Es hoy día una solución clásica y estándar al transporte de información en las redes. Aceptado por toda la comunidad de Internet, ha sido hasta hoy una solución aceptable para el envío de información, utilizando Routing de paquetes con ciertas garantías de entrega.
1. CONMUTACIÓN
DE ETIQUETAS MULTIPROTOCOLO
Es un método para enviar paquetes a través de una red y consiste en anteponer una etiqueta adicional al paquete IP, permitiendo a los nodos intermedios de una red IP realizar un procesamiento sencillo de etiquetas para determinar el trayecto de salida de los paquetes en vez de las búsquedas más complejas utilizadas normalmente para averiguar el destino.
Es un método para enviar paquetes a través de una red y consiste en anteponer una etiqueta adicional al paquete IP, permitiendo a los nodos intermedios de una red IP realizar un procesamiento sencillo de etiquetas para determinar el trayecto de salida de los paquetes en vez de las búsquedas más complejas utilizadas normalmente para averiguar el destino.
2. ANTECEDENTES
Para poder entender mejor las ventajas de la solución MPLS, vale la pena revisar antes los esfuerzos anteriores de integración de los niveles 2 y 3 que han llevado finalmente a la adopción del estándar MPLS.
Las tecnologías de integración anteriores a MPLS son:
Para poder entender mejor las ventajas de la solución MPLS, vale la pena revisar antes los esfuerzos anteriores de integración de los niveles 2 y 3 que han llevado finalmente a la adopción del estándar MPLS.
Las tecnologías de integración anteriores a MPLS son:
2.1 IP/ATM
El boom de Internet provocó un déficit de ancho de banda, lo cual generaba saturación de las redes. Ante ello, se procedió a aumentar el rendimiento de los enrutadores tradicionales, combinando la eficacia y rentabilidad de los conmutadores ATM con las capacidades de control de IP. Pero esto resultaba complejo debido a la gestión de dos redes separadas y tecnológicamente diferentes, lo que ocasionaba un bajo rendimiento.
El boom de Internet provocó un déficit de ancho de banda, lo cual generaba saturación de las redes. Ante ello, se procedió a aumentar el rendimiento de los enrutadores tradicionales, combinando la eficacia y rentabilidad de los conmutadores ATM con las capacidades de control de IP. Pero esto resultaba complejo debido a la gestión de dos redes separadas y tecnológicamente diferentes, lo que ocasionaba un bajo rendimiento.
2.2 CONMUTACIÓN IP
Luego de los problemas en cuanto al
rendimiento de la solución IP/ATM, se desarrollaron técnicas para la
integración de los niveles de forma efectiva, las cuales se conocieron como
conmutación IP.
Sin embargo, dichas técnicas carecían de interoperabilidad,
porque usaban diferentes tecnologías privadas para combinar las capas 2 y 3
(OSI).
MPLS ha sido
desarrollado para eliminar varios de estos problemas. MPLS integra sin
discontinuidades la capa 2 de enlace de datos y la capa 3 de red, combinando
eficazmente las funciones de control del ruteo con la simplicidad y rapidez de
la conmutación de nivel 2.
3. SOPORTE MULTIPROTOCOLO
En
las siete capas del modelo OSI, la capa 2 de enlace de datos permite las
conexiones como Ethernet y redes de Área Local inalámbricas, mientras que la
capa 3 de red es análoga al Protocolo de Internet. MPLS es independiente a
ambas capas. Esto significa que se pueden construir conmutadores MPLS que
pueden llevar tanto paquetes IP como celdas ATM. De esta forma, MPLS ofrece los beneficios más
relevantes de ambas capas. Lo anterior es posible gracias a que las etiquetas
utilizadas en MPLS son añadidas en un punto intermedio entre las capas 2 y 3
del modelo.
MPLS puede ser utilizado con diversas
tecnologías, es decir no es necesario actualizar los routers IP existentes. Los
routers MPLS pueden trabajar con routers IP a la par, lo que facilita la
introducción de dicha tecnología a redes existentes ya que esta diseñada para
trabajar con redes ATM y Frame Relay. Al igual que los routers los switches
MPLS pueden trabajar con switches normales. Esta tecnología puede trabajar con
tecnologías puras como IP, ATM y Frame Relay. Todo esto con la ventaja de tener
redes mixtas añadiendo QoS para optimizar y expandir los recursos.
4. COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO DE UNA RED MPLS
Los dispositivos que participan en un ambiente como éste pueden clasificarse en ruteadores frontera de etiquetas (LER, por sus siglas en inglés) y en ruteadores de conmutación de etiquetas (LSR). Un LER es un dispositivo que opera en los extremos de las redes MPLS y funciona como el punto de interconexión entre ésta y la red de acceso. Cuando un paquete llega a uno de estos ruteadores, el LER examina la información entrante y, de acuerdo con una base de datos que asocia la calidad de servicio que se requiere, asigna al paquete una etiqueta. En el extremo de salida de una red MPLS se presenta la situación opuesta, siendo estos dispositivos los responsables de remover la etiqueta para entregar el paquete en la forma en que fue recibido. De esta manera, los ruteadores frontera de etiquetas pueden convertir paquetes IP en paquetes MPLS y viceversa, además de contar con múltiples puertos para conectar redes de acceso disimilares, como por ejemplo Frame Relay, ATM y Ethernet.
Después de que los paquetes han sido etiquetados por el LER, éstos comienzan su viaje a través de la red MPLS, encontrándose en su trayectoria con los ruteadores de conmutación de etiquetas (LSRs). Estos son los encargados de dirigir el tráfico en el interior de la red, de acuerdo con las etiquetas asignadas. Cuando un paquete arriba a un LSR, éste examina su etiqueta y la utiliza como un índice en una tabla propia que especifica el siguiente "salto" y una nueva etiqueta. El LSR intercambia entonces esta etiqueta por la que contenía el paquete y lo envía hacia el siguiente ruteador. La ruta que sigue un paquete entre dos nodos de la red MPLS se conoce como ruta conmutada de etiquetas (LSP, por sus siglas en inglés). Cada LSP es unidireccional, por lo que el tráfico de regreso deberá utilizar un LSP diferente. Obsérvese la Figura 1 para ubicar los componentes de una red MPLS.
Los dispositivos que participan en un ambiente como éste pueden clasificarse en ruteadores frontera de etiquetas (LER, por sus siglas en inglés) y en ruteadores de conmutación de etiquetas (LSR). Un LER es un dispositivo que opera en los extremos de las redes MPLS y funciona como el punto de interconexión entre ésta y la red de acceso. Cuando un paquete llega a uno de estos ruteadores, el LER examina la información entrante y, de acuerdo con una base de datos que asocia la calidad de servicio que se requiere, asigna al paquete una etiqueta. En el extremo de salida de una red MPLS se presenta la situación opuesta, siendo estos dispositivos los responsables de remover la etiqueta para entregar el paquete en la forma en que fue recibido. De esta manera, los ruteadores frontera de etiquetas pueden convertir paquetes IP en paquetes MPLS y viceversa, además de contar con múltiples puertos para conectar redes de acceso disimilares, como por ejemplo Frame Relay, ATM y Ethernet.
Después de que los paquetes han sido etiquetados por el LER, éstos comienzan su viaje a través de la red MPLS, encontrándose en su trayectoria con los ruteadores de conmutación de etiquetas (LSRs). Estos son los encargados de dirigir el tráfico en el interior de la red, de acuerdo con las etiquetas asignadas. Cuando un paquete arriba a un LSR, éste examina su etiqueta y la utiliza como un índice en una tabla propia que especifica el siguiente "salto" y una nueva etiqueta. El LSR intercambia entonces esta etiqueta por la que contenía el paquete y lo envía hacia el siguiente ruteador. La ruta que sigue un paquete entre dos nodos de la red MPLS se conoce como ruta conmutada de etiquetas (LSP, por sus siglas en inglés). Cada LSP es unidireccional, por lo que el tráfico de regreso deberá utilizar un LSP diferente. Obsérvese la Figura 1 para ubicar los componentes de una red MPLS.
