Propostas De Implementa C Ao De Qualidade De Servi Co Na .
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃODEPARTAMENTO DE TELEMÁTICAPropostas de implementação de qualidade de serviço na arquiteturaVPN MPLS, utilizando linguagem de especificação formal SDLorientada a objetos e análise de desempenho utilizando o simuladorOPNET.Autor:Marcel Cavalcanti de CastroOrientador:Prof. Dr. Walter da Cunha BorelliDissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação daUniversidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenção do tı́tulo deMestre em Engenharia Elétrica.Banca Examinadora:Prof. Dr. Walter da Cunha Borelli (Presidente)FEEC/UNICAMPProf. Dr. Paulo CardieriFEEC/UNICAMPProf. Dr. Rodrigo Pinto LemosUniversidade Federal de GoiásCampinas, Dezembro de 2004.
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELABIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMPC279pCastro, Marcel Cavalcanti dePropostas de implementação de qualidade de serviço naarquitetura VPN MPLS, utilizando linguagem deespecificação formal SDL orientada a objetos e análise dedesempenho utilizando o simulador OPNET / MarcelCavalcanti de Castro. --Campinas, SP: [s.n.], 2004.Orientador: Walter da Cunha BorelliDissertação (Mestrado) - Universidade Estadual deCampinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e deComputação.1. SDL (Linguagem de programação de computador). 2.Interconexão de redes (Telecomunicações). 3. Redes decomputação - Protocolos. 4. Redes de computação –Protocolos. 5. Simulação (Computadores). 6. Software –Validação. 7. Desempenho. I. Borelli, Walter da Cunha. II.Universidade Estadual de Campinas. Faculdade deEngenharia Elétrica e de Computação. III. Título.
ResumoEste trabalho apresenta propostas de implementação de qualidade de serviço na arquiteturaVPN MPLS e análise de desempenho destas propostas. São desenvolvidos sistemas com basena arquitetura VPN MPLS e sugerido uma proposta de expansão da arquitetura VPN MPLSpara mapeamento dinâmico das prioridades dos clientes VPN na rede do provedor de serviçoatravés da inserção do valor de prioridade de rota na tabela vrf e modificações realizadas noprotocolo MP-BGP. As propostas foram especificadas utilizando a linguagem de especificaçãoformal SDL orientada à objetos a partir da ferramenta SDL TAU Suite. Esta ferramentapermite simular os sistemas especificados, a partir de diagramas MSC, e validar estes sistemaspara detecção e correção dos erros de lógica e de especificação. A análise de desempenho daspropostas foi realizada com o uso do simulador Opnet Modeler.Palavras Chave: VPN, MPLS, MP-BGP, Qualidade de Serviço, Sinalização, Provedor deServiço, SDL - Specification and Description Language, SDT - SDL TAU Suite, MSC - MessageSequence Chart, Simulação, Validação, Análise de Desempenho, Opnet Modeler.AbstractThis work describe proposals for the implementation of quality of service (QoS) in VPNMPLS architecture, and their performance analysis based on simulations are presented. Newsystems are developed based on the VPN MPLS architecture, and it is being proposed an extension for the VPN MPLS architecture to construct a dynamic mapping of VPN clients prioritiesinto service provider network through the insertion of priority field at vrf table and MP-BGPprotocol modification. All these systems were specified using the SDL object-oriented formallanguage with the SDL TAU Suite tool (Telelogic, Sweden). This tool allows the simulationwith MSC diagrams of the specified systems, and the validation of these systems by detectingand correcting logical and specification errors. The performance analysis of these proposalswere realized through the Opnet Modeler simulator.Keywords: VPN, MPLS, MP-BGP, Quality of Service, Signaling, Service Provider, SDL- Specification and Description Language, SDT - SDL TAU Suite, MSC - Message SequenceChart, Simulation, Validation, Performance Analysis, Opnet Modeler.i
