WAN_Complexivo Julio 2014

REDES DE ÁREA EXTENDIDA

ING. PABLO HIDALGO L.

JULIO 2014

07/07/2014 1 Ing. Pablo Hidalgo L.

•Protocolos de Capa Enlace:PPP

•Conmutación en Redes de Datos

•Redes Conmutadas de Datos

PROGRAMA


PROTOCOLO PPP (Point to Point Protocol)

Conexión a Internet utilizando línea dial - up y protocolo PPP


PROTOCOLO PPP (Point to Point Protocol)

• Se creó como una alternativa al protocolo SLIP (Serial Line IP), con mayor funcionalidad, así como con la posibilidad de multiplexar protocolos de capa red diferentes y admitir diversos protocolos de autenticación.

• La mayor parte de conexiones a ISP utilizan PPP no sólo en las líneas dial up, sino en líneas entre routers.

• Permite al ISP implementar medidas de control de acceso para proteger a la red de usuarios no autorizados.

• Al contrario que SLIP (no es un estándar aprobado de Internet), PPP está definido en el RFC 1661 y se ha desarrollado más en otros RFC (ejm. RFC 1662, 1663 entre otros.)


PROTOCOLO PPP (2)

• Proporciona tres características:

– Un método para encapsular datagramas sobre líneas seriales, delimitando el inicio y fin de cada trama. El formato de trama también maneja detección de errores.

– Un protocolo de control de enlace (LCP – Link Control Protocol) para establecer, configurar, probar, mantener y terminar la conexión del enlace de datos.

– Una familia de Protocolos de Control de Red (NCP – Network Control Protocol): por cada protocolo de capa Red que los sistemas utilizan durante la sesión, realizan un procedimiento independiente de establecimiento de la conexión utilizando un protocolo de control de red.


Encapsulación PPP TCP/IP

Novell IPX

AppleTalk

Encapsulación de

protocolos múltiples

usando NCPs

• PPP puede llevar paquetes de varios protocolos mediante una familia

de Network Control Protocols (NCP) que negocian parámetros y

facilidades de configuración.

• PPP controla las opciones de establecimiento del enlace mediante el

Link Control Protocol (LCP).

Establecimiento y control

del enlace usando LCPs

PPP Características


Medio Físico

Sincrónico ó Asincrónico

Network Control Protocol (NCP) PPP Nivel

de

Enlace

Nivel

Físico

Nivel

de Red IPCP IPXCP Otros

IP IPX Protocolos de Nivel 3

Elementos de Niveles PPP

Link Control Protocol (LCP)

Autenticación y otras opciones


REQUERIMIENTOS DEL NIVEL FÍSICO

• Puede implementarse en cualquier tipo de interfaz serial DTE/DCE. (Ejm. EIA RS 232-C, EIA RS-422-A, EIA RS-423-A, V.35, etc.). Su único requerimiento es el de implementarse sobre un circuito full duplex, dedicado o conmutado.

• Puede operar en modo sincrónico o asincrónico

• Un acceso a Internet utilizando modem sobre línea telefónica dial up o dedicada y una conexión entre ruteadores son ejemplos típicos de enlaces seriales en los que se puede emplear PPP.

• El RFC 1661 define la trama básica utilizada por PPP para encapsular otros protocolos y transmitirlos a su destino.


FORMATO DE LA TRAMA PPP (1)

• Bandera: Utiliza el valor 7EH como delimitador de inicio y fin de trama. En enlaces sincrónicos orientados al bit emplea el mismo mecanismo de transparencia que HDLC. En enlaces asincrónicos para la transparencia reemplaza el octeto 7EH por la secuencia 7DH , 5EH. Si aparece 7DH en el campo de datos se lo reemplaza por 7DH , 5DH.


FORMATO DE LA TRAMA PPP (2) • Dirección (1 byte): Contiene el valor FFH e indica que el

paquete se destina a todas las estaciones.

• Control (1 byte): Contiene el valor 03H, que indica una trama no numerada, es decir que no contiene números de secuencia o acuses de recibo, pues PPP no lo utiliza.

• Protocolo (1 o 2 bytes): Contiene un código que indica el protocolo que ha generado la información del campo de datos. Los valores del intervalo 0xxx a 3xxx identifican protocolos de capa red; de 4xxx a 7xxx identifican protocolos de capa red de bajo volumen sin el correspondiente NCP; de 8xxx a bxxx identifican protocolos de capa red con NCP; y de cxxx a fxxx identifican protocolos de capa enlace y de autenticación como LCP, PAP y CHAP. Los códigos permitidos están especificados en el RFC 1700.


FORMATO DE LA TRAMA PPP (3)


FORMATO DE LA TRAMA PPP (4) • Datos: Contiene octetos de longitud variable hasta algún

máximo negociado durante el establecimiento del enlace.

El valor por defecto es 1500 bytes y se utiliza caracteres

de relleno en caso de que la información enviada sea más

pequeña que este valor.

• Suma de verificación (Checksum): Es de 2 bytes pero

puede negociarse a 4 bytes. Permite realizar la detección

de errores de transmisión y solicitar retransmisión. La

retransmisión es automática en caso de errores gracias a

temporizadores. Sólo si la trama llega bien el receptor

confirma para proseguir la comunicación. Utiliza CRC

calculada para toda la trama, excepto bandera y FCS.


LINK CONTROL PROTOCOL

• PPP utiliza LCP para negociar sus posibilidades durante el

establecimiento de la conexión.

• Los mensajes LCP se transportan en tramas PPP y

contienen opciones de configuración para la conexión.

• LCP entre otras cosas es el responsable de establecer el

enlace, negociar opciones de encapsulación, negociar el

tamaño de los paquetes que se van a transmitir, configurar

el protocolo de autenticación que se utilizará durante la fase

de autenticación, determinar cuando un enlace está

funcionando adecuadamente y cuando ha fallado, detectar

errores de configuración del enlace y terminar el enlace.


FORMATO DE UN PAQUETE LCP (1) • Código: Define la clase de paquete LCP. Si se

recibe un paquete con código inválido se envía un

paquete Code-Reject.

• Identificador: Contiene un número aleatorio que

permite asociar un pedido con una respuesta.

Cuando un extremo envía un paquete de pedido,

LCP coloca un número aleatorio en este campo; el

paquete de respuesta contendrá el mismo número.

Código Identificador Longitud Datos

1Bytes 1 2 Variable


FORMATO DE UN PAQUETE LCP (2)

• Longitud: Establece la longitud en octetos del paquete LCP. Permite determinar hasta que punto van los datos de LCP en el campo de datos del paquete PPP y distinguirlos de los caracteres de relleno que pueden existir.

• Datos: Contiene cero o más octetos según el tipo de paquete LCP.


FORMATO DE UN PAQUETE LCP (3)


Tipos de paquetes LCP (1)

Configure – Request: o Lo transmite quien desea iniciar la conexión.

o El campo de datos incluirá las lista de opciones de configuración del transmisor

Configure – Ack o Si todas las opciones listadas en el paquete de petición de

configuración son aceptadas por el receptor. Este Ack repite todas las opciones solicitadas.

Configure –Nak o Si el receptor del paquete de petición de configuración

reconoce todas las opciones pero encuentra que algunas debería ser omitidas o revisadas.

o El emisor debería omitir o revisar las opciones y enviar un nuevo paquete de petición de configuración.


Tipos de paquetes LCP (2) Configure – Reject

o Si algunas de las opciones no son reconocidas por el receptor, responde con un paquete de rechazo, marcando aquellas opciones que no ha reconocido.

o El emisor de la petición debería revisar el mensaje de petición de configuración y enviar uno nuevo.

Code – Reject o Usado si el campo de código no válido, se transmite al remitente.

o El campo de datos contiene una copia del paquete LCP rechazado.

Protocol – Reject o Usado si se utiliza un protocolo desconocido y se debe informar al

remitente.

o El campo de datos contiene en 2 bytes el campo de protocolo PPP del paquete que se está rechazando y una copia del paquete rechazado.



• Discard – Request

o Paquete de comprobación de bucle cerrado. Es utilizado por el

emisor para comprobar su propia condición de bucle cerrado. El

receptor del paquete simplemente lo descarta.

• Echo - Request

o Enviado para monitorear el enlace. Su objetivo es comprobar si el

enlace está funcionando.

• Echo - Reply

o Este paquete es enviado en respuesta a una petición de eco. El

campo de información en el paquete de respuesta de eco es

duplicado y enviado al emisor en el paquete de respuesta de eco.



Terminate – Request oCualquier parte puede finalizar el enlace enviando un

paquete de terminación del enlace.

Terminate – Ack oLa parte que recibe el paquete de petición de terminación

debería responder con un paquete de confirmación de terminación.

2


NETWORK CONTROL PROTOCOL (NCP)

• PPP define una familia de protocolos de Control

de RED encargados cada uno de ellos de

establecer y configurar un protocolo distinto de

capa red, a fin de que éstos puedan enviar y

recibir datagramas sobre un enlace serial.

• El NCP para el caso en que IP (Internet Protocol)

vaya a ser utilizado como protocolo de red se

denomina IPCP (Internet Protocol Control

Protocol)


PROTOCOLOS DE AUTENTICACIÓN (1)

• PPP puede requerir opcionalmente autenticación para

evitar accesos no autorizados, utilizando un protocolo

externo acordado durante el intercambio de mensajes LCP

y encapsulados en PPP.

• Usualmente se emplean dos protocolos:

– PAP (Password Authentication Protocol)

– CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol)

• PAP es el protocolo más débil de los dos.

• En PAP la autenticación se realiza mediante el intercambio

de dos mensajes de handshake, y transmite los nombres

de cuenta y passwords por el enlace como texto sin cifrar.


PROTOCOLOS DE AUTENTICACIÓN (2)

• Los sistemas en general emplean PAP cuando no tienen

en común ningún otro protocolo de autenticación.

• Los paquetes PAP tienen el valor c023 en el campo de

protocolo de la cabecera PPP y utilizan un formato similar

a LCP.

• CHAP es mucho más seguro que PAP porque utiliza una

autenticación de tres fases y nunca transmite los nombres

de cuenta y contraseñas sin cifrar.

• Los paquetes de CHAP tienen el valor c223 en el campo

de protocolo de la cabecera PPP y utilizan un formato

similar al de PAP.


ESTABLECIMIENTO DE UNA CONEXIÓN PPP (1)

• En el caso de un acceso a Internet mediante módem, antes de que un enlace se considere listo para su uso por los protocolos de capa red, una secuencia específica de eventos deben darse:

• Establecimiento de la conexión física: Primeramente se establece la conexión física entre el módem de la PC del usuario y el módem del ISP. El módem del usuario inicia la llamada. Cuando el modem del ISP contesta se establece la conexión física.

• Establecimiento del enlace y negociación de configuración: Se intercambian una serie de paquetes LCP en el campo de datos de la trama PPP, los cuales negocian opciones de la configuración del enlace. Una vez que se llega a un acuerdo en las opciones, se establece el enlace, pero aún no se lo habilita para uso de los protocolos de capa red.



• Autenticación: Esta fase es opcional. Cada extremo del

enlace se identifica con el extremo remoto, utilizando un

protocolo de autenticación acordado en la fase de

configuración del enlace mediante LCP. Si la autenticación

falla, el enlace se termina inmediatamente.

• Determinación de la calidad del enlace: Esta fase es

opcional. Aunque la opción permite que el emisor

especifique cualquier protocolo, solo se ha normalizado

Link Quality Report (protocolo de informe de calidad del

enlace). El proceso de negociación permite ponerse de

acuerdo a los sistemas en un intervalo para transmitir

estadísticas de tráfico y errores del enlace.



