Materiały przygotowawcze do laboratorium

Przedmiot:
Prowadzący:
Kierunek:
Rok studiów:
Semestr:
Systemy i Sieci Telekomunikacyjne – laboratorium
Dr inż. Krzysztof Wajda, mgr inż. Arkadiusz Zwierz
Telekomunikacja
III
2014/2015
Materiały przygotowawcze do laboratorium
Badanie właściwości wieloprotokołowej komutacji etykietowej MPLS
(Multi-Protocol Label Switching). Wznawianie pracy po wystąpieniu
uszkodzenia w sieciach rozległych
Piotr Chołda, Mirosław Kantor, Arkadiusz Zwierz
26 października 2014
Przed zajęciami należy dokładnie zapoznać się z niniejszym materiałem.
1. Podstawy
1.1.
Wieloprotokołowa komutacja etykietowa MPLS
Wieloprotokołowa komutacja etykietowa MPLS (Multi-Protocol Label Switching)
została opracowana pod koniec lat 90-tych. W stosunku do podstawowej koncepcji protokołu
IP (Internet Protocol), według której głównym zadaniem urządzeń sieciowych jest tylko
dostarczenie informacji do odbiorcy, technika MPLS dodaje wiele nowych funkcji. Jest to
odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie na oferowanie różnych poziomów jakości obsługi
QoS (Quality of Service) oraz zapewnienie szybkiego wznawiania pracy po wystąpieniu
uszkodzenia w sieci rozległej. Technika MPLS współpracuje z tradycyjnymi sieciami
pakietowymi IP, przyspieszając przetwarzanie datagramów oraz umożliwiając odpowiednie
zarządzanie ruchem (np. metody optymalizowania użycia zasobów przy równoczesnym
wdrożeniu QoS, tj. mechanizmy inżynierii ruchu TE, Traffic Engineering). Technika ta,
obecnie coraz częściej używana (nie tylko w sieciach szkieletowych) znacznie upraszcza
proces zarządzania i sterowania siecią oraz zmniejsza koszty utrzymania sieci.
Podstawową ideą techniki MPLS jest komutowanie pakietów na podstawie 20-bitowej
etykiety. 32-bitowy nagłówek MPLS (przedstawiony na rysunku 1, strona 2; proszę pamiętać,
że nagłówków MPLS może następować kilka po kolei, tzn. mogą tworzyć stos) składa się z:

20 bitów przeznaczonych na etykietę, z których pierwsze 16 wartości etykiety są
zwolnione z normalnego użytkowania, to znaczy, że mają specjalne znaczenie (są
zarezerwowane).
Strona 1
Przedmiot:
Prowadzący:
Kierunek:
Rok studiów:
Semestr:

Systemy i Sieci Telekomunikacyjne – laboratorium
Dr inż. Krzysztof Wajda, mgr inż. Arkadiusz Zwierz
Telekomunikacja
III
2014/2015
3 bitów pola Exp („eksperymentalne”). Pole to służy wyłącznie do określenia poziomu
jakości usługi QoS. Bity te są nazywane "eksperymentalne" ze względów
historycznych. W pewnym momencie, nikt nie wiedział, do czego one będą
wykorzystywane.

1 bitu pola S (ang. Stack). Używanego do określania wierzchołka stosu etykiet.
Ustawiony bit S (na 1) wskazuje na podstawę stosu etykiet (nagłówków MPLS).
Pozostałe nagłówki MPLS tworzące stos mają bit S ustawiony na 0. Stos może
zawierać jeden nagłówek MPLS a może ich być więcej. Liczba tych nagłówków która
może znaleźć się na stosie jest nieograniczona, chociaż rzadko można spotkać stos
w którym znajduje się więcej niż 4 nagłówki.