Publicações no Perı́odoM. C. Castro, M. A. Siqueira, M. F. Magalhaes, L. Farias. A BGP/MPLS PPVPNManagement Information Model and a J2EE-based Implementation Architecture forPolicy and Web-based Configuration Management Systems. In: IEEE 3rd International Conference on Networking - ICN’04, Guadeloupe - French Caribbean, Fevereiro2004.M. C. Castro, N. A. Nassif, W. C. Borelli.QoS Performance Evaluation inBGP/MPLS VPN. In: International Information and Telecommunication Technologies Symposium - I2TS’2003, Florianópolis - SC, Novembro 2003.M. C. Castro, T. L. Resende, T. B. Pereira. Improving NGN with QoS Strategies.In: Opnetwork 2003, Washington - EUA, Agosto 2003.M. C. Castro, E. T. Nakamura, M. A. Siqueira. Análise dos Aspectos de Segurançadas VPNs MPLS. In: Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores - SBRC 2003,Natal - RN, Maio 2003.ii
Siglas e Acrônimosafi -Address Family Identifieratm -Asynchronous Transfer Modeasn -Autonomous System Numberbgp -Border Gateway Protocolcase ce cpqd -Computer Aided Software EngineeringCustomer EdgeCentro de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicaçõesdiffserv -Differentiated Servicedscp -Diff-Serv Code Pointebgp -Exterior BGPexp e-lsp -Experimental UseEXP-inferred-PSC LSPfec -Forwarding Equivalent Classfifo -First In First Outfr -Frame Relayftp -File Transport Protocolgui -Graphical User Interfaceietf -Internet Engineering Task Forceip ipv6 -Internet ProtocolInternet Protocol version 6iii
ivipx ipsec -Internetwork Packet ExchangeIP Security Protocolitu -International Telecommunications Unionler -Label Edge Routerlsp -Label Switching Pathlsr -Label Switching Routerl2vpn -Layer 2 VPNl3vpn -Layer 3 VPNl-lsp mp-bgp mpls -Label-only-inferred-PSC LSPMultiprotocol BGPMultiprotocol Label Switchingmsc -Message Sequence Chartnlri -Network Layer Reachability Identifierngn -Next Generation Networksospf pe -Open Shortest PathProvider Edgephb -Per Hop Behaviorpid -Process Identifierppvpn -Provider Provisioned VPNpsc -PHB Scheduling Classqos -Qualidade de Serviçord -Route Distinguisherrip safi -Routing Information ProtocolSubsequent Address Family Identifiersdl -Specification and Description Languagesdt -SDL TAU Suitesla -Service Level Agreementspf -Shortest Path Firsttcp -Transport Control Protocol
vtos -Type of Servicevpn -Virtual Private Networkvrf -Virtual Routing and Forwardingvoip wfq -Voice over IPWeight Fair Queuerede privada virtual - É uma rede privada que utiliza uma rede pública como backbone, eque é acessada somente pelos usuários ou grupos devidamente registrados nesta VPN.vpn gerenciada pelo cliente - vpn onde a criação, manutenção e gerenciamento da redeesta a cargo do próprio cliente.vpn gerenciada pelo provedor - vpn onde a criação, manutenção e gerenciamento da rededo cliente esta a cargo do provedor de serviço.site vpn - um conjunto de sub-redes que fazem parte da rede do cliente vpn, mas que nãoestão localizadas no mesmo local geográfico.par mp-bgp - roteadores que implementam o protocolo mp-bgp, e estabelecem uma relaçãode ”vizinhança”, na forma de pares.roteador ce - roteador de borda do cliente vpn. Este roteador não implementa a tecnologiampls, e representa o ponto da rede em que os pacotes entram e saem da rede do cliente vpn,atravessando a rede mpls do provedor.roteador pe - roteador de borda do provedor de serviço usado para conectar os sites vpn dosclientes. Esta localizado na borda da rede do provedor, e deve suportar a tecnologia mpls.roteador p - roteador de núcleo do provedor de serviço. Este roteador não necessita manterinformações de clientes vpn, sendo responsável apenas pela comutação rápida de pacotes narede, e deve suportar a tecnologia mpls.tabela vrf - tabela de roteamento e encaminhamento independente criada para cada site vpnque esta conectado ao roteador pe. Esta tabela é usada pelo provedor de serviços, paradistinguir as informações dos clientes vpn nos roteadores pe.
vifamı́lia de endereço vpn-ipv4 - formato de endereço criado para tornar único osendereços dos clientes vpn. O endereço vpn-ipv4 é composto pelo campo para distinção derotas (rd - route distinguisher ) seguido do endereço ipv4 do cliente vpn.sistema autônomo - rede que esta sobre o controle de uma mesma entidade administrativa.sessão mp-ibgp - sessão mp-bgp do tipo interna. Representa uma sessão mp-bgpestabelecida entre roteadores pertencentes ao mesmo sistema autônomo, ou seja, sessão entreos roteadores pe da rede do provedor.sessão mp-ebgp - sessão mp-bgp do tipo externa. Representa uma sessão mp-bgpestabelecida entre roteadores pertencentes à sistemas autônomos diferentes, ou seja, sessãoentre os roteadores pe e ce.
