MPLS

Ps-Graduao em Cincia da Computao

FLEXIBILIDADE E OTIMIZAO DO BACKBONE

BASEADO NA ARQUITETURA IP/MPLS NA REDE

SERPRO

Por

ROBERTO JOS LOPES MENDONA

Dissertao de Mestrado Profissional

Universidade Federal de Pernambuco [email protected]

www.cin.ufpe.br/~posgraduacao

RECIFE, DEZEMBRO/2009

UFPE - UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CIn - CENTRO DE INFORMTICA

PS-GRADUAO EM CINCIA DA COMPUTAO

ROBERTO JOS LOPES MENDONA

TTULO: FLEXIBILIDADE E OTIMIZAO DO BACKBONE BASEADO NA ARQUITETURA IP/MPLS NA REDE SERPRO

ESTE TRABALHO FOI APRESENTADO PS-GRADUAO EM CINCIA DA COMPUTAO DO CENTRO DE INFORMTICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIA DA COMPUTAO. REA DE CONCENTRAO: REDES DE COMPUTADORES

ORIENTADOR: DR. PAULO ROBERTO FREIRE CUNHA

RECIFE, DEZEMBRO DE 2009.

Mendona, Roberto Jos Lopes Flexibilidade e otimizao do backbone baseado na arquitetura IP/ MPLS na rede SERPRO /

Roberto Jos Lopes Mendona. - Recife: O Autor, 2009. xiv, 207 p. : il., fig., tab.

Dissertao (mestrado) Universidade

Federal de Pernambuco. CIn. Cincia da Computao, 2009.

Inclui bibliografia e anexos.

1. Redes de computadores. 2. MPLS. I. Ttulo.

004.6 CDD (22. ed.) MEI2010 004

UFPE Universidade Federal de Pernambuco CIn- Centro de Informtica

Dissertao de Mestrado ii

Agradecimentos

Primeiramente, agradeo a Deus por tudo que tenho alcanado, por me ofertar mais essa

oportunidade na vida, por me dar fora nos momentos mais difceis e por me acompanhar

sempre. Sem ele nada seria possvel !!!

Aos meus pais, que me deram a base necessria para qualquer ser humano crescer na

vida: Educao, Fora de Vontade, Perseverana, Alegria e, com muito esforo, investiram nos

meus estudos.

Agradeo especialmente ao meu orientador Prof. Paulo Roberto Freire Cunha, por ter me

dado total credibilidade, confiana e liberdade para que eu pudesse desenvolver esse trabalho.

Ao SERPRO, que me concedeu tempo para frequentar as aulas e para realizar os estudos

necessrios a este trabalho.

Aos meus colegas do Mestrado, por conseguirmos tornar os longos fins de semanas de

aulas em um ambiente muitas vezes de total descontrao. Foi muito bom conhecer cada um de

vocs. Em especial Equipe MASTERS, composta por Carlos Ferreira, Claudio Silva, Filipe

Regueira, Roberto Mendona e Tiago Moraes. Essa equipe realmente no boa......e sim,

MUITO BOA !!!! Valeu as madrugadas e finais de semanas que passamos juntos estudando e

concluindo os trabalhos !!!!!

A toda minha famlia, irmos, sobrinhos, primos, tios, afilhados, porque sei que posso

contar com eles sempre.

Aos meus colegas de trabalho, pelos quais tenho total admirao e respeito, e que me

ajudam sempre.

A todos os meus colegas e amigos, que me incentivam, ajudam, que esto sempre comigo

e que compreenderam que nos momentos em que no podia estar junto com eles, era por um

motivo justo.

Aos meus alunos, que me incentivam o tempo todo.

A todas as pessoas que, de alguma forma, ajudaram-me nesse trabalho, seja com

sugestes para melhorias, incentivo, informaes e crticas.

A todos os meus sinceros agradecimentos.


Dissertao de Mestrado iii

Resumo

A crescente demanda de trfego e o dinamismo do mercado de Redes de Computadores,

necessitando a cada dia mais de integrao entre servios (voz, vdeo e dados), fazem com que

os ISPs (Internet Service Providers) estejam sempre em constante atualizao, visando

acompanhar as tendncias desse mercado tecnolgico, com o objetivo no s de prover uma boa

qualidade nos servios ofertados, mas tambm de evitar uma rpida obsolescncia dos

equipamentos adquiridos.

Nesse contexto, a tecnologia MPLS (MultiProtocol Label Switching) indicada para

prover evoluo, otimizao e flexibilidade aos backbones atuais, se mostrando como uma

tecnologia emergente a ser empregada nos ISPs, como uma alternativa de suporte qualidade de

servio (QoS), engenharia de trfego (TE) e redes virtuais privadas (VPNs), assegurando

escalabilidade e segurana, ampliando o escopo de servios agregados.

A principal motivao e contribuio deste trabalho mostrar o benefcio obtido com a

flexibilidade e otimizao do backbone do SERPRO (Servio Federal de Processamento de

Dados), ao fazer uso da tecnologia MPLS, tornando-o muito mais inteligente, devido sua

capacidade de efetuar o roteamento dos pacotes baseado em rtulos, com isso acelerando o

processo de transmisso das informaes, e prover alguns servios agregados, tais como: VPNs

(Virtual Private Networks), QoS (Quality of Service), TE (Traffic Engineering) e AToM (Any

Transport over MPLS).

Nesse trabalho proposto um ambiente de teste, desenvolvido para esta dissertao, com

o objetivo de apresentar experimentos comprobatrios de alguns servios utilizados pela

tecnologia MPLS citados acima, e com isso fazer uma anlise qualitativa dos mesmos. A

aplicabilidade desse ambiente foi testada no emulador, de domnio pblico, Dynagen/Dynamips,

sendo os resultados apresentados neste trabalho.

Palavras-Chave: Redes de Computadores, MPLS.


Dissertao de Mestrado iv

Abstract

The growing traffic demand and market dynamism on Computer Networks necessitating

ever more integration between services (voice, video and date) causes the ISPs (Internet Service

Providers) are always in constant evolution, in order to monitor trends in the technology market,

aiming not only to provide a good quality of services offered, but also to avoid rapid

obsolescence of purchased equipment.

In this context, the MPLS (Multiprotocol Label Switching) is indicated to provide

development, optimization and flexibility to current backbones, showing itself as an emerging

technology to be employed in ISPs, as an alternative to support the quality of service (QoS),

traffic engineering (TE) and Virtual Private Networks (VPNs), ensuring scalability and security,

expanding the scope of bundled services.

The main motivation and contribution of this work is to show the gain obtained with the

flexibility and optimization of backbone SERPRO (Service Federal of Data Processing) to make

use of MPLS technology, making it much more intelligent, due to its capability to perform the

routing of packets based on labels, thereby accelerating the process of transmission of packets

and providing some services, such as VPNs (Virtual Private Network), QoS (Quality of Service),

TE (Traffic Engineering) and AToM (Any Transport over MPLS).

In this paper, we propose a test environment developed for this dissertation, with the aim

of presenting corroborative experiments of some services used by the MPLS technology

mentioned above, and thereby making a qualitative analysis.

The applicability of this environment was tested in the emulator, public domain,

Dynagen / Dynamips, and the results presented in this dissertation.

Keywords: Computer Networks, MPLS.


Dissertao de Mestrado v

ndice

Agradecimentos ....................................................................................................... ii

Resumo .................................................................................................................... iii

Abstract ................................................................................................................... iv

ndice ........................................................................................................................ v

ndice de Figuras .................................................................................................. viii

ndice de Tabelas .................................................................................................... xi

Lista de Abreviaturas e Siglas ............................................................................. xii

1- Introduo ........................................................................................................... 1

1.1 Objetivos da Dissertao....................................................................................................... 2 1.2 Estrutura da Dissertao ....................................................................................................... 3

2- Redes IPs Conceitos Fundamentais ............................................................... 5

2.1 Protocolo IP .......................................................................................................................... 6 2.2 Roteamento e Comutao ................................................................................................... 10 2.3 Protocolos de Roteamento .................................................................................................. 13

2.3.1 OSPF Open Shortest Path First ................................................................................. 15 2.3.2 IS-IS Intermediate System to Intermediate-System .................................................. 16 2.3.3 BGP Border Gateway Protocol ................................................................................. 17

2.4 Consideraes Finais .......................................................................................................... 18 3- Tecnologias de WAN ........................................................................................ 19

3.1 Tecnologias de Camada de Enlace ..................................................................................... 19 3.1.1 Frame-Relay ................................................................................................................. 19 3.1.2 ATM ............................................................................................................................. 25

3.2 Consideraes Finais .......................................................................................................... 31 4- A Arquitetura IP sobre MPLS ........................................................................ 33

