BSO algoritmo de reparto de trfico para MPLS-TEJ. M. Arco, A. Garca, J. A. Carral, G. Ibaez Departamento de Automtica Universidad de Alcal E.P. Campus Universitario, 28871 Alcal de Henares Telfono: 918856627 Fax: 918856641 {jmarco, antonio, jac, gibanez}@aut.uah.es

Abstract. Multi-Protocol Label Switching (MPLS) es la tecnologa dominante en el ncleo de red. MPLS Traffic Engineering (MPLS-TE) es capaz de abrir varios caminos entre un origen y un destino, para balancear el trfico entre dos puntos de la red. En este artculo se presenta un algoritmo de balanceo de trfico sin oscilaciones (BSO) diseado para reducir la congestin de la red evitando posibles oscilaciones. El presente algoritmo ha sido probado mediante simulacin e implementado en una red experimental de laboratorio MPLS con Linux. Los resultados obtenidos muestran que nuestro algoritmo es capaz de obtener un balanceo de carga dinmico en funcin de la carga de la red, a la vez que se evitan las indeseables oscilaciones.

1 IntroduccinEl aumento del nmero de usuarios y la demanda mayores anchos de banda, generan una nueva generacin de servicios como Pear to Pear (P2P) y Virtual Private Networks (VPNs) que incrementan de forma dramtica el trfico que deben transmitir las redes. La demanda de ancho de banda ha forzado a los operadores de red a incrementar la capacidad de los enlaces y la conectividad de red. Como resultado, la red puede ofrecer varias rutas alternativas que van desde un nodo origen a uno destino, algunos de ellos con un coste similar. Los protocolos de encaminamiento deberan ser capaces de conocer estas nuevas alternativas y hacer uso de ellas, para que de una forma transparente balanceen el trfico de red, con el fin de reducir la congestin y mejorar el funcionamiento general de red. En las redes IP actuales, el encaminamiento se realiza a travs de protocolos del estado de los enlaces, como Open Shortest Path First (OSPF) [1]. Estos algoritmos calculan la ruta mas corta entre dos pares de nodos y descartan otras posibles alternativas. De modo que, el trfico se concentra a lo largo de la ruta elegida como la ms corta, por lo que se puede dar congestin, mientras que otras rutas de coste similar estn sin usar. Los protocolos como OSPF no son capaces de balancear el trfico. La arquitectura MPLS ofrece nuevas posibilidades en este campo. MPLS-TE (MPLS con ingeniera de trfico) es capaz de hacer uso de mltiples rutas entre un origen y un destino y balancear el trfico de acuerdo a los actuales usos de las redes [2].

El router de entrada de la red de MPLS (encaminador frontera de ingreso) puede gobernar varios tneles (caminos etiquetados conmutados) a lo largo de diferentes rutas con un eficiente coste hasta el encaminador de salida (encaminador frontera de salida) y balancear de forma eficiente los flujos de trfico entre ellos [3][4][5][6]. Con el fin de prevenir la congestin de red, el encaminador frontera de entrada, debera balancear trfico de forma dinmica de acuerdo con la carga actualizada de la red, diversificando en trfico de las rutas ms cargadas a las menos cargadas. Existen varios estudios en los que se presentan diferentes algoritmos de balanceo de carga pero muchos de ellos sufren oscilaciones [7][8]. En este artculo se presenta un nuevo algoritmo, basado en previos trabajos de los autores [9] y diseado para proveer un eficiente balanceo de carga sin oscilaciones y teniendo en cuenta la carga real de la red en todo momento. El resto del artculo se estructura de la siguiente manera. Las secciones 2 y 3 presentan el balanceo de carga y el algoritmo de balanceo. Las secciones 4 y 5 muestran el escenario donde se han realizado las pruebas y presentan los resultados. Finalmente, la ltima seccin resume las conclusiones del trabajo y expone algunas lneas de futuros trabajos.