SumárioResumoiPublicações no Perı́odoii1 Introdução11.1Motivação e Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 Arquitetura VPN MPLS e a proposta de expansão para provimento de qualidade de serviço62.17Arquitetura VPN MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1.12.2Qualidade de serviço na arquitetura vpn-mpls . . . . . . . . . . . . . . . 14Proposta de expansão da arquitetura vpn-mpls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.1A linguagem SDL e a ferramenta SDL TAU Suite . . . . . . . . . . . . . 163 Especificação formal da arquitetura vpn-mpls para provimento de qualidadede serviço193.1Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2Especificação formal da arquitetura vpn-mpls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3Especificação formal da proposta de expansão da arquitetura vpn-mpls . . . . . 334 Resultados da Validação e das Simulaçõesvii44
viiiSUMÁRIO4.14.2Validação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.1.1A Validação dos sistemas SDL especificados . . . . . . . . . . . . . . . . 464.1.2Detecção de erros de especificação através da validação . . . . . . . . . . 50Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 Análise de desempenho em vpn-mpls com qualidade de serviço615.1Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615.2Cenários de simulação com o Opnet Modeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.3Resultados de simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736 Conclusões80A A linguagem SDL e a ferramenta SDL TAU Suite87B Plataforma de Simulação Opnet Modeler97B.1 Sobre o simulador Opnet Modeler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98C Especificações em SDL103C.1 Sistema basicarquitecture-scenario1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104C.2 Sistema basicarquitecture-scenario2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Lista de Figuras2.1Componentes da arquitetura vpn-mpls [31] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.2Criação de tabelas de tabelas vrf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3Máquina de estado do protocolo mp-bgp3.1Visão do Organizer (SDL TAU Suite) do sistema basicarquitecture-scenario1 . . 213.2Sistema basicarquitecture-scenario1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.3Pacote packstatic-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4Pacote packbasicrouter-pe3.5Definição das listas de sinais do sistema basicarquitecture-scenario1 (figura 3.2)3.6Bloco static-ce do sistema basicarquitecture-scenario1 (figura 3.2) . . . . . . . . 263.7Processo pstatic-ce do bloco static-ce (figura 3.6) . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.8Bloco basicrouter-pe do sistema basicarquitecture-scenario1 (figura 3.2) . . . . . . 283.9Estado idle, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe(figura 3.8) . . . . . . . 30. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24253.10 Estado open sent, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe(figura 3.8) . . . . 313.11 Estado open confirm e established, processo prouter-pe do bloco basicrouterpe(figura 3.8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.12 Visão do Organizer (SDL TAU Suite) do sistema basicarquitecture-scenario2 . . 353.13 Sistema basicarquitecture-scenario2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.14 Pacote packbasicrouter-pe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.15 Pacote packmpbgp-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38ix
LISTA DE FIGURASx3.16 Bloco routermpbgp-ce do sistema basicarquitecture-scenario2 (figura 3.13) . . . . 393.17 Bloco routermpbgp-pe do sistema basicarquitecture-scenario2 (figura 3.13) . . . . 403.18 Redefinição do processo prouter-pe - estado open sent (ver figura 3.10) . . . . . 413.19 Redefinição do processo prouter-pe - estado established (ver figura 3.11) . . . . . 424.1Resultados da validação dos sistema basicarquitecture-scenario1 (figura 3.2) ebasicarquitecture-scenario2 (figura 3.13) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.2Sı́mbolos percorridos no sistema basicarquitecture-scenario2 (figura 3.13) . . . . . 494.3Definição dos valores de teste para o sinal update . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.4Detecção de erro de comparação através da validação . . . . . . . . . . . . . . . 504.5Notificação de erro de consumo de sinal implı́cito durante a validação . . . . . . 514.6MSC gerado com erro de consumo de sinal implı́cito . . . . . . . . . . . . . . . . 514.7Número de sistema autônomo não suportado (ver figura 3.10) . . . . . . . . . . 534.8Manutenção da sessão mp-bgp (ver figura 3.10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.9Inserção de rota estática, sistema basicarquitecture-scenario1 (figura 3.2) . . . . 574.10 Inserção de rota via roteador ce, sistema basicarquitecture-scenario2 (figura 3.13)594.11 Inserção de rota via roteador pe, sistema basicarquitecture-scenario2 (figura 3.13)605.1Topologia da rede simulada no Opnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645.2Carga média imposta pelas aplicações durante a simulação . . . . . . . . . . . . 695.3Mapeamento das classes de serviço no campo exp do rótulo mpls . . . . . . . . . 725.4Vazão dos enlaces 3600d-3600a e 3600d-3600b para o cenário de melhor esforço . 745.5Vazão dos enlaces 3600d-3600a e 3600d-3600b para o cenário com engenharia detráfego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.6Tempo de resposta de download do cliente-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.7Tempo de resposta de download do cliente-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.8Atraso fim-a-fim de pacote de vı́deo do cliente-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.9Atraso fim-a-fim de pacote de vı́deo do cliente-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.10 Atraso fim-a-fim de pacote de voz do cliente-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.11 Atraso fim-a-fim de pacote de voz do cliente-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