4.1 Surgimento da Tecnologia .................................................................................................. 33 4.2 Roteamento Convencional x Roteamento baseado em rtulos ........................................... 34 4.3 O Cabealho MPLS ............................................................................................................ 36 4.4 Estrutura do MPLS ............................................................................................................. 39 4.5 Componentes da Arquitetura .............................................................................................. 40 4.6 Funcionamento .................................................................................................................... 45 4.7 Vantagens do MPLS ........................................................................................................... 48 4.8 Desvantagens do MPLS ...................................................................................................... 49 4.9 Trabalhos Relacionados ...................................................................................................... 49 4.10 Consideraes Finais ........................................................................................................ 49

5- Servios do MPLS ............................................................................................. 51

5.1 AToM (Any Transport over MPLS) .................................................................................... 51


Dissertao de Mestrado vi

5.1.1 Modelo de Referncia Pseudowire .............................................................................. 52 5.1.2 Terminologias do AToM ............................................................................................. 53 5.1.3 Como o AToM trabalha ............................................................................................... 54 5.1.4 Benefcios do AToM.................................................................................................... 56

5.2 VPN (Virtual Private Network) .......................................................................................... 57 5.2.1 Tipos de VPN ............................................................................................................... 57 5.2.2 Modelos de VPN .......................................................................................................... 59 5.2.3 Arquitetura da VPN MPLS .......................................................................................... 63 5.2.4 Propagao de rotas VPNv4 no Backbone VPN MPLS .............................................. 65

5.3 Qualidade de Servio (QoS): .............................................................................................. 67 5.3.1 Arquiteturas de QoS ..................................................................................................... 68 5.3.2 Mecanismos de QoS .................................................................................................... 74 5.3.3 Qualidade de Servios nas Redes MPLS ..................................................................... 83

5.4 Engenharia de Trfego (TE): .............................................................................................. 87 5.4.1 Operao do MPLS-TE ................................................................................................ 89 5.4.2 Proteo e Restaurao Fast Reroute (FRR) ............................................................ 90

5.5 Consideraes Finais .......................................................................................................... 92 6- Projeto MPLS na Organizao SERPRO ...................................................... 94

6.1 A Organizao .................................................................................................................... 94 6.2 O Projeto MPLS .................................................................................................................. 95 6.3 Justificativa ......................................................................................................................... 99 6.4 Equipamentos utilizados no Backbone FR/ATM ............................................................. 100 6.5 Equipamentos utilizados no Backbone MPLS .................................................................. 101

6.5.1 O Roteador Cisco 7206 VXR .................................................................................... 101 6.5.1 O Roteador Cisco 12410 ............................................................................................ 102

6.6 Consideraes Finais ........................................................................................................ 103 7-Ambiente de Preparao dos Cenrios Anlise da Flexibilidade e

Otimizao ........................................................................................................... 104

7.1 Sobre a Ferramenta de Testes para Simulao dos Ambientes ......................................... 104 7.2 Topologia Base Utilizada .................................................................................................. 107

7.2.1 Recursos Utilizados ................................................................................................... 107 7.3 Escolha do Protocolo IGP/EGP e esquema de endereamento IP .................................... 110

7.3.1 Protocolo IS-IS - Endereos NSAP (Network Service Access Point) ....................... 110 7.3.2 Protocolo IS-IS - reas .............................................................................................. 111 7.3.3 Protocolo BGP (Border Gateway Protocol) ............................................................... 111 7.3.4 MP-BGP4 (Multi Protocol BGP)............................................................................... 112 7.3.5 Topologia do MP-iBGP4 ........................................................................................... 112 7.3.6 Definio do Sistema Autnomo ............................................................................... 113 7.3.7 Configurao do MP-iBGP ........................................................................................ 113 7.3.8 Configurao Geral do BGP ...................................................................................... 114 7.3.9 Configurao do Address Family VPNv4.................................................................. 114

7.4 Testes Realizados e Observaes...................................................................................... 115 7.4.1 Comportamento bsico do MPLS .............................................................................. 115 7.4.1.1 Configuraes ......................................................................................................... 116 7.4.1.2 Verificaes e Testes de Conectividade ................................................................. 118 7.4.1.3 Observaes ............................................................................................................ 124 7.4.2 AToM (Any Transport over MPLS) .......................................................................... 125


Dissertao de Mestrado vii

7.4.2.1 Configuraes Gerais .............................................................................................. 126 7.4.2.2 Verificaes do AToM para transporte do HDLC sobre MPLS ............................. 128 7.4.2.3 Configuraes do AToM para o transporte Frame-Relay sobre MPLS ................. 129 7.4.2.4 Verificaes do AToM para transporte do Frame-Relay sobre MPLS .................. 130 7.4.2.5 Testes de Conectividade ......................................................................................... 132 7.4.2.6 Observaes ............................................................................................................ 133 7.4.3 VPN............................................................................................................................ 134 7.4.3.1 Configuraes ......................................................................................................... 135 7.4.3.1.1 Configuraes com Roteamento Esttico entre CE e PE..................................... 138 7.4.3.1.2 Configuraes com Roteamento BGP entre CE e PE .......................................... 138 7.4.3.2 Verificaes ............................................................................................................ 138 7.4.3.3 Testes de Conectividade ......................................................................................... 141 7.4.3.3.1 Para o processo esttico ....................................................................................... 141 7.4.3.3.2 Para o processo dinmico, usando o protocolo BGP ........................................... 142 7.4.3.4 Cenrio Hub and Spoke .......................................................................................... 143 7.4.3.5 Observaes ............................................................................................................ 145 7.4.4 Qualidade de Servio (QoS) ...................................................................................... 146 7.4.4.1 Configuraes ......................................................................................................... 147 7.4.4.2 Verificaes e Testes .............................................................................................. 150 7.4.4.3 Observaes ............................................................................................................ 151 7.4.5 Engenharia de Trfego (TE) ...................................................................................... 152 7.4.5.1 Configuraes ......................................................................................................... 154 7.4.5.2 Anlise Grfica ....................................................................................................... 156 7.4.5.3 Observaes ............................................................................................................ 161

7.5 - Consideraes Finais ...................................................................................................... 161 8- Concluses e Trabalhos Futuros ................................................................... 163

Referncias Bibliogrficas .................................................................................. 166

Anexo A Configuraes Funcionamento do MPLS ................................... 169

Anexo B Verificao - AToM (Any Transport over MPLS) .......................... 172

Anexo C Configuraes - VPN........................................................................ 173

Anexo D Arquitetura de QoS e Configuraes ............................................. 180

Anexo E Configuraes Engenharia de Trfego ........................................ 200


Dissertao de Mestrado viii

ndice de Figuras

Figura 1: Usurios de Internet por Regio Geogrfica ( Fonte: http://www.internetworldstats.com/stats.htm) ........................................................................ 5

Figura 2: Formato do Datagrama IP ............................................................................................... 8 Figura 3: Gerao das Tabelas de Encaminhamento .................................................................... 11 Figura 4: Encaminhamento de Pacotes ......................................................................................... 12 Figura 5: Protocolo BGP Utilizado entre Sistemas Autnomos da Internet .............................. 18 Figura 6: Formato do Quadro Frame-Relay (Fonte - Frame Relay for High Speed Networks,

Walter Goralski, 1999).......................................................................................................... 20 Figura 7: Conceito de PVC no Frame-Relay ................................................................................ 21 Figura 8: Controle de Trfego Frame-Relay ............................................................................. 22 Figura 9: Operao de Congestionamento Frame-Relay .............................................................. 23 Figura 10: Topologias Frame-Relay ............................................................................................. 24 Figura 11: Interfaces lgicas criadas para conexes do Frame-Relay .......................................... 25 Figura 12: Uma Clula ATM ........................................................................................................ 26 Figura 13: O Modelo ATM (Fonte: Redes de Computadores, Tanembaum Andrew S, Campus,

1997) ..................................................................................................................................... 26 Figura 14: Interfaces UNI e NNI .................................................................................................. 27 Figura 15: O Cabealho da Clula ATM UNI e NNI. ............................................................... 28 Figura 16: Comutao ATM (Fonte: Redes de Computadores, Tanembaum Andrew S, Campus,

1997) ..................................................................................................................................... 29 Figura 17: Definio do Caminho VCC e VCL......................................................................... 29 Figura 18: Transporte de Clulas ATM ........................................................................................ 30 Figura 19: Backbone ATM ........................................................................................................... 35 Figura 20: Cabealho MPLS (Fonte MPLS Fundamentals, Luc De Ghein Cisco Press, 2007)

............................................................................................................................................... 37 Figura 21: Cabealho MPLS em diferentes protocolos da camada 2 ........................................... 38 Figura 22: Componentes de Controle/Encaminhamento .............................................................. 40 Figura 23: Componentes da Arquitetura MPLS ........................................................................... 41 Figura 24: Tabela de Encaminhamento ........................................................................................ 42 Figura 25: Associao pacote-rtulo-FEC-LSP............................................................................ 43 Figura 26: Operao do MPLS ..................................................................................................... 45 Figura 27: Construo da tabela de roteamento IP ....................................................................... 46 Figura 28: Insero dos Rtulos aos pacotes IPs. ......................................................................... 47 Figura 29: Pacotes encaminhados baseado nos Labels. ................................................................ 47 Figura 30: AToM - Pseudowire (Fonte MPLS Fundamentals, Luc De Ghein Cisco Press,