2. Propuesta de balanceo de carga dinmicaUna red MPLS est compuesta por routers especiales llamados de forma genrica Label Switch Router, (LSR). Hay tres tipos de LSRs, los routes frontera de entrada, que recepcionan el trfico a la red MPLS y deciden cmo se va transmitir a travs del ncleo MPLS. En segundo lugar estn los routers interiores

o intermedios, que se encarga de reenviar el trfico por los caminos etiquetados establecidos y finalmente los router frontera de salida LSRs, que se encargan de dejar los datagramas como entraron a la red, eliminando la etiqueta introducida a la entrada. Todos los routers estn conectados por caminos etiquetados Label Switch Paths (LSPs), figura 1. El mtodo de balanceo de carga utilizado, podra distribuir flujos IP entre dos o ms LSPs, en funcin del trfico que tenga cada LSP en cada momento, y as se puede evitar la congestin de red y mejorar el rendimiento de la misma. El sistema abarca el muestreo estadstico de la carga de la red y funciones de notificacin y de distribucin de los flujos IP. Otras posibilidades no exploradas en este artculo pueden ser, encontrar rutas nuevas de manera dinmica y establecer nuevos LSPs. Los LSRs internos realizan el muestreo estadstico del trfico y las funciones de notificacin, mientras que el router frontera de entrada, cubre la funcin del balanceo de carga dinmico. En nuestro trabajo, suponemos que hay dos LSPs entre la frontera de entrada y la de salida LSRs, as el flujo IP se distribuye entre una ruta primaria y una secundaria. El LSP primario se supone que est establecido por la ruta ms ptima, es decir, la ms corta, por lo que la mayor parte del trfico se debera enviar a travs de este LSP, aunque evitando que se congestione. Cada LSR mide el trfico transmitido por sus enlaces de salida en intervalos de tiempo constantes. Esta informacin despus es enviada a toda la red, por inundacin, utilizando una extensin de mensajes OSPF Opacos LSA (Link State Advertisement) [10]. El LSR frontera de entrada recoge la informacin enviada desde todos los LSRs. As, el LSR frontera de entrada conoce el trfico de cada enlace de cada LSP y procesa la carga de todos los LSPs y puede conocer si los LSPs estn o no congestionados. El LSP frontera de entrada distribuye los flujos IP entre el LSP primario y el secundario para aliviar la congestin del camino primario. El LSR distribuye cada flujo IP de acuerdo con el valor calculado de la funcin hash [12]. Este valor es obtenido a partir de65535 x x Funcin Hash x Para el LSP primario lmite hash Para el LSP secundario

los campos que identifican un flujo IP de forma nica [13]. Estos campos son las direcciones IP de destino y origen y protocolo (extrados de la cabecera IP), y los puertos de destino y origen (extrados de la cabecera de transporte). El LSR frontera de entrada divide el rango de los valores de la funcin hash, obtenidos entre los dos LSPs. Por ejemplo, el rango de los valores de la funcin hash pueden estar entre 0-65535 si se usa el CRC 16. Llamamos lmite hash, a la lnea divisoria de los rangos hash de cada LSP, figura 1. El balanceo de carga entre los dos LSPs se hace al mover el valor del lmite hash arriba o abajo de acuerdo al trfico real de cada LSP. Especficamente, la carga se ajusta para que el trfico del LSP primario baje hasta un cierto nivel de congestin, lo que equivale a mover algunos flujos IP de un LSP a otro. Usando esta tcnica los mensajes pertenecientes a un flujo, son transmitidos normalmente por el mismo camino, con lo que se evita que el trfico se desordene.