• Negociación de la configuración del protocolo de capa red: PPP admite el multiplexado de protocolos del nivel de red sobre una misma conexión.

Los sistemas realizan un procedimiento de establecimiento de conexión del nivel red para cada uno de los protocolos que han acordado utilizar durante la fase de establecimiento del enlace.

Cada protocolo de capa red posee para este propósito su propio protocolo de control de red (NCP), tal como el protocolo IPCP.



• Negociación de la configuración del protocolo de capa red (cont.): Durante un intercambio IPCP, los sistemas se indican sus direcciones IP y se ponen de acuerdo en la utilización o no de compresión de cabecera de Van Jacobson.

Asignada la dirección IP al usuario, éste puede enviar y recibir datagramas IP como si fuese una máquina permanentemente conectada a Internet.

IPCP también asigna al usuario las direcciones IP de uno o varios servidores de nombres (DNS) que deberá utilizar en la red del ISP.



• Terminación del enlace: Cuando el usuario ha

terminado su comunicación usualmente realizando un

pedido de desconexión o por causa de un evento

físico no previsto, IPCP se encarga de deshabilitar el

uso del protocolo IP y liberar la dirección IP asignada

al usuario.

A continuación, LCP termina el enlace y la

computadora indica al módem que libere la conexión

física de nombres (DNS) que deberá utilizar en la red

del ISP.



Enlace

inactivo

Establecimiento

del enlace

Terminación

del enlace

Enlace

activo

Autenticación

Configuración

del protocolo

del nivel de red

Iniciar

protocolo LQR

¿Autenticar?

¿Supervisar

Calidad del

Enlace?

No

Si

No Si

Incorrecta Correcta


CONMUTACIÓN EN

REDES DE DATOS

Redes Conmutadas • En general las líneas dedicadas o punto a punto no son

prácticas para interconectar un número importante de

usuarios, por lo que es necesario una red conmutada.

• En las redes de conmutación el número de líneas de

conexión para cada uno de sus usuarios se limita a 1.

• Las redes de conmutación pueden clasificarse como:

– Redes de conmutación de circuitos

– Redes de conmutación de paquetes, que incluyen las redes

de retransmisión de tramas, de celdas y de etiquetas.

• La mayor parte de redes de Área Extendida emplea

técnicas de conmutación.


Redes Conmutadas • Desde la invención del teléfono, la conmutación de circuitos ha

sido la tecnología dominante en las comunicaciones de voz.

• La conmutación de circuitos se desarrolló para tráfico de voz

pero también permite gestionar tráfico de datos, aunque para

este último caso usualmente resulta ineficiente.

• En conmutación de circuitos se establece un canal de

comunicaciones dedicado entre dos estaciones, reservándose

recursos de transmisión y de conmutación para uso exclusivo

de los usuarios de esa conexión.

• La conexión es totalmente transparente, esto es, una vez

establecida la conexión es como que los dispositivos

estuvieran directamente conectados.

• Los datos se encaminan al destino conmutándolos de un nodo

a otro nodo.


Redes Conmutadas

• Los nodos dentro de la red están conectados mediante

enlaces en distintas topologías. Algunos nodos pueden ser

internos y por tanto no conectarán estaciones.

• Los enlaces entre nodos están normalmente multiplexados,

utilizándose TDM, FDM o WDM.

07/07/2014 Ing. Pablo Hidalgo L. 33

Redes Conmutadas • De manera general la red no está completamente

conectada, esto es no existe un enlace directo entre cada

par de nodos.

• Sin embargo puede existir más de un camino para conectar

un par de estaciones, lo cual mejora la disponibilidad y

confiabilidad de la red.

• En redes WAN, la conmutación de circuitos y de paquetes

difieren en la forma en que los nodos conmutan la

información entre enlaces en el camino desde el origen

hasta el destino.

• Una red pública de telecomunicaciones se puede describir

en base a 4 componentes: Abonados, bucle local, Centrales

y líneas principales.


Conmutación de Circuitos • Antes de transmitir algún tipo de información, se

establece un camino de comunicación dedicado entre

dos DTEs.

• Se tienen tres fases: Establecimiento, Transferencia y

Desconexión del circuito.

• Los nodos deben disponer de la lógica para, en función

de la información de encaminamiento y de la

disponibilidad, realizar las reservas y elegir una ruta

hacia el siguiente nodo; este ciclo se repetirá de nodo a

nodo a través de toda la red.

• Normalmente la transferencia de datos se realiza a

través de comunicaciones Full-Duplex


Conmutación de Circuitos


Características - Conmutación de Circuitos • Eficiencia: Puede llegar a se bastante ineficiente, ya que la

capacidad del canal se debe reservar entre cada par de nodos y

cada nodo debe estar en capacidad de conmutar internamente,

aún cuando no se transfieran datos durante la conexión.

• En comunicaciones de voz la utilización del canal puede llegar a

ser bastante alta, no así en las comunicaciones de datos, por la

naturaleza del tráfico.

• Existe un retardo previo a la transferencia de datos, debido al

establecimiento de la llamada, aún cuando una vez establecida

la conexión la información se transmite a una velocidad fija, de

manera transparente, sin más retardo que el de propagación,

siendo despreciable la latencia introducida por cada nodo.

• Un ejemplo típico de una red de conmutación de circuitos es la

PSTN.



• Una red de conmutación de circuitos puede estar

conformada por uno o más nodos de conmutación.

• El nodo de conmutación básicamente está

conformado por:

– Conmutador digital: su función es proporcionar una ruta

transparente entre cualquier par de dispositivos conectados

– Unidad de control: se encarga de establecer (generalmente

bajo demanda), mantener y liberar la conexión.

– Interfaces de Red: incluye las funciones y hardware

necesario para conectar dispositivos o líneas principales a

otros conmutadores digitales..




Conmutación de Circuitos • Una característica importante de un nodo, se refiere a si es

bloqueante o no bloqueante.

• El bloqueo ocurre cuando la red no puede conectar a dos

estaciones, debido a que todos los posibles caminos entre ellas

están ocupados.

• Una red bloqueante es aquella en la que es posible el bloqueo.

• Una red no bloqueante permite que todas las estaciones se

conecten simultáneamente, garantizando todas las solicitudes de

posibles conexiones siempre que el destino esté libre.

• Una red bloqueante es generalmente aceptada cuando sólo

admite tráfico de voz (la mayor parte de llamadas son de corta

duración y no ocupan permanentemente la red).

• Para aplicaciones de datos se requiere una red no bloqueante ó

con muy baja probabilidad de bloqueo. 07/07/2014 Ing. Pablo Hidalgo L. 40


• Un conmutador por división de espacio es aquel en el que las rutas

de señal que se establecen son físicamente independientes entre

si.

• Está constituido por una matriz de conmutación cuyos puntos de

conexión están controlados por una unidad de control.

• Con el propósito de disminuir el número de puntos de conexión e

incrementar la eficiencia se emplean conmutadores multietapa.


Conmutación de Circuitos • Un conmutador multietapa requerirá un esquema de control más

complejo que el de una sola etapa.

• Un conmutador de una única etapa es no bloqueante, en tanto que el de

múltiples etapas será bloqueante, a menos que se incremente el número

o tamaño de los conmutadores intermedios.


Conmutación de Circuitos • La conmutación temporal permite el intercambio de bits entre dos

diferentes intervalos de tiempo, que pertenecen a un flujo de bits

de mayor velocidad.

• Por ejemplo permiten intercambiar intervalos de tiempo de 64 kbps

dentro de un bus TDM del tipo E1 (2 Mbps), bajo el comando de

una unidad de control.

• La lógica de control permite conmutar los datos del intervalo de

tiempo hacia otro intervalo de tiempo determinado, a través de un

bus del tipo full - duplex.

• Los dispositivos conectados al bus consiguen una operación full

duplex transmitiendo durante una ranura asignada y recibiendo

durante otra.


WCB/McGraw-Hill The McGraw-Hill Companies, Inc

TDM con Conmutación Temporal


Conmutación de Paquetes • En una red de conmutación de circuitos, para comunicaciones de

voz, el circuito establecido, alcanza un alto porcentaje de

utilización, ya que sus usuarios están hablando la mayor parte

del tiempo.

• Para el transporte de datos, la red de conmutación de circuitos

presenta dos problemas:

– La línea no se halla utilizada la mayor parte del tiempo, por lo que

su utilización resulta ineficiente.

– La conexión ofrece una velocidad de datos constante, lo cual limita

la utilización de la red para la interconexión de distintos dispositivos

terminales de usuario.

• La conmutación de paquetes da respuesta a estos

problemas.


Conmutación de Paquetes • En la conmutación de paquetes los datos se

transmiten en paquetes cortos, por lo que si se debe

enviar un mensaje largo (de tamaño mayor al

permitido), éste se fragmentará en una serie de

paquetes.

• A cada paquete se añade información de control que

permite realizar el encaminamiento de los paquetes a

través de la subred de comunicaciones. En cada

nodo de la ruta, el paquete se recibe, se almacena

temporalmente, hasta que el camino que lleva al

siguiente nodo se encuentre disponible y se lo envía

hacia éste. 07/07/2014 46 Ing. Pablo Hidalgo L.

Características - Conmutación de Paquetes • La eficiencia de la línea es superior, ya que un único enlace entre

dos nodos se puede compartir dinámicamente entre varios

paquetes: los paquetes pueden formar una cola y se transmitirán

sobre el enlace tan rápidamente como sea posible.

• Se puede realizar una conversión en la velocidad de datos. Dos

estaciones de diferentes velocidades pueden intercambiar

paquetes ya que cada una se conecta a su nodo a su propia

velocidad.

• La red no se bloquea cuando se incrementa el tráfico como sucede

en la conmutación de circuitos; sólo se incrementa el retardo.

• Se puede hacer uso de prioridades, de modo que si un nodo tiene

varios paquetes en cola, éste puede transmitir primero aquellos con

mayor prioridad.


Conmutación de Paquetes

• En una red de conmutación de paquetes el funcionamiento

interno puede basarse en dos tecnologías:

– Datagramas, cada paquete es transportado por la red de

forma independiente de los otros. Paquetes pertenecientes al

mismo mensaje pueden viajar por caminos diferentes. El nivel

de transporte tiene la responsabilidad de reordenar los

datagramas y recuperar los paquetes perdidos.

– Circuitos virtuales, se establece conexión y después se

envían todos los paquetes de los mensajes por el mismo

camino.

• Circuito virtual conmutado (SVC), se establece temporalmente la

sesión para enviar y luego se desconecta el circuito virtual.

• Circuito virtual permanente (PVC), es como un línea dedicada.



D

A

T

A

G

R

A

M

A

S


C

I

R

C

U

I

T

O

S

V

I

R

T

U

A

L

E

S

Conmutación Circuitos vs. Paquetes


Utilización de Circuitos Virtuales



C

O

M

P

A

R

A

C

I

O

N

Conmutación de paquetes

• La conmutación de paquetes se puede implementar

en las siguientes arquitecturas de Red:

– X.25

– Frame Relay

– Modo de Transferencia Asincrónico (ATM)

• En X.25 y Frame Relay los paquetes y las tramas

tienen longitud variable.

• En ATM las celdas son de longitud fija (53 bytes)


REDES FRAME RELAY

Tecnologías disponibles previas a Frame Relay (1)


Tecnologías disponibles previas a Frame Relay (2)

• La transferencia de datos entre dos sistemas se puede realizar mediante líneas dedicadas o empleando conmutación.

