1|Page

Universitatea Politehnica din Bucureti Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Analizarea transportului video in reelele IP/MPLS

Lucrare de licen

Prezentata ca cerin parial pentru obinerea titlului de Inginer n domeniul Electronic i Telecomunicaii programul de studii Reele i Software de Telecomunicai

Conducator tiintific

Absolvent

S.l. dr. ing. Adrian Paun

Nicu M. Andrei-George

2|Page

3|Page

4|Page

5|Page

6|Page

7|Page

Lista Acronime

AF =Assured Forwarding ATM =Asynchronous Transfer Mode BA =Behavior Aggregate BGP =Border Gateway Protocol BS =Bottom Stack BR =Border Router CR-LDP =Constraint Routing Label Distribution Protocol CR =Core Router DS =Differentiated Services DLCI = Data Link Connection Identifier DSCP =DiffServ Code Point EF =Expedited Forwarding PHB E-LSP = EXP-Inferred-PSC LSP ER =Edge Router EXP =Experimental Field FEC =Forwarding Equivalence Class FR =Frame Relay FTN =FEC To NHLFE Table IETF = Internet Engineering Task Force ILM =Incomig Label Map IS-IS =Intermediate System-Intermediate System IP =Internet Protocol IS =Integrated Services JPEG =Joint Photographic Experts Group LER =Label Edge Router LDP =Label Distribution Protocol L-LSP = Label-only-Inferred-PSC LSP LSP =Label Switched Path LSR =Label Switching Router MF =Multi Field MGCP = Media Gateway Control Protocol MPLS =Multi Protocol Label Switching MPEG =Moving Picture Experts Group NHLFE =Next Hop Label Forwarding Entry OSPF =Open Shortest Path First PHB =Per Hop Behavior PHP =Penultimate Hop Popping QoS =Quality of Services

8|Page

RSVP =Resource Reservatioin Protocol RTP =Real Time Protocol RTCP =Real Time Control Protocol SLA =Service Level Agreement SCTP = Stream Control Transmission Protocol SDP =Session Description Protocol SIP =Session Initiation Protocol TCA =Traffic Conditiong Agreement TCP =Transmission Control Protocol TE =Traffic Engineering TLV =Type Length Value ToS =Type of Service TTL =Time To Live UDP =User Datagram Protocol VPI =Virtual Path Identifier VCI =Virtual Connection Identifier VPN =Virtual Private Network WFQ =Weighted Fair Queuing

9|Page

1.Introducere

Evoluia rapid a staiilor de lucru i a calculatoarelor personale, la platforme cu putere mare de calcul i capaciti multimedia, dezvoltarea tehnologiilor de reea i progresul din domeniul procesrii de semnal i al programrii, au dus la o explozie a aplicaiilor multimedia de timp real.Mult timp s-a crezut ca ATM va fi tehnologia de reea care va integra toate serviciile, considerndu-se reelele deja existente de voce i de date dedicate unui singur serviciu. S-a dovedit a fi un punct de privire greit. Astzi protocolul IP i reelele bazate pe acesta sunt utilizate pentru un numr mare de aplicaii de timp real, cum ar fi audio- sau video-conferinele, jocurile interactive sau difuzarea video. Transmisia video, la fel ca i alte aplicaii de timp real, este foarte sensibil n ceea ce privete timpii de ajungere la destinaie ai datelor transmise. Este foarte important s se pstreze aceeai secven la destinaie ca i la emisie; reeaua ar trebui s aib o ntrziere de transfer ct mai mic, iar aceast ntrziere s fie ct mai constant.

1.1 Reele IPProtocolul IP motenete o mare parte din deficienele sistemului dezvoltat n anii aptezeci. Astfel, calitatea serviciului variaz foarte mult. Sunt momente cnd ea este rezonabil dar i momente cnd devine intolerabil din punct de vedere al unei aplicaii de timp real. Se ntmpl uneori s apar pierderi de pachete de 30-40%, fcnd imposibil o comunicaie de voce sau o video-conferin.

1.2 Comutaia de pachete vs comutaia de circuiteComutaia de pachete reprezint o alternativ la comutaia de circuite . Iniial folosit exclusiv pentru comunicaiile de date, ea se bazeaz pe transmiterea informaiilor sub form de pachete de dimensiuni destul de mici. n cazul n care se dorete trimiterea unei cantiti mai mare de date, aceasta este mprit n mai multe pachete. Fiecare pachet conine o parte din mesaj i nite informaii de control. Aceste informaii de control sunt necesare pentru ca reeaua s tie cum trebuie s conduc informaia pn la destinaie. n fiecare nod pachetele sunt recepionate, stocate temporar local i apoi transmise mai departe, ctre alt nod. Problema se pune cum poate ti reeaua cum s trateze un flux de pachete pe care ncearc s le direcioneze ctre destinaie. n acest sens exist dou abordri utilizate frecvent:

10 | P a g e

-

Stilul datagram. Fiecare pachet este tratat independent de celelalte. Astfel, pachete cu aceeai destinaie pot urma rute diferite. Este posibil ca ordinea lor n timp s se modifice la recepie fa de cea de la transmisie. Intr n atribuiile destinaiei s tie s re-aranjeze secvena de pachete, pe baz informaiilor de control. Se poate de asemenea ca unele pachete s nu ajung la destinaie (de exemplu n cazul n care unul dintre noduri are o defeciune i se pierd din memorie pachetele stocate acolo temporar) iar receptorul trebuie s tie s fac fa unei astfel de situaii. Astfel de pachete care sunt tratate complet independent sunt denumite datagrame.

-

Stilul circuit virtual. n acest caz ruta pe care o vor urma pachetele este stabilit nainte de transmisie. Emitorul transmite un mesaj special de control, o cerere de conexiune iar receptorul rspunde cu un mesaj de acceptare a conexiunii urmnd ca pachetele de date s urmeze toate ruta stabilit n acest mod. Deoarece ruta este fix pe durata unei conexiuni logice, acest stil se aseamn foarte mult cu comutaia de circuite, de aici i numele de circuit virtual. Fiecare pachet va conine acum identificatorul circuitului virtual corespunztor i fiecare nod va ti care este modul n care s trateze astfel de pachete, fr a mai fi nevoie s se ia o decizie la direcionare. Conexiunile astfel realizate pot fi ntrerupte dac una din prile implicate trimite un mesaj de eliberare.

Pentru dou staii care schimb date ntre ele pe o perioad mai ndelungat, abordarea bazat pe circuite virtuale are unele avantaje. n cazul acesta reeaua poate pune la dispoziie servicii suplimentare: controlul erorilor i refacerea ordinii pachetelor. Un alt avantaj este c pachetele tranziteaz mai repede prin nodurile reelei deoarece nu mai este nevoie s se ia o decizie de stabilire a rutei pentru fiecare pachet . Dintre avantajele abordrii bazate pe datagrame primul este faptul c se renun la o procedur de stabilire a conexiunii. Astfel, pentru un transfer ce implic un numr mic de pachete, datagramele se livreaz mai repede dect prin circuit virtual. Iar faptul c stilul datagram este mai simplu l face mai flexibil. De exemplu, n cazul n care ntr-o poriune a reelei apare o congestie, datagramele pot fi ndrumate prin alt parte a reelei pe cnd, n cazul circuitelor virtuale, pachetele urmeaz o rut prestabilit i adaptarea reelei este mai dificil.

11 | P a g e

Un al treilea avantaj este fiabilitatea mai mare n cazul transmiterii de datagrame. Astfel, defectarea unui nod al reelei duce la ntreruperea complet a circuitelor virtuale ce treceau prin acel nod i la pierderea tuturor pachetelor transmise pe acele circuite virtuale, n timp ce, n cazul datagramelor, acestea pot gsi rute alternative.

1.3 Definiie MPLSMPLS(Multiprotocol Label Switching) asigur convergena a dou abordri fundamental diferite n reelele de date: datagrame i circuit virtual.ndrumarea n reelele tradiionale (IP) este bazat pe modelul datagramelor, fiecare pachet va fi ndrumat independent la adresa destinaie, pe baza informaiilor din tabelul de rutare din fiecare nod. Tehnologia MPLS este orientat pe conexiune. Prin folosirea unor protocoale de semnalizare specifice se seteaz un circuit virtual sau o cale folosit pentru ndrumarea datagramelor aparinnd unei clase. Pentru ndrumare este utilizat o etichet inclus n antetul pachetului IP care este folosit de fiecare nod pentru a cuta calea de ieire i noua etichet necesar urmtorului nod. Se realizeaz deci o simplificare a ndrumrii pachetelor n reea. n aceasta lucrare se va studia mecanismul MPLS ca suport pentru modelul QoS(Quality of Services) Differentiated Services. Acest model al calitii serviciilor are ca specific mprirea pachetelor de date n fluxuri cu caracteristici comune de calitate. Altfel spus, la intrarea traficului ntr-o reea MPLS-DiffServ se realizeaz o clasificare pe diferite criterii (destinaie,surs, protocol, prioritate, ntrziere, etc) iar apoi fiecare pachet este marcat cu o etichet i trimis spre destinaie pe o cale virtual numit Label Switch Path (LSP).

12 | P a g e

13 | P a g e

2.Transmisiunea video.Streaming.Broadcasting.Protocoale

2.1 Noiuni generaleStreaming-ul reprezint transmiterea datelor sub form de fluxuri, referindu-se la abilitatea unei aplicaii de a reda fluxuri de date media sincronizate intr-un mod continuu, in timp ce aceste fluxuri sunt transmise clientului printr-o reea de date. Streaming-ul imparte datele multimedia in pachete a cror mrime este potrivit pentru transmiterea de la un server la client. Astfel un utilizator poate vizualiza un pachet, decompresa pe al doilea si receptiona pe al treilea, fara a mai atepta farsitul unei transmisii. Clientul face o cerere distribuitorului de servicii. Serverul imparte datele ce vor fi transmise prin reea in pachete marcate temporal. La primire (la client) datele sunt refacute prin asamblarea pachetelor. Pachetele sunt redate in ordine temporala sincronizat, astfel incat datele sunt refacute pe masur ce vin pachetele. O serie de pachete nrudite poart denumirea de "stream". Mrimea fiierelor folosite in aplicaiile multimedia depinde de anumite concepte specifice fiierelor audio si video: frame-uri, rezoluie si compresie. Conceptul de frame rate (numr de frame-uri pe secunda) este important deoarece cu cat sunt mai multe frame-uri pe secunda, cu atat este mai buna reprezentarea. Pentru ca o transmisie (video) sa para continua, pe internet se foloseste un minim de 15 frame-uri pe secunda. Compresia permite condensarea fiierului video, cu anumite pierderi de calitate in funcie de parametrii folosii. Rezoluia se refer la dimensiunea in pixeli a clipului video care se transmite. O rezoluie ridicat presupune si un fiier de dimensiuni mari. Cel mai important element in utilizarea streamingului rmane totui limea de band a reelei utilizate pentru transmisia fiierelor. Limea de band are anumite caracteristici: disponibilitatea benzii este dinamica; dac se transmite mai mult decat limea de band, apare congestionarea reelei, se pierd pachete de date si scade brusc calitatea video; dac se transmite mai puin decat limea benzii apare asa numitul proces de sub-optimizare al calitii video. nu se poate rezerva band pentru internet; Se urmarete potrivirea ratei de bit video cu disponibilitatea limii de band pentru a preveni ntrzierile si pierderea pachetelor si pentru a obine o calitate maxim a serviciilor oferite. Aplicaiile ce pot fi construite pe baza serviciilor de streaming se mpart n: aplicaii on-demand (la cerere) - tiri, muzic, filme la cerere; informaii live - programe radio si tv in direct.

14 | P a g e

Figura 1 Aplicatii Streaming

Streaming-ul on-demand are la baz fiiere stocate pe un server pentru o perioad mai lung de timp, fiiere ce sunt disponibile pentru a fi transmise clienilor la cererea acestora. Streaming-ul live are la baz transmisia imaginilor video concomitent cu derularea evenimentelor. Exist diverse modalitai si protocoale de transmisie a fluxurilor audio si video, rezultnd diferite tehnologii streaming la care voi face referire in subcapitolele/capitolele urmtoare.

