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Enrutamiento por segmentos: descubriendo un tesoro de innovacIón en el IETF

Por Adrian Farrel y Ron Bonica

El Enrutamiento por segmentos (SR) es una nueva tecnología de InGEnIEríA de tráfico que está desarrollando el Grupo de Trabajo SPrInG del IETF. El SR depende de dos encapsulaciones en el plano de reenvío: Conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) e IPv6 con un encabezado de extensión de enrutamiento por segmentos. Este artículo ofrece un contexto histórico al describir los protocolos MPLS de plano de control y plano de reenvío. También explica cómo funciona el enrutamiento por segmentos, presenta el plano de reenvío de MPLS-SR y muestra cómo se utiliza el plano de control del sr. Finalmente, el artículo compara el enrutamiento por segmentos con los sistemas MPLS legados e identifica sus méritos excepcionales.

Reenvío MPLS 

La tecnología MPLS tiene casi 20 años de existencia. un dominio mPls es un conjunto contiguo de routers de conmutación de etiquetas (LSr). Los paquetes entran al dominio MPLS a través de un lsr de entrada y salen del dominio MPLS a través de un lsr de salida. un único lsr puede servir como entrada para algunos paquetes y como salida para otros.

Una ruta conmutada por etiquetas (LSP) proporciona conectividad entre un LSR de entrada y un LSR de salida. una LSP puede atravesar la ruta de menor costo o puede atravesar una ruta de ingeniería de tráfico.

Cuando un LSR de entrada recibe un paquete, le asigna este paquete a la una clase de equivalencia de reenvío (FEC) y lo encapsula con una pila de etiquetas MPLS. A continuación, reenvía el paquete al siguiente salto asociado con la FEC.

La pila de etiquetas MPLS contiene una o más entradas de pila de etiquetas. Cada entrada de pila de etiquetas contiene una etiqueta, un indicador de tiempo de vida (TTL), un indicador de clase de tráfico (TC) y un indicador de fondo de pila. Estos datos determinan cómo procesará el paquete un LSR de tránsito. de esta manera, cada entrada de pila de etiquetas es una instrucción para un LSR.

Cuando un LSR recibe un paquete, examina la entrada superior en la pila de etiquetas y reduce el TTL. Si el TTL no ha caducado, el lsr busca en su base de información de reenvío (FIB) una entrada que coincida con la etiqueta entrante.

Si el LSR encuentra en la FIB una entrada que coincida con la etiqueta entrante, la entrada de la FIB incluirá la siguiente información:

  • acción de la etiqueta
  • Interfaz de siguiente saltoLas acciones de las etiquetas son las siguientes:
  • Empujar una o más entradas nuevas a la pila de etiquetas.
  • Quitar la entrada superior de la pila de etiquetas.
  • Intercambiar la etiqueta en la entrada superior.Una vez que se encuentra una entrada coincidente en la FIB, el lsr ejecuta la acción de la etiqueta y reenvía el paquete a través de la interfaz de siguiente salto. la interfaz de siguiente salto puede ser una interfaz interna o una interfaz externa. si la interfaz de siguiente salto es una interfaz interna, el lsr se reenvía el paquete a sí mismo y procesa el paquete como si recién lo hubiera recibido, exa- minando el encabezado del protocolo más externo (outermost). si la interfaz de siguiente salto es una interfaz externa, el lsr reenvía el paquete de forma adecuada.Cuando un paquete llega al penúltimo salto en una LSP, el LSr puede quitar la última entrada de la pila de etiquetas y reenviar el paquete de carga útil sin ninguna encap- sulación.

Plano de control de MPLS

Protocolos de enrutamiento

Una red MPLS utiliza de forma intensiva los protocolos de pasarela interna (IGP) —protocolo del camino más corto primero (OSPF) o protocolo de sistema interme- diario a sistema intermediario (IS-IS) para conocer la topología de red, establecer las rutas de menor costo y proporcionar información para calcular las rutas de ingeniería de tráfico. Para distribuir la conectividad y las métricas para los enlaces de red se utilizan anuncios normales en el IGP, y esos mensajes se mejoran con información adicional que describe los enlaces (por ejemplo, el ancho de banda).