Como se comentó anteriormente, los LERs se
encargan de clasificar paquetes con base en un nivel de calidad de servicio. A
este proceso de clasificación se le conoce como Clase Equivalente de
Direccionamiento (FEC, por sus siglas en inglés). Un FEC es la
representación de un conjunto de paquetes que comparten los mismos
requerimientos para su transporte, de manera que todos los paquetes que
pertenezcan a un FEC seguirán el mismo LSP para llegar a su destino.
Figura 1. Arquitectura MPLS.
Los LERs utilizan diferentes métodos para etiquetar el tráfico. Bajo el esquema más simple, los paquetes IP son ligados a una etiqueta y a un FEC utilizando tablas preprogramadas como la que se muestra en la Figura 2a. Cuando los paquetes abandonan el LER e ingresan al LSR correspondiente, la etiqueta MPLS es examinada y comparada contra una tabla de conectividad conocida como Base de Información de Etiquetas (LIB, por sus siglas en inglés) para determinar la acción a seguir. El intercambio de instrucciones se llevará a cabo dependiendo de las instrucciones del LIB. Un ejemplo de esta tabla de conectividad se muestra en la Figura 2b.
Figura 2a. Ejemplo de una tabla preprogramada para LERs.
Figura 2b. Ejemplo de un LIB para LSRs.
Un ruteador frontera lleva a cabo
distintas funciones de análisis: mapear un protocolo de la capa 2 del modelo
OSI a MPLS, mapear MPLS a la capa 3 del modelo y clasificar el tráfico con gran
flexibilidad. Adicionalmente, un LER define qué tráfico deberá ser tratado como
MPLS y qué paquetes deberán tratarse como tráfico IP ordinario.
Cuando hablamos de etiquetas MPLS nos
referimos a una percepción simplificada del encabezado de un paquete IP, aun
cuando una etiqueta contiene toda la información asociada al direccionamiento
de un paquete hasta su destino final en la red MPLS. A diferencia de un
encabezado IP, las etiquetas no contienen una dirección IP, sino más bien un
valor numérico acordado entre dos nodos consecutivos para proporcionar una
conexión a través de un LSP. La etiqueta es un identificador corto de
longitud fija empleado para asociar un determinado FEC, normalmente de
significado local.
La etiqueta MPLS tiene una longitud de 32 bits divididos en cuatro secciones. El campo etiqueta es el que utilizan los routers MPLS para decidir por donde encaminar el paquete. El campo Exp no tiene definida una función en el estándar. Se prevé que pueda utilizarse para transmitir información sobre el paquete que deba ser conocida por los routers MPLS. El campo S indica (cuando vale 1) que se trata de la última etiqueta en la pila. En el caso de haber más de una etiqueta MPLS todas tendrán a cero el campo S salvo la última. Evidentemente en el caso de haber solo una etiqueta MPLS esta tendrá siempre a 1 el campo S. Finalmente, los 8 bits restantes indican el tiempo de vida del paquete, es decir, un parámetro que decrementa su valor por cada nodo recorrido hasta llegar a cero. Obsérvese en la Figura 3 cómo está compuesta la "etiqueta de inserción" y cuál su ubicación dentro de los paquetes IP. Algunas operaciones que se realizan con una etiqueta son: Label Swap: operación de cambio del valor de la etiqueta en cada nodo. Label Mergin: cambio de varias etiquetas por una única, que identifican a un mismo FEC.
5.
DISTRIBUCIÓN DE ETIQUETAS
Hasta este momento hemos analizado los componentes de una red MPLS, la manera en que los paquetes etiquetados viajan en un ambiente como éste, algunas de las ventajas que la tecnología MPLS ofrece y algunos otros conceptos básicos asociados. Es también importante conocer la forma en que se lleva a cabo la distribución de etiquetas hacia los ruteadores y los protocolos que pueden utilizarse para hacer esto. Un ruteador MPLS debe conocer las "reglas" para poder asignar o intercambiar etiquetas. Aun cuando los ruteadores convencionales suelen ser programados para determinar qué es lo que harán con un determinado paquete, es preferible contar con una asignación dinámica de reglas que permita mayor flexibilidad. Existen dos alternativas diferentes para hacer esta distribución. Cuando los ruteadores son capaces de "escuchar" estas reglas, crear una base de datos interna y distribuir esta información a otros ruteadores, sin necesidad de contar con un administrador de etiquetas previamente designado, el control se hace de manera independiente. La otra alternativa, preferida en MPLS, es el control ordenado. En este método de distribución, el LER de salida es, por lo regular, el encargado de la distribución de etiquetas, siendo este proceso en sentido contrario al direccionamiento de paquetes. El control ordenado ofrece como ventajas una mejor ingeniería de tráfico y mayor control de la red, aunque, en comparación con el control independiente, presenta tiempos de convergencia mayores y el ruteador de salida se convierte en el único punto susceptible a fallas.
