WAN: ATM, Frame Relay, MPLS, BGP & SD-WAN

Een WAN verbindt sites via een provider. Wat de klant "ziet" is vaak een point-to-point verbinding (zoals een leased line), maar die wordt meestal gesimuleerd door een circuit- of packet-switched netwerk.

ATM (Asynchronous Transfer Mode) ontstond midden jaren '80 voor B-ISDN: spraak, data en video over één netwerk met QoS. Het is connection oriented met end-to-end virtuele circuits, switch-gebaseerd (geen shared medium) en cel-gebaseerd.

• Cel = 53 bytes: 5 header + 48 payload. Compromis: Europa wou 32 bytes, Amerika 64, dus 48 payload.
• Lange cel = veel data maar lange vulvertraging; korte cel = snel gevuld maar veel overhead. Kleine vaste cellen maken voorspelbare vertraging mogelijk (goed voor spraak).
• Traffic contract vóór de verbinding: Peak Cell Rate (PCR), Sustainable/Average Cell Rate (SCR), QoS (vertraging, cell loss ratio, ...).
• CAC (Connection Admission Control): elke switch controleert of de QoS gehaald kan worden; zo niet, geen verbinding.

Cell Rate Decoupling: de fysieke laag vult lege cellen met een vast patroon zodat de lijn altijd cellen draagt. ATM draait op SONET/SDH, glasvezel, UTP, ADSL/VDSL, ...

• VPI/VCI zijn enkel lokaal uniek (per interface). Elke switch vervangt ze per hop: lookup (poort in, VPI/VCI in) geeft (poort uit, VPI/VCI uit). Dit is label swapping.
• VP-switching: switch kijkt enkel naar VPI (een "tunnel" met meerdere VC's erin blijft ongemoeid). VC-switching: VPI én VCI worden gebruikt/gewijzigd.
• Leaky bucket-algoritme: bewaakt of verkeer binnen het contract blijft; overtollige cellen krijgen CLP=1.

Network provisioning: het vooraf vastleggen van een verbinding (poort + VPI aan de ene kant naar poort + VPI aan de andere kant) via controlecellen tussen de ATM-knooppunten. Het pad ligt dus vast vóór de data stroomt.

De AAL zit boven de ATM-laag en zet de data van toepassingen om in 48-byte payloads. De ATM-laag voegt de 5-byte header toe en routeert; de fysieke laag zet om naar signaal.

ATM past niet in het OSI-model: het is een overlay network met een eigen netwerklaag (eigen hiërarchische adressering met plug-and-play autoconfiguratie, eigen routering) bovenop de fysieke laag, naast IP.

• Duur: zeer dure implementatie (switches, kaarten, kennis).
• Complex (QoS, CAC, signalering).
• Overhead / bandbreedteverlies bij IP over ATM: 5 byte header per 48 data (cell tax) + AAL-overhead + padding; vertaling naar TCP/IP nodig.
• Eens de verbinding opgezet is, kunnen firewalls de inhoud niet meer interpreteren.
• Ethernet werd sneller en goedkoper; IP/MPLS leverde QoS zonder ATM. Daarom is ATM niet meer zo populair (nu vooral nog in DSL-aggregatie).

BGP (Border Gateway Protocol) is het routingprotocol tussen Autonome Systemen; het houdt "het Internet" samen. Het werkt als distance/path vector: geen kennis van de volledige topologie, enkel welke prefixen via welke AS-lijst bereikbaar zijn. Sessie over TCP poort 179: eerst alle actieve routes, daarna incrementele updates.

• AS (Autonomous System): verzameling IP-netwerken en routers onder dezelfde administratieve beheerder, met één nummer (ASN, 16 bit, sinds 2007 ook 32 bit).
• EBGP = tussen AS'en (extern), IBGP = binnen één AS (intern).
• Prefix: netwerkadres + lengte, bv. 208.65.152.0/22.
• Update = prefix + attributen (AS_PATH, MULTI_EXIT_DISC, ...). Geen centrale "core": AS'en melden hun prefixen aan buren.
• AS_PATH = lijst van AS'en die de aankondiging doorstuurden. Voorkomt loops (zie je je eigen ASN in het pad, dan negeer je de route) en dient als padlengte.

CIDR (Classless Inter-Domain Routing): adressen worden doorgegeven met een prefixlengte i.p.v. vaste klassen A/B/C (/8, /16, /24).

• Route aggregation (supernetting): meerdere aaneensluitende netten samenvatten in één prefix (bv. 4 x /24 = 1 x /22). Minder routes, kleinere routingtabellen, minder CPU/geheugen.
• Minder adresverspilling: je krijgt een blok op maat in plaats van een volledige klasse B voor 500 hosts.
• Ook RIPv2, OSPF en EIGRP kunnen prefixen doorgeven; BGP4 is er het meest bekend mee.

