07
abril
2020

MPLS

MPLS: Conmutación de Etiqueta Multiprotocolo

MPLS (Multiprotocol Label Switching), o Conmutación de Etiqueta Multiprotocolo, es una tecnología de trasmisión de datos relativamente nueva, desarrollada para solucionar la mayoría de los problemas existentes en el reenvío de paquetes de datos para la comunicación entre dispositivos sobre infraestructuras de transmisión mixtas.

Los problemas que presentan las soluciones de comunicación sobre redes ATM (Asynchronous Transfer Mode), tales como la expansión sobre una topología virtual, así como la complejidad de gestión de dos redes separadas y tecnológicamente diferentes, quedan resueltos con MPLS, al combinar en una sola tecnología la inteligencia del routing (enrutamiento), con la rapidez del switching (conmutación de paquetes).

MPLA opera entre las capas 2 (de Enlace de Datos) y 3 (de Red) del modelo OSI, y está diseñado para unificar el servicio de transporte de datos, entre las redes basadas en circuitos y las basadas en paquetes. Puede considerarse como una evolución tecnológica para construir y gestionar redes IP acorde con las necesidades actuales.

El objetivo primario de MPLS, es estandarizar una tecnología base que integre el intercambio de etiquetas durante el reenvío de paquetes con el sistema de enrutamiento actual de redes. Las características principales del estándar MPLS pueden resumirse como:

  • Funciona sobre cualquier tecnología de transporte, no solo ATM.
  • Soporta el envío de paquetes tanto Unicast como Multicast.
  • Permite el crecimiento constante de Internet.
  • Ser compatible con los procedimientos de operación, administración y mantenimiento de las redes IP actuales.

Conceptos de MPSL

MPLS es un estándar de conmutación de paquetes IP, que trata de proporcionar algunas de las características de las redes orientadas a conexión a las redes no orientadas a conexión.

En el encaminamiento IP tradicional, la dirección de destino junto a otros parámetros de la cabecera, es examinada cada vez que el paquete atraviesa un router. La ruta del paquete se adapta en función del estado de las tablas de enrutamiento de cada nodo, pero, como esta no puede predecirse, las búsquedas en tablas de encaminamiento hacen que cada nodo pierda cierto tiempo, que se incrementa en función de la longitud de la tabla, lo que puede influir en la calidad del servicio (QoS: Quality of Service).

Sin embargo, MPLS permite a cada nodo, ya sea un switch o un router, asignar una etiqueta a cada uno de los elementos de la tabla y comunicarla a sus nodos vecinos. Esta etiqueta es un valor corto y de tamaño fijo transportado en la cabecera del paquete IP para identificar un FEC (Forward Equivalence Class) o Clase de Equivalencia de Reenvío, término empleado para describir un conjunto de paquetes con características similares o idénticas que pueden reenviarse de la misma manera, es decir, pueden ser enlazado a la misma etiqueta y reenviarse sobre el mismo camino a través de la red, incluso si sus destinos finales son diferentes.

La etiqueta es un identificador de conexión que sólo tiene significado local y que establece una correspondencia entre el tráfico y un FEC específico. Dicha etiqueta se asigna al paquete IP basándose en su dirección de destino, los parámetros de tipo de servicio, la pertenencia a una VPN (Virtual Private Networks), o algún otro criterio.

Elementos de una red MPLS

En MPLS un concepto muy importante es el de LSP (Label Switched Path) o Camino de Rutas por Etiqueta, y que consiste en construir rutas de tráfico a través de la red, basadas en los criterios de Clases de Equivalencia de Reenvíos (FEC), y utilizando, fundamentalmente, Protocolos de Distribución de Etiquetas (LDP: Label Distribution Protocols).

El LDP o Protocolo de Distribución de Etiquetas, posibilita a los nodos MPLS descubrirse y establecer comunicación entre sí, con el propósito de informarse del valor y significado de las etiquetas que serán utilizadas en sus enlaces contiguos.