2007) ..................................................................................................................................... 51 Figura 31: AToM Diferentes tecnologias de nvel dois (Fonte MPLS Configuration on Cisco

IOS Software, Lancy Lobo Cisco Press, 2008) .................................................................. 52 Figura 32: Modelo de Referncia Pseudowire (Fonte MPLS Configuration on Cisco IOS

Software, Lancy Lobo Cisco Press, 2008) ......................................................................... 53 Figura 33: Terminologia - AToM (Fonte MPLS Configuration on Cisco IOS Software, Lancy

Lobo Cisco Press, 2008) .................................................................................................... 54 Figura 34: Tunnel LSP (Fonte MPLS Configuration on Cisco IOS Software, Lancy Lobo

Cisco Press, 2008) ................................................................................................................ 55


Dissertao de Mestrado ix

Figura 35: Encaminhamento de um pacote AToM (Fonte MPLS Fundamentals, Luc De Ghein Cisco Press, 2007) ............................................................................................................. 56

Figura 36: VPN Intranet................................................................................................................ 57 Figura 37: VPN Extranet .............................................................................................................. 58 Figura 38: VPN Acesso Remoto ................................................................................................... 58 Figura 39: Processo de Tunelamento - VPN................................................................................. 59 Figura 40: VPN Overlay com Frame-Relay (Fonte MPLS Fundamentals, Luc De Ghein

Cisco Press, 2007) ................................................................................................................ 60 Figura 41: VPN Overlay Ponto de vista do cliente (Fonte MPLS Fundamentals, Luc De

Ghein Cisco Press, 2007) .................................................................................................. 61 Figura 42: Modelo Peer to Peer ................................................................................................... 62 Figura 43: Arquitetura VPN MPLS .............................................................................................. 63 Figura 44: Formato VPNv4 ( AS Number + VPN ID ou IP Address + VPN ID) .................... 64 Figura 45: Operao do RD na VPN MPLS ................................................................................. 65 Figura 46: Prapagao de rotas VPNv4 no backbone MPLS VPN passo a passo (Fonte MPLS

Fundamentals, Luc De Ghein Cisco Press, 2007) ............................................................. 66 Figura 47: Encaminhamento de pacotes na rede VPN MPLS (Fonte MPLS Fundamentals, Luc

De Ghein Cisco Press, 2007) ............................................................................................. 67 Figura 48: Componentes da Arquitetura IntServ (Fonte: VoIP Voz sobre IP, Srgio Colcher,

Antnio Tadeu A. Gomes, Anderson Oliveira da Silva, Guido L.de Souza Filho, Luiz Fernando G. Soares Campus, 2005) .................................................................................. 69

Figura 49: Processo de Sinalizao - RSVP ................................................................................. 70 Figura 50: Blocos Funcionais do DiffServ (Fonte: Odom, Wendell, Cavanaugh, Michael J.: IP

Telephony Self-Study Cisco DQOS. Cisco Press, 2004) ....................................................... 71 Figura 51: DSCP (Differentiated Service Code Point) e CU (Currently unused) ........................ 72 Figura 52: Arquitetura de Servios diferenciados ........................................................................ 74 Figura 53: Marcao em camada dois .......................................................................................... 75 Figura 54: Marcao em camada 03 ............................................................................................. 75 Figura 55: Marcao no Label MPLS ........................................................................................... 75 Figura 56: Fila FIFO ..................................................................................................................... 76 Figura 57: PQ (Priority Queueing) ............................................................................................... 77 Figura 58 : Filas Custom Queueing .............................................................................................. 78 Figura 59: Fila WFQ ..................................................................................................................... 78 Figura 60: Mecanismo de Fila LLQ .............................................................................................. 79 Figura 61: Funcionamento do WRED .......................................................................................... 82 Figura 62: Efeito Global Sync....................................................................................................... 82 Figura 63: Tratamento padro do Cisco IOS para os bits EXP (Fonte MPLS Fundamentals,

Luc De Ghein Cisco Press, 2007) ...................................................................................... 84 Figura 64: Tunelamento DiffServ.................................................................................................. 85 Figura 65: O problema do Peixe ................................................................................................... 87 Figura 66: Roteamento baseado na origem usado pelo MPLS-TE ............................................ 88 Figura 67: RSVP - MPLS TE ....................................................................................................... 89 Figura 68: RSVP - MPLS TE e Rtulos ....................................................................................... 90 Figura 69: Proteo do Enlace e Proteo do N ......................................................................... 92 Figura 70: Topologia da Rede SERPRO ...................................................................................... 96 Figura 71: Topologia Fase 01 ....................................................................................................... 97 Figura 72: Topologia Fase 02 ....................................................................................................... 98 Figura 73: Topologia Fase 03 ....................................................................................................... 98 Figura 74: Topologia Consolidada................................................................................................ 99 Figura 75: Switches de WAN-IGX ............................................................................................. 101


Dissertao de Mestrado x

Figura 76: Vista frontal e traseira dos roteadores Cisco 7206VXR e Cabos utilizados no projeto MPLS. ................................................................................................................................. 102

Figura 77: Vista Frontal dos roteadores Cisco 12410 utilizados no projeto MPLS ................... 103 Figura 78: Topologia Base para simulao dos ambientes. ........................................................ 107 Figura 79: Implementaes MPLS para o Roteador 7206VXR, usando a verso 12.4-7a. ........ 109 Figura 80: Topologia MP-iBGP com Router-Reflector .............................................................. 113 Figura 81: MPLS Frame-Mode .................................................................................................. 115 Figura 82: MPLS Cell-Mode ...................................................................................................... 115 Figura 83: Poro do Backbone extrada da Topologia Representativa para demonstrao da

funcionalidade bsica da tecnologia MPLS. ....................................................................... 119 Figura 84: AToM utilizado para interligao entre um Escritrio e uma Regional da Rede

SERPRO. ............................................................................................................................ 125 Figura 85: Topologia para testes do Servio MPLS AToM ....................................................... 126 Figura 86: Configuraes AToM para transporte HDLC sobre MPLS. ..................................... 127 Figura 87: Configuraes AToM para transporte Frame-Relay sobre MPLS ............................ 130 Figura 88: Isolamento do trfego atravs da VPN no Backbone SERPRO - Cliente da VPN A

no visualiza cliente da VPN B. ......................................................................................... 134 Figura 89: Topologia Hub and Spoke ......................................................................................... 143 Figura 90: Poro da Topologia Representativa para demonstrao do QoS ............................. 147 Figura 91: Novo Backbone Rede SERPRO ............................................................................. 152 Figura 92: Poro da Topologia Representativa para demonstrao do MPLS-TE ................... 153 Figura 93: Conexo entre o PC e o CE11 para gerao de trfego e coleta dos grficos ........... 157 Figura 94: Trfego gerado do PC para o CE22 ........................................................................... 157 Figura 95: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/2 do PE1 ............................... 158 Figura 96: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/3 do PE1 ............................... 158 Figura 97: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/2 do PE1 ............................... 159 Figura 98: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/3 do PE1 ............................... 159 Figura 99: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/2 do P1 ................................. 159 Figura 100: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/2 do PE1 ............................. 160 Figura 101: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/3 do PE1 ............................. 160 Figura 102: Visualizao do trfego na sada da interface Serial l/2 do P1 ............................... 160


Dissertao de Mestrado xi

ndice de Tabelas

Tabela 1: Classes dos endereos IPs ............................................................................................... 7 Tabela 2: Comparao dos protocolos de roteamento escalveis ................................................. 15 Tabela 3: Caractersticas das categorias do Servio ATM ........................................................... 31 Tabela 4: Arquitetura IP Convencional e Arquitetura IP baseada em rtulos .............................. 36 Tabela 5: Valores do protocolo identificador MPLS para tipos de encapsulamento de camada 2

............................................................................................................................................... 39 Tabela 6: Classes AF do DSCP .................................................................................................... 72 Tabela 7: Class Selector Codepoints............................................................................................. 73 Tabela 8: Comparao WFQ-PQ e CQ ......................................................................................... 79 Tabela 9: Relao entre os clientes, VRFs e Roteadores ............................................................ 135 Tabela 10: Classes utilizadas na simulao do ambiente QoS ................................................... 146 Tabela 11: Tabela Comparativa das Tecnologias e Servios Agregados ................................... 162