15 | P a g e

2.1.1 Streaming in timp real

Prin definiie, streamingul are loc in timp real si indiferent de lungimea fiierului video ncepe sa ruleze in mai puin de un minut. Acest lucru presupune o legatura stabil, cu band suficient. Utilizatorul poate "derula" inainte si inapoi, dar de fiecare data cand se va deplasa prin fisier, este nevoie de un nou proces de buffer. Streamingul in timp real are nevoie de servere specifice dedicate streamingului, iar in funcie de formatul folosit se poate opta pentru un anumit server si/sau anumite protocoale. O funcie importanta (ex. la Windows Media si Real Media) este MBR-ul (Multiple BitRate). Conceptul de MBR presupune crearea mai multor versiuni a aceleiai transmisii, ntre ele facandu-se o trecere dinamica in funcie de viteza/ banda utilizatorului, astfel incat recepia sa fie in timp real cu unele scderi in calitate la viteze mai mici. MPEG-4 foloseste o varianta a MBR impartit pe profile: exista un strat de baz care ofera calitatea minim a continuului, peste care se pot suprapune alte straturi dac conexiunea permite, imbunatatindu-se rezolutia, numarul de frame-uri pe secunda si calitatea imaginii. Streamingul in timp real poate fi unul la unul (unicast) sau unul la mai muli (multicast).

2.1.2 Unicast / Multicast

Figura 2 Unicast-Multicast

16 | P a g e Unicast si multicast sunt doua metode de transport streaming diferite prin modul in care coninutul media ajunge la utilizatori, ambele metode fiind folosite la ora actuala in funcie de cerine. Streaming-ul unicast se refer la transmiterea de pachete de date catre o singura destinaie, la un anumit moment de timp. Aceasta metod presupune existena unui flux de date unic ntre server si fiecare client in parte, nici un alt client neavnd posibilitatea de a accesa fluxul de date respectiv. Principalul avantaj al unicastului consta in stabilirea unei legaturi in dublu sens ntre server si client, permitandu-se transmiterea de comenzi de control si informaii de feedback din partea utilizatorului catre server, informaii utile pentru corecia erorilor si adaptarea la schimbarile survenite in reea. Dezavantajul apare in cazul deservirii unui numr ridicat de clienti de catre acelasi server. De exemplu dac limea de band necesara transmisiei unui fiier este de 300Kbps si exista 1000 de utilizatori concomitenti, limea de band totala necesara serverului este de 300 Mbps. Multicasting-ul este streamingul in timp real unde mai multi utilizatori pot vedea acelasi continut, in acelasi timp. Multicast-ul se refer in general la IP multicasting (http://en.wikipedia.org/wiki/Multicast), mentionez insa ca exist si alte strategii de implementare. O copie a oricarui pachet este trimisa unui router, iar router-ul trimite la rndul su o singura copie routere-lor aditionale care ofera mai departe acest serviciu. Avantajul consta in reducerea benzii necesare, in special cand numarul utilizatorilor este ridicat.

2.1.3 Live BroadcastingLive Broadcasting-ul este o forma speciala de multicasting in care partea video e capturata, compresata si trimisa in timp real. Live broadcasting-ul pe internet era destul de dificil de realizat si de calitate slaba.Dezvoltarea accentuata a produselor hardware si software (procesoare puternice, plci de captura corespunzatoare, algoritmi de compresie eficieni) au permis dezvoltarea la standarde acceptabile a streamingului web.

2.2.4 Avantaje si dezavantajele unei transmisii liveAvantajele transmisiei live sunt: posibilitatea utilizrii acestei tehnici pentru supraveghere video la distanta, caz in care, spre deosebire de sistemele clasice, nu este obligatorie existena unui centru de monitorizare dedicat, in apropierea locaiei supravegheate; sunt facilitate video-conferintele via internet; posibilitatea mririi gradului de audient a unui eveniment transmis; posibilitatea arhivrii evenimentului simultan cu transmiterea lui. sustinerea unui curs simultan pentru mai multe grupe de studenti din diferite universitai, facilitarea invmntului la distana pentru indivizi ce nu pot fi prezeni fizic intr-o anumita locaie;

17 | P a g e

Dezavantajele prezentrii live: in funcie de numarul celor prezeni si de banda disponibil, se impune existena unei capaciti de reea suficiente pentru a face fa solicitarilor - dac auditoriul e numeros iar limea benzii nu este suficient, serverul nu va face fa, iar calitatea transmisiei se va reduce simitor; in cazul unor defectiuni de transmisie este necesar un backup de echipamente, ceea ce duce la costuri ridicate (ex. transmiterea unor evenimente de amploare sau importana deosebita).

2.2 Protocoale2.2.1 RTP ( Real Time Transport Protocol)RTP este un protocol bazat pe IP si asigur transportul datelor audio si video in timp real. Serviciile oferite de RTP includ: reconstructia in timp, detectia pierderilor, securitatea si identificarea coninutului. RTP este in primul rand conceput pentru multicast-ul datelor in timp real, dar poate fi folosit si pentru unicast. Asigur transportul intr-un singur sens asa cum este cazul unei aplicatii video on demand, dar poate fi utilizat si in aplicatii interactive (telefonia in internet). RTP este proiectat sa lucreze in conjunctura RTCP (Real Time Control Protocol) pentru a primi un feedback asupra calitii datelor transmise si informaii asupra participantilor la o sesiune in curs. Internetul este in marea lui majoritate o reea tip datagram distribuit. Pachetele care circul in aceast reea au intarzieri si jitter nepredictibile. O aplicaie multimedia necesit un timp exact pentru transmiterea sau vizualizarea unor fluxuri de date. RTP asigur in acest sens stampile de timp (timestamping), numerotarea secvenelor si alte mecanisme care au grija de problemele referitoare la timp si sincronizare. Cu ajutorul acestor mecanisme se poate vorbi de transport in timp real in cadrul unei reele datagram. Timestamping este cea mai importanta informatie pentru aplicaiile in timp real. Sursa seteaza un timestamp in momentul eantionrii primului octet dintr-un pachet. Acest timp este apoi incrementat cu durata necesar transmiterii unui pachet. Dupa ce sunt recepionate toate pachetele de date, receptorul foloseste acest timestamp pentru a reconstrui fiecare pachet in ordinea corect, astfel nct o eventual vizualizare s se fac la o rat corecta. Acest procedeu este deasemenea folosit pentru sincronizarea diferitelor fluxuri ce au proprieti dependente de timp, cum ar fi audio si video intr-un fiier MPEG.

18 | P a g e

2.2.2 RTSP (Real Time Streaming Protocol )RTSP este un protocol multimedia server-client care controleaz transmiterea datelor multimedia (streaming) intr-o reea IP. El ofer un control asupra datelor audio si video similar cu telecomanda unui VCR (Video Cassete Recorder): stop-cadru, pauz, derulare nainte, derulare napoi. RTSP este "telecomanda reelei " ntre server si client si asigura: cautarea datelor multimedia in server - clientul poate cere o descriere/prezentare a bazelor de date si ulterior stabilirea unei sesiuni pentru a trimite datele solicitate; invitarea unui server media ntr-o conferint; adugarea de date media noi. In RTSP, fiecare prezentare si flux media sunt identificate de un URL RTSP. Prezentarea si Proprietaile fiierelor multimedia sunt definite de un aa numit fiier de descriere a prezentrii care poate include: codarea, limba, URL RTSP-ul, adresa de destinaie, portul etc. Caracteristicile protocolului RTSP: RTSP este un protocol de nivel aplicatie, cu sintaxa si operaii similare cu HTTP, dar conceput pentru audio/video - foloseste URL-uri similare cu cele din HTTP; spre deosebire de HTTP in RTSP atat clientul cat si serverul pot emite cereri; RTSP este implementat pe platforme multiple cu sisteme de operare diferite si permite interoperabilitatea ntre clienti si servere realizate de productori diferii.

2.2.3 MMS (Microsoft Media Services)Este protocolul folosit de serverele streaming Microsoft pentru a transporta date in mod unicast. In mod uzual portul folosit este UDP/TCP 1755. Protocolul MMS contine mecanisme de control ce asigur posibilitatea de iniiere sau oprire a vizionrii de catre utilizatori si un mecanism de transport al pachetelor de date ce asigur sosirea pachetelor la destinaie intr-un format ce poate fi recunoscut de catre client. Acest protocol este proprietate a Microsoft, iar specificaiile sale nu au fost facute publice.

19 | P a g e

2.3 Aspecte practice ale unei transmisii streaming

Echipamente necesare

Dac materialele ce sunt transmise prin video streaming sunt filmate de catre noi trebuie sa avem acces la o serie de produse: Camera video Microfon Lumini Computer Soft pentru codare Server pentru streaming

Camera video Camerele digitale (digital video-DV) sunt de obicei mai scumpe decat cele analogice dar au o calitate a imaginii mult mai bun. Dac imaginile sunt salvate direct in format digital pierderile sunt mici in timpul capturii de pe camera DV pe calculator. Dac camera este prevazuta si cu un conector de tip FireWire captura poate sa se realizeze in conditii optime.

FireWire este o interfata standard pentru calculatoare (PC-uri) si Macintosh-uri care permite transmisia directa a formatului audio/video digital ntre camera DV si calculator. Formate digitale utilizate sunt : MiniDV - una dintre camerele performante pe care consumatorul o poate avea; Digital 8 - aproape la fel de performanta ca si camera MiniDV, de dimensiuni mai mari si pret mai scazut. Filmeaza in acelasi format ca si camerele analog HI-8, ofera conexiune FireWire ; MicroMV - format digital introdus de Sony cu rezultate comparabile cu MiniDV, dar in casete cu 70% mai mici ; Camera Web - conectata direct la un calculator prin USB poata fi folosita pentru a transmite evenimente in direct. Soft-ul de care dispune permite nregistrarea

20 | P a g e

evenimentelor. Performanele uneori lasa de dorit, dar alegerea acestei camere se datoreaz preului sczut.

Microfon Marea majoritate a camerelor sunt prevazute cu microfon, iar cele mai performante sunt capabile sa elimine zgomotul de fond. Dac avem nevoie de mai multe microfoane, ar fi indicat folosirea unui mixer pentru a combina doua sau mai multe canale de intrare intr-unul singur. Lumini Luminile folosite depind de ceea ce dorim sa filmm. Cand le utilizm trebuie sa fim ateni deoarece pot apare diferene ntre ceea ce vedem, LCD-ul camerei si monitorul calculatorului.

2.3.1 Servere de streamingAvantajul serverelor de streaming fa de serverele uzuale l reprezint abilitatea de a proteja proprietatea intelectual (fisierul nu este download-at) si faptul ca utilizatorii pot interaciona" cu fisierul (pot derula nainte, napoi n timp real). De asemenea in cazul streamingului se asigur un control bun asupra accesului utilizatorilor la fiiere. Pentru o configuraie de server streaming se recomand un minim necesar: procesor > 1 GHz. Un sistem multi procesor imbuntete performanele si creste abilitatile de multi-tasking ale sistemului; 1GB RAM memorie minim . De regula aceste servere ofera si servicii de FTP si Web. Dimensiunea mica a memoriei va determina scderea dramatic a eficientei server-ului; capaciti de stocare mari. foarte rapide, oferind un avantaj serverelor care realizeaz mai multe operaii; raport viteza/rat de transmisie optim. Nu are sens un server puternic, rapid, dac conexiunea nu suporta ratele respective; pentru transmisii live este necesara prezenta placii de captura in cazul utilizrii unei surse analogice si/sau a porturilor fireware pentru sursele digitale. Este indicat utilizarea unor plci de captura dedicate/specializate cu capaciti de compresie pe placa pentru a nu folosi resursele de procesare ale serverului.

21 | P a g e

In unele sisteme, captura si partea de server se fac in acelasi loc. Se recomanda doua dispozitive" diferite, astfel incat dac o parte cade", se defecteaza, se inlocuieste partea respectiva si nu intreg sistemul. In orice situaie se poate utiliza un sistem de backup. Toate formatele majore de streaming ofera soft pe partea de server care controleaz accesul si distribuia. Acest soft trebuie sa ruleze pe un calculator cu sistem de operare corespunzator: Linux, MS Server, OS. Alegerea serverului cu care se va face streaming-ul este important deoarece: sunt influentai direct parametrii transmisiei, formatele de fiiere care vor fi oferite, precum si numarul de utilizatori care pot accesa simultan transmisia; costurile sunt diferite, putandu-se ajunge la peste 10 000 $; difera posibilitatea de configurare a parametrilor de funcionare, de realizare a securitii datelor etc.