• Con líneas dedicadas se puede disponer desde bajas hasta altas velocidades (Gbps). Los costos son altos porque se dispone del enlace permanentemente.

• Conmutación puede permitir un uso más eficiente de los recursos a un menor costo.

• TDM asigna un ancho de banda fijo, el cual no puede ser utilizado por otro usuario a pesar de que no esté siendo utilizado.

• TDM resulta más caro que tecnologías de conmutación de paquetes.


TECNOLOGÍAS ACTUALES

• Tecnologías de alta velocidad y poco retardo

• Bajo costo

• Reducción dramática de cabeceras y

procesamiento

• Se requieren redes confiables y dispositivos

de acceso inteligentes

• Soluciones: Frame Relay, ATM, MPLS.


FRAME RELAY: CARACTERÍSTICAS

• Tecnología de red orientada a conexión, basada en conmutación de paquetes y multiplexaje estadístico.

• Se reduce el procesamiento en cada nodo de conmutación:

– Establecimiento del circuito virtual a nivel de capa 2.

– No hay mecanismos de recuperación de errores, ni control de flujo.

• Se provee mayores velocidades y menores retardos.

• Mientras que X.25 se implementa sólo a velocidades debajo de 64 kbps, FR se implementa a velocidades que van desde algunos kbps hasta 2 Mbps o posiblemente mayores.


FRAME RELAY: ESTÁNDARES • Se encuentra estandarizado tanto por el ANSI como por la UIT-T.

Los estándares ANSI son T1.606, T1.618, T1.617, mientras que los correspondientes de la UIT-T son I.233, Q.922 y Q.933.


ELEMENTOS DE UNA RED FRAME RELAY


Beneficios de FR sobre otras tecnologías (1)

• Bajo costo para el usuario en relación a líneas

dedicadas: comparte el canal entre varios

usuarios y requiere menos hardware (tarjetas

del router y DCU/CSU).

• Estándares ampliamente aceptados que

permiten una arquitectura abierta e implementar

el servicio plug-and-play.

• Bajo overhead, combinado con una alta

confiabilidad: mayor parte de la trama se utiliza

para datos de usuario (alta eficiencia).


Beneficios de FR sobre otras tecnologías (2)

• Escalabilidad de la red, flexibilidad y

recuperación de errores.

• Las adiciones y cambios en la red son

transparentes al usuario.

• Se tiene la posibilidad de rutas alternas de ruteo.

• Internetworking con otros servicios y

aplicaciones, como ATM.


Frame Relay: Correcta mezcla de tecnologías

• Frame Relay combina la multiplexación estadística y las características de compartición de puertos de X.25 con las características de alta velocidad y bajo retardo de la tecnología TDM.

• Frame Relay elimina por completo el procesamiento a nivel de capa 3, incrementando notablemente el rendimiento de la red.


FUNCIONAMIENTO DE FRAME RELAY (1)

• FR asume el uso de enlaces digitales confiables, tales como fibra óptica, por lo cual no provee mecanismos de corrección de errores dentro de la red.

• FR permite realizar detección de errores, de forma que las tramas con bits errados e información inválida de ruteo puedan ser detectadas y descartadas.

• Los puntos extremos de una conexión son responsables de detectar tramas perdidas e iniciar retransmisión cuando se requiera. La retransmisión está a cargo de protocolos de más alto nivel.



• FR a pesar de que no realiza control de flujo, provee mecanismos que permiten alertar al dispositivo del usuario, que los recursos de la red están cerca de llegar a un estado de congestión.

• FR es una tecnología basada en conmutación de paquetes y muy similar a ATM. Los segmentos de información de FR se denominan tramas. La principal diferencia entre las dos tecnologías es la longitud variable de las tramas en FR comparado con el tamaño fijo de las celdas en ATM.

• FR ofrece dos tipos de conexiones:

– Circuitos Virtuales Permanentes (PVC)

– Circuitos Virtuales Conmutados (SVC)


Frame Relay y el modelo OSI



• Varias conexiones virtuales pueden compartir un mismo medio físico de transmisión. La capacidad de transmisión disponible puede ser utilizada por cada conexión virtual hasta el límite físico (ancho de banda bajo demanda).

• El ancho de banda que no es utilizado por una conexión virtual puede ser utilizado por otras conexiones virtuales (multiplexaje estadístico).

• El multiplexaje estadístico de varias conexiones, resulta adecuado en la interconexión de LANs debido a la naturaleza “bursty” del tráfico.


Formato de la Trama Frame Relay (1)

Bandera

DLCI C/R EA

DLCIFE

CN

BE

CNDE EA

Datos

FCS

Bandera

1 8Bits

Campo de

Direcciòn



• En este formato no se establece una longitud máxima de trama, pero debe ser un múltiplo entero de octetos (se dice que la trama está alineada a octeto). Las tramas llevan tanto información de ruteo y datos de usuario. La trama está formada por los siguientes campos:

• Bandera: Delimita el inicio y fin de trama. La bandera consiste del octeto 01111110. Entre tramas consecutivas solo se utiliza una bandera.

• Dirección: Puede ser de 2 o más octetos. Está formado por varios subcampos:


• DLCI (Data Link Connection Identifier): Generalmente

formada por 10 bits. FR permite realizar multiplexación a

nivel de capa 2. El DLCI identifica el canal lógico al que

pertenece cada trama y por lo tanto permite su ruteo.

Los DLCI cambian a través de la red, de conmutador a

conmutador, para un mismo PVC. Un DLCI solo tiene

significado local para cada enlace. Con 10 bits se podría

tener hasta 1024 PVCs, sin embargo, algunos están

reservados para propósitos especiales. Los 4 bits del

segundo octeto son los menos significativos.

• C/R (Command / Response): Especificado por la

aplicación, no modificado por la red.



DLCI (Data Link Connection Identifier) (1)


DLCI (Data Link Connection Identifier) (2)


• EA (Extension Address): Puesto que se permiten más de

dos octetos en el campo de dirección. Si EA=0, indica

que existe un siguiente byte detrás de él. Si EA=1, indica

que es el último byte del campo de dirección.

• FECN (Forward Explicit Congestion Notification): Bit de

notificación de congestión en el sentido de la

transmisión.

• BECN (Backward Explicit Congestion Notification): Bit de

notificación de congestión en el sentido contrario a la

transmisión.




• DE (Discard Elegibility): Si DE = 1 indica que la trama es elegible para ser descartada en caso de congestión.

• Datos de usuario (Payload): Su longitud máxima no está definida. Normalmente los operadores de redes FR la sitúan alrededor de 1600 bytes. Este campo está alineado a octeto, es decir se exige al usuario del servicio que entregue un número entero de octetos. El payload es transportado transparentemente, permitiendo el transporte de protocolos existentes de capas superiores.

• FCS (Frame Check Sequence): Suma de verificación CRC para detectar errores de transmisión, X16 + X12 + X5 +1


Parte inferior del DLCI

o control DL central D/C

EA

1

Parte inferior del DLCI

o control DL central D/C

EA

1

Parte inferior

del DLCI


FE

CN

BE

CN DE

EA

1

Parte superior del DLCI C/R EA

0

DLCI FE

CN

BE

CN DE

EA

0


0

Parte inferior del DLCI EA

0

DLCI FE

CN

BE

CN DE

EA

0


0

Campo de dirección de 2 bytes



D/C= 0 =>DLCI

D/C= 1 =>Control


Parámetros de una Conexión Frame Relay (1)



• Los parámetros están definidos en la recomendación UIT-T I.233 para la administración de recursos de conexiones virtuales individuales:

1. Access Rate: Velocidad del canal de acceso del usuario de la red de datos. Máxima velocidad que el usuario puede disponer.

2. Commited Information Rate (CIR): La velocidad de transmisión de datos promedio a la cual la red está obligada a transmitir en condiciones normales.

3. Commited Burst Size (Bc): La máxima cantidad de datos (bits) que la red se compromete a transmitir durante un intervalo de tiempo definido Tc. Se cumple:

Bc = CIR * Tc



4. Excess Burst Size (Be): La máxima cantidad

permitida de datos que pueden exceder Bc durante el

intervalo de tiempo Tc. La distribución de estos datos

(Be), no está garantizada. Aquellos datos que superen

Bc + Be se descartan incondicionalmente. Bc y Be

generalmente se miden en Megabytes o kilotramas.

5. Commited Rate Measurement Interval (Tc):

intervalo de tiempo durante el cual el usuario está

permitido transmitir Bc+Be.

6. Excess Information Rate (EIR): Es la tasa de

transmisión sobre el CIR, que la red intentará transmitir.



7. Discard Eligibility indicator (DE): Es el bit del header Frame Relay que se emplea para marcar las tramas que en condiciones de congestión deben ser descartadas para mantener el CIR.

• Estos parámetros son definidos por suscripción o vía señalización y son controlados en la interfaz usuario-red, para cada circuito virtual, a fin de que los usuarios se ajusten a los parámetros que han negociado.



VELOCIDAD COMPROMETIDA VERSUS TIEMPO

COMMITED BURST SIZE

LLEGADA DE DATOS / Tc

(Bits/Tc)

Y

X

TIEMPO (SEGUNDOS) Tc COMMITED RATE

MEASUREMENT INTERVAL



VELOCIDAD COMPROMETIDA MAS EXCEDIDA VERSUS TIEMPO

Be

Bits

Tc



LLEGADA DE DATOS DEL USUARIO VERSUS TIEMPO





• El bit DE es activado (DE = 1) por la red en tramas que superen el valor Bc (es decir aquellas que pertenezcan a Be), para indicar que esas tramas deberían ser descartadas en preferencia a otras, si es necesario. Un usuario también puede marcar este bit para indicar la importancia relativa de una trama respecto a otras. Las tramas debajo del CIR acordado no son elegibles para ser descartadas (DE = 0).

• Un usuario puede optimizar cada conexión virtual para el tráfico a ser llevado escogiendo valores adecuados de CIR y Be. Adicionalmente el usuario puede activar el bit DE de acuerdo a la importancia relativa de las tramas respecto a otras.



• Un nodo FR se encarga de efectuar las siguientes funciones:

– Chequear si el DLCI es correcto (el DLCI es la información de ruteo).

– Chequear si las tramas están dentro del CIR para ese PVC, si no activar el bit DE.

– Chequear si existe congestión (buffer de salida más allá de un cierto nivel). Si existe, y la trama tiene el bit DE activo, descartar la trama. De otra forma colocarla en el buffer de salida para ser enviada al siguiente nodo de la red.


Mecanismos de Notificación de

congestión (1)


Mecanismos de Notificación de

Congestión (2)

• La notificación de congestión empieza cuando el tráfico entrante de datos en la red crece.

• En el punto A el throughput de datos que ha venido creciendo se frena.

• Si la cantidad de datos que siguen entrando en la red va creciendo, se llegará al punto B en el cual la red empieza a descartar tramas, disminuyendo el throughput de datos.


Notificación Explícita de Congestión (1)

• En la red las tramas son enviadas desconociendo el estado de congestión de la misma. Si se transmiten tramas sobre la capacidad comprometida de la red Bc, las tramas serán susceptibles de descarte en función de la congestión.

• La red notifica el aumento de la probabilidad de descarte de tramas mediante los bits FECN y BECN. Se requiere que los terminales actúen de forma coherente y reduzcan el tráfico enviado a la red, porque de lo contrario las tramas de usuario que superen Bc están en peligro de ser descartadas en nodos congestionados.

