Routing e QoS Francesco Santini IMT-Lucca venerdì 9 novembre 2007.
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Routing e QoS
Francesco SantiniIMT-Lucca
venerdì 9 novembre 2007
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Contenuti
Applicazioni real-time e QoS IntServ e RSVP DiffServ MPLS
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Contenuti
Applicazioni real-time e QoS IntServ e RSVP DiffServ MPLS
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Informatica
Best effort
Consegno i pacchetti al meglio che posso…
Conseguenze: Tutti i dati vengono trattati alla stessa maniera Non è possibile avere delle garanzie per un
flusso Difficile offrire servizi su tale schema Non avendo garanzie ed essendo trattati alla
stesa maniera, in caso di congestione posso scartare i pacchetti
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Informatica
Dati “real-time”
Audio, Voce, Video Ma anche dati che devono essere
consegnati con una certa precisione: Posizione e azioni nei giochi Tele operazioni in medicina (robot) Controllo industriale (robot) Quotazioni azioni
Negli ultimi anni, aumento banda dei link e miglioramento algoritmi compressione
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Real-time applications
Applicazioni sensibili alla “tempesitivtà” dei dati (timeliness)
Deve essere supportato da tutta la rete, nativamente
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Informatica
Why we need QoS?
Common issues in networks are: Loss / packet drop
Drop above certain % will influence experience On congestion different drop algorithms are used.
RED, RIO, WRED*, tail drop Jitter (variation in delay)
Jitter buffer can handle some jitter (used i.e in VoIP).
Misordering (different routes) (delay) Delay (queuing)
QoS is basically a set of techniques to handle these issues for selected services.
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Delay: Four sources of delay 1. processing:
check bit errors determine output link
(routing table lookup) CPU, architecture etc
A
B
propagation
transmission
processing queueing
2. queueing time waiting at output
link for transmission depends on congestion
level of router and queue size
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Four sources of packet delay
3. Transmission delay: R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) time to send bits into
link = L/R
4. Propagation delay: d = length of physical
link s = propagation speed in
medium (~2x108 m/sec) propagation delay = d/s
A
B
propagation
transmission
processing queueing
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Nodal delay
dproc = processing delay Usually small though depending on the processor,
a few microsecs? dqueue = queuing delay
depends on the congestion level dtrans = transmission delay
= L/R, significant for low-speed links dprop = propagation delay
a few microsecs to hundreds of msecs
proptransqueueprocnodal ddddd
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Traceroute
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Playback
Playback Buffer
T
Seq
uenc
e nu
mbe
r
ime
Packet g
eneration
Networkdelay
Buffer Playback
Packetarrival
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Esemio VoIP
Sequence N
umber
Time
Sendin
g Buffer Empty
Buffer is emptying Stop and buffer(Audio playback pause)
Enough packets in buffer, resume playback
Original delayAdditional delay
Playba
ck
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Classificazione applicazioni
Applications
Elastic Real Time
Intolerant Tolerant
AdaptiveNon-Adaptive
Delay AdaptiveRate Adaptive
Perdita pacchetti
wwwemail
Robot/Audio
Spostare playback point /Cambiare compressione
Robot medico
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Delay Adaptive
50
msec
Density
150 250
100%99%97%
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Informatica 16
Why Not TCP
Don’t want reliable transmission TCP is purely byte oriented TCP relies on saturating the net Retransmitting end-to-end is not a
solution
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La soluzione
Obiettivo è avere un modello di servizi che: Mi garantisca effettivamente le richieste Mi risponda che non è possibile soddisfare
tale richiesta al momento Bisogno di più “classi di servizio”
differenti Mantenere best effort!
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Soluzioni esistenti
Architetture Integrated Services Differentiated Services
Protocolli Multi-Protocol Label Switching (MPLS)
Metodologie più generiche Traffic Engineering Constraint Based Routing
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Soluzioni esistenti(2)
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Alcune definizioni
Service Level Agreement (SLA): A service contract between a customer and a service provider that specifies the forwarding service a customer should receive. A customer may be a user organization or another provider domain (upstream domain).
Traffic profile: A description of the properties of a traffic stream such as rate and burst size.
Scheduling: The process of deciding which packet to send first in a system of multiple queues
Shaping: The process of delaying packets within traffic stream to cause it to conform to some defined traffic profile.
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Definizione di flusso
Flow: A stream of packets with the same source IP address, source port number, destination IP address, destination port number and protocol ID (unicast or multicast).