Protocolo de distribución de etiquetas (LDP)

LDP es un protocolo basado en el protocolo TCP que se puede ejecutar entre LSR adyacentes en una red MPLS. Cada LSR utiliza el protocolo para anunciar qué etiqueta utilizar cuando se envían paquetes encapsulados MPLS para su entrega final a un prefijo IP. Dado que cada LSR recibe anuncios de otros LSR, es posible instalar entradas en su FIB que muestren cómo mapear desde la etiqueta en un paquete recibido (una etiqueta que ha anunciado) hasta una etiqueta en un paquete que reenvía (una etiqueta que ha recibido en un anuncio).

El LDP hace que el tráfico se reenvíe a lo largo de la ruta de menor costo y no soporte ingeniería de tráfico.

Protocolo de reserva de recursos con extensiones TE (RSVP-TE)

En RSVP-TE, los operadores de red asignan de forma administrativa atributos TE a interfaces. Los atributos TE incluyen, de modo no taxativo, ancho de banda dis- ponible, ancho de banda reservado y color administrativo. Estos atributos TE son dis- tribuidos por el IGP mediante inundación de manera que cada nodo dentro del dominio IGP mantiene una copia idéntica de una base de datos de estado de enlace (LSdb) y una base de datos de ingeniería de trá co (TEd). La LSdb describe la topología IGP, mientras que la TEd aumenta la LSdb con atributos de enlace TE.

Los operadores de red solicitan lsP que cumplan con ciertas limitaciones. Por ejemplo, un operador de red podría solicitar una LSP que se origine en el nodo A, termine en el nodo z, reserve 100 megabits por segundo y solo atraviese las interfaces azules. un módulo de cálculo de ruta, ubicado en un controlador central —por ejemplo, el elemento de cálculo de ruta (PcE)— o en el lsr de entrada, calcula una ruta que satisface todas las limitaciones. Para construir esta ruta sr, la función de cálculo de ruta consulta la lsdB y la TEd.

RSVP-TE es un protocolo de señalización que corre directamente sobre IP. Utiliza el mensaje Path para señalizar a lo largo de la ruta del lsP y se retorna un mensaje resv para reservar recursos de red y confirmar el establecimiento de la lsP. El mensaje Path contiene detalles de la lsP solicitada (ancho de banda, etc.), así como un objeto de ruta explícita (Ero) que enumera los nodos y enlaces que debe atravesar la lsP. El mensaje resv informa los recursos que se han reservado (ancho de banda, etc.) y un objeto de registro de ruta (rro) que conforma el camino de la LSP.

Cada LSr selecciona una etiqueta que utilizará para recibir tráfico en la LSP. Incluye esta etiqueta en el mensaje resv que envía. Por lo tanto, cada LSr puede construir una entrada en la FIB para la lsP que mapea la etiqueta que ha anunciado a la etiqueta que ha recibido.

RSVP-TE requiere que se mantenga el estado en la red para cada lsP y el protocolo es un “protocolo de estado blando”, lo que significa que los mensajes resv y Path deben intercambiarse periódicamente para mantener activa la lsP.

Enrutamiento por segmentos

Terminología

Un dominio sr es un conjunto contiguo de routers con capacidad de realizar conmutación por segmentos (routers sr). Una ruta sr (es decir, una lsP señalizada por sr) proporciona conectividad a través del dominio sr. Una ruta sr puede atravesar la ruta de menor costo del IGP entre sus puntos extremos. También puede atravesar una ruta de ingeniería de tráfico.

Una ruta sr contiene uno o más segmentos y un segmento contiene uno o más saltos de routers. El Grupo de Trabajo sPrInG ha propuesto muchos tipos de segmentos. sin embargo, los siguientes tipos de segmentos son los más comunes:

• Adyacencia

• Prefijo

• Anycast

• Asociación

Los segmentos de adyacencia representan una adyacencia IGP entre dos routers. Generalmente contienen un salto de router, pero pueden contener más. Los segmentos de prefijos representan la ruta IGP de menor costo entre cualquier router y un prefijo especificado. Los segmentos de prefijos contienen uno o más saltos de router. Los segmentos anycast se parecen a los segmentos de prefijos en que repre- sentan la ruta IGP de menor costo entre cualquier router y un prefijo especificado. Sin embargo, el prefijo especificado puede ser anunciado desde múltiples puntos en la red. Los prefijos de asociación representan túneles a través del dominio sr. El túnel puede ser otra ruta sr, una lsP señalizada por ldP, una lsP señalizada por rSVP-TE o cualquier otra encapsulación.

