MPLS na platformě Mikrotik Zdeněk Dubnický, Miroslav Hrubec Abstrakt: Cílem projektu je průzkum a ověření možností použití MPLS na platformě Mikrotik. Klíčová slova: Mikrotik, MPLS (Multi Protocol Label Switching) Prosinec 2008 1/14
Obsah 1. Úvod 3 2. Základní pojmy 3 2.1 Mikrotik 3 2.2 MPLS 3 3. Cíle testování, volba topologie sítě a nastavení směrovačů 5 3.1 Nastavení používaných rozhraní jednotlivých zařízení 6 3.2 Nastavení OSPF 7 3.3 Nastavení MPLS 8 4. Ověření funkčnosti a vlivu MPLS ve vybudované síti 11 4.1 Ověření funkce (správné konfigurace) MPLS 11 4.2 Vliv MPLS na rychlost směrování paketů 12 4.3 Další možnosti využití 13 4.4 Závěr 13 5. Použitá literatura 14 Prosinec 2008 2/14
1. Úvod MPLS (MultiProtocol Label Switching) používá pro urychlení cesty paketů sítí princip přepínání značek, založený na důsledném oddělení procesu směrování od vlastního předávání paketů. Naším úkolem je ověřit, zdali je Mikrotik schopen tento způsob směrování korektně provozovat. Stejně tak se nabízí srovnání se stejnou problematikou na platformě Cisco případné rozdíly ve značení, funkcionalitě. 2. Základní pojmy 2.1 Mikrotik [obr. 1] Mikrotik (obchodní název MikroTik ) je operační systém směrovače, založen na bázi Linux OS. Původně byl tento OS vyvíjen v tehdejším Sovětském svazu. Oficiálně byl zveřejněn v roce 1995. Následné zkušenosti přivedly vývojáře k vybudování směrovacího software MikroTik v2, který přinesl lepší stabilitu, ovladatelnost a flexibilitu pro všechny typy komunikačních periférií a obecnou kompatibilitu směrovacích systémů v počítačových sítích. V Mikrotik jsme využili nejnovější dostupný firmware(3.9), podpora MPLS je zajištěna již od verze 3.0. Komunikace s tímto OS je v současnosti zprostředkována např. přes GUI Winbox [obr. 3], ssh, telnet, nebo sériovou konzoli. V našem případě byla využívána především aplikace Winbox (v 3.4). Obrázek 1: Mikrotik (ilustrační foto) 2.2 MPLS MPLS (Multi Protocol Label Switching) je technologie, která používá pro urychlení cesty paketů sítí princip přepínání značek. Směrovač s podporou MPLS, LSR (Label Switching Router) na okraji sítě příchozímu paketu přidělí značku, která se pak dále používá pro jeho předávání mezi směrovači (typu P, provider ) uvnitř MPLS sítě. LSR pak mohou datagram předávat dál výhradně na základě svých individuálních jednoduchých tabulek značek. Předávání datagramů je tedy triviální záležitost. Všechny datagramy se stejnou značkou (všechny datagramy v rámci třídy FEC, Forwarding Equivalence Class) se posílají stejným způsobem, stejnou cestou sítí LSP (Label Switched Path ) přes příslušné LSR. Prosinec 2008 3/14
Cesta LSP (virtuální okruh sítí) je sestavena tak, že postupně všechny LSR mezi vstupním (ingress) a výstupním (egress) směrovačem (PE, provider edge) sítě MPLS si vytvářejí vazbu mezi příchozí a odchozí značkou pro daný datový tok. Cesta LSP je jednosměrná. K MPLS síti se připojují klientské sítě prostřednictvím svých směrovačů (CE, Customer Edge ), které nepotřebují žádnou speciální podporu pro MPLS, pouze běžné IP směrování. Lokální přepínací MPLS tabulka (tabulka značek) tedy jednoznačně určuje směrovací rozhodnutí tak, že pro každou lokální/vstupní hodnotu značky paketu přijatého z určitého rozhraní jednak přiřazuje, do kterého