• Omogeneo
• Eterogeneo
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Contenuti
Applicazioni real-time e QoS IntServ e RSVP DiffServ MPLS
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Integrated Service (IntServ)
IntServ framework was developed within IETF to provide individualized QoS guarantees to individual sessions
provides services on a per flow basis where a flow is a packet stream with common source address, destination address and port number
IntServ routers must maintain per flow state information
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Riferimenti
RFC 1633 - Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview
RFC 2211 - Specification of the Controlled-Load Network Element Service
RFC 2212 - Specification of Guaranteed Quality of Service
RFC 2215 - General Characterization Parameters for Integrated Service Network Elements
RFC 2205 - Resource ReSerVation Protocol (RSVP)
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IntServ
two key IntServ features: Reserved Resources
the router must know the amount of its resources currently reserved for on-going sessions
standard resources: link capacity, router buffers
Call Setup A flow requiring QoS guarantees must be able
to reserve sufficient resources at each router on path to ensure QoS requirements are met
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Role of RSVP
Rides on top of unicast/multicast routing protocols
Must be present at sender(s), receiver(s), and routers
Carries resource requests all the way through the network
At each hop consults admission control and sets up reservation
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Esempio semplice
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RSVP Service Model
Make reservations for simplex data streams.
Receiver decides whether to make reservation Control messages in IP datagrams (proto
#46). PATH/RESV messages sent periodically to
refresh soft state on the router Failed requests return error messages -
receiver must try again No end to end ack for success
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Informatica
Flow Specification
Session must first declare its QoS requirement and characterize the traffic it will send through the network
R-spec: defines the QoS being requested by receiver
T-spec: defines the traffic characteristics of sender
RSVP is the signaling protocol is needed to carry the R-spec and T-spec to the routers
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Filter Specification
The router needs to recognize the packets belonging to that flow IP of the sender IP destination Port number generating the packets Port number of the receiver Protocol ID Any field of the header
flowspec + filterspec = flowdescriptor
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Informatica
PATH Messages
PATH messages carry sender’s Traffic Specifications (TSpec)
Carries also the FilterSpec Routers note the direction PATH
messages arrived and set up reverse path to sender
Receivers send RESV messages that follow reverse path and setup reservations
If reservation cannot be made, user gets an error
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RESV Messages
RESV messages carry receiver’s QoS needs (R-spec)
Forwarded via reverse path of PATH Queuing delay and bandwidth requirements Source traffic characteristics (from PATH) Filter specification
Which transmissions can use the reserved resources?
Reservation style. Router performs admission control and
reserves resources
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Router Handling of RESV Messages
If new request rejected, send error message.
If admitted: Install packet filter into forwarding dbase. Pass flow parameters to scheduler. Activate packet policing if needed. Forward RESV message upstream.
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Integrated Services - RSVP
Mechanisms Flow specification
Tell the network what the flow wants Admission control
Network decides if it can handle flow Reservation
Enable admission control Packet classification
Map packets to flows Scheduling
Forwarding policy
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Integrated Services - RSVP
Example Flowspec
100 msec guaranteed to www.nsf.gov Reservation
Spec travels down path for approval Delay guarantee approved by all routers, so admitted
Classification Packets marked as guaranteed
EXAMPLE policy guaranteed packets sent first
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RSVP Functional Diagram
Application
RSVPD
AdmissionsControl
PacketClassifier
PacketScheduler
PolicyControl
DATA
DATA
RSVPD
PolicyControl
AdmissionsControl
PacketClassifier
PacketScheduler
DATA
RoutingProcess
Host Router
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Soft State
Routers keep state about reservation Periodic messages refresh state, with PATH
and RESV messages Non-refreshed state times out automatically Alternative: Hard state
No periodic refresh messages. State is guaranteed to be there. State is kept till explicit removal.
Properties of soft state: Adapts to changes in routes, sources, and
receivers. Recovers from failures Cleans up state after receivers drop out
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RSVP Reservation (1)
R4
R5
R3R2
R1
Host A24.1.70.210
Host B128.32.32.69PATH
PATH
PATH
2
2. The Host A RSVP daemon generates a PATH message that is sent to the next hop RSVP router, R1, in the direction of the session address, 128.32.32.69.
PATH3
3. The PATH message follows the next hop path through R5 and R4 until it gets to Host B. Each router on the path creates soft session state with the reservation parameters.
1. An application on Host A creates a session, 128.32.32.69/4078, by communicating with the RSVP daemon on Host A.
1
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Informatica
RSVP Reservation (2)
R4
R5
R3R2
R1
Host A24.1.70.210
Host B128.32.32.69
PATHPATH
PATH
PATH
RESV
RESV
RESV
5
5. The Host B RSVP daemon generates a RESV message that is sent to the next hop RSVP router, R4, in the direction of the source address, 24.1.70.210.