2.3.2 Streaming video

Aplicaiile care utilizeaz streaming-ul video sunt aplicaii bazate pe sistemul clientserver. Astfel un client solicit un clip video care se afl pe un server, ncepe sa primeasc clipul video i ncepe rularea lui nainte s primeasc tot clipul. Aplicaiile de acest gen pot fi de tipul "broadcast", transmise prin IP multicast sau la cerere (VOD - Video On Demand) transmise prin IP unicast. Streaming-ul video IP este implementat folosind codec-urile MPEG (Motion Picture Experts Group) i este transportat folosind protocolul RTP (Real Time Protocol) prin UDP (User Datagram Protocol). Fluxurile RTP (care transport codec-ul video) pot fi setate de ctre RTSP (Real-Time Streaming Protocol). Cele mai ntlnite codec-uri video ntlnite n streaming-ul video sunt MPEG-2 (partea video a acestuia face parte din familia ITU-T H.262), MPEG-4 AVC (Advanced Video Codec) sau MPEG- 4 Part 10 (care este identic cu ITU-T H.264) i VC-1, care a fost dezvoltat din VC-9, codecul utilizat n Microsoft Windows Media 9. n momentul de fa pentru transmisiunea de televiziune digital cel mai utilizat este MPEG-2, dar mai noul MPEG-4 AVC este implementat la o scar din ce n ce mai larg datorita posibilitilor de a transporta video de definiie nalt (HD High Definition) i a compresiei calitative i cantitative superioare.

22 | P a g e

Codecu-urile MPEG comprim semnalul video ntr-o serie de cadre. Deoarece diferenele ntre dou cadre succesive sunt minore, codec-ul exploateaz acest lucru, reinnd numai diferenele ntre cele dou cadre, reuind s reduc substanial limea de band necesar transmisiei. Se disting urmtoarele tipuri de cadre video :

Cadre I - cadrele Intra (I) conin o imagine complet, considerat de referin pentru celelalte tipuri de cadre. Se poate utiliza compresie spaial (de ex. JPEG - Joint Picture Experts Group) pentru a reduce dimensiunea unui cadru I Cadre P - cadrele Predictive (P) sunt codate utiliznd tehnica de compensare a micrii - n esen rein diferenele fa de cadrul anterior, care poate fi de tip I sau P; raportul de compresie este bun, un cadru P ocupnd ntre 10-30% raportat la dimensiunea unui cadru I Cadre B - cadrele Bidirectional Predictive (B) sunt asemntoare cadrelor P, cu excepia faptului ca au ca referin cadre anterioare i urmtoare n secvena video; referina lor poate fi de tipul I sau B; compresia este de 5-15% comparativ cu cadrul I asociat.

Cadrele sunt grupate ntr-o secven de cadre (GOP - Group Of Pictures). Pentru sistemul PAL (25 cadre/s), n codare MPEG-2 se utilizeaz un GOP de 15 cadre, care vor coda aproximativ (15 cadre / 25 cadre/s=~0.6 s video); pentru standardul NTSC (29.97 cadre/s), utiliznd aceeai codare, un GOP are 18 cadre, echivalente tot cu aproximativ(18 cadre / 30 cadre/s = ~0.6 s video).

O secven GOP codat MPEG-2 pentru PAL are urmtoarele cadre n ordinea afirii: B1 B2 I3 B4 B5 P6 B7 B8 P9 B10 B11 P12 B13 B14 P15 Pentru a putea fi decodat i afiat, din cauza cadrelor B i P, secvena trebuie transmis n ordinea urmtoare: I3 B1 B2 P6 B4 B5 P9 B7 B8 P12 B10 B11 P15 B13 B14 O asemenea reordonare are un efect foarte important asupra cerinelor reelei, n special asupra ntrzierii, a pierderii de pachete i a limii de band net realizabile.

2.3.2.1 Streaming video efectul ntrzieriiMetrica important n cazul streaming-ului video este ntrzierea pe sens, de la server-ul de streaming ctre client. Modul n care ntrzierea afecteaz cele dou modaliti de streaming video, servicii video de transmisiune (BVS - Broadcast Video Services) i video la cere (VOD - Video On Demand) sunt analizate n continuare.

23 | P a g e

2.3.2.2 Servicii video de multicast - efectul ntrzieriiServiciile de transmisiune prin IP, cunoscute drept IPTV (IP Television) folosesc n mod uzual IP multicast. Impactul ntrzierii se face simit n mod predominant la comanda de schimbare a canalului, denumit i timpul de schimbare al canalului; n mod uzual se urmresc timpi de schimbare a canalului de 1-2 secunde. Considernd un serviciu IPTV de tipul multicast i un receptor individual (denumit STB - Set Top Box), se poate descompune timpul de schimbare al canalului n urmtoarele componente: 1. Telecomanda i procesarea STB - comanda de schimbare canal se da prin intermediul telecomenzii i este procesat de ctre STB, care iniiaz comanda de prsire de grup IGMP existent i intrare n grup IGMP nou. Implementarea aparine exclusiv STB-ului i poate fi considerat o constant - cazul cel mai defavorabil - 50 ms; 2. ntrziere de transmisiune n reea - aceasta este ntrzierea de transmisiune n reea pentru comanda de prsire i intrare n grup IGMP nou (include ntrzieri de serializare, procesare, propagare i cozi); cazul cel mai defavorabil - 50 ms; 3. Procesarea multicast - cnd primul server/router multicast primete comanda deprsire grup IGMP, oprete trimiterea stream-ului pe portul respectiv; dup primirea comenzii de intrare n grup IGMP nou, dac exist deja trafic de intrare n server/router pentru canalul cerut, acesta l va trimite pe portul de ieire. Dac nu exist trafic, ntarzierea crete, deoarece router-ul va cere la rndul lui s primeasc stream-ul video aferent canalului solicitat de ctre utilizator. Cazul cel mai defavorabil - 100 ms; 4. ntarziere de transmisiune n reea - ntrzierile cauzate de trimiterea stream-ului video ctre STB. Cazul cel mai defavorabil - 100 ms. 5. Procesarea / buffer n STB - receptorul trebuie s primeasc o cantitate suficient de pachete video pentru a putea iniializa procesul de decodare. Pentru a putea minimiza ntrzierile urmtoarele tipuri de operaii pot fi executate n paralel: a. Buffer de eliminare a variaiilor ntrzierii (de-jitter buffer) - Sunt sunt necesare din aceleai considerente ca n cazul VoIP, vezi Cap. 1.3.1.2. Timpul necesar este de ~100 ms; b. ntrzieri datorate mecanismelor de corecie erori sau retransmisie n timp real (FEC - Forward Error Correction / Real Time Retransmission); ~100-200 ms; c. ntrzierea de decriptare - se aplic n cazul fluxurilor criptate; ~200ms; d. ntrzierea buffer-ului decodorului MPEG - decodorul are nevoie la rndul lui de un buffer pentru a avea suficiente tipuri de cadre care urmeaz s fie reprezentate; ~500 - 1000 ms e. ntrzierea cadrelor IBB - decodorul trebuie s atepte pn a primit o secven IBB pentru a ncepe procesul de decodare; n cazul cel mai defavorabil, PAL, MPEG-2, structur GOP 15/3, obinem (15+2 cadre) / 25 cadre/s = ~680 ms.n figura 3 sunt prezentate componentele de ntrziere care afecteaz timpul de schimbare canal.

24 | P a g e

onentele de ntrziere pentru timpul se schimbare canal n sistemele BVS/IPTV

igu ra 3Co mp

F

2.3.2.3 Servicii video la cerere (Video on demand) - efectul ntrzieriintrzierile care apar n serviciile video la cerere (video on demand) au componente similare cu cele prezente n cazul serviciilor BVS/IPTV cu excepia faptului ca se realizeaz prin IP unicast, procesarea de middleware la sursa video nlocuind procesrile multicast. Ele se difereniaz i prin valori diferite de timp pentru ntrzieri fa de serviciile BVS/IPTV, aa cum se observ n figura

Figura 4 - Componentele de ntrziere pentru timpul de schimbare canal n sistemele VOD

25 | P a g e

2.3.2.4 Streaming video - efectul variaiei ntrzierii (jitter)JitterulJitterul reprezint variaia duratei de timp ntre pachetele primite la recepie. Mai poate fi definit ca variaia ntrzierilor la care sunt supuse pachetelor. Acest fenomen este o problem important ce trebuie depit n comunicaiile prin voce. Jitterul apare mai ales din cauza ntrzierilor produse de cozile de ateptare, dar poate proveni si din faptul c pachetele pot parcurge trasee diferite. Pentru a-l compensa, la recepie, se folosete un buffer n care sunt inute primele pachetele sosite pentru o durat de timp definit nainte ca informaia coninut s fie redat. ntrzierea produs de acest buffer se adaug la ntrzierea total deci pentru a avea o comunicaie de calitate trebuie s avem de asemenea un jitter mic. n mod ideal, dimensiunea buffer-ului este aleas n mod dinamic n concordan cu situaia reelei. De obicei dimensiunea buffer-ului este de 50 100ms.

2.3.2.5 Efectul Variatiei jitter-uluiDecodoarele video digitale necesit un flux sincron de date, care are tolerane ale variaiei ntrzierii de 500 ns. Asemenea intervale nu se pot obine n practic n sistemele de comunicaie IP, ducnd la implementarea unor buffere de redare (de-jitter buffer). Se utilizeaz mecanisme QOS pentru a mpiedica pierderile de pachete cauzate de jitter, prin controlul strict al cozilor. Spre deosebire de VoIP, unde buffer-ul este adaptiv, n cazul streaming- ului video, lungimea buffer-ului trebuie sa aiba cel puin valoarea maxim a ntrzierii obinute n reeaua respectiv. Din acest motiv, valoarea buffer-ului de redare n aplicaiile de streaming video este definit i fixat statistic, fr posibilitatea de a fi adaptiv.

26 | P a g e

2.3.2.6 Streaming video - efectul pierderii de pacheteConsidernd faptul c fiecare cadru MPEG este transportat sub forma unui numr de pachete MPEG-TS (Transport Stream), avnd n mod normal 188 bytes. Fiecare pachet IP transport ntre 1- 7 pachete MPEG-TS, un cadru MPEG fiind transmis prin mai multe pachete IP. n concluzie, pierderea unui singur pachet IP duce la defecte (artefacte) vizuale la redare. Cazul cel mai defavorabil este reprezentat de pierderea unui pachet care transport un cadru I, n acest caz decodorul trebuind s astepte pn la primirea urmtorului cadru de tip I pentru a putea decoda fluxul video. Pierderea unui pachet care transport un cadru P poate afecta vizual cteva cadre, iar pierderea unui cadru B afecteaz doar acel cadru. Furnizorul serviciului alege n mod obinuit distana temporal ntre dou pierderi succesive de pachete. Presupunnd utilizarea unui flux MPEG cu rat de 3.7 Mbps care utilizeaz pachete IP de 1356 bytes (coninnd cte 7 pachete MPEG-TS de 188 bytes, la care se adaug informaiile pentru RTP, UDP i headere IP), obinem o rat de ~350 pps (pachete per secunda). Dac dorim o rat de pierdere de maxim un pachet pe or, rezult c trebuie sa avem o rat de pierdere la nivelul pachetelor IP (PLR - Packet Loss Rate) de:

