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.