• La congestión es unidireccional, pues puede haber caminos distintos para los dos sentidos de la transmisión y mientras un camino puede estar sufriendo problemas de tráfico, el otro puede no tenerlo.


Notificación Explícita de Congestión (2)


Notificación Explícita de Congestión (3) • Los bits FECN y BECN notifican congestión hacia los dos

extremos de una conexión de la siguiente forma:

– Un nodo que decide si un PVC (o SVC) está congestionado, activa el bit FECN de 0 a 1 en todas las tramas enviadas en el sentido de la transmisión (en la dirección en que la congestión es vista para esa conexión). La red también identifica las tramas de esa conexión que circulan en sentido contrario activando el bit BECN.

– Se notifica al destino la existencia de congestión para que esté consciente de que se pueden estar perdiendo tramas que tienen marcado el bit DE = 1, y debido al control de flujo, ya que algunos protocolos de capa superior pueden implementarlo.


Notificación Implícita de Congestión (1)

• Existe la posibilidad de emplear notificaciones

implícitas entre FRADS en donde no interviene la red.

• Los FRADs reciben notificaciones para bajar su

throughput.

• Algunos protocolos de capas superiores, como TCP,

operando en los dispositivos terminales tienen una

forma implícita de detección de congestión.

• Estos protocolos pueden deducir que la congestión

está ocurriendo por el aumento en el retardo de ida y

vuelta o por la detección de tramas perdidas por

ejemplo.


Control de Congestión (1)

• Los estándares Frame Relay establecen que el

dispositivo de usuario debe reducir su tráfico en

respuesta a una notificación de congestión.

• Si el dispositivo de usuario es incapaz de

responder a los mecanismos de señalización,

éste podría simplemente ignorar las señales de

congestión y continuar transmitiendo datos a la

misma velocidad que antes.


Control de Congestión (2)

• Si una congestión causa sobrecarga, un mayor

número de tramas serán descartadas.

• Esto alargará los tiempos de respuesta y

reduce el rendimiento total de la red, pero la

red no caerá.

• Cuando ocurre congestión, los nodos deben

decidir cuáles tramas deben descartar,

mediante el bit DE.


CONTROL DE CONGESTIÓN (3)

a) TODAS LAS TRAMAS DENTRO DEL CIR



b) UNA TRAMA MARCADA CON EL INDICADOR "DE"



c) UNA TRAMA MARCADA CON EL INDICADOR

"DE" Y UNA TRAMA DESCARTADA


Manejo del tráfico en el FRAD


Sobresuscripción (1)


Sobresuscripción (2)

• El valor de CIR debería ser el throughput garantizado.

• Si un puerto físico posee varios PVCs el CIR es

asignado para cada PVC.

• Si la suma de los valores de CIR es mayor que la

velocidad de acceso, se ha producido una

sobresuscripción.

• Los proveedores de servicio pueden manejar la

sobresuscripción considerando que el valor del CIR no

va a ser alcanzado simultáneamente por todos los

PVCs.


Control de Tráfico en Frame Relay

• Frame Relay puede definir parámetros para control de tráfico (traffic

shaping y traffic policing), los cuales se desarrollan en base al CIR y

EIR.

– El Traffic Shaping (X) vigila que el tráfico inyectado no sobrepase los valores especificados de CIR (o CIR + EIR). En ningún caso estaría justificado superar el CIR+EIR pues ese tráfico se perdería.

– El Traffic Policing (A) adopta medidas cuando se sobrepasen dichos caudales. Las tramas que superen el CIR serán marcadas el bit DE, mientras que las que superen el CIR+EIR serán directamente descartadas.

• Tanto el Traffic Shaping como el Traffic Policing se realizan en los puntos de entrada a la red, no en los de salida.


Switch

FR

Switch

FR

Línea de acceso

2048 Kb/s

PVC

CIR 1024 Kb/s

EIR 384 Kb/s

El router hace

Traffic Shaping

El switch ejerce

Traffic Policing

Switch

FR

A

B

C X

Y

Z

Línea de acceso

2048 Kb/s

PVC

CIR 1024 Kb/s

EIR 384 Kb/s


• Cuando un host inyecta tráfico a través de un circuito virtual en

una red FR, el conmutador que le da acceso, reserva para esa

conexión dos buffers de capacidades Bc y Be.

• En principio el conmutador va colocando en el buffer Bc las

tramas recibidas y las transmite a la red con un caudal igual al

CIR.

– Si el buffer Bc se llena (porque las tramas llegan con un caudal

superior al CIR) las tramas excedentes se colocan en el buffer Be,

del cual se envían a la red con un caudal igual al EIR. Estas

tramas salen a la red con el bit DE puesto a 1.

– Si el buffer Be también se llena, las tramas excedentes son

descartadas.


DE=1

Bc = CIR * t

Be = EIR * t

DE=0

Tramas enviadas por

el host con DE=1

CIR

EIR

Tramas que desbordan

la capacidad del

recipiente Be

Tramas enviadas por

el host con DE=0

Tramas que desbordan la

capacidad del recipiente Bc

Descartar

Estado de las conexiones (1)

• Éstos son parámetros opcionales. Es posible

implementar una red Frame Relay y transportar

datos sin implementar estos parámetros.

• Permiten interactuar al dispositivo de usuario con la

red para conocer el estado de las conexiones de la

red.

• Esta información del estado es conseguida a través

del uso de tramas especiales de administración con

una dirección DLCI única, que pueden ser

transferidas entre la red y el dispositivo de acceso.



• La señalización entre el dispositivo de usuario y la red

se lo hace usando DLCIs específicos:

• Uso de los DLCIs según ANSI/CCITT (dos octetos de

dirección):

• 0: Canal LMI, usado para llevar mensajes de LMI que determinan

la integridad del enlace y señalización de llamadas

• 1-15: Reservado para uso futuro

• 16-991: Disponible para uso en circuitos virtuales (PVCs y SVCs)

• 992-1007: Usado para administración de capa 2

• 1008-1022: Reservado para uso futuro

• 1023: Administración


• El mecanismo de estado de conexión es denominado Local Management Interface (LMI). Actualmente existen tres versiones de la especificación LMI:



• Estas tramas controlan el estado de la

conexión y proveen la siguiente información:

o Si el interfaz se encuentra activo, en cuyo caso

se lo llama “keep alive”.

o El DLCI válido definido para ese interfaz.

o El estado de cada circuito virtual, por ejemplo: si

éste se encuentra congestionado o no.



• Para superar el inconveniente de las conexiones NNI,

se especificaron dos recomendaciones.

– Anexo D de la recomendación ANSI T1.617

– Anexo A de la recomendación ITU-T Q.933

• LMI utiliza el DLCI 1023 para administración

• Anexo A y Anexo D usan el DLCI 0 para administración

• En este caso, los dos participantes pueden solicitar

Status Enquiry y el lado contrario debe responder con

un Status. O cuando se solicite un Full Status Enquiry,

se responderá con un Full Status.







IMPLEMENTACIÓN DE FRAME RELAY (1)

• Hoy en día se provee el servicio FR a través de PVC.

• A cada extremo de un PVC, el usuario puede colocar un

puerto de computadora con soporte FR, un FRAD, o un

puente/ruteador LAN.

• Un FRAD (Frame Relay Access Device), también conocido

como un ensamblador/desensamblador FR, permite a

estaciones finales que no poseen soporte nativo para FR

(Ejm. terminales de voz, vídeo, ciertos ruteadores, PCs,

etc.), comunicarse entre si usando los servicios de una red

FR. Los FRADS operan en pares, uno en cada extremo de

la red FR.


IMPLEMENTACIÓN DE FRAME RELAY (2)

Frame

Relay

M

U

X

Frame

Relay

M

U

X

FRAD FRAD

Red FR

V.35

Nx64

V.35

Nx64

• Las estaciones finales se conectan a los FRADs usando por ejemplo SDLC, ASYNC, BSC o protocolos de LAN, los cuales vía la conexión de red FR permiten la comunicación extremo a extremo. El número de DLCIs activos entre dos FRADs depende de la implementación.


Aplicación #1:

Interconexión entre Redes LAN

• En una solución tradicional la interconexión

entre LANs a través de una WAN puede

resultar bastante costosa.

• Debido a que el costo de las líneas privadas

depende de la distancia, el precio de la red

crece a medida que la dispersión geográfica

se incrementa.


Aplicación #1:




• Los cambios dentro del diseño de la red

normalmente requieren reconfiguraciones

físicas adicionales a los cambios de software.

• Solución: Usar Frame Relay para la

interconexión LAN.


Frame Relay para interconexión LAN


Aplicación # 2: VoFR

• Ofrece a los administradores de

telecomunicaciones la oportunidad de

consolidar voz y datos en la banda de voz

(ejm: fax, y modems análogos) con los

servicios de datos sobre la red Frame Relay.


Voz sobre Frame Relay (VoFR)





• A diferencia de la mayoría de tipos de datos

que pueden tolerar retardos, la voz debe ser

manipulada en tiempo real

• Hasta algún poco tiempo empaquetar voz para

su transmisión era inalcanzable debido a los

requerimientos de ancho de banda y los

retardos de transmisión asociados con las

redes basadas en paquetes.


Voz sobre Frame Relay (VoFR) • Un análisis de una muestra de voz representativa

presenta que solo el 22% de un diálogo típico

contiene componentes esenciales del habla que

deben ser transmitidos para una claridad de voz

completa.



• Es posible el empaquetamiento de voz

usando un mínimo de recursos de la red,

analizando y procesando solo las

componentes esenciales para las muestras de

voz.

• En lugar de intentar digitalizar toda la muestra

de voz con todas sus pausas y patrones

repetitivos asociados.


Voz sobre Frame Relay (VoFR) Codec y bit rate

(kbps)

Tamaño de la

muestra

(bytes)

Mean Opinion

Score (MOS/5)

Payload de

voz (bytes)

Payload de

voz (ms)

Paquetes por

segundo

(PPS)

G.711 (64) 80 4.1 160 20 50

G.726 (32) 20 3.85 80 20 50

G.726 (24) 15 60 20 50

G.728 (16) 10 3.61 60 30 34

G.729 (8) 10 3.92 20 20 50

G.723.1 (6.3) 24 3.9 24 30 34

G.723.1 (5.3) 20 3.8 20 30 34

Tabla comparativa de algoritmos de codificación de voz 07/07/2014 124 Ing. Pablo Hidalgo L.


• El tráfico de voz es muy sensible al retardo.

• Para tener una buena calidad de voz, el retardo debe ser menor a 150 ms (ITU G.114).

• Una parte importante del retardo se debe a la serialización del interfaz (relación entre el tamaño del frame y la velocidad del enlace). Ejm. un paquete de 1500 bytes toma 214 ms en transmitirlo desde un router a 56 kbps.

• Retardos grandes no son aceptados para tráfico de voz, por lo que sus paquetes deben ser fragmentados.


Voz sobre Frame Relay (VoFR) • Los frames de datos y voz pueden ser llevados juntos

en enlaces de baja velocidad sin causar retardos excesivos en el tráfico de voz.

• Se recomienda que el retardo de serialización sea de 10 a 15 ms, para asegurar un mínimo de retardo y jitter para los paquetes de voz.

• El tamaño del fragmento se recomienda que sea de aproximadamente 80 bytes por cada 64 kbps.

• A medida que la velocidad del enlace aumenta se incrementará el tamaño del fragmento (por ejem. se recomienda fragmentos de 1000 bytes para enlaces de 768 kbps y con ello se asegura una serialización de 10 ms.)