výstupního rozhraní má být tento paket dále směrován, a jednak definuje novou hodnotu lokální/výstupní značky (která přepisuje původní hodnotu lokální/vstupní značky). Tabulka je generována z kombinace informací získaných z lokálně používaného (IP) směrovacího protokolu a protokolu distribuce značek implementovaného mezi jednotlivými MPLS přepínači. Samotný řídicí mechanizmus (směrování, signalizace) je na rozdíl od vlastního předávání datagramů podstatně komplexnější. K výměně informací o přidělených značkách mezi sousedícími směrovači se používá jako mechanizmus signalizace protokol LDP (Label Distribution Protocol). Mechanizmus LDP se postupně rozšířil pro signalizace cesty s omezeními (CR-LDP, LDP for Constraint Route signaling) a pro explicitní směrování na základě protokolu RSVP pro řízení provozu (RSVP-TE, RSVP for Traffic Engineering). LDP, RSVP-TE a CR-LDP jsou signalizační mechanizmy založené na zprávách a lze je snadno rozšířit o další podmínky či parametry při sestavování LSP. Pokud jsme u paketových sítí celkem snadno identifikovali specifikace vrstev síťové architektury v jednotlivých síťových technologiích, MPLS nelze z hlediska referenčního modelu OSI snadno zařadit: nemá vlastní síťovou adresaci a směrování a přitom pracuje s nejrůznějšími síťovými protokoly a síťovými technologiemi. K tomu mu slouží různý formát pro zapouzdření dat a značky. Někdy se MPLS proto označuje jako technologie vrstvy 2+. Multi-protokol Label switching svým způsobem může nahrazovat IP směrování (za předpokladu, že všechny směrovače v síti jej podporují), směruje pakety. Obsahuje informaci o odchozím rozhraní a dalším skoku, není tedy založeno na hlavičce IP protokolu a směrovací tabulce. Zmiňované popisky jsou připojeny k paketům. Tento způsob podstatně zrychluje celý proces směrování, neboť nalezení dalšího skoku (next hop) se stává snadným. V nejjednodušší podobě lze MPLS chápat jako vylepšené směrování. MPLS pracuje s předponami paketů mpls hlavičkami, obsahujícími jednu či více popisků (label) říkáme tomu zásobník popisků. Každý obsahuje 20bitový popisek 3bitové pole pro QOS prioritu 1bit na konci zásobníku pro příznak značící konec zásobníku 8bitovou hodnotu TTL Vstupní a výstupní body MPLS sítě jsou značeny jako Label Edge Routery (LER) přeznačují pakety pro MPLS směrovače, které pracují pouze se štítky, značíme Label Switch Routery (LSR) Prosinec 2008 4/14
3. Cíle testování, volba topologie sítě a nastavení směrovačů Cílem testování bylo ověřit, zda budeme schopni na námi použitém Mikrotiku spustit směrování pomocí technologie MPLS a zda budeme schopni jeho funkci ověřit. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli pro sestavení následující topologie [obr. 2]. V dané topologii byl použit Mikrotik v roli LER, dva směrovače Cisco, z nichž jeden v roli LER a jeden LSR. Testování bylo prováděno tak, že mezi Mikrotik a Cisco v roli LSR byl připojen počítač na sledování provozu na síti (pomocí programu WireShark). Z toho důvodu byl do patřičného místa v síti připojen hub. Obrázek 2: Zvolená topologie Pro administraci, jak již bylo zmíněno, jsme zvolili aplikaci dodanou firmou Mikrotik, WinBox [obr. 3] v 3.4, běžící pod OS Windows. Obrázek 3: Prostředí Winbox Prosinec 2008 5/14