Dissertao de Mestrado xii

Lista de Abreviaturas e Siglas

AAL ATM Adaptation Layer ABR Available Bit Rate ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AF Assured Forwarding AS Automonous System ASIC Application Specific Integrated Circuit ATM Asynchrounous Transfer Mode AToM Any Transport over MPLS BECN Beckward Explicit Congestion Notification BGP Border Gateway Protocol BoS Bottom of Stack CBR Constant Bit Rate CBWFQ Class-Based Weighted Fair Queueing CE Customer Edge CEF Cisco Express Forwarding CIDR Classless interdomain routing CIR Commited Information Rate CLP Cell Loss Priority CQ Custom Queueing CS Convergence Sublayer CSPF Constrained Shortest Path First CU Currently Unused DiffServ Differentiated Service DLCI Data Link Connection Identifier DLSW Data Link Switching DSCP DiffServ Codepoint EBGP External BGP ECN Explicit Congestion Notification EF Expedited Forwarding EGP Exterior Gateway Protocol EIGRP Enhanced Interior Gateway Protocol EXP Experimental bits FEC Forwarding Equivalent Class FECN Forward Explicit Congestion Notification FIB Forwarding Information Base FIFO First in First out FQ Fair Queueing FR Frame-Relay GRE Generic Routing Encapsulation GTS Generic Traffic Shaping IANA Internet Assigned Numbers Authority IBGP Internal BGP IETF Internet Engineering Task Force IGP Interior Gateway Protocol IGRP Interior Gateway Routing Protocol IOS Internetwork Operation System


Dissertao de Mestrado xiii

IP Internet Protocol IPSec IP Security Protocol IPX Internetwork Packet Exchange ISDN Integrated Services Digital Network IS-IS Intermediate System to Intermediate System ISO International Organization for Standardization ISP Internet Service Provider L2TP Layer 2 Tunneling Protocol LAN Local Area Network LDP Label Distribution Protocol LER Label Edge Router LFIB Label Forwarding Information Base LIB Label Information Base LLQ Low Latency Queueing LMI Local Management Interface LP Private Line LSA Link-State Advertisement LSP Label Switched Path LSR Label Switch Router L2TP Layer 2 Tunneling Protocol MPBGP Multi Protocol BGP MPLS Multi-Protocol Label Switching NNI Network Network Interface NRT-VBR Variable Bit Rate Non-Real Time OID Object Identifier OSI Open Systems Interconnection OSPF Open Shortest Path First P Provider PDH Plesiochronous Digital Hierarchy PDU Protocol Data Unit PE Provider Edge PHB Per-Hop Behavior PHP Penultimate Hop Popping PLR Point of Local Repair PMD Physical Medium POP Penultimate hop pop POS Packet Over Sonet PPP Point to Point PQ Priority Queueing PRC Primary Reference Clock PTI Payload Type Identifier QoS Quality of Service RD Router Distinguisher RED Random Early Detection RFC Request for Comments RIP Routing Information Protocol RR Router Reflection RSVP Resource Reservation Protocol RT Router Targets RT-VBR Variable Bit Rate Real Time


Dissertao de Mestrado xiv

SAR Segmentation and Reassembly SDH Synchronous Digital Hierarchy SLA Service Level Agreement SNA Systems Network Architeture SNMP Simple Network Management Protocol SONET Synchronous optical networking STM Synchronous Transport Module TC Transmission Convergence TCP Transmission Control Protocol TE Traffic Engineering ToS Type of Service TTL Time to Live UBR Unspecified Bit Rate UDP User Datagram Protocol UNI User Network Interface VC Virtual Circuit/Channel VCC Virtual Channel Connection VCI Virtual Channel Identifier VCL Virtual Channel Link VLSM Variable Lenght Subnet Mask VoIP Voice over IP VPI Virtual Path Identifier VPN Virtual Private Network VRF Virtual Routing and Forwarding WAN Wide Area Network WFQ Weighted Fair Queueing WRED Weighted Random Early Detection


Dissertao de Mestrado 1

1- Introduo Novas tecnologias esto sendo constantemente desenvolvidas para atender s demandas

causadas pelo aumento da utilizao da Internet, assim como um aumento das exigncias por

servios de comunicao de dados, capazes de integrar vrias mdias como dados, voz e

imagem, com qualidade de servio e segurana.

Apesar da complexidade de muitos backbones (ncleo da rede - enlaces que unem

diversos pontos interconectados) atuais, os mesmos so robustos e confiveis, e isso uma

evidncia de um grande avano no desenvolvimento das tecnologias de WAN (Wide Area

Network), rede geograficamente distribuda que abrange uma grande rea geogrfica [1], assim

como da adoo de uma metodologia de consenso em relao a aspectos de projeto por parte dos

desenvolvedores.

Combinando o processo de roteamento de nvel 3, com a comutao sobre a camada 2, de

acordo com o modelo de referncia OSI (Open Systems Interconnection) [1], a arquitetura IP

(Internet Protocol) [2] sobre MPLS (MultiProtocol Label Switching) [3] oferece maior

possibilidade de gerenciamento e engenharia de trfego, reduzindo o processamento necessrio

para realizar o roteamento de datagramas de rede. Essa tecnologia vem crescendo bastante e

ganhando fora como alternativa combinao do protocolo IP sobre tecnologias de camada 2,

tais como: Ethernet [4], Asynchronous Transfer Mode (ATM) [1], e Frame-Relay [5] , sendo

largamente oferecida no mercado, de maneira que a demanda se intensificou e vem estimulando

os clientes a solicitar tais servios, no se tratando de mera oportunidade de negcio, mas de

requisito imprescindvel para atendimento das demandas dos clientes atuais.

O acompanhamento e adaptao s mudanas tecnolgicas que surgem e que se firmam

em um cenrio global so essenciais para que os provedores se mantenham presentes na disputa

por novos clientes. Em backbones modernos, o uso da tecnologia MPLS traz grandes benefcios,

evitando a complexidade de backbones antigos, baseados em tecnologias de camada 2, as quais

provocam problemas de escalabilidade, desempenho e administrao. Tal tecnologia tambm

possibilita o uso de aplicaes convergentes, o que a torna bastante atrativa para o mercado

atual, que procura solues que possibilitem a implementao de redes prticas, econmicas e

interoperveis.

importante tambm salientar que a tecnologia MPLS permite a integrao de vrias

tecnologias usadas em grandes provedores, tais como: Frame-Relay, ATM (Asynchronous



Transfer Mode), Linhas dedicadas e ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) [2],

viabilizando assim a otimizao da infraestrutura instalada.

O fato de o MPLS ser, por essncia, uma tecnologia de camada dois e meio, isto porque

adiciona um cabealho de 32 bits (que contm um rtulo) entre as camadas dois e trs, dessa

forma trabalhando com a tecnologia IP, provocou uma significante evoluo nas tecnologias de

ncleo da rede, sendo extremamente fcil de operar, oferece muitos mecanismos de controle e

gerncia de trfego, e provoca um melhor uso do meio fsico. O preo dos equipamentos bem

mais barato que equipamentos ATM, e permite velocidades bem maiores que o ATM, tendo

impacto direto nos negcios dos provedores de servios de rede de longa distncia ISPs

(Internet Service Providers).

Desde o surgimento da tecnologia MPLS, na dcada de 90, como uma tecnologia de

comutao, diversos trabalhos tm sido apresentados sobre a mesma, porm, a maioria deles,

foca em algum servio especfico da tecnologia, tais como: VPNs, QoS e Engenharia de

Trfego. Os conceitos e tcnicas utilizadas nesse trabalho, entretanto, tm foco direcionado para

o novo backbone do SERPRO, que far uso desses servios em conjunto, para comprovar

flexibilidade e otimizao e, consequentemente, melhoria nos servios prestados aos clientes.

Este trabalho consiste em uma anlise dos principais servios da tecnologia MPLS,

utilizados no projeto de modernizao tecnolgica do backbone do SERPRO, com o objetivo de

visualizar o benefcio obtido com os mesmos, deixando o backbone muito mais flexvel,

escalvel e otimizado.

Ao final deste trabalho, mostraremos os futuros caminhos para o crescimento na rea,

tecnologias, novos servios e implementaes com o MPLS, os quais serviro para trabalhos

futuros envolvendo essa tecnologia e a rede SERPRO.

1.1 Objetivos da Dissertao

Este trabalho elabora, de uma maneira geral, um estudo da tecnologia MPLS, e apresenta

a implementao dos seus principais servios.

Mostraremos atravs de simulaes, os benefcios propiciados pela tecnologia

propriamente dita, assim como pelos seus principais servios, e que sero foco principal na

flexibilidade e otimizao do backbone do SERPRO: AToM , VPN, QoS, e TE.

Portanto, os objetivos principais desse trabalho so:



Analisar as principais tecnologias de WAN utilizadas no mercado;

Estudar e avaliar a tecnologia MPLS, suas caractersticas, funcionalidades e servios;

Criar um ambiente simulado para comprovao de todo esquema de encaminhamento de

pacotes utilizado no MPLS e seus benefcios;

Comprovar os benefcios propiciados ao backbone, com o uso dos principais servios

utilizados pela tecnologia, atravs do ambiente simulado;

Estimular a implementao de tais servios em redes IPs baseadas na tecnologia MPLS.

Atravs de vrios testes, com diferentes configuraes, este trabalho analisa como os

servios podem ser configurados e utilizados, para depois serem implantados em ambientes

reais em conformidade com a caracterstica de cada rede.

