MPLS: cosa si nasconde dietro questa tec­no­lo­gia di rete

Es­sen­zial­men­te si di­stin­guo­no due tipi di tra­smis­sio­ne dati: in una tra­smis­sio­ne senza con­nes­sio­ne i dati possono essere inviati in qualsiasi momento e senza limiti dal di­spo­si­ti­vo de­si­de­ra­to al sistema di de­sti­na­zio­ne, senza che sia stabilito pre­li­mi­nar­men­te il percorso dei pacchetti. Ogni nodo di rete connesso (di solito il router) sa au­to­ma­ti­ca­men­te come deve inoltrare il flusso di dati. Così il percorso di tra­smis­sio­ne senza con­nes­sio­ne offre un alto grado di fles­si­bi­li­tà ma nessuna garanzia che le risorse ne­ces­sa­rie siano ef­fet­ti­va­men­te di­spo­ni­bi­li.

Al contrario il percorso dei pacchetti nella tra­smis­sio­ne orientata alla con­nes­sio­ne è pre­sta­bi­li­to sin dall’inizio. I nodi di rete coinvolti (so­li­ta­men­te switch) ricevono le ri­spet­ti­ve in­for­ma­zio­ni per l’inoltro dei dati dalla stazione pre­ce­den­te fino a quando i pacchetti alla fine del percorso sono arrivati al computer di de­sti­na­zio­ne. In questo modo il lungo processo di in­stra­da­men­to che è ne­ces­sa­rio per la tra­smis­sio­ne senza con­nes­sio­ne viene ac­ce­le­ra­to no­te­vol­men­te. Inoltre le risorse di rete pre­e­si­sten­ti si possono con­trol­la­re in maniera ottimale e di­stri­bui­re tra i singoli membri. Il co­sid­det­to Mul­ti­pro­to­col Label Switching (MPLS) consente ciò anche per le reti TCP/IP, sebbene queste rientrino nella categoria delle reti senza con­nes­sio­ne.

A metà degli anni 90 le grandi reti di co­mu­ni­ca­zio­ne erano ancora pre­va­len­te­men­te co­sti­tui­te dalla co­mu­ni­ca­zio­ne vocale (telefonia) più che dalla co­mu­ni­ca­zio­ne dati (Internet). A quell’epoca i provider te­le­fo­ni­ci gestivano ancora delle reti separate per entrambi i tipi di tra­smis­sio­ne, cosa che da una parte risultava davvero costoso e dall’altra non garantiva una piena qualità del servizio (Quality of Service). Alle reti vocali di alta qualità e orientate alla con­nes­sio­ne si con­trap­po­ne­va­no le reti dati senza con­nes­sio­ne, alle quali mancava però la banda larga ne­ces­sa­ria.  

L’in­tro­du­zio­ne del pro­to­col­lo ATM (Asyn­chro­nous Transfer Mode) è riuscita a risolvere per buona parte questa pro­ble­ma­ti­ca, con­sen­ten­do la tra­smis­sio­ne vocale e dei dati tramite un’in­fra­strut­tu­ra comune. Ma la soluzione arrivò solo alla fine degli anni 90 con la tec­no­lo­gia Mul­ti­pro­to­col Label Switching che permise di sfruttare ef­fi­cien­te­men­te la banda larga di­spo­ni­bi­le.

Per mettere questo proposito in pratica, MPLS ha al­leg­ge­ri­to fi­nal­men­te i sistemi di in­stra­da­men­to so­vrac­ca­ri­chi: al posto di far de­ter­mi­na­re il percorso ottimale di un pacchetto dalle singole stazioni in­ter­me­dia­rie, come solito fino ad allora, il pro­ce­di­men­to offre la pos­si­bi­li­tà di pre­de­fi­ni­re i percorsi di un pacchetto a partire dal punto di partenza (ingress router) fino a quello di arrivo (egress router). Le stazioni in­ter­me­dia­rie (label switched router) ri­co­no­sco­no questi percorsi, valutando i label (iden­ti­fi­ca­ti­vi) che con­ten­go­no le in­for­ma­zio­ni di in­stra­da­men­to e di servizio adatte e che vengono assegnate allo stesso pacchetto. La va­lu­ta­zio­ne avviene così grazie al relativo hardware (ad esempio uno switch) al di sopra del livello di col­le­ga­men­to (livello 2), mentre il lungo in­stra­da­men­to si verifica sul livello di rete (livello 3).