Un identificador de segmentos (SId) identifica cada segmento. Los SId que repre- sentan segmentos anycast y de prefijos tienen importancia en todo el dominio. Por lo tanto, los operadores de red los distribuyen utilizando procedimientos que son similares a aquellos que se utilizan para distribuir direcciones IP privadas (es decir, rFC 1918). A la inversa, los SId que representan segmentos de asociación y de adyacencia solo tienen importancia local. los routers con capacidad de realizar con- mutación por segmentos distribuyen estos sId de forma automática, sin preocuparse por la coordinación en todo el dominio.

Cada SId mapea a una etiqueta mPLS. Como ya se dijo, las etiquetas mPLS solo tienen importancia local. Por ende, los sId que tienen importancia local solo pueden mapear directamente a etiquetas mPLS. Sin embargo, los SId que tienen importancia en todo el dominio requieren un tratamiento especial.

Cada router sr reserva un rango de etiquetas mPLS, llamado bloque Sr global (srGB). Por ejemplo, el router A puede reservar las etiquetas 10.000 a 20.000, mientras que el router B reserva las etiquetas 20.000 a 40.000. ambos routers mapean los SId a etiquetas mPLS sumando el sId al menor valor de srGB. Por lo tanto, el router A mapea el sId 1 a la etiqueta mPLS 10.001, mientras que el router B mapea el mismo SId a la etiqueta mPls 20.001.

Reenvío (forwarding) de SR

Cuando un router sr de entrada recibe un paquete, asigna el paquete a una FEC y lo encapsula en una pila de etiquetas mPLS. Por último, reenvía el paquete al siguiente salto asociado con la FEc.

La pila de etiquetas mPLS representa una ruta Sr que se asocia con la FEC. Cada entrada en la pila de etiquetas representa un segmento en la ruta sr.

En la Figura 1, r1 mantiene una ruta sr hasta r4. la ruta sr contiene cinco seg- mentos de adyacencia, que se originan en r2, r3, r7, r6 y r5. El LSr de entrada (r1) impone una pila de etiquetas con una entrada para cada segmento de adya- cencia. Finalmente, r1 reenvía el paquete a r2, donde comienza el primer segmento de adyacencia. r2 procesa la entrada de la pila de etiquetas más externa, quitándola y enviando el paquete a r3. Cada LSr aguas abajo repite el proceso hasta que el paquete llega a r4.

En la Figura 2, r1 a r6 mantienen una ruta sr hasta r7. la ruta sr contiene un único segmento de pre jos, representado por el sId 7. Ahora analizaremos la ruta de r4 a r7.

El router de entrada (r4) impone una pila de etiquetas que contiene exactamente una entrada, que representa el segmento de pre jos (es decir, la ruta IGP de menor costo) entre r4 y r7. Esta entrada de pila de etiquetas lleva una etiqueta que co- rresponde al sId 7. Para calcular esta etiqueta, r4 suma el SId (7) a la base srGB anunciada por el siguiente salto, r5 (es decir, 200). El resultado es 207. Por último, r4 reenvía el paquete a r5.

r5 procesa la etiqueta. Para hacerlo, identica el router en la ruta IGP de menor costo a r7 (es decir, r6). Luego, r5 cambia la etiqueta, reemplazándola por el valor que r6 mapea al SId 7 (es decir, 307). Por último, reenvía el paquete a r6. r6 repite este proceso y el paquete llega a r7.

En la Figura 3, r1 mantiene una ruta sr de ingeniería de trá co hasta r4 que pasa por r7. la ruta sr contiene dos segmentos de pre jos. un segmento de pre jo representa la ruta IGP de menor costo desde r1 hasta r7, el otro representa la ruta IGP de menor costo desde r7 hasta r4.

