Ingeniería de tráficoIntroducción

Jhon Jairo Padilla Aguilar, PhD.

Definición Ingeniería de Tráfico: Es el aspecto de la ingeniería de redes IP que hace

frente al problema de optimización de rendimiento de redes que ya están operando.

Debe diferenciarse de la Planificación de la capacidad de las Redes.

La Planificación de la capacidad se hace: Antes de montar una red Utiliza proyecciones de tráfico medio y tráfico máximo en ciertas

situaciones típicas La Ingeniería de tráfico se hace: En redes ya construidas y en operación Durante la operación de las redes, tomando mediciones y cambiando

rutas

Relación de la Ingeniería de tráfico con otras Tareas de la Gestión y operación de Redes

Control del tráfico en tiempo real (Teletráfico)

Control de capacidad e ingeniería de tráfico (Optimización de recursos)

Planeación de la red - Dimensionamiento (Teletráfico, Optimización)

Ajustes de pronósticos de demanda e información de política comercial

Datos de tráfico

seg-min

días-semanas

meses

Cambios de capacidades

Re-enrutamiento

Controles varios

Red

Escalas de tiempo para las tareas de Gestión y operación de redes

díashorassss min101010 036

• Descarte de paquetes

• Administración del buffer

• Enrutamiento de paquetes

Control de flujoTCP

• Enrutamiento de llamadas

• Establecimiento de conexión

• Control de admisión

• Re-enrutamiento

Estimativos periódicos de tráfico

• Ingeniería de tráfico

• Ajuste parámetros de enrutamiento

Ingeniería de tráfico: Limitaciones

Inadecuadas funciones de medición

Funciones de control de enrutamiento en intradominios.

Ingeniería de tráfico Una red consiste en:

• Sistema de demanda (tráfico de los usuarios)

• Sistema limitante (elementos de red interconectados)

• Sistema de respuesta (Procesos y protocolos de red)

La ingeniería de tráfico establece los parámetros y puntosde operación para estos 3 elementos en un contextooperacional.

Objetivos de la Ingeniería de tráfico Mapeo del tráfico dentro de la infraestructura de red para lograr los objetivos de rendimiento definidos.

Minimizar la congestión causada por:

• Recursos de red inadecuados o insuficientes para el manejo de carga ofrecida.

• Mapeo de tráfico ineficiente en los recursos, creandosubconjuntos de recursos sobreutilizados cuando otrospermaneces inutilizados.

Operación confiable de la red: Adecuando la capacidad del servicio de restauración Re-enrutando rápidamente el tráfico a través de capacidades

redundantes cuando la falla ocurre.

Ingeniería de tráfico en Redes IP

Introducción Suele considerarse que usar MPLS es la única solución

para hacer Ingeniería de tráfico Pero hay otras alternativas: Ejemplo: Manejo de las métricas de IGPs.

El problema de optimización de las redes IP Los protocolos de enrutamiento utilizados (OSPF, IS-IS)

utilizan el algoritmo del Camino más corto. Estos algoritmos no toman en cuenta la disponibilidad y

características de los recursos en los diferentes enlaces (BW, delay, pérdidas)

Los caminos más cortos se congestionan mientras que los demás caminos se sub-utilizan.

Consecuencias: No se alcanzan los SLAs de los usuarios Se requiere más capacidad de red de la que realmente es

necesaria.

Ejemplo

El problema de optimización El camino desde el nodo 1 hasta el nodo

2 vía nodo 3 se denota como camino 1. El camino desde el nodo 1 hasta el nodo

2 via nodo 4 como camino 2. Se denotan las variables de flujo como

X11 y X12, respectivamente. Por tanto para llevar el volumen de tráfico h1 desde el nodo 1 hasta el nodo 2 se debe cumplir que:

También se requiere que los flujos en cada camino no sean negativos:

Los enlaces son identificados como: 1 para nodos 1-3, 2 para 3-2, 3 para 1-4 y 4 para 4-2. Entonces, podemos enumerar los flujos para satisfacer las limitaciones de la capacidad de la red de la siguiente manera:

El problema de optimización

Objetivos de la Optimización en redes Punto de partida:

Dada una topología de red fija Dada una matriz de demanda de tráfico fija (fuentes-destinos)

Objetivo Determinar las rutas de los flujos (por agregados o por clases) que

hacen más efectivo el uso de la capacidad de la red “Más efectivo”:

En una red sin fallas: Minimizar la máxima utilización de la capacidad de la red (por enlaces o por clases)

En una red con fallos: Minimizar la máxima utilización de la red ante la falla de un enlace o nodo.

Es clave determinar cuál es el objetivo primario de optimización para determinar: Si la optimización es una solución Los beneficios de las diferentes soluciones de ingeniería de tráfico

Optimización en caso de fallos En caso de fallos, si hay sólo dos caminos posibles (p.ej. En un

anillo), la optimización falla y se requerirá más capacidad. Entre más mallada sea la red, se podrán utilizar más caminos

para optimizar la red

Beneficios de la Ingeniería de Tráfico El gran beneficio: Disminuir costos Brinda flexibilidad al Administrador de red para alcanzar

los SLAs Se pueden alcanzar los SLAs con menos recursos de red Esto retrasa la necesidad de tener que ampliar la

capacidad de la red.