3. El algoritmo de balanceoEn esta seccin se presenta el algoritmo de balanceo de trfico sin oscilaciones (BSO) diseado para reducir la congestin de la red evitando oscilaciones. El objetivo del algoritmo es mantener el trfico del camino principal en una banda estable comprendida entre el umbral de ocupacin media M y el umbral de congestin C. Adems debe evitar oscilaciones en el reparto de trfico, que se pueden dar cuando el LSP principal y secundario, estn congestionados. Los valores de los umbrales anteriores son configurables por el administrador de red, en nuestro caso se han ajustado M al 30% y C del 62%. El umbral C representa el lmite a partir del cual el algoritmo empieza a transferir trfico del LPS principal al secundario. El umbral M es el punto de retorno en el cual el algoritmo retorna carga de nuevo del LSP secundario al primario. El algoritmo utiliza una variable llamada carga media L, que es calculada peridicamente tomando la carga mxima de los interfaces de salida del LSP y el ltimo valor de L. Para ello, el LSR de entrada almacena la informacin de la carga de los interfaces de salida del LSP y calcula el valor carga actual CA, suponiendo que el LSPi pasa por el LSRi de entrada, los LSRi1 LSRin y el LSRi de salida, como: CA (i) = max (carga_de_salida_LSRij ) , j 1..n Donde carga_de_salida_LSRij es la carga recibida del LSRj del camino LSRi.

LSP primarioRed IP receptora

Red IP emisora

0 IP Transport DATOS header header

LSR de entrada

Red MPLSLSR de salida

LSP secundario

Fig. 1. Balanceo de carga en MPLS-TES

La carga media es calculada ponderando, con una constante , la carga actual y la ltima carga media calculada, segn la ecuacin siguiente:

primario al secundario, en este caso la carga necesaria para hacer que el Lp alcance el umbral C.

4. Escenario de pruebasEn esta seccin, se presenta un escenario de pruebas basado en una red de laboratorio, donde se va ha realizar unos experimentos para demostrar el funcionamiento del algoritmo BSO. La red del laboratorio est compuesta por una red MPLS, figura 3. Hay tres LSRs: un encaminador frontera de entrada (LSR1), un encaminador intermedio (LSR2), y un encaminador frontera de salida (LSR3). Todos los LSRs estn conectados a travs de enlaces Ethernet de 10 Mbps. Existen dos procesos emisores ejecutndose uno en el Sistema Final 1, y el segundo en el nodo intermedio LSR2. Este ltimo ser utilizado para generar el trfico de congestin. Estos dos procesos envan trfico a un receptor ejecutndose en el LSR3. Segn se muestra en la figura 3 hay tres caminos etiquetados LSPs configurados: el LSP primario y secundario para el trfico del proceso emisor 1, y el LSP3 para el trfico del proceso emisor 2. Como se dijo antes, el LSP primario normalmente se establece como el del camino ms corto, pero en nuestro banco de pruebas no es as, con el fin de poder generar trfico de congestin que afecte al LSP principal. El encaminador frontera de entrada LS1 se encarga de balancear el trfico entre el LSP primario y secundario cuando el trfico desde el proceso emisor 2 satura el enlace entre el nodo intermedio LSR2 y el encaminador frontera de salida LSR3. Los procesos emisores estn ejecutndose en mquinas Linux con la distribucin SUSE 7.3. Para generar los flujos de trfico de tiempo real se utiliza la herramienta mgen [13]. Los LSRs son mquinas Linux con la distribucin SUSE 7.2 y la versin 1.1 de la distribucin MPLS para Linux [14]. Hemos utilizado un API de OSPF para difundir la carga de la red y hacerla llegar al encaminador frontera de entrada LSR1. La carga entre losTrfico (Mbps)

L[t] = (1 - ) * L[t-1] + * CAEl valor de es usado para controlar el peso de la carga actual frente a la historia del algoritmo. Mayores valores de producen respuestas ms rpidas, pero pueden introducir oscilaciones en el sistema. Valores pequeos, dan ms peso a la historia provocando cambios ms lentos pero pueden hacer que se reaccione poco ante una congestin. El administrador de red debe ajustar su valor. El funcionamiento se ilustra en la figura 2. Al inicio con poco trfico, todo se manda por el LSP principal. Cuando se alcanza el umbral de congestin C, el nodo de entrada abre el LSP secundario y se empieza a mandar trfico a travs de los dos LSP anteriores. El algoritmo funciona para alcanzar los objetivos siguientes: Mantener la carga media del primario Lp mayor o igual que la carga media del secundario Ls, para reducir la posibilidad de oscilaciones. Mantener Lp en la franja estable entre C y M. Evitar oscilaciones cuando Lp y Ls superan el umbral C. Utilizar siempre que se pueda el camino principal, cerrando el secundario cuando todo el trfico puede ser cursado por el LSP primario sin congestionarlo.