Factorii care pot duce la pierderea de pachete sunt cei din cap. 1.2.3, rezumai n continuare: Aglomerarea - reelele care transport trafic video trebuie s fie capabile s transporte valoarea maxim de trafic pentru care au fost proiectate. Nu este recomandat suprancrcarea, dar dac este absolute necesar, se poate realize numai prin implementarea de mecanisme QOS i de control al admisiei Erori de nivel inferior - acestea duc n mod obinuit la pierderea pachetului i depind exclusiv de tipul de mediu / sistem de transmisiune utilizat la nivelul 1 i 2; pentru a exemplifica, se consider urmtoarele situaii (prespunem o distribuie normal a erorilor i o considerm ca fiecare eroare de bit duce la pierd1erea pachetului): Serviciu SONET/SDH cu BER = 110-12, obinem PLR = 110-12(13568) 110-8,adic un pachet pierdut la peste 79 de ore, ceea ce este mult sub pragul setat iniial Serviciu ADSL cu BER = 110-7, obinem PLR = 110-7(13568) 110-3, adic un pachet pierdut la mai puin de 3 secunde, ceea ce este mult peste pragul setat i total inacceptabil *John Evans, Clarence Filsfils, Deploying IP and MPLS QOS forMultiservice Networks, Morgan Kaufmann Publishers, 2007]

27 | P a g e

Pentru a remedia aceste erori, se pot utiliza urmtoarele mecanisme de corecie a erorilor: Mecanisme FEC (Forward Error Correction) acestea introduc elemente redundante n fluxul video care permit reconstructia pachetelor lips Retransmisie n timp real aceste mecanisme permit destinatarului s cear retrimiterea unui anumit pachet, care a fost considerat pierdut. Eficiena acestui sistem este dat n principal de lungimea buffer-ului de redare al aplicaiei ct i de ntrzierea cumulat a reelei

Defeciuni ale elementelor de reea aceste defeciuni pot duce la pierderi de conectivitate temporare, pn la stabilirea unui nou traseu (datorit algoritmilor de routare) i duc la pierderi semnificative de pachete; dac se utilizeaza mecanisme MPLS TE FRR se poate restabili conexiunea n 50 ms. n reelele n care nu este admisibil pierderea conexiunii se pot utiliza urmtoarele metode de redundan:

Redundan spaial aceast presupune trimiterea a dou fluxuri video identice, pe dou ci diferite; dezavantajul l constituie faptul c limea de band necesar se dubleaza Redundan temporal aceasta presupune trimiterea decalat n timp a aceluiai flux video; condiia important este ca cele dou fluxuri s fie separate de un interval de timp mai mare dect perioad de restabilire a conectivitii reelei pe traseul alternativ; deasemenea, dezavantajul este c limea de band necesar este dubl. Pierderile n aplicaiile terminale

2.3.2.7 Streaming video - efectul ratei nete de transfer (throughput)Limea de band necesar aplicaiei video depinde de formatul video utilizat (rezoluia) i de codec-ul utilizat (unele codec-uri realizeaz compresie mai bun fa de altele).

2.3.2.8 Streaming video - efectul reordonrii pachetelorMajoritatea sistemelor de transmisiune video n timp real nu suport reordonarea pachetelor, aceasta ducnd la efecte similare cu pierderi masive sau frecvente de pachete; n consecin , se recomand evitarea acestei practici.

28 | P a g e

2.3.2.9 Video ConferinSesiunile de conferin video presupun condiii foarte stricte, si se pot considera ca un minim al cerinelor VoIP i Video. Sesiunile de video conferin se implementeaz de obicei cu ajutorul protocoalelor specificate n ITU *H.323+ sau cu ajutorul SIP. Odat stabilit conectivitatea ntre nodurile terminale, se transmit n paralel fluxurile video i de voce, utiliznd codecurile discutate anterior.

29 | P a g e

3.Tehnologia MPLS

3.1. Definiia protocolului MPLSMPLS este un acronim pentru Multiprotocol Label Switching, multiprotocol pentru ca tehnicile sale sunt aplicabile pentru orice protocol de nivel reea. n jurul anilor 1996 a aprut o noua idee n lumea IP: comutaia IP. Conform acesteia, se dorea eliminarea rutrii IP si nlocuirea acesteia cu simpla comutare a pachetelor IP. Compania care a lansat aceast idee a fost Ipsilon. Alte companii, cum ar fi Toshiba se axau pe tehnologia ATM ca un mijloc de comutare IP n ruterele lor cu comutaie de celule. Compania Cisco avea propria solutie la aceast problem, bazndu-se pe comutaia de marcaje. ncercrile de standardizare a acestor tehnologii prin intermediul IETF (Internet Engineering Task Force) au rezultat n combinarea acestora n Multiprotocol Label Switching. Dei motivaia iniial pentru creearea acestei tehnologii a fost pentru a mri viteza de dirijare a pachetelor, dirijarea MPLS ofer o mbuntire nesemnificativa din acest punct de vedere. Algoritmii rapizi de dirijare a pachetelor IP pot fi acum implementai in hardware folosind circuite integrate dedicate unei anumite aplicaii. Astfel, dei adresarea MPLS este indexat, ctigul de vitez nu este cu mult mai mare dect cutarea dup adresa IP. Creterea vitezei de comutaie oferit de MPLS nu reprezinta motivul principal pentru utilizarea tehnologiei, mai ales innd cont i de creterea complexitii folosirii MPLS pentru transportul IP i nu n ultimul rnd de faptul c operatorii de reea nu sunt dornici de a nva nc o nou tehnologie. MPLS-ul a nceput s fie adoptat de ctre operatori datorit aplicaiilor pe care le permite. Aceste aplicaii sunt fie dificil de implementat, fie imposibil din punct de vedere operaional n reelele tradiionale IP. Dou din aceste aplicaii sunt Traffic Engineering si VPNuri MPLS. Dup unele preri, MPLS este considerat o metod de comutaie de pachete de nivel 3, n timp ce alii consider c este un protocol de nivel 2.5. MPLS-ul const n adugarea unei etichete n faa fiecrui pachet de nivel 3, iar rutarea se face pe baza acestei etichete i nu pe baza adresei destinaie. Care este diferena ntre comutare i rutare? Rutarea este procesul de cutare a adresei destinaie ntr-un tabel pentru a gsi pe unde trebuie trimis pachetul curent. Se compar adresa destinaie cu fiecare element al tabelului de rutare, pentru determinarea celei mai bune potriviri ntre adresa destinaie i nregistrrile din tabel. Pe baza acestei potriviri se determin portul de ieire i next-hop. Dac nu exist nici o

30 | P a g e

potrivire, pachetul este aruncat. Operaia de cutare se face pentru fiecare pachet n parte (pentru rutarea tradiional IP), consumndu-se mult timp i putere de calcul. Comutarea pachetelor MPLS folosete o etichet luat dintr-un pachet ca index ntr-o tabel de rutare. La intrarea ntr-un domeniu MPLS fluxurile de pachete sunt clasificate n clase de echivalen (forwarding equivalence classes), fiecrei clase i corespunde un indentificator de lungime fix reprezentnd eticheta MPLS. Fiecrui pachet care corespunde unei clase de echivalen i se adaug n faa antetului IP eticheta clasei respective. Eticheta are valabilitate local i este comutat n fiecare comutator MPLS, pn ajunge la destinaie.

3.1.1 Antetul MPLSAntetul MPLS const n 32 de bii mprii n 4 cmpuri, dintre care cel mai important este eticheta, care conine indexul. De regul, antetul de 32 de bii este cunoscut ca nregistrare n stiva de etichete, dar adesea ne referim la el prin termenul etichet. n faa unui antet de nivel 3 putem avea mai multe header-e MPLS pe 32 de bii, formnd o stiv de etichete. n procesul de comutaie, un nod va face comutaia doar pe baza etichetei din vrful stivei. Cmpurile din header-ul MPLS sunt urmtoarele:

Eticheta Cmpul Experimental (EXP) Bitul S Cmpul TTL

Antet MPLS 0 Etichet 19 20 22 23 24 EXP S 31 TTL

Figura 5 - Antetul MPLS

Eticheta este stocat pe 20 de bii i este folosit pentru cutarea indexat n fiecare ruter. Eticheta este definit ca un identificator continuu de lungime fix, care este folosit pentru a identifica o clas de echivalen, de obicei cu semnificaie local. Eticheta poate avea valori pn la 220-1, adic putem avea peste 1.000.000 de valori diferite. Cmpul EXP reprezint 3 bii rezervai pentru utilizri ulterioare. Multe implementri MPLS folosesc aceti bii EXP pentru a stoca indicatorul QoS, care de obicei este o

31 | P a g e

copie a biilor de preceden din pachetul IP. Aceti bii EXP pot fi folosii pentru a trata pachetele MPLS diferenial la ieirea dintr-un nod.

Bitul S este bitul care arat dac nregistrarea curent din stiva de etichete este ultima. n acest caz, bitul S are valoarea 1. Celelalte etichete vor avea bitul S cu valoarea 0. Acest bit este util pentru a determina modul n care se va face dirijarea n nodurile de ieire. Dac nodul de ieire primete un pachet MPLS cu bitul S=1, atunci acesta va face rutarea pe baza informaiilor IP, dac nu, dirijarea se va face pe baza urmtoarei etichete. Cmpul TTL este format din 8 bii i are rolul de evitare a rutrii n bucl, la fel ca i cmpul cu acelai nume din antetul IP. De obicei este o copie direct a cmpului TTL din header-ul IP; la intrarea ntr-un domeniu MPLS, valoarea TTL din header-ul IP este copiat n cmpul TTL din header-ul MPLS. Fiecare nod din reeua MPLS decrementeaz cmpul TTL din header-ul MPLS, lsnd intact cmpul TTL din pachetul IP. La ieirea dintr-o reea MPLS, de obicei cmpul TTL din MPLS este copiat peste cmpul TTL din IP. Acest lucru nu se face ntotdeauna, deoarece uneori operatorul de reea vrea s ascund topologia reelei centrale fa de exterior. n acest caz, pachetele IP pleac din reeaua MPLS cu aceeai valoare a cmpului TTL cu care au intrat. Acesta este unul din motivele pentru care exist cmpul TTL i n header-ul MPLS. Un al doilea motiv ar putea fi faptul c MPLS e independent de protocolul de nivel 3.

Aa cum se poate observa, MPLS nu are un cmp pentru protecia informaiilor din antet, aa cum au protocoalele de nivel 3 (IP) sau de nivel 2 (ATM, Ethernet), acesta bazndu-se pe corectitudinea informaiei din antet, prin sumele de control verificate de protocoalele de nivel 2. Astfel, dac o eroare de transmisie afecteaz o etichet, protocolul de nivel 2 detecteaz eroarea i arunc pachetul, eliminnd riscul comutaiei MPLS eronate.

ncapsularea MPLSMPLS, fiind un protocol de nivel 2.5 se afl ntre un protocol de nivel 2 (Legtur de Date) i un protocol de nivel 3 (Reea), de obicei IP. Pachetul MPLS poate fi ncapsulat n cadre Ethernet sau PPP, ori n celule ATM. n funcie de nivelul 2 folosit, pot aprea mai multe particulariti ale MPLS-ului.

32 | P a g e

3.1.2 Implementarea MPLS peste EthernetUn cadru Ethernet poate identifica protocolul de nivel superior prin intermediul cmpului Type, astfel s-au rezervat valorile 0x8847 pentru un pachet MPLS unicast si 0x8848 pentru un pachet MPLS multicast. Un singur pachet MPLS va fi ncapsulat intr-un cadru Ethernet. Pentru a pstra compatibilitatea cu toate variantele Ethernet, se pot folosi extensii Ethernet, de exemplu 802.1q VLAN.Antet MAC Antet MPLS

MAC dst MAC src

Type=0x8847

Etichet EXP S=1 TTL

Antet Antet Date FCS

Figura 6 ncapsulare MPLS peste Ethernet

3.1.3 Implementarea MPLS peste PPPPentru a folosi legturi punct la punct peste PPP este nevoie sa se stabileasca o conexiune PPP in prealabil. Acest lucru este util dac dorim s folosim linii seriale ntre rutere. Pentru aceasta se transmit pachete LCP (Link Control Protocol) pentru configurarea i testarea conexiunii de nivel doi urmate apoi de pachete MPLS-CP (MPLS Control Protocol) pentru a configura transmisia de pachete etichetate MPLS. Cadrele LCP sau MPLS-CP sunt la baz tot cadre PPP dar cmpul protocol indica tipul coninutului informaiei sau protocolul de nivel superior. Astfel acest camp are valoarea 0xC021 pentru LCP, 0x0021 pentru IP i 0x8281 pentru MPLS-CP. Dup transmisia pachetelor MPLS-CP legtura de date a ajuns n starea Open i se pot transmite pachete etichetate. Pachetele PPP care ncapsuleaz pachete MPLS vor fi identificabile prin cmpul protocol cu valoarea 0x0281 pentru MPLS unicast i 0x0283 pentru MPLS multicast.

