv6, novo protocolo da

Internet e base para todos os backbones futuros, são descritas as características fundamentais deste protocolo, assim como algumas arquiteturas IPv6 utilizadas para o seu transporte em um backbone MPLS.

O emulador de domínio público GNS3 foi utilizado para simulação das aplicações MPLS, permitindo um melhor entendimento dos conceitos apresentados.

VIII Redes MPLS

No website https://sites.google.com/a/cin.ufpe.br/mpls-brasport/ o leitor pode encontrar material suplementar que acompanha este texto, incluindo material didático, referências para atualizações, ponteiros para fabricantes de equipamentos MPLS, etc. Os autores fizeram o máximo esforço para oferecer um texto amigável, preciso e atualizado. Comentários, críticas e sugestões são bem-vindos. Contate-nos via e-mail.

Boa leitura.

José Mário Oliveira joseo_br@yahoo.com.br Rafael Dueire Lins rdl@cin.ufpe.br Roberto Mendonça professor@robertomendonca.com.br

VIII Redes MPLS

Lista de Acrônimos

AAL ATM Adaptation Layer ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AF Assured Forwarding AS Automonous System ASIC Application-Specific Integrated Circuit ASON Automatically Switched Optical Network ATM Asynchronous Transfer Mode BGP Border Gateway Protocol BoS Bottom of Stack CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queuing CE Customer Edge CEF Cisco Express Forwarding CIDR Classless Inter-Domain Routing CQ Custom Queuing CSPF Constrained Shortest Path First CU Currently Unused DiffServ Differentiated Services DLCI Data Link Connection Identifier DS Differentiated Service DSCP DiffServ Code Point eBGP external BGP ECPM Equal-Cost Multipath EF Expedited Forwarding EGP Exterior Gateway Protocol EIGRP Enhanced Interior Gateway Routing Protocol EXP Experimental Bits FEC Forwarding Equivalent Class FIB Forwarding Information Base FIFO First-In First-Out

X Redes MPLS

FQ Fair Queuing FR Frame Relay FRR Fast Reroute GRE Generic Routing Encapsulation GTS Generic Traffic Shaping HDLC High Level Data Link Control IANA Internet Assigned Numbers Authority iBGP internal BGP ICMP Internet Control Message Protocol IETF Internet Engineering Task Force IGP Interior Gateway Protocol IGRP Interior Gateway Routing Protocol IOS Internetwork Operation System IP Internet Protocol IPSec IP Security Protocol IS-IS Intermediate System to Intermediate System ISO International Organization for Standardization ISP Internet Service Provider LAN Local Area Network LDP Label Distribution Protocol LER Label Edge Router LFIB Label Forwarding Information Base LIB Label Information Base LLQ Low Latency Queuing LMI Local Management Interface LSA Link-State Advertisement LSP Label Switched Path LSR Label Switch Router L2TP Layer 2 Tunneling Protocol MPB-GP MultiProtocol BGP MPLS MultiProtocol Label Switching MTU Maximum Transfer Unit NSAP Network Service Access Point OID Object IDentifier OSI Open Systems Interconnection OSPF Open Shortest Path First P Provider PDH Plesiochronous Digital Hierarchy

Lista de Acrônimos XIX Redes MPLS

PDU Protocol Data Unit PE Provider Edge PHB Per-Hop Behavior PHP Penultimate Hop Popping PLR Point of Local Repair POP Point of Presence POS Packet Over SONET P Point-to-Point Protocol PQ Priority Queuing PW PseudoWire QoS Quality of Service RD Router Distinguisher RED Random Early Detection RFC Request For Comments RIP Routing Information Protocol RSVP Resource reSerVation Protocol RT Route Target SDH Synchronous Digital Hierarchy SLA Service Level Agreement SNMP Simple Network Management Protocol SONET Synchronous Optical NETworking SPF Shortest Path First STM Synchronous Transport Module TCP Transmission Control Protocol TDM Time Division Multiplexing TE Traffic Engineering TLV Type-Length-Variable ToS Type of Service TTL Time To Live UDP User Datagram Protocol UNI User Network Interface VC Virtual Circuit/Channel VLAN Virtual Local Area Network VLSM Variable Length Subnet Mask VoIP Voice over IP VCI Virtual Circuit Identifier VPI Virtual Path Identifier VPN Virtual Private Network