Hasta este momento hemos analizado los componentes de una red MPLS, la manera en que los paquetes etiquetados viajan en un ambiente como éste, algunas de las ventajas que la tecnología MPLS ofrece y algunos otros conceptos básicos asociados. Es también importante conocer la forma en que se lleva a cabo la distribución de etiquetas hacia los ruteadores y los protocolos que pueden utilizarse para hacer esto. Un ruteador MPLS debe conocer las "reglas" para poder asignar o intercambiar etiquetas. Aun cuando los ruteadores convencionales suelen ser programados para determinar qué es lo que harán con un determinado paquete, es preferible contar con una asignación dinámica de reglas que permita mayor flexibilidad. Existen dos alternativas diferentes para hacer esta distribución. Cuando los ruteadores son capaces de "escuchar" estas reglas, crear una base de datos interna y distribuir esta información a otros ruteadores, sin necesidad de contar con un administrador de etiquetas previamente designado, el control se hace de manera independiente. La otra alternativa, preferida en MPLS, es el control ordenado. En este método de distribución, el LER de salida es, por lo regular, el encargado de la distribución de etiquetas, siendo este proceso en sentido contrario al direccionamiento de paquetes. El control ordenado ofrece como ventajas una mejor ingeniería de tráfico y mayor control de la red, aunque, en comparación con el control independiente, presenta tiempos de convergencia mayores y el ruteador de salida se convierte en el único punto susceptible a fallas.
6. PROTOCOLOS PARA LA DISTRIBUCIÓN DE ETIQUETAS
Actualmente existe una amplia variedad de protocolos utilizados para la distribución de etiquetas. La arquitectura MPLS no especifica uno de estos en particular, sino que, más bien, recomienda su elección dependiendo de los requerimientos específicos de la red. Los protocolos utilizados pueden agruparse en dos grupos: protocolos de enrutamiento explícito y protocolos de enrutamiento implícito. El enrutamiento explícito es idóneo para ofrecer ingeniería de tráfico y permite la creación de túneles. El enrutamiento implícito, por el contrario, permite el establecimiento de LSPs pero no ofrece características de ingeniería de tráfico.
Actualmente existe una amplia variedad de protocolos utilizados para la distribución de etiquetas. La arquitectura MPLS no especifica uno de estos en particular, sino que, más bien, recomienda su elección dependiendo de los requerimientos específicos de la red. Los protocolos utilizados pueden agruparse en dos grupos: protocolos de enrutamiento explícito y protocolos de enrutamiento implícito. El enrutamiento explícito es idóneo para ofrecer ingeniería de tráfico y permite la creación de túneles. El enrutamiento implícito, por el contrario, permite el establecimiento de LSPs pero no ofrece características de ingeniería de tráfico.
El Protocolo de Distribución de
Etiquetas (LDP, por sus siglas en inglés) es uno de los protocolos
de enrutamiento implícito que se utilizan con frecuencia. LDP define el
conjunto de procedimientos y mensajes a través de los cuales los LSRs
establecen LSPs en una red MPLS. Sin embargo, como ya se dijo, este protocolo
no ofrece características de ingeniería de tráfico. Otros protocolos de
enrutamiento implícito incluyen al Protocolo de Compuerta de Frontera (BGP)
y al protocolo de Sistema Intermedio a Sistema Intermedio (IS-IS).
Debido a su extensión, la descripción de estos protocolos no será contemplada
en la presente exposición.