El lsr de entrada (r1) impone una pila de etiquetas con una entrada que representa cada segmento de pre jos. Calcula el valor de la etiqueta interior sumando el SId de r4 (4) a la base srGB de r7 (300). calcula el valor de la etiqueta exterior sumando el sId de r7 (7) a la base srGB de r2. Por último, r1 reenvía el paquete a r2. Todos los routers aguas abajo procesan el paquete como se describe en el ejemplo anterior y el paquete llega a r4.

 

Extensiones IGP para enrutamiento por segmentos

Cada router con capacidad de realizar conmutación por segmentos distribuye un SId y una etiqueta:

  • A cada segmento anycast o de pre jos de los cuales es terminación
  • A cada segmento de asociación o adyacencia que originauna vez realizado esto, crea una entrada rIB para cada uno de los segmentos ante- riores e instala las entradas rIB en la FIB.luego, el router sr anuncia en su IGP lo siguiente:
  • las características de su srGB
  • Cada segmento anycast o de pre jos de los cuales es terminación
  • cada segmento de asociación o adyacencia que originaEl IGP inunda estos datos, además de los atributos del enlace de ingeniería

de tráfico, en todo el dominio IGP. Por lo tanto, cada nodo dentro del dominio IGP mantiene una copia idéntica de una base de datos de estado de enlace (lsdB) y una base de datos de ingeniería de trá co (TEd) la lsdB describe la topología IGP, incluyendo los sId y datos srGB, mientras que la TEd aumenta la LSdB con atributos de enlaces TE.

Una vez renalizada la inundación, cada nodo dentro del dominio IGP construye dos entradas rIB para cada segmento anycast o de prefijos de los que no es terminación. La primera entrada rIB le ordena al dispositivo local que procese todo el tráfico IP entrante que se dirige al prefijo de la siguiente manera:

• coloca (push) una entrada de pila de etiquetas mPLS cuya etiqueta mapea al sId.

• reenviar el paquete al siguiente salto en la ruta IGP de menor costo hacia el punto extremo del segmento.

La segunda entrada rIB ordena al dis- positivo local que procese todo el trá co mPLS entrante cuya etiqueta más externa mapee al segmento de la siguiente manera:

  • Cambie la etiqueta más externa, tomando en cuenta la información de la srGB del siguiente salto.
  • reenvíe el paquete al siguiente salto en la ruta IGP de menor costo hacia el punto extremo del segmento.
    Cálculo de rutas

    Una función de cálculo de rutas determina las rutas Sr. dado un conjunto de restricciones de ingeniería de trá co (TE), la función de cálculo de rutasproduce una pila de etiquetas mPLS que representa una ruta Sr que satisface las restricciones. Para construir esta ruta sr, la función de cálculo de rutas consulta la lsdB y la TEd.

    La función puede residir en un controlador central. A la inversa, la función de cálculo de rutas puede estar distribuida entre los lsr de entrada.

     

     

    Análisis

    LdP y rSVP-TE son protocolos de señalización de extremo a extremo que establecen en los lsr un estado de reenvío por LSP. Dado que LdP y rSVP-TE mantienen el estado de reenvío requerido en los LSr, una LSP señalizada por LdP o rSVP-TE se puede representar mediante una única entrada de pila de etiquetas mPLS.

    Por el contrario, el sr traslada parte del estado de reenvío, aunque no todo, de la red al paquete. Una ruta Sr se representa mediante una pila de etiquetas, con una entrada de pila de etiquetas para representar cada segmento en la ruta sr. Por lo tanto, la red mantiene estado suficiente para enrutar el paquete desde el segmento de entrada hasta el segmento de salida, mientras que el paquete mantiene estado suficiente para enrutar el paquete de segmento a segmento.

    Al mover estado de la red al paquete, el Sr reduce la cantidad de memoria que requieren las LrS y la cantidad de procesamiento necesario para mantener estado. Recientes aumentos de la cPu y memoria de los routers y mejoras en el protocolo rSVP-TE y sus implementaciones han reducido este inconveniente. sin embargo, continúa siendo motivo de preocupación.

    Un beneficio más significativo de mover estado de la red al paquete es que se elimina la necesidad de un protocolo de señalización de extremo a extremo. Aunque el Sr requiere un IGP y un módulo de cálculo de rutas, no requiere un protocolo de señalización como el LdP o rSVP-TE.