Condiciones que conducen a Ing. Tráfico Asimetría de red: Los caminos más cortos son los más usados En el diseño de la red se busca que los caminos sean

simétricos Se usan balanceadores de carga para dividir el tráfico por dos

caminos de igual peso Esto no es posible siempre, por lo que debe usarse ingeniería

de tráfico

Condiciones que conducen a Ing. Tráfico Demandas inesperadas: Pueden aparecer nuevos servicios no esperados o contenidos

muy populares Estos flujos toman el camino más corto, congestionándolo Caminos más largos quedan sub-utilizados Se requiere por tanto hacer ingeniería de tráfico

Condiciones que conducen a Ing. Tráfico Tiempos largos de adquisición de nuevos equipos para

expansión: Si los nuevos equipos para expandir la capacidad se tardan Se puede usar Ing. de Tráfico para optimizar el uso de los

recursos de la red Por ejemplo, para usar caminos que no se utilizan mucho.

Soluciones para hacer Ing. De Tráfico Pueden darse en dos niveles: Capa 2: Con tecnologías de transporte como MPLS Capa 3: Usando los algoritmos de enrutamiento de Internet

Solución de Capa 3: Basada en métricas de los IGPs Se basan en el uso de los algoritmos de enrutamiento de

mínimo costo en Internet Miden los parámetros de tráfico de los diferentes enlaces

contínuamente Toman decisiones según métodos de optimización Cambian los pesos de los enlaces para obtener cambios

en las rutas

Solución de capa 3: Con cuidado

Mala escogencia de pesos: Buena escogencia de pesos:

Traslada el problema de congestión

Reduce el problema a hacer balanceo de carga

Algoritmos ECMP Usando múltiples caminos de igual peso, se requieren

algoritmos ECMP (Equal Cost Multi Path) para balancear la carga

Algoritmos ECMP Dividen el tráfico equitativamente entre diferentes caminos de

igual costo Utilizan el cálculo de una clave hash con base en la quíntupla de

los paquetes IP Los paquetes con igual clave hash siguen el mismo camino (por

lo general pertenecen al mismo flujo) Diferentes claves hash siguen diferentes caminos

Herramientas automatizadas basadas en métricas IGP Hoy en día se encuentran en herramientas de planeación

automatizadas Estas herramientas hacen las tareas de medición de

tráfico, cálculo de los nuevos costos y modificación de los mismos.

Requiere que se les indique el objetivo de optimización

Características Soluciones Capa 3 Proveen soluciones de ingeniería de tráfico menos granulares

que si se usa MPLS (capa 2) La efectividad depende de: La topología de la red La matriz de demanda de tráfico El objetivo de optimización

Alcanzan entre un 80-90% de efectividad con respecto a las soluciones ideales

Las diferencias con respecto al uso de MPLS se observan en redes: Grandes Con velocidades de enlaces heterogéneas Donde no es posible usar algoritmos ECMP

Ingeniería de tráfico con MPLS

MPLS TE

Características claves de MPLS El enrutamiento no se hace con base en la dirección

destino El enrutamiento se hace usando las etiquetas MPLS Las etiquetas pueden asignarse de manera explícita

usando las rutas resultado de métodos de optimización El tráfico puede enviarse por diferentes LSPs, también

llamados Túneles de Ingeniería de Tráfico en el contexto de MPLS TE

Los LSPs pueden establecerse de manera que no cumplan con el criterio de menor costo.

Ejemplo: Establecimiento de Túnel Condiciones iniciales: Está establecido un túnel entre LSR1 y LSR8 (LSR1-LSR3-LSR4-LSR7-

LSR8) utilizando el camino más corto Toda la red está habilitada para hacer MPLS TE Todo el ancho de banda de los enlaces está disponible para MPLS TE Ahora se considerará el establecimiento de un nuevo túnel a 2Gbps

entre LSR2 y LSR8

Ejemplo: Pasos generales Distribución de la información de recursos/políticas Cálculo del camino basado en restricciones Señalización del túnel con RSVP Asignación de tráfico a los túneles Mantenimiento y control del túnel

Paso 1: Distribución de la información de recursos/políticas Cada router en la red inunda con:

información de los recursos de ancho de banda disponibles y políticas de tráfico para sus enlaces conectados

Utiliza mensajes de las extensiones de OSPF o IS-IS para enviar esta información

Cada router almacena información sobre: El ancho de banda disponible en sus enlaces de salida Ejemplo:

LSR3 tiene disponible y advierte (2.5Gbps-1.0Gbps=1.5Gbps) hacia LSR4 Por los demás enlaces de salida, LSR3 advierte 2.5Gbps disponibles

Paso 2: Cálculo del camino basado en restricciones Todos los routers del área MPLS TE reciben mensajes con el

estado de disponibilidad de los enlaces a través de los mensajes de extensión de OSPF ó IS-IS