En otras palabras, mediante el LDP se establecerá un camino a través de la red MPLS, y se reservarán los recursos físicos necesarios para satisfacer los requerimientos del servicio, previamente definido para el camino de datos.

Una red MPLS está compuesta por dos tipos principales de nodos, los Routers de Etiquetado de Frontera (LER: Label Edge Routers), y los Routers de Conmutación de Etiquetas (LSR: Label Switching Routers). Ambos tipos coexisten en el mismo dispositivo de red (un router o un switch), que incorpora el software MPLS, siendo su administrador quien lo configura para uno u otro modo de trabajo.

Los nodos MPLS al igual que los "routers" IP normales, intercambian información sobre la topología de la red mediante los protocolos de encaminamiento estándar, tales como OSPF (Open Shortest Path First), RIP (Routing Information Protocol) y BGP (Border Gateway Protocol), a partir de los cuales construyen tablas de encaminamiento.

Teniendo en cuenta dichas tablas, que indican la dirección IP del siguiente nodo al que le será enviado el paquete para que pueda alcanzar su destino final, se establecerán las etiquetas MPLS y, por lo tanto, los LSP o Caminos de Rutas por Etiquetas que seguirán los paquetes.

Los LERs o Routers de Etiquetado de Frontera están ubicados en el borde de la red MPLS, para desempeñar las funciones tradicionales de encaminamiento y proporcionar conectividad a sus usuarios, generalmente otros routers IP convencionales.

El LER analiza y clasifica el paquete IP entrante (hasta la capa 3 del Modelo OSI), considerando la dirección IP de destino y la Calidad de Servicio (QoS) demandada, añade la etiqueta MPLS que identifica en qué LSP o Camino de Ruta por Etiqueta está el paquete. En otras palabras, el LER en vez de decidir el siguiente salto, como funcionaría un router IP convencional, decide el camino entero a lo largo de la red que el paquete debe seguir.

Una vez asignada la cabecera MPLS, el LER enviará el paquete a un LSR o Router de Conmutación de Etiquetas, que están ubicados en el núcleo de la red MPLS para efectuar encaminamiento de alto rendimiento basado en la conmutación por etiqueta (considerando únicamente hasta el nivel 2 del Modelo OSI).

Cuando le llega un paquete a una interfaz del LSR, éste lee el valor de la etiqueta de entrada de la cabecera MPLS, busca en la tabla de conmutación la etiqueta e interfaz de salida, y reenvía el paquete por el camino predefinido escribiendo la nueva cabecera MPLS. Si un LSR detecta que debe enviar un paquete a un LER, extrae la cabecera MPLS, pues como el último LER no conmuta el paquete, se reducen así cabeceras innecesarias.

Por la complejidad de conceptos de cada elemento de una red MPLS, un resumen de cada uno puede expresarse como:

  • FEC (Forwarding Equivalence Class) o Clase de Equivalencia de Reenvío: nombre del al tráfico que se encamina bajo una etiqueta. Conjunto de paquetes tratados del mismo modo por el conmutador.
  • LSP (Label Switched Path) o Camino de Rutas por Etiqueta: nombre genérico de un camino MPLS (para cierto tráfico o FEC), es decir, una ruta MPLS establecida entre los extremos, de forma unidireccional.
  • LDP (Label Distribution Protocol) o Protocolo de Distribución de Etiquetas: protocolo que permite a los nodos MPLS descubrirse y establecer comunicación entre sí, para informarse del valor y significado de las etiquetas que serán utilizadas en sus enlaces contiguos.
  • LER (Label Edge Router) o Router de Etiquetado de Frontera: elemento que inicia o termina un camino MPLS (extrae e introduce cabeceras), es decir, el elemento de entrada/salida a la red MPLS.
  • LSR (Label Switching Router) o Router de Conmutación de Etiquetas: elemento que se ubica al interior de la red MPLS, y que efectúa el encaminamiento de alto rendimiento del paquete, es decir, lee la etiqueta de la cabecera, la busca en su tabla de encaminamiento, y lo envía por el camino predefinido.