8 bitów pola TTL (ang. Time to Live). Pole życia etykiety. Pełni funkcje analogiczne
jak pole o tej samej nazwie w nagłówku IP (służące do ochrony przed zapętleniem
pakietów w sieci, jeśli TTL z nagłówka MPLS osiągnie 0 to pakiet jest odrzucany).
Rys. 1. Format nagłówka MPLS i jego umiejscowienie na tle nagłówków innych warstw
modelu OSI/ISO. Pola: Exp – trzybitowe pole do określania poziomu QoS (nazwa
„eksperymentalne” ma znaczenie historyczne), S – wskaźnik wierzchołka stosu (hierarchii)
etykiet, TTL – ośmiobitowe pole czas życia.
Pakiet IP wchodzący do sieci MPLS jest przez ruter brzegowy LER 1 (Label Switching Router,
LSR, — Edge Router) przypisywany do tzw. klasy równoważności przekazywania FEC
(Forwarding Equivalence Class). Klasa ta służy do grupowania wszystkich pakietów, które są
ze sobą powiązane (np. pakiety pochodzą z jednej sesji TCP albo ze względu na reguły
zarządzania ruchem powinny być obsługiwane w jednakowy sposób, np. przechodzić w sieci
tą samą trasą). Przydzielenie do danej klasy FEC odbywa się głównie na podstawie
nagłówka IP i ewentualnie nagłówka protokołu warstwy transportowej (adres źródłowy i
docelowy2, pole TOS, Type of Service, przenoszony protokół, port nadawcy i odbiorcy) oraz
interfejsu wejściowego, ale może być również dokonywane na podstawie określonych przez
Strona 2
Systemy i Sieci Telekomunikacyjne – laboratorium
Dr inż. Krzysztof Wajda, mgr inż. Arkadiusz Zwierz
Telekomunikacja
III
2014/2015
Przedmiot:
Prowadzący:
Kierunek:
Rok studiów:
Semestr:
klienta wymagań związanych z jakością połączenia (tj. żądanej wartości przepływności,
opóźnienia, poziomu odporności na uszkodzenia itp.). Na podstawie przypisania pakietu do
klasy FEC ruter brzegowy przydziela pakiet do odpowiedniego tunelu MPLS. Następnie do
pakietu dodawany jest nagłówek MPLS z odpowiednią etykietą, która posłuży następnemu
ruterowi pośredniczącemu LSR do odpowiedniego skierowania pakietu w ramach ścieżki
LSP (Label Switching Path), aktualnie obsługującej tunel MPLS związany z daną FEC. Tunel
może być oczywiście również tworzony wewnątrz domeny MPLS (a nie tylko między ruterami
LER). Ruter początkowy dla tunelu nazywa się ruterem wejściowym (ingress router),
natomiast końcowy — ruterem wyjściowym (egress). Etykieta ma typowo znaczenie jedynie
lokalne;
ruter
pośredniczący
dokonuje
na
etykiecie
(po
uwzględnieniu
interfejsu
wejściowego) operacji ze zbioru trzech podstawowych działań na etykiecie: swap, push i
pop. Według wcześniejszych koncepcji, to dopiero rutery końcowe obsługujące dany tunel
usuwały nagłówki MPLS, ale w celu przyśpieszenia przekazywania pakietów funkcję tę
przejął przedostatni ruter z punktu widzenia danej ścieżki LSP. Do wymiany informacji o
topologii sieci rutery używają tradycyjnych protokołów trasowania typu link state: OSPF
(Open Shortest Path First) czy IS-IS (Intermediate System-to-Intermediate System),
ewentualnie poszerzonych o mechanizmy inżynierii ruchu TE (warto pamiętać, że w
niektórych sytuacjach istnieje również możliwość użycia protokołu BGP). W sytuacji gdy
ścieżka LSP jest tworzona automatycznie, a nie zadawana wprost przez administratora (typ
explicit), protokoły rutingu są stosowane do wyznaczenia jej przebiegu (zazwyczaj w węźle,
w którym zaczyna się ścieżka, tzw. ruting źródłowy, source-based routing). Technika MPLS
wykorzystuje również protokoły sygnalizacyjne LDP (Label Distribution Protocol) i RSVP
(ReSource reserVaton Protocol) w celu zarządzania połączeniami (m.in. dystrybucja etykiet,
rezerwacja przepływności) i zapewnienia działania mechanizmów inżynierii ruchu. Protokoły
sygnalizacyjne umożliwiają kontrolę przepływu danych, pomagają zapewnić QoS, informują
o uszkodzeniach łączy lub węzłów oraz uczestniczą w przełączaniu na ścieżki zapasowe.
1.2.
Protokół sygnalizacji LDP
W związku z tym że MPLS używa etykiet do przekazywania ruchu przez sieć,
potrzebny jest mechanizm doich dystrybuowania. W tym celu powstał protokół LDP (Label
Distribution Protocol). W celu przesłania pakietu za pomocą MPLS rutery muszą mieć
uruchomiony protokół LDP. Skonfigurowane urządzenia zaczną dystrybuować powiązania
etykiet z adresami IP z tablicy rutingu. Dzięki temu każdy ruter utworzy u sobie tablicę LIB
(Label Information Base), zawierająca odwzorowania etykiet wejściowych na wyjściowe.
LDP pełni cztery główne funkcje:

wykrywanie urządzeń LSR z uruchomionym protokołem LDP,
Strona 3
Przedmiot:
Prowadzący:
Kierunek:
Rok studiów:
Semestr:

Systemy i Sieci Telekomunikacyjne – laboratorium
Dr inż. Krzysztof Wajda, mgr inż. Arkadiusz Zwierz
Telekomunikacja
III
2014/2015
zestawianie i podtrzymywanie sesji LDP (w oparciu o protokoły transportowe zarówno
TCP jak i UDP),

dystrybuowanie etykiet,

wysyłanie powiadomień o wystąpieniu zdarzeń.
Rutery LSR wysyłają komunikaty LDP Hello na wszystkich interfejsach, na których został
uruchomiony protokół LDP. Służą one do wykrywania sąsiadów oraz podtrzymywania
zestawionej wcześniej sesji. Wiadomości LDP Hello są wysyłane na adres grupowy
(multikastowy) 224.0.0.2. Urządzenie które otrzyma taką wiadomość jest informowane, że na
tym interfejsie sąsiaduje z nim ruter LDP. Wiadomości Hello zawierają zegary przetrzymania
(hold timers, wartość domyślna to: 15 s). Jeżeli w tym czasie żadna wiadomość Hello nie
zostanie odebrana od sąsiada, zostanie on usunięty z tablicy sąsiadów LDP (mechanizm
podobny jak w przypadku działania protokołów rutingu typu link state).
Kiedy dwa rutery LSR dowiedzą się o sobie dzięki wymianie wiadomości LDP Hello
spróbują zestawić sesję LDP między sobą. Zestawienie jej odbywa się w dwóch etapach:

ustanowienie połączenia warstwy transportowej (TCP),

inicjalizacja sesji LDP.
Najpierw rutery wymieniają się wiadomościami LDP Hello zestawiając sąsiedztwo LDP.
Jeżeli nie istniała między nimi sesja, urządzenie próbuje utworzyć połączenie TCP z
sąsiadem. Gdy zostanie ono ustanowione następuje inicjalizacja sesji LDP. W jej trakcie
zachodzi negocjacja parametrów takich jak:

wersja protokołu LDP,

metoda dystrybucji etykiet,

parametry czasowe (np. czas przetrzymania).
Pomyślne zakończenie negocjacji skutkuje powstaniem sesji LDP między sąsiadami oraz
wymianą informacji nt. LIB.
1.3.
Przykład podstawowej konfiguracji MPLS na ruterze Cisco
Poniżej przedstawiono wycinek konfiguracji pewnego rutera, na którym uruchomiono
przełączanie pakietów za pomocą MPLS:
hostname Router
!
ip cef
!
mpls ldp router-id Loopback0
!
Strona 4
Przedmiot:
Prowadzący:
Kierunek:
Rok studiów:
Semestr:
Systemy i Sieci Telekomunikacyjne – laboratorium
Dr inż. Krzysztof Wajda, mgr inż. Arkadiusz Zwierz
Telekomunikacja
III
2014/2015
interface Loopback0
ip address 10.0.0.22 255.255.255.255
!
interface FastEthernet0/1
ip address 192.168.4.22 255.255.255.0
mpls ip
no shutdown
!
interface FastEthernet1/0
ip address 192.168.6.22 255.255.255.0
mpls ip
no shutdown
!
Na ruterze o nazwie Router dystrybucja etykiet (domyślnie za pomocą protokołu LDP)
została uruchomiona na dwóch interfejsach FastEthernet komendą mpls ip. Polecenie ip cef
służy do uruchomienia mechanizmu CEF (Cisco Express Forwarding). Jest to metoda
przyspieszonego przełączania pakietów stosowana przez urządzenia Cisco: mechanizm ten
używa zaawansowanego algorytmu służącego do unikania rekursywnego przeszukiwania
tablicy rutingu. Mechanizm CEF jest niezbędny do uruchomienia MPLS na ruterach Cisco
(inne mechanizmy służące do przełączania pakietów IP na tych ruterach nie mogą działać
wspólnie z MPLS).
Pytania do samodzielnego przestudiowania
1. Opisać nagłówek MPLS, znaczenie zawartych w nim pól i miejsce MPLS w stosie
protokołów.
2. Omówić relację między TTL w nagłówku IP i MPLS oraz zmiany pola TTL w
przypadku różnych operacji na etykietach, a także zachowanie sieci w przypadku
wyzerowania pola.
3. Scharakteryzować pulę etykiet zastrzeżonych i związanych z nimi właściwości
sieciowych.
4. Scharakteryzować rozróżnienie między bazami RIB, LIB i LFIB.
5. Omówić metody dystrybucji etykiet w sieci MPLS.
6. Opisać rodzaje definiowania przestrzeni etykiet w sieciach MPLS.
7. Omówić wszystkie operacje dokonywane na etykietach (nagłówkach etykiet) w sieci
MPLS na ruterach Cisco.
8. Opisać różnice między przekazywaniem pakietów w IP a przełączaniem etykietowym.
9. Omówić sens hierarchizacji (zagnieżdżania) ścieżek LSP w MPLS.
10. Omówić koncepcję FEC.
11. Omówić rolę wewnątrzdomenowych protokołów trasowania w MPLS.
12. Opisać problemy wynikające ze zróżnicowanego działania wewnątrzdomenowego
protokołu trasowania i protokołu LDP.
Strona 5