Los caminos pueden ser calculados de forma: Distribuida: El router orígen del túnel de manera on-line Centralizada: De manera off-line por una entidad centralizada

denominada Servidor de Túneles ó Elemento de cálculo de caminos Se utiliza un algoritmo de Enrutamiento Basado en

Restricciones (CSPF: Constraint Based Shortest Path First) CSPF: calcula el camino más corto pero teniendo en cuenta disponibilidad

de recursos, políticas de control de tráfico y disponibilidad de enlaces

Como salida se obtiene un ERO (Explicit Route Object), que contiene el listado de Routers del camino y se difunde mediante RSVP

Paso 2: Dos posibles caminos: LSR2-LSR3-LSR4-LSR7-LSR8 LSR2-LSR3-LSR5-LSR6-LSR7-LSR8

Con el algoritmo CSPF se toma la segunda opción, pues la primera no posee suficientes recursos entre LSR3-LSR4-LSR7

ERO: Direcciones IP de los routers LSR2-LSR3-LSR5-LSR6-LSR7-LSR8

Paso 3: Señalización del túnel con RSVP Se usan mensajes PATH, RESV PATH: Lleva el ERO y las características de Ancho de banda

deseadas Cada Router del camino ERO realiza el control de admisión

(aunque sea redundante con lo que hizo CSPF) pues la información de la fuente podría estar desactualizada.

Paso 3: Señalización del túnel con RSVP En MPLS Se te utiliza el concepto

de Desalojo (Pre-emption), es decir, un flujo de mayor prioridad podría desalojar uno de menor prioridad anteriormente establecido

La reserva se confirma en cada Router con la recepción del mensaje RESV

RESV: transporta también la etiqueta deseada por el LSR que recibirá el paquete MPLS sobre esa interfaz

Esto es un ejemplo de vinculación de etiquetas tipo DownStream ondemand, con distribución de etiquetas upstream

Paso 4:Asignación de tráfico a los túneles Se hace una vez establecidos los túneles con RSVP Decisión de cuándo usar el túnel o cuándo usar el camino

convencional establecido con el IGP? Se puede hacer usando una ruta estática usando los túneles

MPLS para ciertas direcciones de destino Algunos vendedores soportan la capacidad de calcular

automáticamente las rutas IP para transmitir sobre los Túneles MPLS. Usan un algoritmo de Dijkstra modificado.

Paso 4: Envío de tráfico por el túnel El router fuente envía el tráfico por el túnel sencillamente

enviando los paquetes sobre la primera interfaz del túnel con la etiqueta adecuada.

Paso 5: Mantenimiento y control del Túnel Durante la comunicación, se envían mensajes PATH/RESV

para refrescar el estado del túnel. Esto se hace periódicamente. Un router extremo del túnel puede enviar mensajes

PATH Tear para eliminar el túnel Si un enlace se cae ó un túnel es desalojado de un enlace,

los routers vecinos envían mensajes PATHErr hacia los extremos del túnel.

El extremo fuente del túnel deberá buscar un nuevo camino para evadir el fuera de servicio.

MPLS TE combinada con DiffServ MPLS se utiliza para determinar los caminos óptimos para

un agregado de tráfico DiffServ se utiliza para garantizar el ancho de banda para

el agregado con un enfoque basado en clases. MPLS TE no puede asignar anchos de banda a cada clase,

sólo asigna un valor de ancho de banda al agregado de tráfico total.

La combinación DiffServ- MPLS TE (DS-TE), combina las características de las dos tecnologías.

DiffServ divide el ancho de banda del agregado en anchos de banda para cada una de las clases de tráfico dentro del agregado.

Modelos de asignación de anchos de banda por clases Modelo de Asignación máxima:

Define un modelo de asignación máxima de ancho de banda con restricciones (MAM) para DS-TE

Se asignan restricciones por cada subconjunto de anchos de banda

Se asignan restricciones globales a todo el agregado de tráfico

Modelo de la Muñeca Rusa Define un modelo de asignación de tipo muñeco

Ruso Es un modelo jerárquico:

Hay una restricción global (restricción 0) para todo el agregado de tráfico

Hay una restricción (1) que es un subconjunto de la restricción (0)

Hay una restricción (2) que es un subconjunto de la restricción (1)

Etc.

Protocolos para soportar DS-TE Hay extensiones de los protocolos OSPF e IS-IS para

difundir las asignaciones de ancho de banda para cada sub-clase

Los algoritmos de enrutamiento han sido extendidos también para que puedan hacer enrutamiento teniendo en cuenta las restricciones para las sub-clases

RSVP también ha sido extendido para difundir las restricciones y el ancho de banda de la sub-clase para los cuales se está estableciendo un túnel.

Se puede usar DS-TE para asegurar que no se va a sobrepasar un límite máximo para tráfico EF y así se permite que hayan otros tipos de tráfico (p.ej. AF)

Ejemplo: Asignación anchos de banda por clases Para un caso sin clases:

Ejemplo: Asignación anchos de banda por clases Se tiene un límite del 50% del ancho de banda para

servicio EF (VoIP)