XII Redes MPLS

VRF Virtual Routing and Forwarding WAN Wide Area Network WDM Wavelength Division Multiplexing WFQ Weighted Fair Queuing WRED Weighted Random Early Detection

XII Redes MPLS

Introdução1
Organização do livro2
Capítulo 1. Conceitos Fundamentais5
1.1 – Redes IPs5
1.2 – O protocolo IPv46
1.3 – Comutação e roteamento12
1.4 – Protocolos de roteamento15
1.4.1 – O protocolo OSPF21
1.4.2 – O protocolo IS-IS23
1.4.3 – O protocolo BGP24
Capítulo 2. A Arquitetura IP sobre MPLS25
2.1 – Surgimento da tecnologia25
2.2 – Roteamento convencional x baseado em rótulos26
2.3 – O cabeçalho MPLS29
2.4 – Estrutura do MPLS32
2.5 – Componentes da arquitetura3
2.6 – Funcionamento38
2.7 – Vantagens do MPLS41
2.8 – Desvantagens do MPLS42
Capítulo 3. MPLS – VPN43
3.1 – VPN – Conceitos43
3.2 – Tipos de VPN45
3.3 – Modelos de VPN48
3.3.1 – O modelo overlay48
3.3.2 – O modelo par-a-par50
3.4 – Arquitetura MPLS VPN51
3.5 – Propagação de rotas VPNv4 no backbone VPN MPLS5
Capítulo 4. PseudoWire MPLS58
4.1 – PseudoWire – Conceito58
4.2 – Modelo de referência PseudoWire60
4.3 – Terminologias do PseudoWire60
4.4 – Como o PseudoWire trabalha61
4.5 – Benefícios do PseudoWire63
Capítulo 5. Qualidade de Serviço (QoS) com MPLS64
5.1 – Fundamentos do QoS64
5.2 – Arquiteturas de QoS65
5.2.1 – Serviços integrados (IntServ)65
5.2.2 – Serviços diferenciados (DiffServ)67
5.3 – Mecanismos de QoS71
5.4 – Qualidade de serviços nas redes MPLS81
Capítulo 6. Engenharia de Tráfego com MPLS85
6.1 – Conceitos fundamentais85
6.2 – A engenharia de tráfego sobre MPLS87
6.3 – Extensões do OSPF para TE89
6.4 – Extensões do IS-IS para TE91
6.5 – Protocolo RSVP-TE91
6.6 – Operação do MPLS-TE92
6.7 – Atributos de túneis MPLS-TE93
6.8 – Proteção e restauração – FRR93
6.9 – GMPLS94
Capítulo 7. IPv6 sobre MPLS96
7.1 – O protocolo IPv696
7.2 – Endereçamento IPv6101
7.3 – Transporte IPv6 sobre um backbone MPLS103
7.3.1 – Técnica 6PE104
7.3.2 – Técnica 6VPE106
Capítulo 8. Implementando Redes MPLS108
8.1 – A ferramenta de simulação dos ambientes108
8.2 – Topologia de base utilizada110
8.2.1 – Recursos utilizados1
8.3 – Escolha do protocolo IGP/EGP e esquema de endereçamento IP112
8.3.1 – Protocolo IS-IS – endereços NSAP112
8.3.2 – Protocolo IS-IS – áreas113
8.3.3 – Protocolo BGP113
8.3.4 – Definição do sistema autônomo114
8.3.5 – Configuração do MP-iBGP114
8.3.6 – Configuração geral do BGP114
8.3.7 – Configuração do Address Family VPNv4115
8.4 – Testes realizados e observações115
8.4.1 – Comportamento básico do MPLS115
8.4.2 – Configurações117
8.4.3 – Verificações e testes de conectividade119
8.4.4 – PseudoWire MPLS124
8.4.5 – MPLS VPN133
8.4.6 – QoS no MPLS145
8.4.7 – Engenharia de tráfego com MPLS151
8.5 – IPv6 sobre MPLS161
Referências Bibliográficas167
Apêndice A. Configurações – Funcionamento do MPLS173
Apêndice B. Verificação – PseudoWire177
Apêndice C. Configurações – MPLS-VPN179
Apêndice D. Configurações – MPLS – QoS188
Apêndice E. Configurações – Engenharia de Tráfego201
Apêndice F. Configurações – IPv6209
Índice Remissivo219