Grazie all’esten­sio­ne Ge­ne­ra­li­zed MPLS, nel frattempo la tec­no­lo­gia, ori­gi­na­ria­men­te svi­lup­pa­ta solo per le reti IP, è di­spo­ni­bi­le anche per altri tipi di rete, come SONET/SDH (Syn­chro­nous Optical Net­wor­king / Syn­chro­nous Digital Hierarchy) o WSON (Wa­ve­length Switched Optical Network).

L’uso di MPLS nelle reti IP pre­sup­po­ne un’in­fra­strut­tu­ra logica e fisica, composta da router che sup­por­ta­no MPLS. Il pro­ce­di­men­to di label opera quindi prin­ci­pal­men­te all’interno di un sistema autonomo (AS), un as­sem­bra­men­to di diverse reti IP che vengono gestite come unità e sono collegate da almeno un Interior Gateway Protocol (IGP) comune. Di solito i gestori di tali sistemi sono provider, uni­ver­si­tà o anche aziende in­ter­na­zio­na­li.

Prima che i singoli percorsi possano essere creati, l’IGP uti­liz­za­to deve occuparsi del fatto che tutti i router del sistema autonomo possano rag­giun­ger­si a vicenda. Infine vengono anche stabiliti i dati prin­ci­pa­li dei percorsi, de­no­mi­na­ti anche come Label Switched Paths (LSP). Questi ingress ed egress router nominati prima si trovano so­li­ta­men­te alle entrate e alle uscite di un sistema. L’at­ti­va­zio­ne dell’LSP avviene poi ma­nual­men­te, se­miau­to­ma­ti­ca­men­te o in modo com­ple­ta­men­te au­to­ma­ti­co:

• Con­fi­gu­ra­zio­ne manuale: ogni nodo che at­tra­ver­sa un LSP deve essere con­fi­gu­ra­to sin­go­lar­men­te; nelle grandi reti questo pro­ce­di­men­to è inef­fi­ca­ce.
  
  
• Con­fi­gu­ra­zio­ne se­miau­to­ma­ti­ca: solo alcune stazioni in­ter­me­die (ad esempio i primi tre hop) devono essere con­fi­gu­ra­ti ma­nual­men­te, mentre il resto degli LSP riceve le in­for­ma­zio­ni dall’Interior Gateway Protocol.
  
  
• Con­fi­gu­ra­zio­ne com­ple­ta­men­te au­to­ma­ti­ca: nella variante com­ple­ta­men­te au­to­ma­ti­ca l’Interior Gateway Protocol è in­te­ra­men­te re­spon­sa­bi­le della de­ter­mi­na­zio­ne del percorso, però in questo modo non viene raggiunta nessuna ot­ti­miz­za­zio­ne del percorso.

L’ingress router trasmette ai pacchetti che vengono inviati in una rete MPLS con­fi­gu­ra­ta un header MPLS ag­giun­ti­vo, il quale viene aggiunto tra le in­for­ma­zio­ni del secondo e del terzo livello; questo pro­ce­di­men­to è co­no­sciu­to anche con il nome di ope­ra­zio­ne push. Sul percorso di tra­smis­sio­ne i singoli hop coinvolti scambiano il label con delle proprie in­for­ma­zio­ni di con­nes­sio­ne (latenza, banda larga e hop di de­sti­na­zio­ne) tramite una variante adattata: questo pro­ce­di­men­to è spesso chiamato ope­ra­zio­ne swap. Alla fine del percorso viene eliminato di nuovo il label dall’header IP durante un’ope­ra­zio­ne pop. 

I suc­ces­si­vi 32 bit del Label Stack Entry MPLS ag­giun­go­no a un pacchetto IP quattro in­for­ma­zio­ni per il prossimo hop di rete:

• Label: il label comprende le in­for­ma­zio­ni basilari della voce MPLS, perciò ne sta­bi­li­sce la maggior parte con una lunghezza di 20 bit. Come già men­zio­na­to, un label è sempre unico su un percorso e comunica perciò anche solo tra due router definiti. Infine viene adattato per la tra­smis­sio­ne dei dati alla suc­ces­si­va stazione in­ter­me­dia­ria.
  
  
• Traffic Class (TC): grazie al campo Traffic Class, l’header comunica le in­for­ma­zio­ni sui Dif­fe­ren­tia­ted Services (DiffServ). Questo schema può essere uti­liz­za­to per la clas­si­fi­ca­zio­ne dei pacchetti IP per garantire la Quality of Service. Così i 3 bit possono ad esempio co­mu­ni­ca­re allo scheduler di rete se il pacchetto deve essere trattato con priorità o se rimane su­bor­di­na­to.
  