3.1 Nastavení používaných rozhraní jednotlivých zařízení V menu interfaces [obr. 4] se nacházejí všechny dostupné hardwarové, či nakonfigurované virtuální adaptéry. Implicitně je každé rozhraní (ethernetu, nikoliv tedy WiFi) pojmenováno etherx, kde X značí pořadové číslo rozhraní. Toto pojmenování lze samozřejmě libovolně změnit. Obrázek 4: Nastavení interfaces (ilustrační) Popis, jak nastavit jednotlivá rozhraní na platformě Mikrotik je docela zbytečný, neboť ovládání aplikace WinBOX je relativně intuitivní a každý z příkazů, který se dá nastavit přímo v GUI WinBOXu, lze rovněž exportovat v podobě konfiguračních příkazů v konzoli (rovněž přístupné z aplikace WinBOX), proto zde uvádíme raději tyto. Mikrotik - LER add address=1.0.0.1/24 broadcast=1.0.0.255 comment="default" disabled=no interface=ether1 network=1.0.0.0 add address=4.0.0.1/24 broadcast=4.0.0.255 comment="default" disabled=no interface=ether2 network=4.0.0.0 Jak již bylo zmíněno, použity jsou rovněž směrovače Cisco, jejichž použití bylo vhodné nejméně ze dvou důvodů. 1) Víme jak správně MPLS na směrovačích Cisco nastavit. 2) Při použití dalších dvou Mikrotiků (namísto směrovačů Cisco), které v laboratoři byly k dispozici, by se konfigurace neúměrně ztížila. A to hlavně z důvodu, že oba zbylé Mikrotiky disponují pouze jedním rozhraním pro připojení k síti. Konfigurace rozhraní směrovačů Cisco byly následující: Prosinec 2008 6/14
Cisco1 - LSR interface FastEthernet0/0 ip address 1.0.0.2 255.255.255.0 duplex auto speed 10 mpls ip interface Serial0/1/0 ip address 2.0.0.1 255.255.255.0 mpls ip clock rate 64000 Cisco2 - LER interface FastEthernet0/0 ip address 3.0.0.1 255.255.255.0 duplex auto speed auto no keepalives interface Serial0/0/0 ip address 2.0.0.2 255.255.255.0 mpls ip no fair-queue 3.2 Nastavení OSPF Pro ověření funkčnosti MPLS a testování je nutné propagovat v síti směrovací tabulky. Po úvaze jsme se rozhodli pro protokol OSPF. OSPF (Open Shortest Path First) je adaptivní hierarchický distribuovaný směrovací protokol, provádějící změny ve směrovacích tabulkách na základě změny stavu v síti. Jedná se o nejpoužívanější směrovací protokol uvnitř autonomních systémů. Směrovače, používající tento protokol, si v pravidelných krátkých intervalech zvláštními zprávami kontrolují spojení se svými sousedními směrovači. Při zjištění jakékoliv změny zasílá oznámení všem směrovačům v síti, ty si pak podle nové informace přepočítají nové cesty v síti a podle toho upraví směrovací tabulky. Výpočet nejkratších cest se provádí Dijkstrovým algoritmem. Konfigurovali jsme následovně: Prosinec 2008 7/14
Cisco1 - LSR router ospf 1 network 1.0.0.0 0.0.0.255 area 0 network 2.0.0.0 0.0.0.255 area 0 Cisco2 - LER router ospf 1 network 2.0.0.0 0.0.0.255 area 0 network 3.0.0.0 0.0.0.255 area 0 Mikrotik /routing ospf area add area-id=1.0.0.0 0.0.0.255 authentication=none disabled=no name="backbone" \ type=default 3.3 Nastavení MPLS Před samotnou konfigurací MPLS je třeba ověřit, zdali přístroj Mikrotik obsahuje software podporující MPLS. Nutnou podmínkou je verze firmware 2.9 a vyšší. Poslední překážkou je povinná aktivace této funkce. Mikrotik samotný pracuje jako modulární systém, kdy nepotřebné moduly můžeme aktivovat/deaktivovat dle potřeby. V systémové konzoli Mikrotiku jsme aplikovali následující