3.1.4 Implementarea MPLS peste ATMExist dou moduri de a folosi MPLS peste ATM:

ncapsulare generic (frame mode) ncapsularea etichetei n VPI, VCI (cell mode)

33 | P a g e

3.1.4.1 ncapsularea genericncapsularea generic presupune divizarea pachetului MPLS n celule ATM, adugarea antetului ATM, iar prima celul ATM va conine n cmpul de date, header-ul cu eticheta MPLS. Valorile VPI i VCI din celulele ATM sunt independente de valoarea etichetei MPLS. Transportul este tradiional ATM, bazat pe comutaia VPI/VCI. Situaia uzual cnd se folosete aceast ncapsulare, este cnd dou rutere MPLS sunt conectate printr-un ATM-PVC (Permanent Virtual Circuit). Acest PVC face ca ruterele s fie adiacente la nivel MPLS, dar pachetele MPLS vor strbate o reea ATM, ncapsulate n celule.

Figura 7 - Transportul pachetelor MPLS peste ATM folosind ncapsularea generic

n cazul n care avem mai multe rutere MPLS n reeaua ATM, fiecare ruter MPLS reasambleaz celulele ATM pentru a putea face comutaia MPLS; pe linkul de ieire e nevoie s se fac divizarea pachetului MPLS n celule ATM. Aceast metod de ncapsulare este ineficient n aceste cazuri deoarece introduce latene mari datorate asamblrii i segmentrii informaiei n fiecare nod. Din acest motiv s-a propus alt procedeu de ncapsulare.

34 | P a g e

Figura 8 - Dezavantajele ncapsulrii generice ATM pentru ATM LSR

3.1.4.1 ncapsularea etichetei MPLS n VPI, VCIDeoarece i tehnologia ATM i MPLS se bazeaz pe comutaia de etichete, iar comutatoarele ATM pot face acest lucru hardware la viteze mari, se dorete s se fac comutarea etichetelor MPLS direct de ctre comutatoare (ATM-LSR). Aceast metod de ncapsulare evit reasamblarea celulelor ATM n fiecare ATM-LSR, iar comutaia MPLS se efectueaz acum ca o comutaie ATM dup VPI i VCI. Pentru a nu modifica structura comutatoarelor hardware deja existente, s-a propus maparea etichetei MPLS din vrful stivei n cmpurile VPI i VCI din antetul ATM. Acest lucru este posibil deoarece eticheta MPLS are 20 de bii, iar cmpurile VPI i VCI au mpreun 24 de bii. Valorile rezervate pentru VCI nu sunt folosite pentru etichete (0..31). Celelalte cmpuri din

35 | P a g e

antetul MPLS (EXP, S, TTL) nu au coresponden n antetul ATM i astfel n reelele ATM poate aprea problema rutrii n bucl. Utilizarea MPLS peste comutatoare ATM-LSR duce la nlocuirea protocoalelor de semnalizare din planul de control ATM cu protocoalele mai puin complexe din MPLS, cum ar fi Label Distribution Protocol (LDP).Antet ATM GFC VPI VCI PTI CLP HEC Antet Antet Date

Etichet

Figura 9 - ncapsularea etichetei MPLS n VPI i VCI

3.2 Utilitatea MPLS-ului n reelele actuale

Tehnologia MPLS nu poate fi comparat cu IP-ul ca o entitate separat, deoarece lucreaz mpreuna cu IP-ul i cu protocoalele de rutare folosite n reelele IP. MPLS ofer reelelor IP posibilitatea de a realiza uor Traffic Engineering, posibilitatea de a transporta VPNuri cu un overhead mai mic dect IP-ul i nu n ultimul rnd posibilitatea de a implementa calitatea serviciilor n reele MPLS. Toate aceste aplicaii i servicii se bazeaz pe dirijarea MPLS i pot fi folosite mpreun sau separat ntr-o astfel de retea. n ziua de azi, VPN-urile au o larg rspndire n reele, iniial fiind construite peste linii nchiriate, Frame Relay sau ATM-PVC-uri. Mai trziu IPSec i alte metode de criptare au fost folosite pentru a creea reele private folosind reelele publice IP. VPN-urile MPLS rezolv cerinele impuse de clieni privind interconectarea reelelor private, probleme ca folosirea de ctre clieni de adrese IP private, suprapunerea spaiului de adrese IP, conectivitatea la Internet din interiorul VPN-ului, reuind s fac toate acestea ntr-o manier scalabil. Privind calitatea serviciilor, elul iniial al MPLS-ului a fost s reueasc s furnizeze ceea ce oferea IP-ul, i anume, posibilitatea de a oferi servicii difereniate. Diferenierea serviciilor se poate realiza n MPLS folosind cei 3 bii EXP, acest procedeu numindu-se E-LSP sau folosind diferite etichete pentru a marca clase diferite de servicii, ctre aceeai destinaie, acest procedeu numindu-se L-LSP. n prezent reelele MPLS sunt integrate cu domenii Diffserv, i astfel s-a propus maparea claselor DSCP n biii EXP. Folosirea MPLS-TE are ca scop optimizarea utilizrii reelei, reducerea efectelor congestiei dar i mecanisme de protecie a link-urilor sau a nodurilor

36 | P a g e

3.2.1 Avantajele MPLS Ruterele care nu au circuite specializate pentru procesul de rutare, sau alte metode pentru cutri rapide vor beneficia de o cretere de vitez n cazul folosirii unei implementri software MPLS Tehnologia MPLS este compatibil cu orice protocol de nivel 2 sau 3 Este flexibil deoarece se poate baza pe informaiile de rutare furnizate de protocoalele de rutare tradiionale folosite i de IP Este uor de integrat treptat n reele mari bazate pe IP, deoarece ruterele MPLS pot comunica cu ruterele tradiionale IP Permite realizarea de reele virtuale private (VPN) cu un overhead mai mic dect n cazul IP-ului MPLS se integreaz uor n spectrul de servicii IP QoS Principiul MPLS poate fi generalizat i n mod curent este aplicat n reele optice (GMPLS Generalised MPLS) Permite crearea claselor de echivalen folosind informaii de nivel 3 sau superior pentru clasificare, n timp ce IP-ul folosete adresa destinaie pentru clasificare Arhitectura MPLS a fost proiectat cu Plan de Date i Plan de Control, oferind o flexibilitate fa de IP-ul clasic, care a fost gndit doar cu Plan de Date Transport IP peste reele ATM ntr-un mod mai eficient, fr a folosi semnalizrile complicate din ATM Folosirea stivei de etichete permite rutarea ierarhic, ceea ce este un avantaj fa de comutarea de celule ATM care folosete doar VPI i VCI

3.2.2 Dezavantajele MPLS

MPLS funcioneaz n modul cu conexiune, acest lucru oferindu-i o complexitate mai mare dect IP-ul, care funcioneaz n modul fr conexiune Are o dinamicitate mai mic fa de IP

37 | P a g e

Are nevoie de protocoale suplimentare pentru distribuia etichetelor Deteriorarea unei ci MPLS duce la ntreruperea transferului, fiind necesar un mecanism de protecie dac se dorete fiabilitate.

3.3 Comutarea etichetelorntr-o reea MPLS pot fi ntlnite n mod uzual 3 tipuri de rutere:

Noduri de intrare Ingress Router Noduri care fac doar comutaia de etichete LSR Label Switch Router Noduri de ieire Egress Router

Nodurile de intrare i de ieire se numesc n terminologia MPLS i LER Label Edge Router. Diferenierea tipurilor de noduri ntr-o reea MPLS este datorat rolurilor diferite pe care acestea le au.

3.3.1 Noduri de intrareNodurile de intrare sunt rutere de frontier MPLS avnd unele interfee care lucreaz n mod IP, iar altele n mod MPLS. Un astfel de nod primete pachete IP (neetichetate) din afara reelei MPLS i are rolul de a selecta eticheta i interfaa de ieire pentru a dirija pachetul. Astfel, nodul trebuie s clasifice pachetul bazndu-se pe informaii aflate de regul n antetul de nivel 3. Adesea, n practic, clasificarea se realizeaz innd cont doar de adresa IP destinaie, dar acest lucru nu este obligatoriu, clasificarea putndu-se face i dup alte cmpuri. n urma clasificrii se selecteaz o anumit clas de echivalen (FEC Forwarding Equivalence Class). Pachetelor care corespund unei clase de echivalen li se aloc eticheta corespunztoare i vor primi acelai tratament n cadrul reelei MPLS. Nodurile de intrare sunt singurele care fac clasificarea pachetelor n clase de echivalen.

38 | P a g e

Figura 10 - Operaiunile realizate n nodul de intrare n urma selectrii unei clase de echivalen se face o coresponden a unui FEC la unul sau mai multe NHLFE-uri. Acest lucru se ntampl pentru pachetele care ajung neetichetate, dar care sunt etichetate nainte s fie dirijate. Aceast coresponden se numete FTN (FEC to NHLFE Map). Dac FTN leag o clas de echivalen de mai multe NHLFE-uri, doar un singur NHLFE trebuie s fie ales nainte ca pachetul s fie dirijat. Avnd o coresponden ntre o clas de echivalen i mai mult de un NHLFE poate fi util de exemplu cnd dorim s facem Load Balancing pe mai multe ci. Informaia din NHLFE determin att aciunea ce trebuie fcut asupra unui pachet (cum ar fi adugare de etichet pentru Ingress Router) precum i interfaa de ieire pe care trebuie scos pachetul. Deoarece cile MPLS sunt unidirecionale, adesea n practic un nod de intrare este i nod de ieire pentru alte fluxuri de pachete.

39 | P a g e

3.3.2 Noduri care fac doar comutaia de eticheteUn LSR primete pachete deja etichetate i trebuie s examineze eticheta din vrful stivei de etichete pentru a face comutaia. El folosete ILM (Incoming Label Map Tabela de Coresponden a Etichetei de Intrare) pentru a face corespondena cu un NHLFE (NextHop Label Forwarding Entry Intrare de dirijare a etichetei ctre urmtorul hop). Informaia din NHLFE determin att aciunea ce trebuie fcut asupra unui pachet (cum ar fi adugare de etichet, scoatere de etichet sau comutare de etichet) precum i interfaa de ieire pe care trebuie scos pachetul.

Fig Figura 11 - Operaiunile realizate n LSR

40 | P a g e

Eticheta din vrful stivei este folosit ca un index n tabelul de dirijare pentru a obine urmtoarea etichet i interfaa de ieire spre nodul urmtor. Nodul LSR face comutaia doar pe baza informaiilor din eticheta din vrful stivei, fr a consulta alte etichete sau informaii de nivel 3. Din acest motiv volumul de prelucrri pe care trebuie s-l fac nodul este mic oferindu-i viteza necesar pentru a comuta volume mari de trafic.

3.3.3 Noduri de ieireNodul de ieire, n funcionarea standard, primete pachete etichetate, elimin eticheta, consult tabelul de rutare i pe baza celei mai bune potriviri dintre adresa IP destinaie i elementele din tabelul de rutare selecteaz interfaa de ieire i urmtorul hop. Eticheta de intrare este cutat ntr-un tabel ILM care va duce la o coresponden cu un NHLFE ce va avea doar instruciunea pop. Eticheta de intrare nu are nici un rol n procesul de rutare, spre deosebire de ruterele LSR i din acest motiv s-a propus funcionarea n mod PHP (Penultimate Hop Popping). Modul de lucru PHP presupune eliminarea etichetei de catre penultimul ruter din domeniul MPLS dup ce a fost determinat interfaa de ieire. Acest lucru reduce volumul de calcul n nodurile de ieire. Nodurile de ieire, la fel ca i cele de intrare au i o tabel de rutare IP i o tabel de dirijare MPLS.