1.2 Estrutura da Dissertao

Este trabalho estruturado em 08 captulos. Apresentamos desde os conceitos

fundamentais das redes IPs, passando por uma base das tecnologias de WAN, para em seguida

dar nfase tecnologia que o foco desse trabalho, a tecnologia MPLS. Mostramos desde os

conceitos fundamentais de sua arquitetura, os seus servios, seu uso no projeto do SERPRO, e

todo o ambiente de simulao criado para esse trabalho. Finalizamos com as observaes,

concluses e trabalhos futuros. Segue um breve resumo dos captulos:

Captulo 02 Redes IPs Conceitos Fundamentais

No segundo captulo, tratamos os conceitos fundamentais das redes IPs, abrangendo o

protocolo IP e a Internet, os conceitos de roteamento e comutao, e uma breve descrio dos

principais protocolos de roteamento utilizados no mercado.

Captulo 03 Tecnologias de WAN

No terceiro captulo, focamos nos conceitos base das tecnologias de WAN de camada 2.

Inicialmente, descrevemos sobre a tecnologia Frame-Relay e, em seguida, sobre a tecnologia

ATM.

Captulo 04 A Arquitetura IP sobre MPLS

No quarto captulo, reunimos todas as definies e conceitos referentes tecnologia

MPLS. Fizemos uma reviso sobre os principais componentes de uma rede MPLS, buscando

identificar e entender o funcionamento da tecnologia e suas vantagens. Neste captulo tambm



elencamos alguns trabalhos relacionados que serviram como base de estudos para essa

dissertao.

Captulo 05 Servios do MPLS

No quinto captulo, tratamos os servios fundamentais ofertados pela tecnologia MPLS

(AToM, VPN, QoS e TE). Mostramos com detalhes como cada servio trabalha, suas

terminologias utilizadas, seus benefcios e suas implementaes.

Captulo 06 O Projeto MPLS na Organizao SERPRO

No sexto captulo, focamos no projeto MPLS do SERPRO, mostrando, primeiramente,

uma breve descrio da organizao e, em seguida, tratamos as diversas fases do projeto, sua

justificativa, e os equipamentos utilizados no backbone atual, baseado nas tecnologias Frame

Relay/ATM, e no novo backbone, baseado na tecnologia MPLS.

Captulo 07Ambiente de Preparao dos Cenrios Anlise da Flexibilidade e

Otimizao

No stimo captulo, descrevemos todo o ambiente de teste, sua montagem e composio.

Inicialmente fizemos uma apresentao sobre a ferramenta utilizada para elaborao dos

ambientes simulados, em seguida apresentamos a topologia e recursos utilizados. Mostramos a

escolha dos protocolos IGP/EGP (Interior Gateway Protocol/Exterior Gateway Protocol) [6], e

todos os testes realizados com as observaes para cada ambiente e servio simulado.

Captulo 08 Concluses e Trabalhos Futuros

No oitavo captulo, apresentamos a concluso do trabalho, comentamos as principais

contribuies, bem como as dificuldades obtidas, e apresentamos oportunidades para extenso

em trabalhos acadmicos futuros.

Referncias Bibliogrficas

No final exibimos as referncias bibliogrficas utilizadas nessa dissertao.

Anexos

Parte das configuraes, verificaes e testes efetuados nas simulaes esto presentes

nos anexos.



2- Redes IPs Conceitos Fundamentais Criada na dcada de 80, a partir da ARPANET (Advanced Research Projects Agency

Network), inicialmente a Internet, a rede mundial de computadores, tinha o propsito apenas de

interligar centros de pesquisa e universidades americanas. Com a evoluo da informatizao e a

forma democrtica como a rede foi criada e mantida at os dias atuais, impulsionaram para que a

mesma se estendesse para alm das fronteiras americanas. Em 1995, considerado o ano da

exploso da Internet, foi aberto o acesso comercial, surgiram s primeiras Intranets, e a rede

mundial de computadores passou a crescer a um rtmo alucinante. Na figura 1, podemos

visualizar o crescimento do nmero de usurios de Internet por regio geogrfica [7].

Figura 1: Usurios de Internet por Regio Geogrfica ( Fonte: http://www.internetworldstats.com/stats.htm)

Mesmo em tempos de crise na economia mundial, o nmero de computadores sendo

conectados Internet no para de crescer. Hoje, ela tornou-se indispensvel para uma parcela

considervel da populao, assim como para a maioria das empresas e centros de pesquisa. Alm

do crescimento acelerado do nmero de usurios, a quantidade e o tamanho dos dados que estes

trocam tm aumentado consideravelmente. O emprego de integrao entre servios, tais como

voz, vdeo e dados, tambm tem sido prtica comum entre os usurios da Internet. Essa

integrao e convergncia dos meios de comunicaes tornaram as redes de computadores uma

infraestrutura fundamental para que este sucesso acontea, fazendo com que as redes de

computadores se tornassem cada vez mais essenciais ao sucesso das corporaes e continuassem

em fase evolutiva.



As redes IPs tm uma grande base instalada, com milhares de computadores, e continua

crescendo em todos os continentes. O crescimento da Internet e a grande aceitao da base

tecnolgica TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) [8] pelas empresas so os

fatores que continuam a impulsionar o crescimento e a aceitabilidade das redes IPs.

Quando os dados so transmitidos via Internet, a informao encapsulada em pequenos

pacotes de dados que contm um cabealho com um conjunto de informaes necessrias para a

sua correta transmisso ao longo da rede. Uma dessas informaes o endereo IP (Internet

Protocol) da mquina a que se destina o pacote. Cada roteador, ao receber um pacote, faz a

leitura das informaes contidas nele, assim como consulta a tabela de roteamento, para

identificar qual o prximo roteador da rota. O envio destes pacotes respeita uma organizao

estrutural dos roteadores na Internet. Dessa forma, o Protocolo IP responsvel pela

comunicao, podendo ser utilizado sobre algumas tecnologias de nvel 2, tais como ATM e

Frame-Relay, sendo estas tecnologias, nesta situao, meros mecanismos de transporte de

pacotes entre os roteadores.

2.1 Protocolo IP

O protocolo IP foi projetado para permitir interconexo de redes de computadores que

utilizam a tecnologia de comutao de pacotes. Trata-se de um protocolo sem conexo, onde

cada unidade de transporte, conhecido como pacote ou datagrama, trafega de forma

independente na rede, e cada roteador pertencente a essa rede toma a deciso por qual interface

deve enviar esse pacote, atravs de tabelas de roteamento que so atualizadas periodicamente.

Na Internet, os dispositivos devem ser identificados por nmeros de 32 bits, conhecidos

como endereos IPs, que devem ser nicos, no podendo haver dois ou mais equipamentos

utilizando o mesmo endereo IP, assim, um endereo IP um nmero que identifica unicamente

no mundo cada conexo de dispositivo Internet. Basicamente, um endereo IP consiste em

duas partes: a primeira conhecida como netid, que representa o endereo da rede qual pertence

o dispositivo, e a segunda, conhecida como hostid, que respresenta a identificao do dispositivo

nessa rede. No esquema original de endereamento IP, existem cinco classes de endereos,

conforme tabela 1. Nesta tabela, podemos verificar quais bits representam o hostid e quais

correspondem ao netid, bastando analisar os 03 primeiros bits, pois os mesmos definem a classe

a qual o endereo IP pertence.



Tabela 1: Classes dos endereos IPs

Na classe A, o primeiro bit (mais significativo) zero, e os prximos 7 bits representam a

identificao da rede. Os 24 bits restantes representam o host, ou o dispositivo na rede. Essa

classe recomendvel para redes com um nmero muito grande de dispositivos, pois pode

representar mais de 16 milhes de endereos IPs.

Na classe B, o primeiro bit 1 e o segundo 0. Os prximos 14 bits representam a

identificao da rede, e os 16 bits restantes representam e dispositivo na rede. O nmero de

dispositivos que podem ser endereados nessa classe relativamente grande, mais de 65 mil.

Na classe C, os dois primeiros bits tm valor 1, e o terceiro bit 0. A identificao da

rede representada pelos prximos 21 bits, o que possibilita a representao de um grande

nmero de redes. Para representao de dispositivos, so utilizados os ltimos 8 bits, o que

limita em 254 o nmero mximo de endereos IPs.

Na classe D, os trs primeiros bits valem 1 e o quarto vale 0. Essa classe utilizada para

identificar grupos de endereos de multicast. Diferentemente das classes anteriores, essa classe

no possui uma diviso entre netid e hostid. Os 4 primeiros bits so fixos e os 28 restantes

representam um grupo.

Na classe E, os quatro primeiros bits valem 1. Esta uma classe de endereos reservada

para uso futuro.

Hoje, porm, com o crescimento acelerado do volume de mquinas e redes na Internet,

assim como de novas tecnologias e dispositivos de redes (Smartphones, computadores portteis,

etc) indicado um rpido esgotamento dos endereos IPs disponveis. O novo protocolo IPv6,

dever possibilitar a resoluo dos problemas atuais de esgotamento do IPv4, assim como prover



funcionalidades necessrias para acompanhar as novas tecnologias de redes que surgirem.