Implementaciones de MPLS

Existen distintos tipos de implementaciones para MPLS, entre otras se encuentran: MPLS como una solución IP sobre Ethernet, IP sobre ATM, e IP sobre Frame Relay.

La implementación de MPLS como una solución IP sobre Ethernet, Fast Ethernet o Gigabit Ethernet, es conocida como IP pura. Puesto que IP es un protocolo diseñado mucho antes que MPLS, en este caso, la etiqueta MPLS está ubicada después de la cabecera de nivel 2 y antes de la cabecera IP (en el Modelo de Referencia OSI). Los LSR saben cómo conmutar utilizando la etiqueta MPLS en vez de utilizar la cabecera IP.

La implementación de MPLS como una solución IP sobre ATM también es muy extendida. Es oportuno destacar que MPLS no fue desarrollado para reemplazar ATM, sino para complementarlo. La diferencia principal entre MPLS y otras soluciones de IP sobre ATM, es que las conexiones MPLS se establecen utilizando LDP, y no por los protocolos de señalización ATM tradicionales; además, MPLS elimina la complejidad de hacer corresponder el direccionamiento IP y la información de encaminamiento directamente en las tablas de conmutación de ATM.

Finalmente, MPLS también se ha desarrollado como una solución IP sobre Frame Relay. En este caso, la etiqueta MPLS es el Identificador de Control de Enlace de Datos (DLCI: Data Link Control Identifier) de la cabecera Frame Relay.

Beneficios de MPLS

MPLS surgió con el fin de incorporar la velocidad de conmutación del nivel 2 al nivel 3 (del Modelo de Referencia OSI) a través de la conmutación por etiqueta; pero actualmente esta ventaja no es percibida como el principal beneficio, ya que los gigarouters son capaces de realizar búsquedas de rutas en las tablas IP a suficiente velocidad como para soportar todo tipo de interfaces.

Los beneficios que MPLS proporciona a las redes IP son: realizar ingeniería del tráfico (TE: Traffic Engineering), cursar tráfico con diferentes calidades de servicio (QoS), y crear redes privadas virtuales o VPN basadas en IP.

La Ingeniería del Tráfico permite a los Proveedores de Servicio de Internet (ISP: Internet Service Provider) mover parte del tráfico de datos, desde el camino más corto calculado por los protocolos de encaminamiento, a otros caminos físicos menos congestionados o menos susceptibles a sufrir fallos.

En otras palabras, MPLS se ha convertido en la principal aplicación para los caminos que seguirá el flujo de datos, con el fin de balancear la carga de tráfico entre todos los enlaces de la red: routers y switches, de modo que ninguno de estos recursos se encuentre infrautilizado o sobrecargado, y con ello afrontar el creciente e impredecible crecimiento de la demanda de recursos de red.

MPLS ofrece además a los ISP una gran flexibilidad en cuanto a los diferentes tipos de servicios que puede proporcionar a sus clientes, en este sentido, facilita adoptar no sólo técnicas de ingeniería de tráfico, sino también de clasificación del mismo, en función de las necesidades de ancho de banda y tolerancia a retrasos de las distintas aplicaciones.

Finalmente, MPLS ofrece también un mecanismo sencillo y flexible para crear VPN. Una VPN simula la operación de una WAN (Wide Area Network) privada sobre la Internet pública. Para ofrecer un servicio de VPN viable a sus clientes, el ISP debe solventar los problemas de seguridad de los datos y soportar el uso de direcciones IP privadas no únicas dentro de la VPN. Puesto que MPLS permite la creación de circuitos virtuales o túneles a lo largo de una red IP, es lógico que los ISP utilicen MPLS como una forma de aislar el tráfico.