BGP vertrouwt wat buren aankondigen (geen authenticatie van wie een prefix mag aankondigen). Omdat de langste (meest specifieke) prefix wint, kan iemand verkeer naar zich toe trekken door een kleinere prefix aan te kondigen van een bestaand netwerk.

• China Telecom, 8 april 2010: 18 minuten lang liep verkeer naar us.gov/us.mil via China; traceroute toont plots hops bij China Telecom en 400+ ms.
• Cisco.com, 2009: vergat zichzelf aan te kondigen, 90 minuten onbereikbaar. (Fouten zijn even gevaarlijk als aanvallen.)
• Verdediging: aankondigen als /24 (kan niet meer overschreven worden), maar dat vergroot de routingtabel (BGP-domein = heel internet). Beter: prefix filters, RPKI/ROA, monitoring.

Frame Relay (FR) is een gestandaardiseerde WAN-dienst op laag 2 om LANs te verbinden, een "X.25 lite". Het is packet switched, met virtuele circuits en variabele frames.

• DTE (Data Terminal Equipment): apparatuur van de klant (router/terminal).
• DCE (Data Circuit-terminating Equipment): apparatuur van de provider (FR-switch/modem) die o.a. de kloksnelheid voorziet.
• PVC (permanent, zoals leased line) en SVC (opgezet per gesprek, zoals telefoon).
• DLCI (Data Link Connection Identifier): nummer dat de virtuele circuits op één fysieke verbinding onderscheidt; standaard enkel lokaal betekenisvol. Is het "label" van FR.
• CIR (Committed Information Rate): gegarandeerde snelheid die je met de provider afspreekt (plus burst/maximum).

Congestiebits in het LAPF-frame: DE (Discard Eligible, vergelijkbaar met CLP bij ATM: je zendt meer dan afgesproken, mag bij congestie weg) en FECN/BECN (melding van file bij een FR-switch; DTE's sturen dan minder).

MPLS (Multi Protocol Label Switching) werkt tussen laag 2 en 3 en is onafhankelijk van L2/L3-protocol (vandaar "Multi Protocol"). Het kent IP-pakketten een label met vaste lengte toe, zodat de core niet meer per hop een IP-routeringsopzoeking (longest prefix) doet maar enkel een snelle labelopzoeking. Voordelen: snelheid, QoS/traffic engineering, VPN's, en het vervangt duurdere ATM/FR-netwerken. Het is geen route-protocol; het gebruikt OSPF/BGP voor de topologie.

• Shim header (32 bit): Label (20 bit) + Exp/TC (3 bit, verkeersklasse/QoS) + BS/S (1 bit, bottom of stack: geen label meer volgt) + TTL (8 bit, zoals bij IP).
• Labels kunnen gestapeld worden (label stack), o.a. voor VPN's en tunnels.
• LSP (Label Switched Path): het vooraf vastgelegde pad (sequentie van LSR's) dat pakketten volgen. Unidirectioneel: terugverkeer krijgt een eigen LSP. Opzetten = network provisioning.
• LER (Label Edge Router): rand van het MPLS-netwerk, heeft poorten naar andere netwerken (Ethernet, FR, ATM), voegt labels toe (push) bij ingress en verwijdert ze (pop) bij egress.
• LSR (Label Switch Router): snelle router in de kern, swapt enkel labels. ATM-switches kunnen als LSR dienen zonder hardwarewijziging (label switching = VP/VC switching).

SD-WAN (Software Defined WAN) is een software-abstractie van het WAN: het netwerk wordt centraal gestuurd door een controller (control plane) los van de fysieke drager; je moet enkel de edge-router per site vervangen door een SD-WAN-appliance.

• Loskoppeling van de fysieke drager: een overlay over meerdere transporten tegelijk: goedkoop breedband/glasvezel, 4G/LTE/5G en MPLS.
• Realtime meting van kwaliteit per verbinding (delay, jitter, packet loss).
• Applicatiegestuurd (application-aware): voice/video krijgt de stabielste en snelste lijn, bulkverkeer de goedkope. Bij uitval of kwaliteitsdaling automatische failover.
• Centraal beheer en policies, zero-touch provisioning: nieuwe site = apparaat aansluiten, config komt van de controller.
• Waarom: MPLS is duur en traag te leveren; veel verkeer gaat nu naar cloud/SaaS i.p.v. naar het hoofdkantoor. Breedband is goedkoop maar onbetrouwbaar, SD-WAN maakt dat betrouwbaar genoeg.