RESV
6
6. The RESV message continues to follow the next hop path through R5 and R1 until it gets to Host A. Each router on the path makes a resource reservation.
4. An application on Host B communicates with the local RSVP daemon and asks for a reservation in session 128.32.32.69/4078. The daemon checks for and finds existing session state.
4
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Informatica
RSVP Multicast Reservation (1)
R5 R6
R3R2
R1
R4 R7
Sender
Receiver
PATH
PATH
PATH
PATH
PATH
PATH
PATH
PATHPATH
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Informatica
RSVP Multicast Reservation (2)
R5 R6
R3R2
R1
R4 R7
Sender
Receiver
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Reservation Merging
Receiver#1
Receiver#2
Receiver#3
Reservations mergeas they travel up tree.
R6
R3
R1
R4 R7
(1) 50Kbs
(2) 50Kbs
(3) 50Kbs
(4) 100 Kbs
(5) 100 Kbs
(6) 100 Kbs
(7) 100 Kbs
(8) 60Kbs
(9) 60Kbs
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Informatica
Token Bucket (TSpec)
Token Bucket Capacity, B
r tokens/sec
Each byte needs a token in order
to pass
Drops packets if token is not available
Buffers data until tokens become available
Data
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Token Bucket (2)
Beta mi consente di rappresentare i burst di traffico, limitandoli
Sigma di descrive il normale rate previsto dei pacchetti I dati vengono trasmessi quando esistono sufficienti
token per mandarli Es: bucket = 40 token, 1 token = 1 byte implica che
posso mandare burst di 40 byte Nel tempo t, la quantità di traffico e limitata a ß + ρt
Data
= bucket size in tokens= rate tokens are added to bucket
Data Queue
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In words
Tspec: describe flow’s traffic characterization Average bandwidth + burstiness: token
bucket filter Token rate: r Bucket depth: B Must have a token to send a byte Must have n tokens to send n bytes Start with no tokens Accumulate tokens at rate of r per second Can accumulate no more than B tokens
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Two Service Classes
RSVP supports three service classes Guaranteed service
Specified maximum delay Controlled load services
For delay tolerant, adaptive applications Network shields this traffic from congestion
Best effort
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RSVP Routing Problems
IntServ does not specify any route selection of its own
It relies on existing routing protocols to forward its control packets further
Routing is separated from admission control If route changes, reservation must be made
along new route New reservation takes time to setup New reservation might fail Old route could still be working fine
Route pinning Always use the route where reservation is in
place
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Problemi IntServ
Complessità/Scalabilità = problema centrale per grandi reti backbone
End-to-end Stato replicato su tutti i router, per ciascun
flusso Le informazioni devono essere rinfrescate
periodicamente Il processo di controllo ammissione avviene
per ogni flusso La richiesta di QoS avviene dinamicamente
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Contenuti
Applicazioni real-time e QoS IntServ e RSVP DiffServ MPLS
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Differential Service (DiffServ)
In DiffServ, flows are aggregated into classes that receive “treatment” by class.
More complex operations are pushed out to edge routers and simpler operations done by core routers.
motivated by: scalability, flexibility, and better-than-
best-effort service without RSVP signaling Flexibility: Flow A better than flow B
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Riferimenti
RFC 2474—Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers
RFC 2475—An Architecture for Differentiated Services
RFC 2597—Assured Forwarding PHB Group
RFC 3140—Per Hop Behavior Identification Codes
RFC 3246—An Expedited Forwarding PHB
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DiffServ functional elements
Edge functions: packet classification packet marking traffic conditioning
Core functions: forwarding based on per-hop behavior
(PHB) associated with packet’s class, no more end-to-end as in IntServ
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DiffServ edge functions
packet classification classifier selects packets based on
values in packet header fields and steers packet to appropriate marking function
how classifier obtains the rules for classification not yet addressed [RFC 2475 uses term behavior aggregate rather than class of traffic.]
administrator could load table of source addresses
done under control of TBA signaling protocol
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Traffic Conditioner Block (TCB)
Classification: selects a packet in a traffic stream based on the content of some portion of the packet header
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Traffic Conditioner Block (TCB)
Metering: checks whether the traffic falls within the negotiated profile.
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Traffic Conditioner Block (TCB)
Marking: marks packet to a particular DS behavior aggregate
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Traffic Conditioner Block (TCB)
Shaper/Droper: delays if necessary and then forwards or discards the packets .