3.3.4 Corespondena ntre tabelul de rutare i cel de dirijareDei toate ruterele din domeniul MPLS conin cel puin o tabel de rutare, aceasta nu este folosit n LSR-uri n planul de date. Totui, toate ruterele vor folosi tabele de rutare n planul de control pentru a distribui informaii de rutare i etichete prin protocoale dinamice.

41 | P a g e

Figura 12 - Rolul tabelului de rutare n nodurile MPLS Ruterele de pe frontiera domeniului MPLS folosesc tabelul de rutare i n planul de date. Toate ruterele au nevoie de o tabel de dirijare MPLS folosit pentru comutarea etichetelor.

3.3.5 Spaiul de eticheteFolosind 20 de bii pentru a codifica etichetele, un ruter MPLS are la dispoziie 2 20 etichete posibile. Deoarece valabilitatea unei etichete este local se poate ntlni n practic situaia n care pe linkuri diferite din aceeai reea MPLS circul pachete cu aceei etichet, dar care marcheaz clase diferite. Din aceast cauz, pe fiecare link n parte pot exist peste 1.000.000 de etichete. Pe un link, fiecrei clase de echivalen i se asociaz o etichet. n reelele uzuale numrul de clase de echivalen este mult mai mic dect aceast valoare maxim deci numrul de etichete ar fi de ajuns. Totui apare o problem n cazul folosirii protocoalelor de distribuie de etichete, de exemplu cnd un LSR primete de la un ruter din aval eticheta L pentru clasa de echivalen C1 i de la alt ruter din aval aceeai etichet L pentru clasa de echivalen C2, acest LSR trebuie sa poat distinge pachete corespund clasei C1 i care corespund clasei C2. Soluia tradiional ar fi ca LSR s refuze eticheta L propus pentru clasa C2 deoarece tie c eticheta L a fost alocat clasei C1. Totui, acest mod de funcionare duce la ntrzieri datorate renegocierii etichetei n cazul protocolului de distribuie a etichetelor.

42 | P a g e

Figura 13 - a) Tabelul de dirijare pentru cazul cu spaiu de etichete pe interfa Figura 14 - b) Tabelul de dirijare pentru cazul cu spaiu de etichete per platform O soluie mai bun ar fi ca LSR s aib cte un spaiu de etichete pe fiecare interfa de intrare. n acest mod, dat fiind situaia de mai sus, LSR poate distinge ce pachete corespund clasei C1, respectiv clasei C2 deoarece tie interfaa pe care a primit eticheta. n aceast situaie pe fiecare port de intrare al ruterului pot veni maxim 220 pachete etichetate distinct. n acest caz ruterul are un spaiu de etichete unic pe interfa (per interface label space). Folosirea spaiului de etichete unic pe interfa nu este o problem dac LSR-ul poate s diferenieze ntre pachetele care vin pe interfee diferite. n acest caz corespondena ILM NHLFE ia n considerare i interfaa de intrare. n cazul n care un LSR nu poate identifica interfaa pe care a primit un pachet, el are un spaiu de etichete global (per platform label space). Putem spune c un ruter are un spaiu de etichete global dac atunci cand primete pachete cu o anumit etichet de intrare, le trimite ctre aceeai destinaie indiferent de interfaa pe care ele au sosit. Pe acelai echipament pot coexista n configuraie spaiul de etichete global i spaii de etichete pe interfa pentru anumite interfee, n funcie de aplicaie.

n concluzie, se dorete folosirea unui spaiu de etichete

unic pe interfa

43 | P a g e

pentru a evita renegocierea etichetelor de ctre un protocol de distribuie de etichete pentru a reduce complexitatea ruterelor

global

3.3.6 Agregarea etichetelor

Presupunnd c un LSR primete mai multe pachete cu etichete diferite asociate aceleiai clase de echivalen, se poate folosi o singur etichet de ieire care este aplicat tututror acestor pachete. Metod se poate folosi n cazul n care pachetele sunt trimise pe aceeai interfa de ieire ctre aceeai destinaie. Odat cu agregarea etichetelor, nodurile din aval nu vor mai putea face diferenierea ntre fluxurile originale deoarece nu fac reclasificarea lor. Este posibil s nu vrem s facem agregarea etichetelor (label merging) dac dorim ca pachetele s fie trimise pe interfee diferite (de exemplu pentru Load Balancing) sau cu etichete diferite (n cazul n care etichetele sunt folosite pentru a diferenia clase de servicii). Folosind agregarea etichetelor, se poate folosi la ieire o singur etichet per clas de echivalen. Dac LSR-ul poate agrega numai un numr limitat de etichete, atunci este posibil ca la ieire s avem mai multe etichete pentru o clas de echivalen, dar mai puine dect la intrare. Arhitectura MPLS ia n considerare i reele mixte, cu noduri care suport agregarea etichetelor, dar i noduri care nu suport agregarea etichetelor. Aceasta conduce la problema de a asigura interoperabilitatea ntre aceste tipuri de noduri. De exemplu, n reelele ATM nu se poate folosi agregarea etichetelor, deoarece ar aprea problema ntreeserii celulelor din mai multe pachete. Nodul de ieire nu va tii s fac reasamblarea corect a pachetelor.

44 | P a g e

Figura 15 - Celule ATM reasamblate incorect Totui, problema ntreeserii celulelor ATM poate fi rezolvat n dou moduri:

Agregarea VP (Virtual Path) mai multe ci virtuale (VP) sunt agregate ntr-una singur, dar pachete de la surse diferite sunt difereniate prin folosirea de identificatori de circuit virtual (VCI) distinci ntr-un VP. Acest lucru permite reasamblarea corect a pachetelor la ieire. Agregarea VC (Virtual Circuit) n acest caz switch-urile stocheaz ntr-un buffer toate celulele dintr-un pachet, pn cnd acesta este primit n ntregime. Acest lucru poate fi fcut dup identificarea trailer-ului AAL5, dar impune un volum mare de prelucrri n fiecare switch ATM.

3.4 Cmpul Timp de via al pachetelor (TTL)n reelele convenionale IP, fiecare pachet transport o valoare time to live (TTL) n antetul su. De fiecare dat cnd un pachet trece printr-un ruter, TTL-ul lui este decrementat cu o unitate; dac TTL-ul ajunge la zero nainte ca pachetul s ajung la destinaie, pachetul este aruncat. Acest lucru furnizeaz un anumit nivel de protecie mpotriva buclelor care pot exista datorit configuraiilor date greit sau datorit lipsei convergenei sau a convergenei lente a algoritmului de rutare. Sunt dou probleme importante pe care tehnologia MPLS trebuie s le rezolve cu privire la TTL, prima: TTL ca un mod de a elimina buclele, iar a doua: TTL ca un mecanism pentru a realiza alte funcii, cum ar fi limitarea vizibilitii unui pachet. Cnd un pachet traverseaz un LSP, el trebuie s apar cu aceeai valoare a TTL-ului pe care ar fi avut-o dac ar fi traversat aceeai secven de rutere fr a se face comutarea de etichet. Dac pachetul traverseaz o ierarhie de LSP-uri, numrul total al nodurilor LSR traversate trebuie s fie reflectate n valoarea TTL de la ieirea din domeniu.

45 | P a g e

Modul n care se lucreaz cu TTL-ul poate varia, depinznd dac eticheta MPLS este transportat ntr-un antet specific MPLS (shim header) sau dac etichetele MPLS sunt transportate ntr-un antet de nivel 2, cum ar fi n antetul ATM (MPLS-ATM) sau n antetul Frame Relay (MPLS-Frame Relay). Dac valoarea etichetei este codat ntr-un antet shim, care se afl ntre antetele de la nivelul Reea i cel de la nivelul Legtur de Date, atunci acest shim trebuie s aib un cmp TTL. De obicei acesta este o copie direct a cmpului TTL din header-ul IP; la intrarea ntr-un domeniu MPLS, valoarea TTL din header-ul IP este copiat n cmpul TTL din header-ul MPLS. Fiecare nod din reeua MPLS decrementeaz cmpul TTL din header-ul MPLS, lsnd intact cmpul TTL din pachetul IP. La ieirea dintr-o reea MPLS, de obicei cmpul TTL din MPLS este copiat peste cmpul TTL din IP. Acest lucru nu se face ntotdeauna, deoarece uneori operatorul de reea vrea s ascund topologia reelei centrale fa de exterior. n acest caz, pachetele IP pleac din reeaua MPLS cu aceeai valoare a cmpului TTL cu care au intrat. Dac valoarea etichetei este codat ntr-un antet de nivel Legtur de Date (de exemplu n cmpurile VPI/VCI din antetul ATM) i pachetele etichetate sunt dirijate ctre un comutator de nivel 2, i dac nivelul Legtur de Date (ca n cazul tehnologiei ATM) nu are un cmp TTL, atunci nu va fi posibil s decrementm TTL-ul pachetelor n fiecare nod LSR. Un segment LSP care const ntr-o secven de LSR-uri care nu pot decrementa TTL-ul pachetului se va numi non-TTL LSP segment. Cnd un pachet ajunge dintr-un segment n care nu se ine cont de TTL ntr-un segment n care se poate decrementa TTL-ul, trebuie totui s existe o valoare a TTL-ului care s reflecte numrul de noduri LSR traversate. Astfel, nodul de intrare va estima numrul de noduri dintr-un segment non-TTL i va decrementa valoarea TTL-ului nainte s dirijeze pachetele prin acest segment. Decrementarea se face direct n antetul IP, i tot de aici va fi citit de primul nod capabil de a decrementa TTL-ul. Numrul de noduri care nu decrementeaz TTL-ul este obinut folosind semnalizri prin intermediul protocolului LDP. Uneori, nodul de intrare dintr-un segment LSP non-TTL determin c TTL-ul pentru un anumit pachet va expira nainte ca pachetul s ias din acest segment. n acest caz, nodul de intrare va arunca pachetul. n segmentele non-TTL trebuie s se fac controlul buclelor, iar pentru aceasta ar trebui ca toate LSR-urile din acel segment s suporte aceeai tehnic de detectare a buclelor. O tehnic propus pentru rezolvarea acestor bucle este implementat n varianta LDP pentru ATM.

46 | P a g e

3.5 Conceptul de Ruter penultim (PHP)Pentru a simplifica prelucrrile din nodul de ieire al domeniului MPLS s-a propus o tehnic opional n reelele MPLS. Aceast tehnic, numit Penultimate Hop Popping, presupune c penultimul nod dintr-un LSP va scoate eticheta din vrful stivei i apoi va transmite pachetul ctre ultimul nod. Acest lucru este posibil deoarece ultimul nod nu mai folosete eticheta de intrare pentru a face comutaie, ci folosete eticheta de nivel anterior sau informaiile din antetul IP pentru a dirija pachetul ctre urmtorul hop. n funcionarea tradiional, ultimul nod primete un pachet etichetat, pe baza acestei etichete selecteaz un NHLFE care va avea doar instruciunea pop, iar apoi va analiza eticheta din pachetul rmas, dac stiva de etichete coninea mai multe etichete, sau va analiza antetul IP dac aceasta era ultima etichet. Acest lucru ar implica ca nodul de ieire s realizeze dou cutri, fie dou cutri de etichet, fie o cutare de etichet urmat de o cutare n tabela de rutare. Tehnica PHP ar avea avantajul c ar necesit doar o singur analiz n ruterul de ieire, fie pentru a afla o nou etichet, fie pentru a realiza o rutare IP clasic.