xiLISTA DE FIGURAS5.12 Perda de pacotes durante a simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.13 Perdas de pacote na interface que liga os roteadores 3600d-3600a. . . . . . . . 78A.1 Representação das principais estruturas SDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88A.2 Descrição e representação de algumas estruturas SDL utilizada pelo process . . . 90A.3 Descrição e representação de algumas estruturas SDL utilizada pelo process. . 91A.4 Relação entre linguagens que fazem interface com o SDL TAU Suite . . . . . . . 93A.5 Visão geral dos módulos que compõem o SDL TAU Suite . . . . . . . . . . . . . 94A.6 Algoritmo de Validação Bit-State Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96B.1 Estrutura hierárquica dos três editores do Opnet Modeler [33] . . . . . . . . . . . 99B.2 Exemplo do cenário do projeto desenvolvido no Opnet. . . . . . . . . . . . . . 100B.3 Modelo de nó utilizado no Opnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101B.4 Modelo de processo para o roteamento bgp usado no Opnet . . . . . . . . . . . . 102C.1 Visão do Organizer(SDL TAU Suite) do sistema basicarquitecture-scenario1 . . . 104C.2 Sistema basicrquitecture-scenario1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105C.3 Sinais do pacote packmessage-ce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.4 Sinais do pacote packmessage-pe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106C.5 Definição das listas de sinais do sistema basicarquitecture-scenario1. . . . . . . 106C.6 Pacote packstatic-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107C.7 Pacote packbasicrouter-pe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107C.8 Bloco static-ce do sistema basicarquitecture-scenario1 . . . . . . . . . . . . . . . 107C.9 Processo pstatic-ce do bloco static-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107C.10 Bloco basicrouter-pe do sistema basicarquitecture-scenario1 . . . . . . . . . . . . 108C.11 Processo Initialization do bloco basicrouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108C.12 Declaração das variáveis do processo prouter-pe pertencentes ao bloco basicrouterpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109C.13 Estado idle, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe. . . . . . . . . . . . . 110C.14 Estado connect e active, processo prouter-pe do bloco basicrouter-peC.15 Estado open sent, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe. . . . . . 110. . . . . . . . . . 111
xiiLISTA DE FIGURASC.16 Estado open confirm e established, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe . 111C.17 Estado established, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe . . . . . . . . . . 112C.18 Estado established, processo prouter-pe do bloco basicrouter-pe . . . . . . . . . . 112C.19 Procedimento setup do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113C.20 Procedimento setrtable do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113C.21 Procedimento vrf-install do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114C.22 Procedimento verify-peers do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . 114C.23 Procedimento vrf-uninstall do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . 115C.24 Procedimento verify-open do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116C.25 Procedimento vrf-setup do processo prouter-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117C.26 Visão do Organizer(SDL TAU Suite) do sistema basicarquitecture-scenario2 . . . 118C.27 Sistema basicrquitecture-scenario2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119C.28 Pacote packmpbgp-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120C.29 Pacote packmpbgp-pe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120C.30 Bloco routermpbgp-ce do sistema basicarquitecture-scenario2 . . . . . . . . . . . 120C.31 Processo Initialization do bloco routermpbgp-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121C.32 Declaração das variáveis do processo prouter-ce pertencentes ao bloco routermpbgpce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121C.33 Estado idle, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . . . . . . . . . . . . . 122C.34 Estado connect e active, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . . . . . . 122C.35 Estado open sent, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . . . . . . . . . . 123C.36 Estado open confirm e established, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . 124C.37 Estado established, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . . . . . . . . . 124C.38 Estado established, processo prouter-ce do bloco routermpbgp-ce . . . . . . . . . 125C.39 Procedimento setup do processo prouter-ce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125C.40
Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos para a obtenc ao do t ıtulo de Mestre em Engenharia El etrica . Banca Examinadora: Prof. Dr. Walter da Cunha Borelli (Presidente) FEEC/UNICAMP Prof. Dr. Paulo Cardieri FEEC/UNICAMP Prof. Dr. Rodrigo Pinto Lemos Universidade Federal de Goi as Campinas, Dezembro de 2004.
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Andreas Wagner†‡ Historically, one of the most controversial aspects of Darwinian evolution has been the prominent role that randomness and random change play in it. Most biologists agree that mutations in DNA have random effects on fitness. However, fitness is a highly simplified scalar representation of an enormously complex phenotype .