Interfaces para dispositivos de voz

en una red de datos

• Interfaz FXS (Foreign eXchange Station) : Se

emplea para conectar a un dispositivo de red,

como un router, un teléfono analógico común o

un fax. El puerto FXS actúa como una Central

Office (CO), puede generar timbrado y detectar

una condición off-hook/on-hook en un equipo

terminal asociado. Un puerto con FXS debe ser

conectado a un equipo que pueda detectar o

recibir tono.


Interfaces para dispositivos de voz

en una red de datos • Interfaz FXO (Foreign eXchange Office) : Actúa como

un teléfono convencional, puede generar señales off-

hook/on-hook y detectar un timbrado proveniente del

dispositivo asociado (CO o lado estación de una

PBX). El puerto FXO en lugar de proporcionar la

señalización y el voltaje, necesita de un equipo

básico de telefonía. Un puerto con FXO debe ser

conectado a un dispositivo que pueda generar tono

(ej: línea de la PSTN, línea de una central PBX,

puerto con FXS).


REDES ATM

ORIGEN DE ATM • Es una moderna tecnología de red orientada a conexión, que

se emplea tanto en redes públicas o privadas LAN y WAN.

• Permite el transporte a alta velocidad de múltiples tipos de tráfico, tales como: voz, vídeo y datos.

• Se desarrolló como la base sobre la cual se implementa B-ISDN (Broadband-ISDN). B-ISDN es un sistema capaz de proporcionar velocidades de transmisión superiores a las velocidades primarias de ISDN (1,5 o 2 Mb/s).

• Una red ATM consiste de uno o más conmutadores (switches) de alta velocidad a los que se conectan: hosts, ruteadores y otros conmutadores ATM, mediante enlaces punto a punto.

• Sus enlaces generalmente utilizan fibra óptica.


Por qué ATM? • Escalabilidad en función de la distancia

– Local Area Networks

– Metropolitan Area Networks

– Wide Area Networks

• Escalabilidad en la velocidad

– Opera en diferentes capas físicas

• Múltiples tipos de Tráfico

– Voz (sensible al retardo)

– Datos (menos sensible)

– Video (gran ancho de banda)


ATM Technology

• Negotiated Service Contract

– Connection Oriented

– End-to-End Quality of Service

• Cell Switching

– 53 Byte Cell

– 48 Byte Payload, 5 Byte Header


ATM System Architecture

• Adaptation Layer (AAL): Inserts/extracts information

into 48 byte payload

• ATM Layer: Adds/removes 5 byte header to payload

• Physical Layer: Converts to appropriate electrical or

optical format

End Station End Station Switch

Voice

Data

Video

A

A

L

P

H

Y

P

H

Y

A

T

M

P

H

Y

A

T

M

P

H

Y

A

T

M

A

A

L

Voice

Data

Video

Cells


Conceptos Básicos de ATM

• Conexiones de Servicios Negociadas – Conexiones End-to-end

denominadas circuitos virtuales

– Garantiza al usuario a recibir un servicio por el cual está pagando

• Basada en conmutación – Capacidad dedicada

– Minimiza el retardo

• Basada en Celdas – De tamaño pequeño y longitud fija


Características de ATM • Orientada a conexión: antes del intercambio de datos se

debe negociar una conexión.

• Se basa en conmutación de paquetes y circuitos, aun cuando no establece una conexión transparente extremo - extremo .

• Transporte no confiable – Las celdas se pueden perder

– Las celdas son entregadas en orden

• Corrección mínima de errores (sólo de un bit errado de la cabecera) – Detección y corrección de errores (datos) se deja a las

estaciones terminales.

• Independiente del medio físico: opera sobre múltiples medios de transmisión.

• Permite interconectividad con otros tipos de red


INTERFACES EN ATM (1)

• En una red ATM se definen dos tipos de interfaces: UNI (User to Network Interface) y NNI (Network to Network Interface).

• La interfaz UNI se ubica entre el equipo del usuario (Ejm. host o ruteador) y el conmutador ATM, o entre conmutadores de una red privada y una red pública.

• La Interfaz NNI se ubica entre conmutadores ATM de una misma red ATM pública o privada.

• El principio básico de ATM es la transmisión de la información en paquetes de pequeño tamaño denominados celdas.



Topología de una red ATM

Ruteador

NNI NNI

UNI

Red Privada Red Pública

UNI

UNI

UNI

LAN switch Workstations Servidores

Conmutador

ATM




Tecnología ATM • ATM es una tecnología asincrónica de transmisión, con

notables diferencias en relación a tecnologías sincrónicas, tales como: sistemas portadores T1/E1 y jerarquías superiores, basadas en la técnica de multiplexación por división de tiempo (TDM).

• ATM al ser asincrónica, asigna los slots de tiempo bajo demanda. Esto permite a una estación transmitir celdas cuando sea necesario hacerlo. Cada celda posee información de identificación en su cabecera que permite identificar la fuente de la cual proviene.

• Debido a su naturaleza asincrónica, ATM es más eficiente que las tecnologías sincrónicas tal como TDM.


TECNOLOGÍAS SINCRÓNICAS - TDM


TECNOLOGÍA ASINCRÓNICA - ATM


Estructura de la celda ATM (1) • Tamaño pequeño

– Header: 5 Bytes

– Payload: 48 Bytes

• Tamaño fijo

• El header contiene entre otros datos la información del circuito virtual.

• El payload puede ser voz, vídeo y otro tipo de datos.

Payload Cabecera

5 bytes 48 bytes

53 bytes

Formato de una celda ATM


Estructura de la celda ATM (2) • Por qué celdas de tamaño pequeño?

– Tamaño reducido disminuye los efectos de la paquetización

por tráfico continuo.

– Celdas pequeñas y pequeños buffers reducen los retardos en

la entrega.

• Por qué celdas fijas?

– Celdas de tamaño fijo reducen el overhead por celda

– Celdas de tamaño fijo simplifican los equipos.

• Por qué 53 bytes?

– USA quería un payload de 64 bytes por eficiencia

– Europa quería un payload de 32 bytes para eliminar la

necesidad de cancelación de eco.


CONEXIONES EN ATM (1)

• Una red ATM es orientada a conexión; por tanto se requiere de etapas de establecimiento de la comunicación, transferencia de celdas y liberación de la comunicación.

• El host especificará la dirección de destino, y esperará a que el conmutador ATM contacte con el destino remoto y establezca una conexión con éste.

• Cuando la conexión se establece con éxito, el conmutador ATM local seleccionará un identificador para la conexión y transferirá el identificador al host de origen junto con un mensaje que le informa el éxito de la comunicación. El host utilizará este identificador de conexión cuando envíe o reciba celdas.


CONEXIONES EN ATM (2)

• Cuando se desea dejar de usar la conexión, el host se comunica nuevamente con el conmutador ATM para solicitar que la conexión se interrumpa. El conmutador desconecta los dos hosts, pudiendo reutilizar el identificador de la conexión.

• ATM basa su funcionamiento en dos abstracciones lógicas: conexión de canal virtual (VCC) y conexión de ruta virtual (VPC).


CONEXIONES LÓGICAS ATM (1)

• Virtual Channel (VC): Concepto utilizado para describir el transporte unidireccional de celdas. Todas las celdas asociadas a un VC tienen asignado un valor de identificador común y único denominado VCI (Virtual Channel Identifier) y es parte de la cabecera de la celda.

• Virtual Path (VP): Concepto utilizado para describir el transporte unidireccional de celdas pertenecientes a distintos canales virtuales que están agrupados mediante un valor de identificador común y único denominado VPI (Virtual Path Identifier) y también es parte de la cabecera de la celda.



• Virtual Channel Link: Es un medio de transporte unidireccional de celdas ATM entre un punto donde un valor de VCI es asignado y el punto donde el valor es traducido o removido.

• Virtual Path Link: Es un medio unidireccional de transporte de celdas ATM entre un punto donde un valor VPI es asignado y el punto donde es traducido o removido.

• Virtual Channel Connection (VCC): La concatenación de enlaces de canales virtuales se denomina una conexión de canal virtual (VCC).

• Virtual Path Connection (VPC): La concatenación de enlaces de rutas virtuales se denomina una conexión de ruta virtual (VPC).



Relación entre canal virtual, ruta virtual y medio de

transmisión


Relación entre los diferentes niveles de

transporte ATM

(a) Virtual Channel Link vs. VCC, (b) Virtual Path Link vs. VPC

Virtual Channel Connection (VCC)

Virtual Channel Link

Virtual Path Connection (VPC)

Virtual Path Link

(a)

(b)



• Los valores de VCIs y VPIs en general solo

tienen significado para un enlace o salto. En

un VCC/VPC el valor VCI/VPI será traducido

en cada entidad de conmutación.

• Esto implica que el origen y destino pueden

enviar y recibir la misma celda en distintos

VPI/VCI.


FORMATO DE CELDAS ATM

Campo de Información

48 bytes

HEC

PT CLP

VCI

VPI

VPI

Campo de Información

48 bytes

HEC

PT CLP

VCI

VPI

GFC VPI

UNI NNI


CABECERA EN CELDAS ATM (1)

• El formato de la cabecera de 5 bytes de una celda ATM

depende del tipo de interfaz: UNI o NNI.

• El significado de los campos en las cabeceras es el

siguiente:

– GFC: (Generic Flow Control). Campo concebido para brindar

control de flujo o prioridad en equipos de usuario. Sólo existe a

nivel de UNI. Su uso aun no está completamente especificado.

– VPI: Utilizado conjuntamente con el VCI para identificar el

siguiente destino de una celda en su viaje hacia el destino final.

– VCI: Utilizado conjuntamente con el VPI para identificar el

siguiente destino de una celda en su viaje hacia el destino final.


CABECERA EN CELDAS ATM (2)

– PT: (Payload type). Contiene 3 bits. Identifica el tipo de datos que transporta el payload de la celda. Adicionalmente en celdas de información es posible notificar la presencia de congestión.

– CLP: (Congestion Loss Priority). Indica si la celda puede ser desechada en un conmutador en caso de que exista congestión extrema cuando se mueve a través de la red. El que una celda pueda o no ser desechada dependerá de la calidad de servicio (QoS) especificado.

– HEC: (Header Error Control), contiene una suma de verificación de error (checksum) únicamente sobre los campos de la cabecera. Polinomio: X8 + X2 + X + 1

• El campo GFC no está en la cabecera NNI y por tanto el campo VPI ocupa 12 bits.


Campo PT de una celda ATM


OPERACIÓN DEL CAMPO HEC


MODELOS DE REFERENCIA OSI Y ATM


MODELO DE REFERENCIA ATM

• ATM posee su propio modelo de referencia, diferente

al modelo OSI o al modelo TCP/IP.

• El modelo de referencia ATM está compuesto por los

siguientes planos:

– Plano de control: Se encarga de las funciones de

señalización en redes ATM, las cuales son necesarias para

establecer, supervisar y liberar conexiones.

– Plano de usuario: Se encarga del transporte de datos,

control de flujo, corrección de errores entre otras funciones.

– Plano de administración: Realiza la administración tanto a

nivel de planos como de capas.


ATM: Stack de protocolos (1)



• Las capas físicas y ATM existen en todos los

dispositivos (de conmutación o de usuario).

• La capa AAL (en los tres planos) existe únicamente

en equipos de usuario.

• En los conmutadores o nodos intermedios se tienen

funciones de control y de administración, localizadas

en los planos correspondientes, que realizan la

administración del stack de protocolos y funciones

de señalización.