El algoritmo en cada iteracin comprueba que Lp sea mayor o igual que Ls. Despus si LpC y LsC pasa trfico delInicio

LpLs 1

Lp+LsC

mov PS Lp-CSistema Final 1Lp Ls C

10 Mbps Ethernet links LSR salida R3 LSP secundario

LSR entrada R1

Fig. 2. Organigrama del algoritmo BSO.

Fig. 3. Red de pruebas

encaminadotes LSR2 y LSR3 es conocida por el router frontera de entrada LSR1, a travs de un mensaje LSA opaco de OSPF [15][16], el cual es inundado por el nodo intermedio, de acuerdo al proceso siguiente (se pueden encontrar ms detalles en [9]). El nodo intermedio LSR2 calcula el ancho de banda usado por el LSP primario en el interfaz de salida con un periodo de tiempo T (5 segundos), y entonces lo inunda usando el API OSPF [17][18]. El router frontera de entrada LRS1 analiza los paquetes LSA de OSPF y extrae los valores de ancho de banda de cada interfaz de salida de cada router de los que componen un LSP, con lo que finalmente el LSR1 puede saber cmo de cargado est un LSP y realizar el balanceo de trfico en consecuencia.

Utilizando la configuracin comentada, hemos probado el algoritmo con varios valores significativos de . Se muestran los resultados con tres valores de , bajo, media y alto (0.05, 0.5 y 1). Para entender el comportamiento del algoritmo, en las figuras tambin se muestra el valor de la carga actual de los LSP primario y secundario (en este caso, el trfico de los enlaces LSR2-LSR3 y LSR1-LSR3) y tambin el valor de la carga media LSP primario y secundario (Lp y Ls). Para = 0.05, figura 4, el valor medio vara lentamente debido al bajo peso de la carga actual en el clculo de la media. Para entender mejor el resultado, hemos dividido la grfica en 6 periodos: Cuando la prueba empieza, periodo 1, el valor de la carga media del LSP primario (Lp) aumenta lentamente hasta 5.6 Mbps, que es menor que el umbral de congestin C (6.2 Mbps), por lo que el algoritmo no balancea trfico. El periodo 2 arranca con el trfico de congestin, Lp aumenta lentamente pero el algoritmo no balancea trfico hasta que Lp no alcanza el umbral C. Durante el periodo 3, BSO trasvasa trfico desde el LSP primario al secundario. Esto provoca que la carga actual del LSP primario (trfico del enlace LSR2-LSR3) baja. y que Lp empiece a disminuir. El periodo 3 termina cuando Lp alcanza o baja de C. En el periodo 4, el algoritmo para de mover carga y el trfico de los enlaces permanece constante. Tras un tiempo, los valores medios de Lp y Ls, se igualan con los valores del trfico de los enlaces (carga actual). Al desaparecer el trfico de congestin, se inicia el periodo 5, durante el cual disminuye el valor de Lp, pero el algoritmo no balancea trfico. Cuando Lp se igual a Ls, periodo 6, el algoritmo trasvasa trfico del LSP primario al secundario, lo que hace variar la tendencia de Lp y hace bajar a Ls.

5 PruebasUtilizando el escenario de la figura 3 hemos realizado varios experimentos. El umbral de congestin C ha sido configurado a 6,2 Mbps y umbral de ocupacin media M a 3 Mbps. Hemos configurado el proceso emisor 1 para enviar 100 flujos de 56 Kbps cada uno, (en total 5,6 Mbps como trfico de usuario) desde el Sistema Final 1, figura 3. Cuando el sistema se ha estabilizado, empieza el envo del trfico desde el proceso de envo 2, un flujo de 2,6 Mbps (trfico de congestin) desde el LSR2 intermedio. La suma de los trficos anteriores provoca que el algoritmo BSO inicie el reparto de carga. Los experimentos finalizan cuando las cargas medias estn estables, por lo que la duracin de cada prueba depende del tiempo necesario para estabilizar el algoritmo. Tambin hemos desarrollado un simulador software del escenario. Este simulador est escrito en el lenguaje C y nos ha permitido realizar algunas pruebas de manera rpida y validar los resultados de la red de laboratorio. Los resultados que se muestran en el artculo corresponden tanto a pruebas simuladas como a pruebas reales, ya que las diferencias son en general, insignificantes.9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 15 29 43 57 71 851 2 3