Introdução

Novas tecnologias estão sendo constantemente desenvolvidas para atender às demandas causadas pelo aumento da utilização da Internet, assim como um aumento das exigências por serviços de comunicação de dados, capazes de integrar dados, voz e imagem com qualidade de serviço e segurança.

Os canais troncos utilizados no tráfego em grande volume e velocidade são conhecidos como backbones. Apesar da complexidade de muitos backbones atuais, a robustez e confiabilidade são uma evidência de um grande avanço no desenvolvimento das tecnologias de redes espalhadas geograficamente, conhecidas pelo acrônimo de WAN (Wide Area Network), assim como da adoção de uma metodologia de consenso em relação a aspectos de projeto por parte dos desenvolvedores.

Combinando o processo de roteamento de nível 3 com a comutação sobre a camada 2, de acordo com o modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection), a arquitetura IP (Internet Protocol) sobre MPLS (MultiProtocol Label Switching) oferece maior possibilidade de gerenciamento e engenharia de tráfego, reduzindo o processamento necessário para realizar o roteamento de datagramas de rede. Essa tecnologia vem crescendo bastante e ganhando força como alternativa à combinação do protocolo IP sobre tecnologias de camada 2, tais como: Ethernet, Asynchronous Transfer Mode ( ATM) e Frame Relay, sendo largamente oferecida no mercado, de maneira que a demanda se intensificou e vem estimulando os clientes a solicitar tais serviços, não se tratando de mera oportunidade de negócio, mas de requisito imprescindível para atendimento das demandas dos clientes atuais.

O acompanhamento e a adaptação às mudanças tecnológicas que surgem e que se firmam em um cenário global são essenciais para que os provedores se mantenham presentes na disputa por novos clientes. Em backbones modernos, o uso da tecnologia MPLS traz grandes benefícios, evitando a complexidade de tecnologias de camada 2, que provocam problemas de escalabilidade, desempenho e administração. O MPLS também possibilita o uso de aplicações convergentes,

2 Redes MPLS o que o torna bastante atrativo para o mercado atual, que procura soluções que possibilitem a implementação de redes práticas, econômicas e interoperáveis. É importante também salientar que a tecnologia MPLS permite a integração de várias tecnologias usadas em grandes provedores, tais como: Frame Relay, ATM (Asynchronous Transfer Mode), linhas dedicadas e ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), viabilizando assim a otimização da infraestrutura instalada.

O fato de MPLS ser, por essência, uma tecnologia de camada dois e meio – isto porque adiciona um cabeçalho de 32 bits (que contém um rótulo) entre as camadas de enlace de dados e redes (dois e três no modelo OSI), dessa forma trabalhando com a tecnologia IP – provocou uma significante evolução nas tecnologias de núcleo da rede, sendo extremamente fácil de operar, oferecendo muitos mecanismos de controle e gerência de tráfego e provocando um melhor uso do meio físico. Seus equipamentos são bem mais baratos que equipamentos ATM e permitem velocidades bem maiores, tendo impacto direto nos negócios dos provedores de serviços de rede de longa distância – ISPs.

Este livro apresenta um estudo abrangente sobre a tecnologia MPLS e uma análise dos seus principais serviços, seus benefícios, suas facilidades e suas melhorias. Além disso, também explora as características do protocolo IPv6, com abordagem de algumas arquiteturas utilizadas para transporte deste protocolo no núcleo dos ISPs.

É feito também um estudo prático, com a ferramenta de emulação GNS3, através de diversas simulações de ambientes com a tecnologia MPLS e seus serviços, objetivando facilitar o aprendizado e servindo de base para o leitor desenvolver seus próprios cenários, suas configurações e aplicações.