Estima-se que, no Brasil, esse esgotamento ocorra entre 2012 e 2014 [9].

A funo do protocolo IP limita-se apenas criao e encaminhamento de datagramas,

cabendo s camadas superiores (transporte ou aplicao) a organizao dos datagramas

recebidos, bem como fazer um pedido de retransmisso de um datagrama perdido, caso seja

necessrio.

O formato do datagrama IP exibido na Figura 2, e dividido em duas partes: Cabealho

e Dados. O cabealho contm as informaes administrativas do datagrama, j o campo de dados

contm as informaes das aplicaes. Os principais campos desse datagrama so os seguintes

[2]:

Figura 2: Formato do Datagrama IP

Verso (4bits): Especifica a verso do protocolo IP, podendo atualmente ser 4 ou 6. Examinando

o nmero da verso, o roteador pode determinar como deve interpretar o restante do datagrama

IP.

Tamanho do Cabealho (4bits): So necessrios para determinar onde, no datagrama IP, os

dados realmente comeam, j que um datagrama IPv4 pode conter um nmero varivel de

opes.



Tipo de Servio (8bits): Normalmente utilizado pelos roteadores para determinar como o

datagrama deve ser tratado, podendo diferenciar os diferentes tipos de datagramas IP. Por

exemplo, poderia ser til distinguir datagramas de tempo real (Ex.: Telefonia IP) de trfego que

no de tempo real (Ex.: FTP).

Tamanho total do datagrama (16 bits): Informa o comprimento total do datagrama IP

(cabealho mais dados), em bytes.

Identificao (16bits): Utilizado para identificao do datagrama IP, no processo de

fragmentao do pacote, para que o mesmo seja remontado na mesma ordem em que foi

fragmentado. Quando um datagrama maior do que o MTU (Maximum Transfer Unit) de uma

determinada tecnologia, ele precisa ser dividido em fragmentos para que possa ser transmitido na

rede. Assim o campo identificador utilizado para que seja possvel saber a qual datagrama cada

fragmento pertence.

Flags (3bits): O primeiro bit reservado e seu valor deve ser 0. O segundo bit conhecido como

bit DF (Dont Fragment), e utilizado para indicar aos roteadores para no fragmentar o pacote,

porque o destino no saber reconstruir. O terceiro bit conhecido como bit MF (More

Fragments) e indica se o pacote fragmentado o ltimo ou se existem mais.

Offset do Fragmento (13bits): Usado para especificar a localizao exata do fragmento no

datagrama IP original.

Tempo de Vida (8bits): utilizado para garantir que datagramas no fiquem circulando para

sempre na rede. Ao receber um datagrama, todo roteador deve ler esse campo, se seu valor for

maior que zero, ele dever decrement-lo em uma unidade e, se seu valor for igual a zero esse

datagrama dever ser descartado, evitando assim um lao de roteamento de longa durao.

Protocolo (8bits): utilizado somente quando um datagrama IP chega a seu destino final. O

valor desse campo especifica a qual protocolo pertence os dados carregados no campo Data.

Como exemplo temos o TCP (6) e UDP (17) [8].

Soma verificadora do cabealho (16 bits): utilizado para garantir a integridade do cabealho

IP, auxiliando um roteador na deteco de erros de bits em um datagrama IP recebido.

Endereos IP de origem e destino (32 bits): Representam os endereos IP do host que envia o

datagrama (fonte) e do host que receber o datagrama (destino).

Opes (0 a 320 bits): Permite que o cabealho IP seja ampliado. Existem opes para

segurana, armazenamento de rota, roteamento mandatrio, timestamp, etc... Uma vez que

alguns datagramas podem requerer processamento de opes e outros no, a quantidade de



tempo necessria para processar um datagrama IP em um roteador pode variar bastante. Por

essas razes, esse campo foi descartado no cabealho da verso IPv6.

Dados: De tamanho varivel, so os dados transportados pelo datagrama IP. So atribudos pelos

protocolos das camadas superiores.

2.2 Roteamento e Comutao

A simplicidade e flexibilidade so alguns dos fatores que tornaram o Protocolo IP um

grande sucesso. A tarefa de Roteamento IP executada pelo protocolo IP, sendo este protocolo

responsvel pela entrega das informaes geradas pelas aplicaes aos seus destinos de forma

correta e eficiente.

Roteamento IP um termo utilizado para descrever as aes efetuadas pela rede para

enviar um pacote de um dispositivo a outro dispositivo em uma rede diferente, ou seja, os

endereos IPs de origem e destino devem pertencer endereos de redes diferentes.

O elemento Roteador o principal componente das redes IPs, e sua principal tarefa o

encaminhamento de pacotes, portanto ao receber um pacote o roteador precisa ler o cabealho

IP, determinar para qual rede de destino o pacote pertence e, atravs da leitura de uma tabela de

roteamento, determinar por qual interface do mesmo esse pacote ser encaminhado.

Os roteadores aprendem sobre as redes remotas atravs dos roteadores vizinhos ou por

informaes configuradas manualmente por um administrador. Assim, os roteadores constroem

uma tabela de roteamento que descreve como encontrar as redes remotas. Estando uma rede

diretamente conectada ao roteador, o mesmo saber como alcan-la, no sendo necessrio

nenhum mecanismo de criao de rotas. Caso a rede no esteja diretamente conectada ao

roteador, ser necessrio o uso de um processo de roteamento esttico, o que significa que um

administrador inseriu manualmente todas as localizaes das redes na tabela de roteamento, ou

por algum tipo de roteamento dinmico, nesse caso o administrador pode fazer uso de algum

protocolo de roteamento, que automaticamente divulgam essas rotas.

Os roteadores utilizam os protocolos de roteamento para construir as tabelas de

roteamento. Nesse processo, um protocolo em um roteador se comunica com seu vizinho usando

o mesmo protocolo, informando quais so as redes que podem ser alcanadas por ele e vice-

versa. Em seguida, os roteadores se atualizam sobre todas as redes que sabem e que aprenderam,

colocando essas informaes na tabela de roteamento.



A grande vantagem do uso de protocolos de roteamento sobre o roteamento esttico a

possibilidade de adaptao dinmica das rotas em situaes de falhas ou congestionamentos

detectados. Se alguma mudana ocorrer na rede, os protocolos de roteamento dinmico

informam automaticamente todos os roteadores sobre o evento. Em se tratanto de um roteamento

esttico, o administrador responsvel para atualizar todas as mudanas mo, em todos os

roteadores. Tipicamente, em grandes redes, uma combinao do roteamento dinmico e esttico

usada [6].

Quando recebem um pacote e tm que tomar uma deciso de roteamento, os roteadores

consultam a sua tabela de roteamento, usando o endereo IP de destino no pacote. A construo

das tabelas e seu uso para o encaminhamento podem ser separados por operaes lgicas,

conforme as figuras 3 e 4. Durante a transmisso de um pacote na rede, o mesmo passa por

roteadores intermedirios, que verificam o endereo de destino, consultam sua tabela de

roteamento e o transmitem para o prximo roteador na rota, logo cada roteador possui sua tabela

de roteamento, e a informao que consta na tabela informa qual o prximo roteador para o qual

os pacotes devem ser enviados, o que chamamos de next-hop.

Figura 3: Gerao das Tabelas de Encaminhamento



Figura 4: Encaminhamento de Pacotes De acordo com as figuras 3 e 4, podemos acompanhar o processo de roteamento.

Inicialmente o roteador D anuncia a rede 128.89, que est diretamente conectada a ele, para o

roteador B. O roteador C faz o mesmo procedimento, ou seja, envia a rede 171.69 para o

roteador B. Ao receber as redes 128.89 e 171.69, atravs das respectivas interfaces 0 e 1, o

roteador B divulga as mesmas para o roteador A, que recebe em sua interface 1. Quando um

pacote chega ao roteador A, destinado rede 128.89, no caso o endereo 128.89.25.4, o roteador

A, atravs da leitura do endereo de destino em sua tabela de rotas, envia o pacote atravs da

interface 1. O roteador B receber o pacote e far o mesmo comportamento, enviando o pacote

para o roteador D, a quem pertence rede, e enviar ao dispositivo final.

Comutao um processo usado para descrever a transferncia de dados de uma porta de

entrada para uma porta de sada, onde a escolha da porta de sada correta baseada em

informao da camada 2.

Os mtodos para a comutao de quadros baseiam-se nas informaes de endereo da

camada de enlace, j os recursos e as funcionalidades dos switches de camada 3 e dos roteadores

tm diversas semelhanas.

Em roteadores, de modo geral, a comutao de pacotes acontece em software, usando

mecanismos baseados em microprocessadores, enquanto em um switch de camada 2 ou 3, o

encaminhamento dos quadros ou pacotes realizado usando hardware ASIC (application

specific integrated circuit) [10]. Dessa forma, a comutao na camada 2 usa o endereo de

destino existente no cabealho do quadro, e encaminha interface ou porta apropriada

referenciada na tabela de comutao.