ATM: Capa Física (1)

• Se encarga de la transmisión de los bits sobre el medio de transmisión. Define niveles de voltajes, duración de bit y otros aspectos.

• ATM puede enviar sus celdas individualmente sobre un medio de transmisión como: fibra óptica, par trenzado categoría 5, ó puede enviarlas encapsuladas dentro del campo de datos de otros sistemas tales como: SONET/SDH, FDDI, T3(DS-3)/E3, etc.

• ATM ha sido diseñada para ser independiente del medio de transmisión


ATM: Capa Física (2)

• La capa física se divide en dos subcapas:

– PMD: Subcapa dependiente del medio

– TC: Subcapa de convergencia


Capa ATM (1) • Se encarga del formato de las celdas y su transporte, definiendo

el significado de los campos de la cabecera de las celdas.

• Permite el establecimiento y liberación de conexiones, realiza control de congestión y lleva a cabo el transporte de las celdas extremo a extremo utilizando información contenida en la cabecera de cada celda.

• En esta capa se definen las abstracciones de canales virtuales y rutas virtuales.

• Garantiza que las celdas enviadas en un VCC siempre lleguen en el mismo orden en que fueron enviadas. Las celdas pueden ser descartadas en la red debido a congestión, pero en ningún caso pueden llegar en desorden.

• Realiza adicionalmente funciones de conmutación y multiplexación.


Capa ATM (2)


Capa ATM (3)

• La conmutación es simplemente el proceso de

de trasladar celdas entre VCCs, desde

puertos de entrada hacia puertos de salida.

• En la multiplexación se aceptan celdas desde

varias fuentes (capa AAL) y se las combina en

un flujo continuo de celdas.

• La multiplexación puede introducir variaciones

no deseables del sincronismo.


Capa Adaptación ATM (AAL) (1)

• Proporciona una interfaz con aplicaciones que

no trabajan directamente con celdas.

• Recibe desde capas superiores las

denominadas unidades de servicios de datos

(SDU - Service Data Unit) y a cada una la

divide en celdas, las cuales son transmitidas

individualmente. En el otro extremo las

reensambla en la SDU original.


Capa Adaptación ATM (AAL) (2)

• La capa AAL está dividida en dos subcapas:

– Subcapa SAR (Segmentation and Reassembly): En el

lado de transmisión divide los paquetes enviados por la

subcapa CS en paquetes de datos de 48 bytes cada uno,

a los cuales la capa ATM les agregará la cabecera de 5

bytes. En recepción reensambla el paquete original a

partir de las celdas recibidas.

– Subcapa CS (Convergence Sublayer): Permite a los

sistemas ATM ofrecer diferentes clases de servicio para

diferentes aplicaciones, cada una de las cuales tiene sus

requerimientos de control de error, sincronización, etc.


SUBCAPAS AAL


© Hill Associates, Inc.

AAL Service Classes and Types (ITU-T)

Users

Connection Mode

Bit Rate

AAL Types

Service Class

End-to-End Timing

Relationship

1 2 3/4,5 3/4, 5

A B

Variable

Connectionless

Constant

Required Not Required

Connection-oriented

Variable Bit Rate Video

Circuit Emulation

(e.g., voice)

Connection- oriented Data

(e.g., frame relay)

Connectionless Data

(e.g., SMDS, IP)

C D

CAPAS DE ADAPTACIÓN A ATM

• ATM sirve de base para protocolos de alto nivel correspondientes a capa red, capa transporte y aplicación de distintas tecnologías de red. Así por ejemplo sobre la capa AAL pueden ejecutarse protocolos de Internet tales como: IP, TCP/UDP, FTP, etc.

• Para manejar distintos tipos de tráfico sobre ATM, se han definido 4 capas de adaptación: AAL1, AAL2, AAL3/4 y AAL5. Cada una añade sus propias cabeceras o trailers a la información dentro de los 48 bytes del campo Payload, según sea el caso.


CLASES DE SERVICIOS ATM

• ATM proporciona distintas clases de servicios para las conexiones, debido a que no todas las aplicaciones pueden tolerar los mismos parámetros de calidad de servicio.

Velocidad Constante

Velocidad Variable

Velocidad disponible y

velocidad no especificada


SERVICIOS EN TIEMPO REAL (1)

• Constant Bit Rate (CBR): Utilizado por aplicaciones que requieren una velocidad constante de transmisión durante todo el tiempo de vida de la conexión y un mínimo retardo de transmisión.

La red debe garantizar velocidad constante de transmisión, y que el retardo y la variación del retardo de transferencia de las celdas sean mínimos.

Algunas aplicaciones que utilizan CBR son: tráfico telefónico, videoconferencia, distribución de audio/vídeo sin compresión, etc.


SERVICIOS EN TIEMPO REAL (2)

• Variable Bit Rate – Real Time (VBR – RT): Utilizado por aplicaciones que son sensitivas tanto al retardo como a la variación del retardo de transmisión de las celdas. Las aplicaciones que utilizan este servicio transmiten a velocidad que varía con el tiempo.

Una fuente VBR – RT también puede transmitir tráfico a ráfagas.

Un ejemplo de aplicación que usa VBR-RT es video comprimido.

En VBR – RT se debe definir una velocidad promedio durante un gran intervalo de tiempo (para uso normal) y una velocidad mayor para uso ocasional durante periodos de tráfico pico. Se especificarán también los retardos y las variaciones de retardos permitidos.


SERVICIOS EN TIEMPO NO REAL (1)

• Variable Bit Rate – Non Real Time (VBR – NRT): Utilizado por aplicaciones que envían tráfico a velocidad que varía con el tiempo (dependiendo de la disponibilidad de la información del usuario), y en las cuales no hay límite de variación de retardo y se permite una baja cantidad de pérdida de celdas. Ejm: e-mail, multimedia, transacciones bancarias, etc.

Una conexión VBR-NRT define una velocidad pico de transferencia de celdas, una velocidad promedio durante todo el tiempo de conexión y una medida de que tan "bursty" será el envío de celdas.

• Unspecified Bit Rate (UBR): Servicio adecuado para aplicaciones que pueden tolerar retardos variables y algunas celdas perdidas. UBR no promete ninguna velocidad, ni realiza control alguno cuando existe congestión.



• UBR emplea la capacidad restante de la red ATM, no utilizada por los servicios CBR, VBR – RT, VBR – NRT.

Todas las celdas UBR son aceptadas y si hay capacidad serán entregadas. Si existe congestión serán descartadas, sin enviar información al origen acerca de la congestión o un pedido de que se reduzca la velocidad de envío.

UBR resulta muy adecuado para enviar tráfico basado en TCP/IP ya que los datagramas IP no requieren de garantías de entrega, ni capacidad garantizada. Además puede usarse para la transferencia de texto, datos, imágenes, etc.



• Available Bit Rate (ABR): Provee una capacidad mínima garantizada. Cuando existe capacidad adicional disponible, el usuario puede transmitir sobre la velocidad mínima con mínimo riesgo de pérdida de celdas.

A diferencia de UBR, emplea un control de flujo explícito desde los conmutadores, informando a los orígenes en caso de congestión, de que controlen la velocidad de envío.

Una conexión ABR especifica una velocidad de celdas pico que usará y una velocidad mínima de celdas que requiere.


PARÁMETROS DE CALIDAD DE SERVICIO EN

ATM (1)

• Cell Loss Ratio (CLR): Es el porcentaje de celdas no entregadas a su destino debido a que se perdieron en la red a causa de congestión o sobreflujo de los buffers.

• Cell Transfer Delay (CTD): Es el retardo promedio experimentado por una celda entre la entrada a la red y los puntos de salida.

• Cell Delay Variation (CDV): Es una medida de la variación del CTD. Una alta variación implica mayor tamaño de los buffers para tráfico sensitivo al retardo tal como la voz o el vídeo.



ATM (2)

• Cell Delay Variation Tolerance (CDVT): Indica cuanta variación (adelanto o retraso) estará presente en los tiempos de transmisión de las celdas. Se especifica independientemente a PCR y SCR. En general no tiene un único valor para una misma conexión.

• Peak Cell Rate (PCR): Es el máximo número de celdas/seg. que el usuario puede transmitir.

• Sustained Cell Rate (SCR): Es el número de celdas/seg. promedio, o medida durante un intervalo largo de tiempo, en relación al tiempo de vida de la conexión.



ATM (3)

• Maximum Burst Size (MBS): Es el número máximo de

celdas que pueden ser transmitidas a PCR.

• Minimum Cell Rate (MCR): Es el mínimo número de

celdas/seg. que el usuario puede transmitir.

• Burst Tolerance (BT): Determina la máxima ráfaga

(burst) que puede ser enviada a la velocidad pico

(PCR).


Conmutación Basada en Etiquetas

Switching

Fabric

Input Port Output Port

1

2

3

1

2

4

3

4

Routing Table

Input VC

17

Output Port

3

Output VC

92

QoS Class, Parameters

XXX

Input Port

4

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

VC 17

VC 92

CONMUTACIÓN ATM (1)



• En un VCC/VPC el valor VCI/VPI será traducido en cada entidad de conmutación (conmutadores VP o conmutadores VC).

• Los conmutadores VP terminan VPs y por lo tanto traducen VPIs entrantes a los correspondientes VPIs salientes de acuerdo al destino de la conexión VP. Los VCIs permanecen inalterados.


VCI = 2

VPI = 3

VCI = 6

VPI = 1

VCI = 1

VPI = 2

VCI = 2

VPI = 4

Red

ATMHost

1Host

2



CONMUTACIÓN ATM (4) • Los conmutadores VC terminan VCs y, por tanto, VPs.

Realizan la traducción VPI y VCI necesaria. Como la conmutación de VC implica la conmutación de VP, en principio un conmutador VC también puede manejar conmutación de VP.

• Un VCC es el componente básico sobre el cual se estructuran los diferentes servicios proporcionados por ATM. Un VCC es una conexión extremo a extremo definida a través de la red, la cual permite el transporte unidireccional de celdas. Una comunicación full-duplex

requiere un VCC para cada sentido.





Conmutador VC/VP

Conmutador VP

Conmutador VP

VPI 1

VPI 2

VPI 3

VPI 4

VPI 5

VPI 6

VCI 3

VCI 4

VCI 1

VCI 2

VCI 5

VCI 6

VCI 1

VCI 2

VCI 5

VCI 6

VCI 3

VCI 4

VPI 2

VPI 3

VPI 5

VCI 1 VCI 2

VCI 1 VCI 2

VCI 3

VCI 4

VCI 1 VCI 2

VPI 1

VPI 4

VC

I 1

VC

I 2

VC

I 3

VC

I 4

Conmutador VC

Conmutador VP



1 8 6 4 4 5

Conmutador ATM

2 9

Puerto 1 Puerto 2

Puerto 3

Celda 1 Celda 2

1 1 8 2 4 5

2 4 5 1 1 8

1 6 4 3 2 9

3 2 9 1 6 4 .. .

.. .

.. .

.. .

.. .

.. .

Puerto VPI VCI Puerto VPI VCI

Input Output


TIPOS DE VCC

• PVC (Permanent Virtual Connection). Es semejante a una línea dedicada. Un PVC es establecido y configurado manualmente en cada conmutador entre el origen y destino. El usuario de un PVC no debe establecerlo al inicio de una comunicación, ni liberarlo al final, solo tiene que enviar los datos, ya que todos los recursos están reservados de antemano en la red.

• SVC (Switched Virtual Connection). Debe ser establecida y liberada en forma semejante a una llamada telefónica. Este tipo de conexión requiere de un sistema de señalización encargado de establecer y definir una ruta entre el origen y el destino a través de varios conmutadores de la red ATM.