Trfico (Mbps)

Lp Ls Trfico LSR2-LSR3 Trfico LSR1-LSR3

4

5

6

7

99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 Iteraciones

Fig. 4. Reparto de carga con = 0.05.

T r fic o (M b p s )

Finalmente, el periodo 7 arranca cuando Lp+LsLs>C entraba en oscilacin al pasar trfico del primario al secundario en una iteracin y al contrario en la siguiente, segn se muestra en la figura 7. En cambio, en el algoritmo BSO, esta situacin se evita ya que en este caso el algoritmo es estable dejando Ls ligeramente por debajo de Lp, no balancea trfico ni provocando oscilaciones, segn se ilustra en la figura 8. El ltimo resultado muestra la variacin del tiempo de convergencia en funcin de , figura 9. El tiempo de convergencia es definido como el tiempo que transcurre entre el comienzo de la congestin hasta el instante en que Lp est dentro del 1% de C, es decir, desde que aparece una perturbacin hasta que el algoritmo estabiliza el trfico. Como es de suponer el tiempo de convergencia decrece para valores ms altos de .Trfico (Mbps) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 Iteraciones Lp Ls Trfico LSR2-LSR3 Trfico LSR2-LSR3

9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Lp Ls Trfico LSR2-LSR3 Trfico LSR1-LSR3

1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 Iteraciones

Fig. 6. Reparto de trfico con = 1.5 4,5 4

Trfico (M bps)

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 00 25 50 75 100

Trfico LSR2-LSR3 Trfico LSR1-LSR3 Lp Ls

125

150

Iteraciones

Fig. 7. Algoritmo LCM con oscilacin.5 4,5 4

Trfico (Mbps))

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1 6 11 16 21

Trfico LSR2-LSR3 Trfico LSR1-LSR3 Lp Ls

26

31

Iteraciones

Fig. 8. Algoritmo BSO sin oscilacin.90 80

T ie m p o (m ilis e g u n d o s )

70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Alfa

Fig. 9. Tiempo de convergencia en funcin de alfa.

6 ConclusionesSe ha desarrollado un escenario MPLS-TE utilizando cdigo de libre distribucin, donde se ha implementado un algoritmo BSO de reparto de trfico. BSO reparte el trfico eficientemente cuando aparece congestin en la red. El algoritmo BSO ha sido intensamente probado mediante pruebas reales en la red del laboratorio y mediante simulacin. BSO realiza el balance de carga de una manera eficiente. A diferencia de otros algoritmos [7][8], no presenta evidencias de oscilaciones. El algoritmo obtiene unos tiempos de convergencia razonables.

Fig. 5. Reparto de carga con = 0.5.

Un simulador del escenario ha sido implementado. Los resultados obtenidos por simulacin son muy similares a los recogidos en la red del laboratorio. Tambin se han realizado pruebas para ver la evolucin del algoritmo con diferentes valores de . Como futuros trabajos, estn el realizar ms pruebas para comprobar el funcionamiento del algoritmo en escenarios ms realistas, en una red que tenga ms routers y caminos conmutados etiquetados. Tambin estudiar como influye la cantidad de trfico que se balancea en cada iteracin, en el comportamiento del algoritmo y en el tiempo de convergencia.

[9]

[10] [11] [12]

AgradecimientosEste trabajo ha sido financiado por la Conserjera de Educacin de la Comunidad de Madrid y los fondos FEDER de la UE bajo el programa Aplicaciones Emergentes para Internet de Nueva Generacin, eMagerit (S-0505/TIC/0251).

[13] [14] [15]

[16] [17]

[18]

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