Figura 17 - a) Funcionarea fr PHP Figura 18 - b) Funcionarea cu PHP

47 | P a g e

Pentru a elimina eticheta n penultimul nod dintr-o cale, acest nod trebuie s tie c mai este un singur hop pn la ieirea din domeniu i care este acesta. Cnd penultimul nod primete un pachet de intrare etichetat, el caut NHLFE-ul asociat etichetei de intrare i afl astfel care este urmtorul hop i c trebuie s execute instruciunea pop. Dup ce elimin nregistrarea din stiva de etichete, el trimite pachetul ctre urmtorul hop, fr a mai analiza nc odat pachetul. Eliminnd eticheta din vrful stivei, este nevoie ca penultimul ruter s actualizeze valoarea TTL din eticheta rmas, sau din antetul IP. Totui, sunt anumite comutatoare hardware care nu sunt capabile s scoat eticheta, de aceea PHP-ul nu este cerut obligatoriu n reelele MPLS. Un exemplu ar fi comutatoarele MPLSATM, care ar avea nevoie de etichet i pe ultimul link datorit constrngerilor tehnologiei ATM. Penultimul nod scoate eticheta doar dac acest lucru este cerut de ctre nodul de ieire. Negocierile purtate de protocolul de distribuie a etichetelor trebuie s permit fiecrui LSR s afle dac vecinii lui sunt capabili de a scoate eticheta din vrf. Un LSR nu trebuie s cear perechii lui din amonte s scoat eticheta dect dac acesta este capabil s o fac.

3.6 Stiva de eticheteUnul din avantajele tehnologiei MPLS este acela c ofer posibilitatea de a folosi rutare ierarhic. Acest lucru este posibil deoarece antetul MPLS poate conine mai multe nivele de etichete, iar pentru un anumit ruter, doar eticheta din vrful stivei are semnificaie. Modelul comutaiei de etichete este un model n care pachetul etichetat transport un numr de etichete stocate ntr-o stiv LIFO. Aceast stiv poart numele de stiv de etichete. Dei MPLS suport ierarhii de etichete, procesarea unui pachet este complet independent de nivelul ierarhiei; procesarea se face ntotdeauna conform etichetei din vrful stivei, fr a conta dac au fost alte etichete deasupra ei n trecut, sau dac mai sunt etichete sub aceasta. Un pachet neetichetat poate fi gndit ca un pachet a crui stiv de etichete este goal (adic stiva are adncimea 0). Dac stiva de etichete a pachetului este de adncime m, atunci eticheta cea mai de jos aparine nivelului 1, eticheta urmtoare aparine nivelului 2 iar eticheta din vrful stivei aparine nivelului m. nregistrarea de nivel 1 va conine ntotdeauna bitul S=1, toate celelalte nregistrri din stiva de etichete avnd bitul S=0. Cu ajutorul acestui bit se poate identifica uor ultima nregistrare din stiva de etichete, i implicit nceputul antetului de nivel 3.Antet MPLSEtichet EXP S=0 TTL Etichet EXP S=1 TTL

Antet

Antet

Figura 19 - Stiva de etichete

48 | P a g e

Un ruter Ru poate decide s dirijeze un anumit pachet ctre un ruter Rd, chiar dac Ru i Rd nu sunt vecini direci i Rd nu este destinaia final a pachetului. Acest lucru poate fi fcut prin ncapsularea pachetului adugnd antetul de nivel reea, a crui adres IP destinaie este adresa lui Rd. n acest mod se creeaz un tunel ntre Ru i Rd. Pachetul, n acest caz se va numi pachet tunelat. n MPLS noiunea de tunel este asemntoare ca n IP, diferena fiind c n loc s se ncapsuleze pachetul cu un nou antet IP, mai este adugat un nivel de etichete n stiva de etichete MPLS. Aceast etichet este folosit pentru comutaie n toate nodurile dintre Ru i Rd, i este eliminat de ctre nodul Rd. Avantajul tunelelor MPLS fa de tunelele IP const n reducerea overhead-ului, folosind doar 4 octei n plus pentru realizarea tunelului, fa de minim 20 de octei, n cazul IP-ului. Sunt dou tipuri de tunele: cnd un pachet tunelat urmeaz o cale nod cu nod de la Ru ctre Rd, tunelul se numete Tunel Rutat Nod cu Nod sau cnd pachetul traverseaz o cale specificat explicit, tunelul se numete Tunel cu Rutare Explicit.

3.7 Tunele LSPEste posibil s implementezi un tunel ca un LSP i s foloseti comutaia de etichete mai degrab dect ncapsularea pachetului n nivelul reea. Tunelul ar fi un LSP constituit din ruterele Ru Rd, unde Ru este punctul de intrare n tunel i Rd este punctul de ieire din tunel. Acesta constituie un tunel LSP.

49 | P a g e

Figura 20 - Tunel printr-o reea MPLS Setul de pachete care trebuie trimise printr-un tunel LSP constituie un FEC i fiecare LSR din tunel trebuie s aloce o etichet pentru acel FEC. Nodul de intrare n tunel nu trebuie s fac reclasificarea pachetelor, ci adaug o nou etichet pe baza instruciunilor din NHLFE, pentru anumite etichete de intrare. Astfel decizia trimiterii unui anumit pachet ntr-un tunel LSP este o problem local a nodului de intrare n tunel. Pachetul ncapsulat cu noua etichet va fi trimis ctre urmtorul nod din tunel. Modul de lucru PHP poate fi folosit i n cazul utilizrii tunelelor, cu condiia ca penultimul i ultimul nod din LSP s tie s lucreze n acest mod.

50 | P a g e

4. Modaliti de distribuie a etichetelor 4.1 Rolul protocoalelor de distribuie a etichetelorProtocoalele de distribuie a etichetelor au aprut ca o necesitate n reelele MPLS din acelai motiv pentru care se folosesc protocoale de rutare n IP. n primul rnd, o reea de dimensiuni mari este greu de administrat dac se folosesc doar configurri statice, deoarece implic un volum de munc intens pentru stabilirea cilor noi i tergerea cilor vechi. Un administrator care dorete s stabileasc o cale nou ntr-o reea MPLS trebuie s in cont de cile deja existente, de etichetele folosite i de constrngerile de trafic impuse de celelalte ci. De asemenea, administratorul trebuie s fie atent la stabilirea cilor, deoarece o singur greeal poate duce la defectarea mai mulor ci. n al doilea rnd, folosind configurri statice, apare problema dinamicitii. La apariia unei defeciuni n reea (de exemplu, avarierea unui link sau a unui nod), folosind doar mecanisme statice, cile deja stabilite nu pot fi redirecionate, cauznd pierderea pachetelor. Unul din motivele pentru care se prefer folosirea tehnologiei MPLS este capacitatea acestuia de a realiza ingineria traficului, lucru care impune anumite constrngeri i o anumit dinamicitate. n momentul proiectrii arhitecturii MPLS, IETF a luat n calcul posibilitatea de a folosi mai multe protocoale de distribuie a etichetelor peste aceeai reea. Motivul a fost acela de a permite reutilizarea unor protocoale deja existente, folosind extensii ale lor. Un alt motiv ar fi c anumite protocoale sunt mai potrivite pentru anumite tipuri de reele (de exemplu, se poate folosi RSVP-TE pentru a oferi garanii deterministe), n timp ce reelele care nu au nevoie dect de distribuia de etichete pot folosi protocoale mai simple. Pentru a putea face distribuia de etichete, toate nodurile din reeaua MPLS au nevoie de informaii de rutare. Aceste informaii pot fi aflate prin intermediul unor protocoale de rutare, care lucreaz n planul de control IP. Se prefer folosirea protocoalelor de rutare de tip Link State, deoarece fiecare nod cunoate topologia reelei, eliminndu-se astfel apariia buclelor i micornd timpii de convergen. Rolul unui protocol de distribuie de etichete, nu este doar acela de a trimite o etichet. El trebuie s fac corespondena ntre etichet i clasa de echivalen de dirijare. Pentru a opera corect, protocolul de distribuie de etichete trebuie s asigure corectitudinea mesajelor, precum i secvenialitatea acestora. Pentru a nu introduce n protocol mecanisme suplimentare pentru a asigura aceste cerine, se prefer folosirea unui protocol de transport fiabil, cum ar fi TCP. n practic se folosesc mai multe protocoale pentru distribuia etichetelor, cum ar fi LDP Label Distribution Protocol, RSVP-TE Resource Reservation Protocol, BGP Border Gateway Protocol i CR-LDP - Constraint-Based Routing Label Distribution Protocol.

51 | P a g e

n continuare vor fi prezentate cteva din elementele importante ale acestor protocoale, precum i o comparaie a capabilitilor acestora.

4.2 Concepte de distribuie a etichetelorProcesul de distribuie a etichetelor const n distribuia unei etichete, a unei adrese IP i a unei mti de reea. Protocolul de distribuie a etichetelor trebuie s poat obine ntr-un anumit mod informaiile de rutare necesare pentru a ajunge la destinaie (de regul apelnd la un protocol de rutare IP) i trebuie s poat aloca o etichet disponibil pentru o anumit cale. Protocolul de distribuie poate hotr s distribuie etichete pentru destinaiile pe care le cunoate fr a i se cere acest lucru, sau poate atepta cereri n acest sens. Modurile de lucru cu care lucreaz protocoalele de distribuie a etichetelor pot fi grupate n 3 categorii: n funcie de modul de control al distribuiei etichetelor: Modul ordonat de distribuie a etichetelor (Ordered Label Distribution Control) Modul independent de distribuie a etichetelor (Independent Label Distribution Control) Modul nesolicitat (Unsolicited Downstream Label Advertisment) Modul la cerere (Downstream on Demand Label Advertisment) Modul de reinere liberal (Liberal Label Retention Mode) Modul de reinere conservator (Conservative Label Retention Mode)

n funcie de momentul distribuiei etichetei:

n funcie de disponibilitatea de a reine informaii suplimentare:

4.2.1 Modul ordonat de distribuie a etichetelorLSR-ul ateapt s primeasc etichete de la nodurile din aval nainte s genereze o etichet ctre nodurile din amonte. Acest mod de lucru se folosete n special cu protocolul de distribuie de etichete RSVP. Cnd se folosete modul ordonat de distribuie a etichetelor, un LSR poate iniia trimiterea de etichete doar pentru acele FEC-uri pentru care a primit deja o etichet de la nodul din aval. Pentru acele FEC-uri pentru care LSR-ul nu este nod de ieire i nu a primit nc o etichet de la nodul din aval, atunci nodul trebuie s atepte primirea acesteia pentru FEC-ul

52 | P a g e

respectiv. Numai dup ce se recepioneaz eticheta, LSR-ul poate s aloce o etichet pentru urmtorul nod i s o trimit nodului din amonte.

Figura 21 - Mod de distribuie ordonat si la cerere a etichetelor

4.2.2 Modul independent de distribuie a etichetelorLSR-urile pot s distribuie etichete ctre toi vecinii fr s atepte s primeasc etichete de la nodurile din aval pentru un FEC. LDP folosete acest mod de distribuie a etichetelor n general, dar pe linkurile ATM se folosete modul de distribuie ordonat. Cnd se folosete modul de distribuie independent, un LSR poate s anune o coresponden etichet-FEC ctre vecinii si oricnd dorete. De exemplu, cnd se lucreaz n modul la cerere, un LSR poate s rspund la o cerere de etichet imediat, fr s atepte s

53 | P a g e

obin la rndul lui o etichet de la nodul din aval pentru acel FEC. O consecin a folosirii modului de lucru independent este faptul c se poate trimite o etichet n amonte nainte s se primeasc o etichet din aval.

Figura 22 - Mod de distribuie independent si nesolicitat a etichetelor

4.2.3 Modul la cerereFolosind modul de distribuie la cerere, un LSR determin dac are nevoie s obin o etichet pentru un anumit prefix. Dup aceasta, LSR-ul va cere nodului urmtor (din aval) o etichet. Nodul din aval, chiar dac a generat anterior o etichet pentru acel prefix, nu va trimite o etichet ctre nodul din amonte pn cnd acesta, la rndul lui, nu a primit o etichet pentru prefixul respectiv de la nodul din aval. Acest proces continu pn cnd penultimul nod cere LER-ului o etichet pentru un anumit prefix. Dup ce se ntmpl acest lucru se distribuie etichete din aval spre amonte.

54 | P a g e

4.2.4 Modul nesolicitatn modul de lucru nesolicitat, etichetele se transmit pentru toate rutele cunoscute de LSR prin intermediul IGP, ctre toi vecinii si, fie c acetia au cerut sau nu etichete. Deoarece anunurile de etichet nu sunt folosite pentru a face decizii de rutare, un ruter poate trimite etichete pentru toate prefixele pe care le tie ctre toi vecinii, chiar dac aceti vecini nu folosesc ruterul care face anunul ca next-hop pentru o rut. Ruterul care primete eticheta n mod nesolicitat poate s rein sau nu informaia n funcie de modul n care lucreaz: liberal sau conservator.