2.3 Protocolos de Roteamento

O roteamento dos pacotes em uma rede depende das regras estabelecidas por cada protocolo de roteamento, portanto os protocolos de roteamento definem as rotas que os pacotes

devem seguir para alcanar determinado destino. Os protocolos tambm devem estabelecer o

procedimento a ser tomado em caso de mudanas repentinas na infraestrutura da rede, tais como

linhas de transmisso sendo interditadas ou reativadas, falha de roteadores e outras mudanas

estruturais.

Um Sistema Autnomo (AS) uma coleo de redes sob uma administrao comum

[11]. Esse nmero composto por 16 bits, com um intervalo de 1 at 65535, atribudo pelo

IANA (Internet Assigned Numbers Authority) [12]. A Internet uma unio de sistemas

autnomos e, dentro dos sistemas autnomos, as rotas so atribudas de forma esttica e/ou

atravs de protocolos interiores e exteriores de roteamento.

Os protocolos de roteamento dentro de um AS e entre ASs so diferentes. Roteadores

dentro de um AS trocam informaes de roteamento atravs de um protocolo comum conhecido

como IGP (Interior Gateway Protocol), j os roteadores que fazem comunicao entre ASs, o

fazem atravs de um protocolo de roteamento chamado de EGP (Exterior Gateway Protocol)

[6]. Essa diviso dar-se- porque os protocolos possuem objetivos diferentes. Dentro de um AS o

maior objetivo calcular rotas eficientes, assim como efetuar atualizaes rapidamente quando

ocorrer uma mudana na rede, por exemplo, provocada por uma falha na linha de transmisso,

interrupo temporria de um roteador, etc. Os roteadores que trabalham com os protocolos

EGPs possuem uma maior preocupao com questes administrativas, polticas, econmicas e

de segurana, sendo essas manualmente configuradas nos roteadores, no fazendo parte

diretamente do protocolo. Tais diferenas fazem com que IGP e EGP, em sua maioria, faam uso

de tecnologias diferentes.

Alguns dos IGPs atualmente mais usados na Internet so: Open Shortest Path First

(OSPF), Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS), Routing Information Protocol

(RIP) e Enhanced Interior Gateway Protocol (EIGRP) [6]. O protocolo EGP usado atualmente

na Internet o Border Gateway Protocol (BGP), utilizado pelos provedores de servios para

troca de informaes entre os sistemas autnomos.

Os protocolos de roteamento atuais se baseiam em dois principais algoritmos de

roteamento, so eles: Vetor de Distncia e Estado de Enlace.



O nome roteamento por vetor de distncia encontrado tambm nas literaturas como

algoritmo de Bellman-Ford [11], devido a esse algoritmo ser usado para calcular os caminhos

mnimos para o roteamento. Esse algoritmo mantm um vetor que informa a menor distncia

conhecida a cada destino, assim como o prximo roteador na rota mnima para o destino. O

melhor caminho pode estar relacionado com vrias medidas, sendo que o nmero de roteadores

na rota (hop count) a mais utilizada.

Em um ambiente de vetor de distncia puro, as atualizaes de roteamento incluem uma

tabela completa de roteamento, ao qual chamamos de atualizao integral, ou seja, troca de toda

a tabela de roteamento. Ao receber uma tabela completa de um vizinho, um roteador pode

verificar todas as rotas conhecidas e, em seguida, fazer as alteraes na tabela local, com base

nas informaes atualizadas recebidas. Esse processo de roteamento muito simples, e na

prtica pode ser lento, provocando um alto tempo de convergncia (tempo em que os roteadores

levam para estabilizar as tabelas de roteamento de acordo com uma mudana ocorrida na

topologia) na rede e possveis loops de roteamento. Podemos citar como protocolos que fazem

uso desse algoritmo, o RIP e o IGRP (Interior Gateway Routing Protocol), sendo este ltimo de

propriedade da Cisco e pouco usual no mercado, pois o mesmo foi substitudo por um protocolo

de roteamento mais avanado, o EIGRP.

As rotinas peridicas de roteamento geradas pela maioria dos protocolos de roteamento

vetor de distncia so enviadas apenas para os dispositivos de roteamento conectados

diretamente, j que o conhecimento que um roteador tem da rede baseia-se na perspectiva da

topologia de rede conhecida pelo vizinho. Essas atualizaes peridicas so enviadas em um

broadcast lgico (endereo de difuso 255.255.255.255, de um roteador para todos os

roteadores), embora em alguns casos as atualizaes unicast (endereo de um roteador para um

nico roteador de destino) possam ser especificadas [11].

Ao contrrio do algoritmo vetor de distncia, que fazem uso de atualizaes peridicas e

integrais, o algoritmo de estado de enlace gera atualizaes de roteamento apenas quando h

uma alterao na topologia. Nesse caso, cada roteador cria uma tabela contendo informaes de

sua conexo na rede, da o nome de estado de enlace, e aps sua criao, os roteadores

distribuem suas tabelas para os outros roteadores do domnio. Sendo assim, cada roteador possui

informao completa da rede e possibilita o clculo dos caminhos mnimos dele para cada

destino.

Em termos de funcionalidade desse algoritmo, sempre que um enlace muda de estado, o

dispositivo que detecta a alterao cria um Link-State Advertisement (LSA), que diz respeito



quele enlace (rota) e, em seguida, o LSA propagado para todos os dispositivos vizinhos que

usam um endereo especial de multicast (endereo de um roteador para um grupo de roteadores).

Cada dispositivo de roteamento recebe uma cpia do LSA, encaminha-o para todos os

dispositivos vizinhos e, em seguida, atualiza a sua base de dados topolgica. Esse

encaminhamento de LSA conhecido como flooding, e necessrio para garantir que todos os

dispositivos de roteamento aprendam sobre as alteraes, para que eles possam atualizar seus

bancos de dados e criar uma tabela de roteamento atualizada, que ir refletir a nova topologia

[11].

A maioria dos protocolos de roteamento que usam o algoritmo de estado de enlace requer

um projeto hierrquico. Com um projeto hierrquico, possvel reduzir a necessidade de

flooding de LSA para todos os dispositivos do domnio de roteamento, porque o uso de reas

(segmentao lgica formada por alguns roteadores) restringe o flooding ao limite lgico da rea

e no a todos os dispositivos do domnio. Em resumo, quaisquer mudanas que ocorram em uma

rea devem causar o reclculo da tabela de roteamento apenas naquela rea, e no em todo o

domnio. A Tabela 2 faz uma comparao das caractersticas de alguns protocolos de

roteamento, que sero foco dessa dissertao.

Tabela 2: Comparao dos protocolos de roteamento escalveis Protocolo Interior ou Exterior Vetor de Distncia

ou Estado de Enlace

Hierarquia

Requerida

OSPF Interior Estado de Enlace Sim

IS-IS Interior Estado de Enlace Sim

BGP Exterior Vetor de Distncia

Avanado

No

A maioria dos protocolos de roteamento IGPs faz uso do algortmo de estado de enlace,

porm outros ainda fazem uso do algoritmo de vetor de distncia.

Nas prximas sees trataremos alguns conceitos bsicos dos protocolos OSPF, IS-IS e

BGP.

2.3.1 OSPF Open Shortest Path First

Criado pelo IETF (Internet Engineering Task Force) em 1988, o OSPF um protocolo

de roteamento do tipo estado de enlace, que envia avisos sobre o estado da conexo a todos os



outros roteadores em uma mesma rea hierrquica, e usa o algoritmo SPF (Shortest Path First)

para calcular o caminho mais curto para cada n. Trata-se um protocolo IGP, de cdigo aberto e

amplamente divulgado na literatura. Foi projetado com o objetivo de substituir o protocolo RIP

(Routing Information Protocol), resolvendo diversas limitaes que o mesmo apresenta, e

abordar as necessidades das redes grandes e escalveis, as quais no eram abordadas pelo RIP. A

verso mais recente do protocolo para funcionalidade com o IPv4 o OSPF verso 2 (OSPFv2),

sendo o OSPF verso 3 (OSPF v3) utilizado para o IPv6 [6].

Podemos citar algumas das principais caractersticas desse protocolo:

No h limite no custo mximo de uma rota;

O OSPF pode efetuar o balanceamento de carga;

A convergncia mais rpida do que o RIP, j que as alteraes de roteamento so

difundidas imediatamente e so calculadas em paralelo;

Tem suporte a VLSM (Variable Lenght Subnet Mask), ou mscara de subredes de

tamanho varivel, tcnica que permite a diviso de subredes em subredes, com o objetivo

de reduzir a perda de endereos IPs.