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DS field
Former ToS Byte = new DS field
0 1 2 3 4 5 6 7Precedence
CurrentlyUnused
Differentiated Services Codepoint (DSCP)
versionheaderlength
total length (in bytes)
Identification Fragment offset
source IP address
destination IP address
options (0 to 40 bytes) (Not used)
4 bytes
time-to-live (TTL) protocol header checksum
bit # 0 15 23 248 317 16
0MF
DF
ToS
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DiffServ core routers
Routers define packet classes and separate incoming packets into classes.
Treatment is done per class. Per-hop behavior (PHB) defines
differences in performance among classes. externally observable performance criteria
that do not specify internal implementation mechanisms at router.
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Router interni
No reservation ma provisioning La qualità del servizio dipende da
provisioning e da come sono gestire le risorse nella rete
Scalabilità deriva da aggregazione di più flussi in un numero limitato di classi (DSCP)
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PHB types
Default PHB: Traditional best effort treatment. Must be implemented Used for unsupported DSCP
The DSCP (6 bit) pattern is: 000000
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PHB types
Expedited Forwarding PHB Providing low loss, low latency, low jitter,
assured bandwidth, end-to-end service through DS domains
Implies isolation: guarantee for the EF traffic should not be influenced by the other traffic classes
Non-conformant traffic is dropped or shaped.
Possible service: providing a virtual wire
The DSCP (6 bit) pattern is: 101110
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Informatica
PHB types
Assured Forwarding (AF): A method by which Behavior Aggregates can be
given different forwarding assurances. The intent is that it will be used to implement
services that differ relative to each other (e.g., gold, silver,…).
AF defines 4 classes with some bandwidth and buffers allocated to them.
Within each class, there are three drop priorities, which affect which packets will get dropped first if there is congestion.
Non-conformant traffic is remarked.
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Informatica
AF table
Class
Dropprecedence
Class 1 Class 2 Class 3 Class 4
Low Drop
001010(AF11)
010010(AF21)
011010(AF31)
100010(AF41)
Medium Drop
001100(AF12)
010100(AF22)
011100(AF32)
100100(AF42)
High Drop
001110(AF13)
010110(AF23)
011110(AF33)
100110(AF43)
The DSCP (6 bit) pattern is: xyzab0
xyz is the class: 001-class1 ; 010-class2 ; 011-class3 ; 100-class4ab is the drop precedence: 01-low ; 10-medium ; 11-high
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Service
A service describes the overall treatment of a customer’s traffic within a DS domain. Customers see services, not PHBs.
To support a service, many components must work together: Mapping of service to PHBs, traffic conditioning,
network provisioning, PHB-based forwarding. Services in the DiffServ architecture is
defined in the form of Service Level Agreement (SLA).
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Putting it all together
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Assured Forwarding (AF) PHB
Determining resource allocation per class of service must be done with knowledge about traffic demands for the various traffic classes.
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Conclusioni
Una via di mezzo tra best effort e IntServ
Si basa su provisioning, ma è difficile da effettuare. Più facile con reservation
Più flussi in una sola classe. Meno possibilità rispetto a IntServ
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IntServ e DiffServ: riassunto
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IntServ e DiffServ insieme
Approcci complementari: IntServ: forti garanzie ma limiti scaling DiffServ: garanzie deboli, ma buon scaling
La soluzione è unirli! IntServ sui router DiffServ su tutti gli altri router backbone Mapping tra classi di servizio IntServ a
livello di servizio DiffServ
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Informatica
IntServ e DiffServ insieme(2)
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Contenuti
Applicazioni real-time e QoS IntServ e RSVP DiffServ MPLS
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Multi Protocol Label Switching
Uso di un’etichetta di lunghezza fissa per instradare MPLS è un forwarding scheme Evoluto da Cisco Tag Switching Tra Layer 2 (L2, link layer) a Layer 3 (L3, network
layer): “2.5 level” RFC 3031 Si chiama “multi-protocol” perché, in linea di
principio, è in grado di operare con qualunque protocollo di livello 3 (rete) anche se lo si applica tipicamente ad IP.
Permette ai nodi che lo utilizzano di realizzare una communtazione su base “etichetta” e anche un instradamento tipo “Circuito Virtuale” su base flusso.
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Informatica
MPLS and ISO model
PPP
Physical (Optical - Electrical) 1
2
IP 3
4
Applications7to5
FrameRelay
ATM (*)
TCP UDP
PPP Ethernet ATM
MPLS
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Informatica
Termonologia
I nodi (router) che operano usando MPLS vengono chiamati Label Switching Router (LSR)
La parte di rete che questi nodi compongono viene chiamata Dominio MPLS (MPLS Domain)
I nodi al confine del Dominio, ossia i nodi che ricevono/trasmettono traffico all’esterno del Dominio vengono chiamati Edge Label Switching Router (ELSR)
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Informatica
MPLS Cloud
LSR
LER
LSR
LER
IP PacketIP Packet w/ Label
L3 RoutingL3 Routing
Label SwappingLabel Swapping
LER
LERLER
L3 RoutingL3 Routing
L3 Routing
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Informatica
Funzionamento
L’idea di base è che una certa tipologia di pacchetti che raggiungono un ELSR debbano venir trasportati all’interno del Dominio tramite MPLS ad un altro ELSR.