4.2.5 Modul de reinere liberalRuterul poate reine etichetele primite, chiar dac momentan nu i sunt necesare, pentru o eventual folosire rapid ulterioar. Dezavantaj este creterea spaiului de memorie ocupat fa de cel folosit la un moment de timp. Cnd LSR-urile primesc etichete de la vecini care nu sunt considerai next-hop, ruterele aleg s menin aceast etichet pentru o posibil folosire viitoare n cazul n care LSR-urile care au trimis aceste etichete vor deveni next-hop-uri. Modul de reinere liberal folosete mai mult spaiu n baza de date de etichete dar reduce timpul de stabilire a cilor. Acest lucru se ntmpl deoarece nu trebuie s se atepte primirea unei etichete dup convergena protocolului de rutare n cazul n care apare o defeciune a linkului ctre un LSR care a fost anterior next-hop.

4.2.6. Modul de reinere conservatorn acest caz, LSR-urile aleg s salveze doar informaiile de care au strict nevoie, aruncnd astfel informaiile inutile n momentul respectiv. Acest mod de lucru salveaz spaiul n baza de date de etichete, dar timpul de convergen crete. Modul de lucru conservator se folosete de regul cu RSVP-TE i pe linkurile ATM cu LDP. n continuare este prezentat un tabel cu modurile de distribuie a etichetelor i cu protocoalele utilizate.

55 | P a g e

Metoda de distribuie a etichetei LDP folosind link-uri cu ncapsularea generic LDP folosind link-uri cu ncapsulare ATM RSVP-TE folosind link-uri cu ncapsulare generic

Dup modul de control

Dup momentul distribuiei

Dup disponibilitatea de a reine informaii suplimentare Liberal Conservator Conservator

Dup spaiul de etichete

Independent Ordonat Ordonat

Nesolicitat La cerere La cerere

Pe platform Pe interfa Pe platform

4.3 Definiia protocolului LDPLDP const dintr-un set de proceduri i de mesaje prin care ruterele cu comutaie de etichete stabilesc un LSP prin reea, prin punerea n coresponden a informaiei de rutare de nivel 3 cu cile de comutaie MPLS. LDP asociaz o clas de echivalen de dirijare cu fiecare cale comutat pe care o creeaz. FEC-ul asociat cu un LSP specific care pachete sunt mapate la acel LSP. LSP-urile se ntind prin reea, deoarece fiecare LSR va comuta eticheta din vrful stivei pn pachetul va ajunge la nodul de ieire. Funciile principale ale LDP sunt: Descoperirea vecinilor Stabilirea i meninerea unei sesiuni Anunarea etichetei Notificarea n caz de eroare

56 | P a g e

4.3.1. Descoperirea vecinilorLDP, ca majoritatea protocoalelor de reea are conceptul de vecin. LDP folosete porturile 646 din UDP i TCP pentru descoperirea vecinilor. LDP are dou tipuri de vecini: Vecini conectai direct aceste rutere sunt conectate direct la nivelul 2, sau pot fi conectate prin tuneluri de tip ATM PVC sau tunele peste IP. Toi vecini conectai direct sunt la distan de un hop unul de altul. Vecini conectai indirect aceti vecini nu au o conexiune de nivel 2 ntre ei, i sunt la cteva rutere deprtare. Ruterele care comunic prin tunele MPLS sunt considerate a fi conectate indirect.

Singura diferen ntre vecinii direct conectai i cei indirect conectai este modul cum se descoper reciproc. LSR-urile descoper vecinii direct conectai trimind mesaje Hello LDP ncapsulate n UDP ctre adresa de multicast 224.0.0.2. Vecinii care nu sunt conectai direct nu pot fi descoperii printr-un pachet multicast UDP, astfel aceleai mesaje Hello sunt trimise ca unicast. Acest lucru implic faptul c un LSR trebuie s cunoasc dinainte nodul distant cu care trebuie s iniieze o sesiune. Acest lucru se realizeaz prin configuraie.

Figura 23 - Formatul mesajului Hello Mesajul Hello conine un cmp cu parametrii Hello comuni n formatul Type-LenghtValue (TLV). Acest cmp conine informaii despre tipul sesiunii LDP pe care LSR-ul vrea s o stabileasc, cum ar fi timpul de meninere a conexiunii, adresa IP a LSR-ului care iniiaz sesiunea peste TCP.

57 | P a g e

Mesajele Hello se transmit periodic, la fiecare 5 secunde i au rolul de a descoperi vecinii noi, ct i de a menine sesiunea ntre doi vecini. LDP are i mesaje Hello i mesaje KeepAlive. Ambele tipuri de mesaje sunt necesare. n cazul n care ntre dou LSR-uri exist mai multe linkuri, mesajele Hello sunt transmise pe toate linkurile folosind adresa UDP multicast i au scopul de a asigura c un LSR tie prin ce interfa poate ajunge la un anumit vecin. Mesajele KeepAlive sunt trimise ntre vecini care au deja o sesiune stabilit pe o conexiune TCP i nu in cont de interfaa pe care primesc acest mesaj. Dup stabilirea sesiunii nc se mai trimit i mesaje de tip Hello pentru a putea descoperi vecini noi aprui. E nevoie s se trimit mesaje pe fiecare link ct i pe sesiune pentru ca LDP s poat fi mai scalabil.

4.3.2 Stabilirea i meninerea unei sesiuniDup descoperirea posibililor vecini LDP, stabilirea sesiunii LDP poate ncepe. Stabilirea sesiunii LDP const n: Determinarea LSR-ului care joac rolul activ i a celui care are rolul pasiv n aceast sesiune Iniializarea parametrilor sesiunii

Rolurile active sau pasive sunt determinate de adresa IP de transport, reprezentnd identificatorul nodului. Astfel, nodul cu identificator numeric mai mare are rolul activ n sesiune i iniiaz sesiunea pornind conexiunea TCP. Dup ce sesiunea TCP e stabilit, LSR-urile negociaz parametrii sesiunii prin mesaje de iniializare LDP. Aceste mesaje includ informaii despre versiune, metoda de distribuie a etichetei (distribuie nesolicitat i distribuie de etichete cerute de un ruter din aval), valoarea temporizatoarelor (temporizatorul de meninere a conexiunii TCP) i altele. Dup ce este stabilit, sesiunea este meninut prin trimiterea periodic a mesajelor Hello i KeepAlive. Chiar dac ntre dou LSR-uri sunt mai multe linkuri, doar o sesiune TCP se stabilete ntre acestea, cu condiia ca toate linkurile s funcioneze folosind ncapsularea generic MPLS. Funcionnd n acest mod, nodurile au setat spaiul de etichete per platform.

58 | P a g e

Figura 24 - Stabilirea sesiunilor LDP

4.3.3 Anunarea eticheteiImediat ce LSR-urile au stabilit o relaie de vecintate LDP, ele ncep s anune etichete unul altuia. Exist 7 tipuri de mesaje LDP implicate n procesul de anunare a etichetelor.

Mesaj Adres Un LSR trimite un astfel de mesaj pentru a spune adresele interfeelor pe care este legat. Aceste mesaje au rolul ca un nod vecin s poat face legtura ntre identificatorul sesiunii i un anumit next-hop. Aceste mesaje se trimit de fiecare dat cnd o interfa devine activ la un LSR. Mesaj Retragere Adres Acest mesaj conine o list de adrese care trebuiesc retrase. Acest mesaj este trimis cnd o interfa este eliminat sau oprit. Mesaj Cerere de Etichet Mesajul se folosete n cazul n care LSR-urile lucreaz n modul la cerere (Downstream on Demand) i cnd ruterul reine doar informaia de care are momentan nevoie (conservative label retention mode).

59 | P a g e

Mesaj Corespondena Etichetelor Formarea unei corespondene ntre etichet i FEC este semnalizat folosind acest mesaj. El este folosit i n modul la cerere, dar i n modul distribuie nesolicitat. Diferena apare n momentul n care este trimis acest mesaj. n modul de lucru la cerere, mesajul este trimis dup ce nodul de intrare primete un flux de date i este nevoit s cear o etichet. n modul de lucru nesolicitat, mesajul de coresponden este trimis la nceput, dup stabilirea sesiunii. Mesaj Retragere Etichet Un LSR trimite un mesaj de retragere de etichet cnd vrea s retrag o etichet dintr-o configuraie pe care a semnalizat-o anterior. Dup primirea mesajului, un LSR trebuie s tearg asocierea etichet-FEC i trebuie s rspund cu un mesaj Eliberare Etichet ctre transmitor. Mesaj Eliberare Etichet Acest mesaj confirm eliberarea corespondenei etichetFEC care a fost cerut de mesajul Retragere Etichet. Este folosit atunci cnd ruterul reine informaia referitoare la etichete, chiar dac nu este necesar pentru a semnala nodului din amonte c nu mai este nevoie de etichet. Mesaj Anularea Alocrii Etichetei Acest mesaj anuleaz cererile de etichet nesoluionate nc. Acest lucru se poate ntmpla n anumite cazuri: dac s-a modificat informaia de rutare ctre o destinaie dup ce LSR-ul a cerut o etichet. Nodul care primete acest mesaj nu ine cont de el dect dac este primit de la acelai nod care a cerut anterior eticheta.

4.3.4 Notificarea n caz de eroareCnd un LSR trebuie s-i informeze vecinii despre o problem, le va trimite acestora un mesaj de notificare. Aceste mesaje sunt de dou tipuri: erori sau recomandri. Mesajele de eroare sunt folosite cnd LSR-ul a ntlnit o eroare fatal i nu poate continua. Aceste mesaje au ca rezultat tergerea sesiunii LDP. De asemenea, LSR-urile care primesc acest mesaj terg toate corespondenele etichet-FEC stabilite n acea sesiune. Erorile pot fi cauzate de regul din incompatibiliti de configurare a LDP-ului ntre noduri vecine, de exemplu, dac un nod folosete modul de distribuie a etichetelor nesolicitat, iar cellalt folosete modul de distribuie la cerere. Mesajele de recomandare sunt folosite ca avertizri. n acest caz, LSR-ul i poate reveni n urma problemelor. Un astfel de mesaj ar putea sosi n cazul n care un nod a primit o etichet pe care o folosea deja. Acest nod va rspunde cu un mesaj de notificare ntiinnd nodul din amonte c nu poate accepta eticheta.

60 | P a g e

4.3.5 Evitarea buclelorLDP nu este un protocol de rutare, el depinznd de protocolul de rutare pentru a face ci fr bucle. Totui, exist anumite mecanisme de detecie i de prevenire a buclelor n LDP. Detecia buclelor este o opiune configurabil care ofer un mecanism de detecie a buclelor care apar n ci. Mecanismul folosete un vector de ci i un contor al numrului de noduri traversate transportate n mesajele LDP de tipul Cerere de Etichet i Corespondena Etichetelor. Modul de funcionare este urmtorul: 1. Un cmp Vector de Ci conine o list a LSR-urilor pe care le-a traversat mesajul. Cnd un LSR trimite mai departe o cerere de cale, i adaug propriul identificator n vectorul de ci. Apoi, LSR-ul care primete mesajul verific dac propriul identificator este coninut n vectorul de ci. Dac da, nseamn c mesajul a fost dirijat n bucl. 2. Cmpul Contor al Numrului de Noduri conine numrul de LSR-uri traversate de mesaj. De fiecare dat cnd mesajul trece printr-un nod LDP, contorul este incrementat. Dac un LSR detecteaz c acest contor a ajuns la valoarea maxim configurat, se comport ca i cum acest mesaj a fost dirijat n bucl. Cnd un LSR detecteaz c mesajul de tip Cerere de Etichet a fost dirijat n bucl, trebuie s trimit un mesaj de notificare de tip Detecia Buclei ctre sursa mesajului i va arunca cererea de etichet primit.

4.4 CR LDPCR-LDP este o extensie a protocolului de distribuie de etichete LDP i are rolul de a stabili ci comutate cu rutare explicit, care s ndeplineasc anumite cerine. CR-LDP este un protocol de semnalizare folosit n ingineria trafic