2.3.2 IS-IS Intermediate System to Intermediate-System

O protocolo IS-IS foi concebido pela ISO (International Organization for

Standardization) e, portanto, pode ser mapeado diretamente ao modelo OSI (Open Systems

Interconnection). De acordo com [13], o protocolo IS-IS tem maior popularidade na Internet que

na arquitetura OSI. Trata-se de um protocolo que faz roteamento por estado de enlace, tendo

suporte ao balanceamento de carga e a VLSM, sendo um protocolo para atuao intra-domnio.

Embora o mesmo tenha sido projetado para roteamento ISO, ele foi adaptado para uso em

ambientes IPs, da a origem do termo Integrated IS-IS, muito utilizado atualmente para se referir

ao uso desse protocolo nas redes IPs.

Existem diversas semelhanas entre o protocolo IS-IS com o protocolo OSPF, as quais

poderamos destacar:

Ambos so protocolos de roteamento que fazem uso do algoritmo de estado de

enlace;

Aceitam VLSM;

Possuem tipos especficos de roteadores definidos em diferentes partes da rede;

Seguem a uma hierarquia, portanto so hierrquicos;



Podem fazer balanceamento de carga;

Ambos possuem capacidades de autenticao.

Existem tambm algumas diferenas entre os dois protocolos, das quais poderamos citar

a forma como ambos manipulam pacotes de hello, que so pacotes utilizados para formao

das adjacncias entre os vizinhos, j que no OSPF apenas um tipo de hello definido, e em redes

IS-IS, os roteadores so capazes de enviar dois tipos distintos de pacotes hello: Nvel 1 e Nvel

2. Outra diferena, seria com relao aos tipos de roteadores que so utilizados por esses

protocolos, pois apenas por possurem nomenclaturas diferentes, pode haver o mapeamento entre

eles, devido s funcionalidades dos mesmos [6].

2.3.3 BGP Border Gateway Protocol

Os protocolos tratados anteriormente so protocolos utilizados para comunicao intra-AS, ou seja, utilizados para comunicao dentro de um mesmo AS, tambm denominados de

IGPs.

O BGP um protocolo utilizado para comunicao inter-AS, ou seja, para comunicao

entre sistemas autnomos, tambm denominado de EGP (Exterior Gateway Protocol). Na figura

5 podemos perceber a atuao desse protocolo na interligao entre os sistemas autnomos

65000, 65500, 65250 e 65520, os quais tm influncia direta na determinao do caminho que

ser utilizado pelo BGP, j que o BGP toma deciso de roteamento baseado no caminho

percorrido entre os ASs, sendo muitas vezes chamado de protocolo de vetor caminho [11]. Seu

principal objetivo fornecer um sistema de roteamento entre domnios que garanta a troca, livre

de loops, das informaes de roteamento entre os sistemas autnomos. A divulgao das

informaes de roteamento BGP feita entre roteadores que estabelecem uma relao de

vizinhana, o que chamamos de peers (pares) [14]. Para que tal estabelecimento ocorra

necessrio que dois roteadores tenham conexo direta entre eles ou que algum protocolo IGP

trate de garantir a alcanabilidade.

Para garantir a alcanabilidade e confiabilidade entre todas as redes da Internet

necessrio que seja utilizada uma forma confivel de troca de informaes deste protocolo, para

tanto o BGP faz uso do protocolo TCP (porta 179) para o transporte das informaes de

roteamento entre dois roteadores que trocam informaes deste protocolo.



Figura 5: Protocolo BGP Utilizado entre Sistemas Autnomos da Internet

2.4 Consideraes Finais

Neste captulo, tratamos de conceitos fundamentais das Redes IPs, e que sero utilizados

nessa dissertao. Inicialmente, mostramos o crescimento da Internet nvel mundial e, portanto,

o crescimento das redes IPs. Vimos tambm a forma de endereamento IP, baseado em 05

classes de endereos, e que, devido ao crescimento acelerado de dispositivos na Internet, o

mesmo se encontra em escassez, tendo como soluo final o novo protocolo IPv6.

Todos os exemplos e simulaes efetuados nessa dissertao tero como base o IPv4,

sendo o IPv6 inserido como trabalhos futuros.

A diferena entre roteamento e comutao tambm tratamos nesse captulo, e podemos

perceber a diferena entre os seus processos.

Por fim, fizemos um resumo sobre alguns conceitos utilizados em roteamento, e

definimos os protocolos de roteamento que sero foco dessa dissertao, OSPF, IS-IS e BGP,

sendo esses dois ltimos fundamentais nos testes de simulao dos ambientes dessa dissertao,

pois sero os protocolos de roteamento utilizados no novo projeto MPLS do SERPRO.

No prximo captulo estudaremos as principais tecnologias de WAN utilizadas no

mercado pelos ISPs, e que servem como base para esse trabalho.



3- Tecnologias de WAN Existem muitas opes disponveis para as tecnologias de WAN. Elas diferem em termos

de tecnologia, velocidade e custo.

Os protocolos da camada de enlace definem a maneira como os dados so encapsulados e

a transmitidos para localidades remotas, assim como os mecanismos para transferir os quadros

resultantes. Diversas tecnologias existem hoje no mercado, tais como: ISDN (Integrated

Services Digital Network), X.25, Frame Relay, ATM e MPLS, sendo as duas primeiras

utilizadas em escala bem menor que as demais, estando praticamente em desuso.

As tecnologias apresentadas neste captulo esto disponveis no mercado, e so

oferecidas ainda como boas opes de interconexo de redes locais, sendo utilizadas no ncleo

atual da rede SERPRO, e que passaro a serem utilizadas como tecnologias de acesso, aps

migrao de todo o backbone para a tecnologia MPLS.

3.1 Tecnologias de Camada de Enlace

Antes de tratarmos das tecnologias propriamente ditas, importante a abordagem sobre

um conceito fundamental para montagem de um ncleo de rede, que o conceito de comutao

de pacotes e comutao de circuitos. De acordo com [2], de uma forma suscinta, em redes de

comutao de circuitos, os recursos necessrios ao longo de um caminho (buffers, taxa de

transmisso de enlaces) para prover comunicao entre os sistemas finais, so reservados pelo

perodo de sesso de comunicao. J em redes de comutao de pacotes, esses recursos no so

reservados, as mensagens de uma sesso usam os recursos por demanda e, como consequncia,

podero ter de esperar para conseguir acesso a um enlace de comunicao.

3.1.1 Frame-Relay

A tecnologia Frame-Relay continua sendo uma tecnologia de WAN bastante popular no

mercado. Trata-se de uma tecnologia de comutao de pacotes que, a princpio, surgiu como

alternativa para as redes X.25, porm de modo mais eficiente, fazendo com que as redes

pudessem ficar mais rpidas, simples e baratas de se manter.

O Frame-relay est relacionado camada 02 do modelo OSI (Open System

Interconnection) e apresenta uma independncia de protocolos, sendo capaz de admitir dados de



protocolos distintos. Os dados so encapsulados pelo equipamento Frame-relay e no pela rede

de comunicaes, dando a impresso ao usurio de que existe uma conexo direta e transparente

entre dois pontos da rede que esto se comunicando. Os dispositivos ligados a uma rede Frame-

Relay so responsveis pela correo de erros e o formato do quadro, sendo o tempo de

processamento reduzido para que a transmisso dos dados se torne muito mais rpida e eficiente

[5].

Por ser completamente digital, o Frame-Relay reduz a probabilidade de incidncia de

erros e oferece boas taxas de transmisso, operando tipicamente de 64Kbps at 45Mbps.

O Frame-Relay envia informaes atravs da rede em unidades bsicas chamadas

frames ou quadros. Um quadro uma sequncia de dados contendo alguns elementos, tais

como: cabealho de identificao com endereo de origem e destino, dados do usurio,

checagem de erro e outros dados de controle. Portanto, cada quadro contm todas as informaes

necessrias para localizar o destino correto. A Figura 6 exibe o formato de um quadro Frame-

Relay e, em seguida, a descrio de cada campo.

Figura 6: Formato do Quadro Frame-Relay (Fonte - Frame Relay for High Speed Networks, Walter Goralski, 1999)

1- C/R (Command/Response) Com 01 bit, indica a funo do frame. utilizado pela

aplicao;

2- FECN (Foward Explicit Congestion Notification) Bit utilizado para evitar situao de

congestionamento. utilizado pela rede para fornecer informaes a um equipamento

receptor, que procedimentos de preveno de congestionamento devem ser iniciados;

3- BECN (Backward Explicit Congestion Notification) Bit utilizado para evitar situao

de congestionamento. utilizado pela rede para fornecer informaes a um equipamento

transmissor, que procedimentos de preveno de congestionamento devem ser iniciados;

4- DE (Discard Elegibility) Bit utilizado para descartar quadros quando a rede est

congestionada;



5- EA (Extension Bit) 02 bits utilizados para indicar que o cabealho tem mais de 2 bytes,

em casos especiais;

6- DLCI (Data Link Connection Identifier) com 10 bits, representa o endereo designado

para o destinatrio de um PVC (Private Virtual Circuit) dentro de um canal de usurio, e

t

MPLS

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