příkaz: system package mpls enable Aktivaci MPLS musíme provést na všech směrovačích v segmentu, kde jej chceme provozovat. U Cisco směrovačů je třeba aktivovat MPLS jak na úrovni globálního konfiguračního režimu, tak na úrovní jednotlivých rozhraní na kterých očekáváme MPLS označené rámce. Nastavení je následující: Cisco1,Cisco2 (config)# mpls ip (config-if)# mpls ip Je vhodné si ihned ověřit funkčnost pomocí následujících příkazů: #show mpls forwarding-table Vypíše tabulku, dle které je prováděno předávání rámců. #show mpls ip bindings Podává informace o vazbách mezi propagovanými sítěmi a očekávanými MPLS značkami. #show mpls ldp neighbors Informace o sousedech, s běžícím MPLS. Prosinec 2008 8/14
Cisco1 #show mpls ip bindings 1.0.0.0/24 in label: imp-null out label: 16 lsr: 3.0.0.1:0 2.0.0.0/24 in label: imp-null out label: imp-null lsr: 3.0.0.1:0 3.0.0.0/24 in label: 17 out label: imp-null lsr: 3.0.0.1:0 inuse #show mpls forwarding-table Local Outgoing Prefix Bytes tag Outgoing Next Hop tag tag or VC or Tunnel Id switched interface 17 Pop tag 3.0.0.0/24 0 Se0/1/0 point2point Cisco2 #show mpls ip bindings 1.0.0.0/24 in label: 16 out label: imp-null lsr: 2.0.0.1:0 inuse 2.0.0.0/24 in label: imp-null out label: imp-null lsr: 2.0.0.1:0 3.0.0.0/24 in label: imp-null out label: 17 lsr: 2.0.0.1:0 #show mpls forwarding-table Local Outgoing Prefix Bytes tag Outgoing Next Hop tag tag or VC or Tunnel Id switched interface 16 Pop tag 1.0.0.0/24 0 Se0/0/0 point2point Prosinec 2008 9/14
Mikrotik /mpls interface povolení MPLS pro všechna používaná rozhraní add comment="" disabled=no interface=all mpls-mtu=1508 /mpls ldp nastavení distribučního protokolu MPLS set distribute-for-default-route=no enabled=yes hop-limit=255 loop-detect=yes \ lsr-id=0.0.0.0 path-vector-limit=255 transport-address=0.0.0.0 \ use-explicit-null=no /mpls ldp interface nastavení rozhraní, kam/odkud se mají distribuovat MPLS zprávy add accept-dynamic-neighbors=yes comment="" disabled=no hello-interval=5s \ hold-time=15s interface=ether2 transport-address=0.0.0.0 /mpls ldp neighbor označení adresy komunikačního souseda (Cisco1) v síti add comment="" disabled=no send-targeted=yes transport=1.0.0.2 Prosinec 2008 10/14
4. Ověření funkčnosti a vlivu MPLS ve vybudované síti Pro ověření správnosti nastavení MPLS a ověření její funkce, musela být v topologii mezi směrovače (Mikrotik a Cisco) vložena na linku stanice, na níž jsme programem WireShark sledovali provoz na síti. Toto je možné pouze za použití HUBu, který sloužil jako mezičlánek mezi stanicí a směrovači. 4.1 Ověření funkce (správné konfigurace) MPLS Za tímto účelem jsme, pomocí programu Wireshark (v1.0.5), sledovali provoz na síti. Cílem bylo nalézt provoz, značený jako protokol LDP (Label Distribution Protocol). Jelikož se jednalo o provoz mezi směrovačem Cisco a Mikrotik, jsou zdrojové adresy 1.0.0.1 (Mikrotik) a 1.0.0.2 (Cisco). Komunikace, týkající se LDP mezi směrovači evidentně probíhala, jak ostatně napovídá následující obrázek pořízený z programu Wireshark: Z obrázku je patrné, že MPLS bylo na platformě Mikrotik aktivní. (Totéž platilo pro směrovače Cisco) Prosinec 2008 11/14