Por otro lado, entre los protocolos de
enrutamiento explícito más comunes encontramos al protocolo LDP de Ruta
Restringida (CR-LDP) y al Protocolo de Reservación de Recursos
con Ingeniería de Tráfico (RSVP-TE). El primero de estos protocolos
ofrece, en adición a LDP, características de ingeniería de tráfico, de
manera que sea posible negociar con anticipación una ruta en especial. Esto
permite establecer LSPs punto a punto con calidad de servicio en MPLS. CR-LDP
es un protocolo de estado sólido, es decir, que después de haberse
establecido la conexión, ésta se mantiene "abierta" hasta que se le
indique lo contrario.
RSVP-TE opera de manera similar que CR-LDP, pues permite
negociar un LSP punto a punto que garantice un nivel de servicio de extremo a
extremo. A diferencia de CR-LDP, este protocolo permite negociar una ruta para
la transmisión de información, misma que debe "refrescarse"
constantemente para que ésta se mantenga activa (estado blando).
Mediante estos últimos protocolos y la aplicación de distintas estrategias de
ingeniería de tráfico es posible asignar diferentes niveles de calidad de
servicio en redes MPLS.
7. BENEFICIOS DE MPLS
7.1 Ingeniería de
tráfico (TE)
El protocolo
IP provee una forma primitiva de ingeniería de tráfico al igual que el
protocolo del camino mas corto (OSPF) que permite a los enrutadores cambiar la
ruta de los paquetes cuando sea necesario para balancear la carga, sin embargo,
esto ya no es suficiente ya que este tipo de ruteo dinámico puede llegar a
congestionar la red y no soporta QoS (Calidad de Servicio). En MPLS a
diferencia de OSPF no se ve paquete por paquete sino flujos de paquetes con sus
respectivos QoS y demanda de tráfico predecible. Si llegase a amenazar
congestión en la red, las rutas MPLS pueden ser re-ruteadas inteligentemente.
El camino más corto entre A y B según la
métrica normal IGP es el que tiene sólo dos saltos, pero puede que el exceso de
tráfico sobre esos enlaces o el esfuerzo de los routers correspondientes hagan
aconsejable la utilización del camino alternativo indicado con un salto más.
7.2 Calidad de
Servicio (QoS)
QoS trabaja a lo largo de la red y se encarga
de asignar recursos a las aplicaciones que lo requieran, dichos recursos se
refieren principalmente al ancho banda. Para asignar estos recursos QoS se basa
en prioridades, algunas aplicaciones podrán tener más prioridad que otras, sin
embargo se garantiza que todas las aplicaciones tendrán los recursos necesarios
para completar sus transacciones en un periodo de tiempo aceptable.
En resumen QoS
otorga mayor control a los administradores sobre sus redes, mejora la interacción
de usuario con el sistema y reduce los costos al asignar recursos con mayor
eficiencia (bandwidth). Mejora el control sobre la latencia (Latency y jitter)
y por ultimo asegura la transmisión de voz sin interrupciones.
7.3 Soporte a
Clases de Servicio (CoS)
Permite
diferenciar servicios tradicionales tales como el WWW, el correo electrónico o
la transferencia de ficheros, de otras aplicaciones mucho más dependientes del retardo
y de la variación del mismo, como son las de vídeo y voz interactiva.
Las etiquetas MPLS tienen el campo EXP para poder
propagar la clase de servicio CoS en el correspondiente LSP. De es te modo, una
red MPLS puede transportar distintas clases de tráfico.
7.4 Redes
Privadas Virtuales (VPNs)
MPLS provee un
mecanismo eficiente para el manejo de redes privadas virtuales. De esta manera
el tráfico de una red privada “atraviesa” la internet eficazmente y de manera
transparente para el usuario, eliminado cualquier tráfico externo y protegiendo
la información.
Las VPNS creadas con tecnología MPLS tienen una mayor capacidad de expansión y son más flexibles en cualquier red, principalmente IP. MPLS se encarga de reenviar (forward) paquetes a través de túneles privados utilizando etiquetas que actúan como códigos postales. Dicha etiqueta tiene un identificador que la aísla a esa VPN.