Organização do livro

O capítulo 1 deste livro trata os conceitos fundamentais das redes IPs, abrangendo o protocolo IP e a Internet, os conceitos de roteamento e comutação e uma breve descrição dos principais protocolos de roteamento utilizados no mercado, base para o entendimento e a funcionalidade da tecnologia MPLS e que é apresentada ao longo deste livro.

No capítulo 2 são apresentados conceitos e definições referentes à tecnologia MPLS, dando uma visão dos principais componentes de uma rede MPLS, buscando identificar e entender o funcionamento da tecnologia, suas vantagens e desvantagens.

2 Redes MPLS Introdução 3

Nos capítulos 3, 4, 5 e 6 são discutidos os serviços fundamentais ofertados pela tecnologia MPLS (VPN – Virtual Private Network –, PseudoWire, QoS – Quality of Service – e Engenharia de Tráfego), descrevendo com detalhes como cada serviço trabalha, suas terminologias utilizadas, seus benefícios e suas implementações.

No capítulo 7 são tratados aspectos relacionados ao IPv6, novo protocolo da Internet, base para todos os backbones futuros. São descritas as características fundamentais do protocolo IPv6, assim como são também abordadas algumas arquiteturas IPv6 utilizadas para transporte deste protocolo em um backbone MPLS.

No capítulo 8 apresentamos um experimento, sua montagem e composição, que serve de exemplo ao leitor para metodologia de projeto e análise de desempenho de uma rede MPLS. Inicialmente, é apresentada a ferramenta utilizada para elaboração dos ambientes simulados e, em seguida, são apresentados a topologia e os recursos utilizados. Mostramos a escolha dos protocolos IGP/EGP (Interior Gateway Protocol/Exterior Gateway Protocol) e todos os testes realizados, com as observações para cada ambiente e serviço simulado.

Seguem-se as referências bibliográficas que serviram como base para o desenvolvimento desta publicação.

Por fim, os apêndices apresentam os arquivos de configuração, verificações e alguns testes efetuados para cada uma das simulações realizadas neste experimento.

CAPÍTULO 1. Conceitos Fundamentais

Neste capítulo são definidos os conceitos fundamentais das redes IPs, abrangendo o protocolo IP e a Internet, os conceitos de roteamento e comutação e uma breve descrição dos principais protocolos de roteamento utilizados no mercado.

É apresentado o protocolo IP (Internet Protocol) e como ele pode ser usado para a montagem de uma inter-rede escalável e heterogênea.

1.1 – Redes IPs

Em primeiro de janeiro de 1983, o TCP/IP (Transmission Control Protocol/

Internet Protocol) se tornou o protocolo oficial na ARPANET, que, em seguida, foi interconectada à NSF (National Science Foundation). A partir daí, o crescimento dessas redes se tornou exponencial (Tanenbaum, 2011). Essa rede de redes (Kurose e Ross, 2010) se tornou a Internet, não mais se restringindo a ambientes acadêmicos. O aparecimento do navegador (ou browser) Mosaic (Tanenbaum, 2011), um aplicativo de uso simples que “escondia” do usuário toda a complexidade da rede, possibilitou um rápido crescimento do número de usuários da Internet.

O principal protocolo de rede da Internet é o IP (Internet Protocol). O protocolo IP foi criado com o objetivo simples de tornar possível a comunicação entre máquinas independentemente do meio de transmissão, não possuindo mecanismos de notificação ( acknowledgement) ou correção de erro. O protocolo IP não tem mecanismos que permitam realizar consultas de gerenciamento, é sem controle de fluxo, não orientado a conexão e não era prevista qualidade de serviço, ou seja, um protocolo desenvolvido para trabalhar em uma rede de melhor esforço (best-effort) (Forouzan, Benhrouz A., 2008). Durante o seu desenvolvimento, esse protocolo sofreu várias modificações em seu projeto inicial para se adequar às novas necessidades de serviços de voz sobre uma rede de dados e serviço de vídeo sob demanda.

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