4.2 Vliv MPLS na rychlost směrování paketů Pro následující testy jsme mírně upravovali topologii sítě tím způsobem, že jsme ke krajním směrovačům připojili stanice, z nichž jsme poté programem ping testovali rychlosti odezev před a po aktivaci MPLS., Bez MPLS (z PC 4.0.0.2): C:\>ping 3.0.0.2 /n 10 /w 1000 Příkaz PING na 3.0.0.2 s délkou 32 bajtů: Statistika ping pro 3.0.0.2: Pakety: Odeslané = 10, Přijaté = 10, Ztracené = 0 (ztráta 0%), Přibližná doba do přijetí odezvy v milisekundách: Minimum = 16ms, Maximum = 16ms, Průměr = 16ms S MPLS (z PC na síti 4.0.0.2): C:\>ping 3.0.0.2 /n 10 /w 1000 Příkaz PING na 3.0.0.2 s délkou 32 bajtů: Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=15ms TTL=64 Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=14ms TTL=64 Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=15ms TTL=64 Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=14ms TTL=64 Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=14ms TTL=64 Odpověď od 3.0.0.2: bajty=32 čas=14ms TTL=64 Statistika ping pro 3.0.0.2: Pakety: Odeslané = 10, Přijaté = 10, Ztracené = 0 (ztráta 0%), Přibližná doba do přijetí odezvy v milisekundách: Minimum = 14ms, Maximum = 16ms, Průměr = 15ms Z obrázků je patrné, že zavedení MPLS i na velmi jednoduché síti mělo, ač relativně zanedbatelný, vliv na rychlost směrování. Přesto se nám doba odpovědí zdála relativně dlouhá, na to, jak malou síť jsme sestavili. Později jsme dospěli k názoru, že zpomalení je způsobeno sériovým propojením směrovačů Cisco a použití rozbočovače na segmentu sítě 1.0.0.0/24. Tato domněnka se potvrdila pozdějším testováním bez rozbočovače a použitím ethernetového dvoubodového propojení směrovačů. Prosinec 2008 12/14
4.3 Další možnosti využití V současné chvíli je na stránkách výrobce k dispozici experimentální balíček s názvem mpls-test, který nabízí další funkční rozšíření. Mezi nejvýznamnější patří: Statické přidělování lokálních štítků pro IPv4 Statické přidělování vzdálených štítků pro IPv4 LDP pro IPv4 o o Detekce smyček Nezávislá paměť štítků Služby VPL o o VPLS LDP VPLS MP-BGP RSVP TE tunely o o OSPF rozšíření pro TE tunely Explicitní výběr cesty OSPF rozšíření pro MPLS TE 4.4 Závěr Projekt ukázal, že i relativně levné litevské zařízení Mikrotik podporuje funkce, které jsou očekávané u podstatně dražší kategorie hardware. Konfigurace není složitá a v praxi se ukázalo, že na námi testované topologii MPLS fungovalo korektně. Mezi možnosti využití patří malé sítě, typicky například v panelových domech, kdy nízká pořizovací cena Mikrotiku společně s dostatečným výkonem dává do rukou správcům efektivní nástroj ke správě těchto sítí. Mezi další možnosti patří také školní sítě, či laboratoře. Jediné, co by se dalo jako nepříjemný nedostatek vytknout, je relativně slabá dokumentace a podpora ze strany výrobce. Najít totiž přímo na stránkách výrobce užitečné informace o konfiguraci méně běžných záležitostí, jako například MPLS, je téměř nemožné. V tomto směru se nový uživatel musí obrátit, stejně jako my, například na Google, nebo v lepším případě na známého. Prosinec 2008 13/14
5. Použitá literatura [1] Mangle, Mikrotik Documentation, 5. listopad 2005. Dokument dostupný na URL: http://www.mikrotik.com/testdocs/ros/2.9/ip/mangle.php [2] MPLS, Mikrotik Documentation, 12. října 2007. Dokument dostupný na URL: http://wiki.mikrotik.com/wiki/mpls_overview Prosinec 2008 14/14