In corrispondenza di un indirizzo di destinazione e di un tipo di trattamento richiesto (QoS) viene definita una specifica Forwarding Equivalent Class (FEC).
Una FEC individua quindi un aggregato di pacchetti diretto ad una stessa destinazione (intesa o come destinazione finale ocome ELSR) che devono avere lo stesso trattamento
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Funzionamento (2)
Quanto un ELSR riceve un pacchetto IP : compie una operazione di “Classificazione”,
ossia in base a quanto contenuto nell’intestazione identifica l’eventuale FEC di appartenenza;
inserisce fra l’intestazione di livello 2 e il pacchetto IP una Label.
Tale Label: Identifica la FEC a cui il pacchetto appartiene Ha una lunghezza costante e breve Ha un significato “locale alla linea”
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Informatica
Funzionamento (3) Dall’ELSR di ingresso a quello di uscita tutte
le operazioni di forwarding verranno effettuate utilizzando solo la Label e quindi l’intestazione del pacchetto IP non verrà più letta fino all’ELSR di destinazione.
Gli LSR attraversati leggono la Label, trovano tramite essa in una tabella il FEC corrispondente ossia l’informazione sulla porta di uscita, la Label successiva ed il tipo di trattamento richiesto.
L’ELSR di uscita (quindi l’ultimo nodo attraversato all’interno del Dominio MPLS) elimina la Label ed instrada il pacchetto nuovamente sulla base dell’indirizzo IP.
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Label Switched Path
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Passi fondamentali
MPLS prevede in sostanza 4 passi fondamentali: La definizione di una FEC L’individuazione del percorso LSP. La creazione (associazione al FEC) e
distribuzione delle Label lungo il LSP (si osservi che questa operazione e la precedente si svolgono in modo parallelo e coordinato).
Il meccanismo di forwarding che comprende l’inserimento della Label, la commutazione sulla base di essa e la sua rimozione.
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Informatica
Etichette
Per distribuire Label Distribution Protocol (LDP): RSVP-TE (Traffic Engineering)
Minimizzare il loro numero (tabelle piccole) anche ridurre il traffico di segnalazione Aggregation: FEC diversi con la stessa label,
per esempio se destinazione è uguale Label Merging: pacchetti da diversi LSR
hanno label diversa per la stessa FEC
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Operazioni
Le operazioni che vengono effettuate sul pacchetto in transito nei LSR in relazione alle Label sono sostanzialmente tre: Pushing, ossia l’inserimento della Label,
che viene realizzata dall’ELSR di ingresso. Swapping, ossia conversione
dell’etichetta, realizzata contestualmente all’operazione di commutazione
Popping, ossia l’eliminazione di etichetta effettuata dall’ultimo o dal penultimo LSR
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
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Header
S= the current label is the last in the stack
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Informatica
Label popping
Conviene fare il popping al penultimo LSR (Penultimate Popping), perché: All’utimo nodo il forwarding viene eseguito sulla
base del pacchetto IP e quindi l’osservazione della Label è inutile
Lasciarlo significa costringere il nodo a cercae nella tabella MPLS per scoprire che deve eliminare la Label e quindi usare IP
Non sempre si può fare il Penultimate Popping in quanto non è detto che l’LSR sia in grado di accorgersi di essere il penultimo del LSP.
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Multidominio
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
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Vantaggi
La procedura di forwarding richiede solo l’ispezione di una etichetta (Label) di dimensioni ridotte e l’esplorazione di una tabella relativamente semplice
Instradamento effettuato anche con altre informazioni, non solo header come IP
Possibile scegliere percorsi per traffic engineering e QoS
Tunneling efficiente
15 novembre 2007Corso di Laurea in Economia
Informatica
Riferimenti
G. Chaffee, “RSVP: The ReSerVation Protocol”, Multimedia Research Berkeley Center, (ppt online)
E. Rot and I. Poleg “DiffServ: QoS in internet”, Presentation for ATM Networks course (EE-046992) (ppt online)
R. Bolla, “Servizi Multimediali e Qualità del Servizio (QdS) su IP – MPLS”, appunti di Telematica 2, università di Genova.