  
• Bottom of Stack (S): il Bottom of Stack definisce se nel percorso di tra­smis­sio­ne alla base si tratti di un percorso semplice o se sono annidati più LSP gli uni dentro gli altri. In quest’ultimo caso un pacchetto può anche contenere più label che sono rag­grup­pa­ti nel co­sid­det­to Label Stack. La Bottom of Stack Flag informa poi il router del fatto che seguono altri label o, in caso contrario, che la voce contiene l’ultimo label MPLS dello stack.
  
  
• Time to live (TTL): gli ultimi 8 bit del Label Stack Entry MPLS indicano il ciclo di vita del pacchetto. Quindi a questo scopo regolano quanti router deve ancora at­tra­ver­sa­re il pacchetto sul percorso (il limite è impostato a 255 router).

Negli anni 90 MPLS ha aiutato i provider con­sen­ten­do un am­plia­men­to veloce e una crescita delle loro reti. Ma il vantaggio iniziale di velocità nella tra­smis­sio­ne dati è passato in secondo piano con la nuova ge­ne­ra­zio­ne di router dalle pre­sta­zio­ni elevate con pro­ces­so­re di rete integrato. Dato che è il pro­ce­di­men­to con cui si può garantire la qualità del servizio stabilita, resta finora uti­liz­za­to da molti provider. In questo caso si tratta del co­sid­det­to Traffic En­gi­nee­ring, un processo che si occupa dell’analisi e dell’ot­ti­miz­za­zio­ne dei flussi di dati. Oltre alla clas­si­fi­ca­zio­ne delle singole con­nes­sio­ni dati, avviene anche un’analisi della banda larga e delle capacità dei singoli elementi di rete. Sulla base degli eventi si punta infine a di­stri­bui­re il carico dei dati in maniera ottimale per raf­for­za­re l’intera rete. Un altro im­por­tan­te campo di utilizzo sono le Virtual Private Networks (VPN), cioè delle reti di co­mu­ni­ca­zio­ne virtuali chiuse in se stesse che uti­liz­za­no come mezzo di trasporto le in­fra­strut­tu­re di reti pubbliche. In questo modo si possono unire i di­spo­si­ti­vi a una rete, senza che siano collegati fi­si­ca­men­te gli uni agli altri. Es­sen­zial­men­te si di­stin­guo­no due tipi di reti virtuali MPLS:

• Livello 2 delle VPN: le reti private virtuali sul livello di col­le­ga­men­to possono essere concepite per con­nes­sio­ni point-to-point o per l’accesso remoto. Lo­gi­ca­men­te il livello 2 serve all’utente di una simile VPN come in­ter­fac­cia per stabilire una con­nes­sio­ne. Come pro­to­col­li di base si uti­liz­za­no il Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP) o il Layer 2 Tunneling Protocol (L2TP). In questo modo i fornitori di servizi hanno la pos­si­bi­li­tà di offrire ai loro clienti servizi simili a SDH e a quelli Ethernet.
  
  
• Livello 3 delle VPN: le VPN di livello 3 basate sulla rete co­sti­tui­sco­no una soluzione facile per i provider per offrire a diversi clienti (in­di­pen­den­te­men­te dalle sezioni di in­di­riz­za­men­to IP private) delle strutture di rete com­ple­ta­men­te in­stra­da­te sulla base di una singola in­fra­strut­tu­ra IP. In questo modo viene garantita la Quality of Service, dato che i clienti vengono gestiti in modo separato gli uni dagli altri tramite Label MPLS per­so­na­liz­za­ti e percorsi di pacchetti pre­de­fi­ni­ti. Inoltre agli hop di rete viene ri­spar­mia­to il processo di in­stra­da­men­to.

I gestori delle grandi reti WAN (Wide Area Network) traggono vantaggio dalle offerte dei provider che si basano sul Mul­ti­pro­to­col Label Switching: i Label Switched Path stra­te­gi­ci, con­fi­gu­ra­ti cor­ret­ta­men­te, ot­ti­miz­za­no il traffico dati e as­si­cu­ra­no al massimo che tutti gli utenti possano disporre in ogni momento della ne­ces­sa­ria banda larga, ri­chie­den­do in cambio un impegno limitato. Il pro­ce­di­men­to rap­pre­sen­ta una soluzione adatta anche per le reti nei campus, come le reti delle uni­ver­si­tà e delle aziende, a patto che si abbia il ne­ces­sa­rio budget.