    Sin embargo, algunas funciones avanzadas que ofrece el rSVP-TE dependen de la señalización de extremo a extremo y del estado por lsP en la red. Estas funciones incluyen la reserva de ancho de banda, la detección de fallas y el re-enrutamiento rápido.

    En rSVP-TE, la función de cálculo de rutas puede estar distribuida entre los lrs de entrada, incluso cuando las restricciones de ingeniería de tráfico incluyen re- servas de ancho de banda. Esto es posible porque, en rSVP-TE, cada LSr mantiene estado para cada LSP que soporta. Teniendo este estado, puede calcular el ancho de banda restante en cada interfaz habilitada e inundar dicha información en el IGP. Por lo tanto, cada nodo en el IGP mantiene una lsdB y TEd con información suficiente para soportar la función de cálculo de rutas.

    En el sr, no existe ningún mecanismo de este tipo. cuando las restricciones de ingeniería de trafico incluyen reservas de ancho de banda, la función de cálculo de rutas se debe centralizar en un controlador donde se encuentra disponible una visión global de la distribución del ancho de banda.

    En rSVP-TE, los mecanismos de señalización de extremo a extremo también proporcionan funcionalidad OAM (operación, Administración y Gestión). cuando falla una sesión rSVP-TE vecina, el LSr aguas arriba de la falla señaliza el lsr de entrada, haciendo que este invoque procedimientos de restauración desde la cabecera. Si está configurado para hacerlo, el lsr aguas arriba de la falla también puede invocar procedimientos de restauración locales.

    En el sr, la interoperabilidad es más compleja. si la falla ocurre en una entrada de segmento, algún mecanismo OAM fuera del sr detecta la falla e informa al módulo de cálculo de rutas. El módulo de cálculo de rutas invoca procedimientos de restauración desde la cabecara, recalculando la ruta sr entre la entrada sr y la salida Sr. Aunque es posible concebir procedimientos de restauración locales para el sr, al día de hoy no se ha estandarizado ninguno.

    Si se produce una falla en algún punto que no sea el punto extremo del segmento, el sr confía en mecanismos de recuperación externos. Por ejemplo, si ocurre una falla a mitad de un segmento de prefijo, el Sr depende de un IGP para detectar la falla, cambios en la topología para inundación y para calcular la nueva ruta IGP de menor costo hasta el punto extremo del segmento.

    En este ejemplo, se podría desplegar una TI-LFa para reducir la dependencia en la convergencia del el IGP.

    Conclusión

    El Sr soporta ingeniería de tráfico, a la vez que reduce la cantidad de estado mantenido por la red. En muchos casos, el sr elimina la necesidad de protocolos de señalización MPLS (es decir, ldP y rSVP-TE). Por estas razones, el IETF debería continuar desarrollando capacidades de enrutamiento por segmentos.

    Específicamente, el IETF debería continuar desarrollando extensiones IGP para Sr, así como las extensiones BGP que se puedan requerir para extender el Sr a través de las fronteras de un IGP. Es fundamental trabajar más para desarrollar funciones de red esenciales tales como OAM y otras formas de transportar entropía para resolver las elecciones del EcmP. además, los fabricantes de equipos y operadores de red deberían trabajar de forma conjunta para desarrollar prototipos y experimentar con el sr para así poder ofrecer sus aportes al IETF, de modo tal de poder mejorar el sr y prepararlo para un despliegue a gran escala.

    Es probable que los operadores de red desplieguen cada vez más el sr en los próximos años. a medida que se produzca este despliegue, la comunidad del sr ganará experiencia operativa y los estándares del Sr se volverán a definir para solucionar problemas imprevistos. Todo esto resultará en una mejora de las implementaciones. A su vez, los operadores de red identificarán casos de uso para los que se adapta bien el sr, así como casos de uso para los que podría ser mejor utilizar LdP y rSVP-TE.

    Por estas razones y para soportar una base instalada a gran escala, el IETF y los fabricantes de equipos de red deberían continuar refinando y soportando LdP y rSVP-TE con la misma intensidad que avanzan el sr.

     

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