CONEXIONES VIRTUALES ATM (1)

• Los SVCs son preferidos debido a que pueden ser

dinámicamente establecidos, minimizando así la

complejidad de configuración. Durante el establecimiento

de un SVC el usuario puede dinámicamente especificar

los recursos requeridos para el tráfico que va a cursar. La

red ATM asignará recursos a cada conexión basándose

en las necesidades de cada tipo de tráfico.

• Una vez creada la conexión virtual (PVC o SVC) se la

identifica en cada enlace mediante un entero único

formado por la combinación VPI/VCI.


CONEXIONES VIRTUALES ATM (2)

• ATM permite crear conexiones: punto a punto o punto a multipunto (multicast), lo cual hace que ATM sea capaz de cubrir muchos servicios. ATM, por su naturaleza orientada a conexión, no soporta difusión.

Estación de trabajo A Estación de trabajo B

Punto a Punto

Punto a Multipunto


MULTIPROTOCOL LABEL

SWITCHING (MPLS)

JULIO 2014

INTRODUCCIÓN (1) • La red Internet fue diseñada para transportar

aplicaciones tolerantes en el tiempo (e-mail, FTP, Telnet, etc.)

• Internet no hace distinción entre cada aplicación. Ofrece un servicio básico: “Best Effort”.

• La aparición de nuevas aplicaciones en tiempo real (VoIP, teléfono móviles con acceso a Internet, videoconferencia, e-learning, etc.) ha impulsado a desarrollar nuevas arquitecturas para asegurar que el Internet del futuro tenga buena QoS.


INTRODUCCIÓN (2) • Por ello se ha definido MPLS para no sólo ofrecer QoS

en redes IP, sino para optimizar la QoS en redes como ATM y Frame Relay.

• El IETF (Internet Engineering Task Force) organizó el grupo de trabajo MPLS en 1997.

• La primera serie de estándares apareció en el 2001.

• MPLS reduce la cantidad de procesamiento por paquete, requerido en cada router en una red IP, aumentando el desempeño del router.

• MPLS provee nuevas capacidades significativas en cuatro áreas: QoS, Ingeniería de Tráfico (TE), Redes Privadas Virtuales (VPNs) y un soporte multiprotocolo.


INTRODUCCIÓN (3) • Una tecnología previa a MPLS fue IP sobre ATM.

• Consistía en una superposición de una topología virtual de ruteadores IP sobre una tecnología real de conmutadores ATM.

• El backbone ATM se presenta como una nube central rodeada por los ruteadores de la periferia.

• Cada ruteador se comunica con el resto mediante PVCs.

• Los PVCs actúan como circuitos lógicos y proporcionan la conectividad necesaria entre los ruteadores de la periferia.

• Los ruteadores ven los PVCs como enlaces punto a punto entre cada par.


INTRODUCCIÓN (4) • La idea de superponer IP sobre ATM es el aprovechar la

infraestructura ATM existente.

• VENTAJAS – Gran ancho de banda a precios competitivos.

– Rapidez en el transporte de datos proporcionados por los conmutadores ATM.

• DESVENTAJAS – Hay que gestionar dos redes diferentes lo que genera mayores

costos de gestión.

– Un overhead aproximado del 20% debido al transporte de datagramas IP sobre celdas ATM, lo que determina la reducción del ancho de banda disponible en ese mismo porcentaje.

– Crecimiento exponencial al aumentar nodos IP sobre una topología totalmente mallada.


INTRODUCCIÓN (5)

CONCLUSIÓN

• El modelo IP/ATM si bien presenta ventajas evidentes en la integración de los niveles 2 y 3, lo hace de modo discontinuo, esto es, en base a mantener dos redes separadas.


QUÉ ES MPLS? • Es una arquitectura que provee una eficiente designación,

enrutamiento, envío y conmutación de flujos de tráfico a través de la red.

• Realiza las siguientes funciones: – Especifica mecanismos para administrar flujos de tráfico de

diferentes tipos y requerimientos (diferentes máquinas o diferentes aplicaciones).

– Permanece independiente de los protocolos de capa enlace y capa red.

– Provee un medio para traducir las direcciones IP en etiquetas simples de longitud fija utilizadas en diferentes tecnologías de envío y conmutación de paquetes.

– Ofrece interfaces para diferentes protocolos como RSVP (Resource ReSerVation Protocol) y OSPF (Open Shortest Path First).

– Soporte de protocolos de IP, ATM y Frame Relay.


Many Services, Many Networks

RPR

Frame Relay

ATM

Internet

Frame Relay

ATM IP/MPLS

Ethernet

Many Services, One Network

MÚLTIPLES SERVICIOS SOBRE UNA

INFRAESTRUCTURA CONVERGENTE

Ethernet

Frame

Relay IP VPN

ATM PPP IP/MPLS

Internet


MULTI-PROTOCOL:

BOTH ABOVE AND BELOW

Possibly several ways to

set up Routing/Control

Single Forwarding Paradigm

based on Label Switching

Can run over different

Link Layer technologies

IPv6 IPv4 IPXNetwork Layer

Protocols

Eth

ern

et

FD

DI

AT

M

Fra

me R

ela

y

Poin

t-to-P

oin

t

Link Layer

Protocols

Label Switching

AppleTalk


QUÉ ES MPLS?

• Solamente los ruteadores de borde realizan enrutamiento.

• Los ruteadores al interior de la nube MPLS conmutan paquetes

en base a una simple revisión y conmutación de etiquetas.

10.1.1.1 10.1.1.1

Routing lookup and

label assignment 10.0.0.0/8 L=5

Label swapping L=5 L=3

Label removal and

routing lookup L=3


QUÉ ES MPLS?

• Los conmutadores ATM deben hacer funcionar un protocolo de enrutamiento cuando MPLS trabaja sobre conmutadores ATM.

• No se necesita establecer circuitos virtuales manualmente. Los conmutadores ATM automáticamente crean una red completamente mallada basada en la información de enrutamiento de capa 3.


COMPONENTES DE MPLS (1)

• La arquitectura MPLS diferencia dos tipos de routers:

• LER (Label Edge Router) – Routers situados en la periferia o frontera de la red MPLS, a los que

se pueden conectar diversas redes (Ethernet, Frame Relay, ATM).

– Se los conoce también como PE Routers (Provider Edge Routers)

– Envía el tráfico entrante a la red MPLS utilizando un protocolo de señalización de etiquetas y distribuye el tráfico saliente entre las distintas redes.

– Se encarga de asignar y retirar las etiquetas a la entrada o salida de la red MPLS.

– Su conmutación se basa en FECs (Forwarding Equivalence Classes)


COMPONENTES DE MPLS (2) • LSR (Label Switched Router)

– Son equipos de conmutación (routers IP, switches ATM) habilitados para MPLS.

– Se los conoce también cono P Routers (Provider Routers) ya que son propiedad del proveedor de servicios.

– Es un router de gran velocidad que trabaja en el núcleo de la red.

– Usan un protocolo de distribución de etiquetas (no necesariamente el mismo en todos los LSRs) y su función es encaminar los paquetes en base a la etiqueta de dicho paquete.

– Cuando los paquetes llegan a los LSRs, éstos intercambian las etiquetas existentes por otras y envía el paquete al siguiente LSR, y así sucesivamente (distribución de etiquetas).



• FEC (Forwarding Equivalence Class) – La Clase Equivalente de Envío es una representación de un

grupo de paquetes que comparten los mismos atributos para su transporte: el mismo destino, la misma VPN, etc; y/o requieren el mismo servicio

– Paquetes de un mismo flujo de datos generalmente pertenecen a una misma FEC.

– Todos los paquetes tienen similar tratamiento en la ruta al destino.

– La asignación de un paquete particular a una determinada FEC se hace sólo una vez, cuando el paquete ingresa a la red.

– Una FEC es representada por una etiqueta en cada LSP (Label Switched Path).


LABEL SWITCHED PATH (LSP)

• Un LSP es un camino específico unidireccional a través de una red MPLS (equivalente a un circuito virtual).

• En MPLS la transmisión ocurre en caminos de etiquetas conmutadas, que son secuencias de etiquetas en cada nodo del camino, desde el emisor al receptor.

• Al recibir un paquete el LER verifica qué FEC le pertenece y lo encamina por el LSP correspondiente.

• Se obtiene una gran rapidez en la conmutación gracias a que las etiquetas son insertadas al principio del paquete y son de longitud fija, lo que determina que la conmutación pueda realizarse vía hardware.


LSP (2) • La arquitectura MPLS soporta 2 opciones para seleccionar una ruta o LSP:

– Enrutamiento hop-by-hop • Cada LSR independientemente escoge el próximo salto para una FEC dada.

• Esta metodología es similar a la utilizada en redes IP.

• Hace uso de un protocolo de enrutamiento ordinario como OSPF.

• Ventaja: conmutación rápida y tratamiento diferencial de paquetes de diferentes FEC

• Desventaja: no soporta fácilmente Ingeniería de Tráfico o políticas de enrutamiento (definición de rutas basadas en algunas políticas relacionadas a QoS, seguridad)

– Enrutamiento explícito (ER-LSP) • Similar a enrutamiento de fuente.

• Un LSR de ingreso (LSR donde empieza el flujo de datos) especifica la lista de nodos a través del cual el ER-LSP atraviesa.

• A lo largo del camino los recursos podrían ser reservados para asegurar QoS al tráfico de datos.

• Esto facilita Ingeniería de Tráfico a través de la red, y se puede proporcionar servicios diferenciados, usando flujos basados en políticas o métodos de gestión de red.



20.1.0.0

20.2.0.0

30.0.0.0

LER

LER

LER

LSR

LSR (1)

(2)

(4)

(3)

(5)

LSP-1

LSP-2


CÓMO TRABAJA MPLS? 1a. Existing Routing Protocols (e.g. OSPF, IS-IS)

Establish Reachability to Destination Networks

1b. Label Distribution Protocol (LDP)

Establishes Label to Destination

Network Mappings

4. Edge LSR at

Egress Removes

Label and

Delivers Packet

3. LSR Switches Packets

Using Label Swapping

2. Ingress Edge LSR Receives Packet,

Performs Layer 3 Value-Added Services,

and Labels Packets

LSP


ETIQUETAS (1) • Una etiqueta es un conjunto pequeño de bits de longitud

fija que lleva el paquete para identificar una FEC.

• Identifican el camino que un paquete puede atravesar.

• Es análoga al identificador de conexión usado en ATM (VPI/VCI) o los DLCI de Frame Relay.

• Su validez es local y solo entre un par de nodos, y es reemplazada en cada salto en el LSP.

• Las etiquetas son asociadas a una FEC como resultado de algún evento o política que indica una necesidad para tal asociación.

• Estos eventos pueden ser vinculados por el flujo de datos (data-driven bindings) o vinculados por el tráfico de control (control-driven bindings).


ETIQUETAS (2)

• Para la asignación de etiquetas se tienen los siguientes pasos:

– A cada paquete se le clasifica en una FEC nueva o una ya existente.

– Se asigna una etiqueta a cada paquete. Los valores de las etiquetas se derivan de los identificadores de capa 2; los DLCI o VPI/VCI se pueden usar directamente como etiquetas. Para redes Ethernet y PPP, la etiqueta se añade en una cabecera shim, esto es entre las cabeceras de la capa enlace y la de la capa red.

• Los paquetes son enviados basados en su valor de etiqueta.


ETIQUETAS (3)

• Son insertadas entre la cabecera de capa 2 (trama) y la cabecera de capa 3 (paquete)

• Puede haber más de una etiqueta (Stack de etiquetas)

• El bit S (bottom of de stack) indica si la etiqueta es la última en el stack de etiquetas.

• El campo TTL se usa para prevenir lazos infinitos de los paquetes.

• Los bits experimental (EXP) se usan para llevar valores de preferencia (CoS)


ETIQUETAS (4)

• El identificador de protocolo de la cabecera de capa 2 especifica que el payload comienza con una etiqueta (etiquetas) y a continuación viene la cabecera IP

• El bit bottom of stack indica si el siguiente campo es otra etiqueta o la cabecera IP.

• El router de recepción sólo utiliza la etiqueta top.

• Generalmente se asigna solo una etiqueta al paquete.

Frame Header

Label 1 IP Header Payload Label 2 Label 3

S=0 S=0 S=1

PID=MPLS-IP


ETIQUETAS (5)

• Un ruteador puede realizar las siguientes funciones: – Insertar (push) una etiqueta o stack de etiquetas al ingreso.

– Intercambiar (swap) una etiqueta con la etiqueta del siguiente salto o con un stack de etiquetas dentro de la nube MPLS.

– Remover (pop) una etiqueta a la salida o un salto antes.

• En el ingreso una etiqueta es asignada y colocada por el proceso de enrutamiento IP (push).

• Los LSR en la nube intercambian las etiquetas basados en el contenido de la LFIB.

• En la salida la etiqueta es removida (pop) y se realiza una revisión de enrutamiento para reenviar el paquete al destino.


MPLS Domain

ETIQUETAS (6)

10.1.1.1

IP Lookup 10.0.0.0/8 label 3 LFIB label 8 label 3

IP Lookup 10.0.0.0/8 label 5 LFIB label 3 label 5

IP Lookup 10.0.0.0/8 next hop LFIB label 5 pop

10.1.1.1 3 10.1.1.1 5 10.1.1.1


UBICACIÓN DE LA CABECERA MPLS


FORMATO DE LA CABECERA MPLS (1) • La cabecera MPLS es un identificador de 32 bits que

consiste de los siguientes campos: – Etiqueta: 20 bits. Valor de la etiqueta que localmente

representa a la FEC durante el envío. Existen valores de etiquetas que se encuentran reservados.

– EXP: 3 bits. Identifica la clase de servicio mediante el campo EXP o experimental (anteriormente llamado CoS) o Clase de Servicio.

– S (Stack): 1 bit. Indica una pila de etiquetas jerárquica. Toma el valor de 1 en la etiqueta que se encuentra en la cima de la pila y 0 en todas las etiquetas restantes.

– TTL: 8 bits para indicar el TTL (Time To Live), con el mismo significado que en IP. El campo es decrementado en cada router y el paquete será excluido si la cuenta cae a 0. Permite evitar lazos.


FORMATO DE LA CABECERA MPLS (2)


PLANOS DE CONTROL Y DE DATOS (1) • La implementación de MPLS en los routers se divide

en dos planos: – Plano de Control, denominado también componente de

control

– Plano de Datos, denominado también componente de envío.

El Plano de Control • Intercambia información de enrutamiento de capa 3 y de

etiquetas

• Responsable de la generación y mantenimiento de las tablas de enrutamiento que establecen los LSP, así como de la distribución de la información sobre las etiquetas a los LSRs.

• Contiene complejos mecanismos para intercambiar información de enrutamiento, tales como OSPF, EIGRP, IS-IS y BGP; y para intercambiar etiquetas tales como: TGP (Tag Distribution Protocol), LDP (Label Distribution Protocol), BGP y RSVP.


PLANOS DE CONTROL Y DE DATOS (2) • El plano de control utiliza dos fuentes de

información:

– RIB (Routing Information Base/ Base de información de

Enrutamiento): Esta tabla proporciona información sobre

la red destino y los prefijos de subred que se utiliza para

la asociación de etiquetas, aquí se encuentran todas las

rutas aprendidas por cada uno de los nodos de la red

MPLS.

– LIB (Label Information Base/ Base de información de

Etiquetas): En esta tabla se encuentran todas las

etiquetas asignadas por el nodo MPLS local (etiquetas

locales) y las asignaciones de dichas etiquetas a las

etiquetas recibidas de los vecinos.


PLANOS DE CONTROL Y DE DATOS (3)

– Los LSRs requieren un protocolo de distribución de etiquetas (LDP, RSVP-TE, CR-LDP o BGP) para dar a conocer a otros routers que se ha realizado la asociación de etiquetas.

Cada LSR crea una asignación local y distribuye

esta asignación a todos sus vecinos LDP. Para los

vecinos LDP estas asignaciones son consideradas

como remotas y también las almacena junto con

las asignaciones locales en su tabla LIB.


PLANOS DE CONTROL Y DE DATOS (4) Plano de Datos • Tiene como función conmutar los paquetes MPLS

entrantes, basándose en las tablas de enrutamiento ofrecidas por el plano de control. Utiliza dos fuentes de información. – FIB (Forwarding Information Base/ Base de Información

de Envío): es una tabla que se utiliza para definir a qué interfaz se debe reenviar el paquete.

– LFIB (Label Forwarding Information Base/Base de Información de reenvío de Etiquetas): utilizada para la conmutación de etiquetas.


PLANOS DE CONTROL Y DE DATOS (5) – La LFIB usa un subconjunto de etiquetas

contenidas en la LIB para el envío del paquete y almacena solo las etiquetas que en ese momento el plano de datos está usando, contiene la información de etiquetas e interfaces entrantes y salientes, y la dirección del próximo salto.

• Los nodos MPLS por lo tanto son responsables del reenvío de paquetes mediante el plano de datos, y construir y mantener las tablas de envío mediante el plano de control





Data Plane

Control Plane

OSPF: 10.0.0.0/8

LDP: 10.0.0.0/8 Label 17

OSPF

LDP

LFIB

LDP: 10.0.0.0/8 Label 4

OSPF: 10.0.0.0/8

417 Labeled packet

Label 4

Labeled packet Label 17




ARQUITECTURA DE LSRs

• Los LSR, independientes de su tipo, realizan las siguientes tres funciones: – Intercambian información de enrutamiento.

– Intercambian etiquetas

– Reenvían paquetes (LSRs y LERs) y celdas (ATM LSRs y ATM LERs)

• Las primeras dos funciones son parte del plano de control.

• La tercera función es parte del plano de datos


ARQUITECTURA DE LSRs

Los LSR principalmente reenvían paquetes o celdas etiquetados.

LSR

Control Plane

Data Plane

Routing Protocol

Label Distribution Protocol

Label Forwarding Table

IP Routing Table

Exchange of routing information

Exchange of labels

Incoming labeled packets

Outgoing labeled packets


ARQUITECTURA DE LERs

Edge LSR

Control Plane

Data Plane

Routing Protocol

Label Distribution Protocol

Label Forwarding Table

IP Routing Table

Exchange of routing information

Exchange of labels

Incoming labeled packets

Outgoing labeled packets

IP Forwarding Table

Incoming IP packets

Outgoing IP packets




OPERACIÓN DE MPLS (1)


OPERACIÓN DE MPLS (2)

20.1.0.0

20.2.0.0

30.0.0.0

LER

LER

LER

LSR

LSR

(1) (2)

(4)

(3)

(5)

FEC a = 20.x.x.x

FEC b = 30.x.x.x

In Out Next Hop

FEC a 39 (2)

FEC b 16 (4)

In Out Next Hop

39 17 (3)

In Out Next Hop

16 65 (5)

In Out Next Hop

17 Do IP routing

IP Packet

Dest: 20.2.1.17

39

In Out Next Hop

65 Do IP routing

LSP-1

LSP-2


PROTOCOLOS DE DISTRIBUCIÓN DE

ETIQUETAS (1) • Se encargan de propagar de router a router la

información necesaria para establecer el LSP. Se establece un conjunto de procedimientos por el que un LSR informa a otros que ha realizado una asociación “Etiqueta/FEC”.

• Las tablas (creadas por estos protocolos) permiten que un paquete etiquetado pueda avanzar por los LSRs.

• Dos LSRs que utilizan conjuntamente un protocolo LDP se denominan “LDP peers”


PROTOCOLOS DE DISTRIBUCIÓN DE

ETIQUETAS (2) • La arquitectura MPLS no asume la existencia de un protocolo

específico, por lo que diferentes protocolos de distribución de etiquetas han comenzado a ser estandarizados:

• Protocolos existentes: – De enrutamiento con nuevas funciones:

• BGP (Border Gateway Protocol)

• PIM (Protocol Independent Multicast)

– De señalización • RSVP-TE: RSVP con ingeniería de tráfico.

• Nuevos Protocolos: – LDP (Label Distribution Protocol)

– CR-LDP (Constraint Routing): LDP con ingeniería de tráfico


LABEL DISTRIBUTION PROTOCOL (LDP) • Define una serie de procedimientos y mensajes por los cuales

un LSR informa a otro de la asociación Etiqueta/FEC, y que

será utilizado para el establecimiento de un LSP.

• Dos LSRs que utilizan LDP para intercambiar la información

de label mapping (LDP peers), tienen una sesión LDP entre

ellos.

• LDP permite a un LSR distribuir etiquetas a sus “LDP peers”

usando el puerto TCP 646.

• En una sola sesión, cada par o vecino es capaz de aprender

sobre otros label mappings; es decir el protocolo es

bidireccional.


LABEL DISTRIBUTION PROTOCOL (LDP) • LDP provee varios mensajes LDP:

– Descubrimiento (Discovery): utilizados para anunciar y mantener la presencia de un LSR en la red. Usa mensajes Hello por difusión para aprender sobre otros LSRs con los cuales tiene una conexión LDP directa

– Sesión (Session): Para que dos LDP peers intercambien información, ellos tienen que primero establecer una sesión LDP. Los mensajes sesión son utilizados para establecer, mantener y terminar sesiones LDP entre LDP peers.

– Anuncio (Advertisement): Para crear, cambiar y borrar las asociaciones Etiqueta/FEC.

– Notificación (Notification): Provee información de asesoría e información de indicación de errores.

• LDP corre sobre TCP por confiabilidad, con excepción de los mensajes Discovery que corren sobre UDP.


MECANISMO LDP • Establece las siguientes etapas:

– Descubrimiento LDP: permite a un LSR descubrir “LDP peers”

potenciales.

– Establecimiento de la Sesión LDP: El intercambio de mensajes Hello

entre dos LSRs activa el establecimiento de la sesión LDP.

Establece dos pasos:

• Establecimiento de la conexión TCP: llevado a cabo por el LSR “activo”

(identificador LSR más alto)

• Inicialización de la Sesión: se negocian los parámetros de la sesión

intercambiando mensajes Initialization. Dos LSRs pueden enviar

mensajes de Inicialización; el LSR que recibe el mensaje, contesta con

un mensaje KeepAlive si los parámetros son aceptados, caso contrario

se envía un mensaje de notificación de error, rechazando la sesión.

– Distribución de Etiquetas: Downstream no solicitado y Downstream

Bajo Demanda 07/07/2014 46 Ing. Pablo Hidalgo L.

Intercambio de mensajes de LDP LSR/LER LSR/LER

Discovery

Transport Connection

Establishment

Session Initialization

Label Distribution


INGENIERÍA DE TRÁFICO • Proceso que mejora la utilización de la red mediante la

distribución de tráfico en ella de acuerdo con la disponibilidad de los recursos, así como el tráfico actual y el esperado.

• La CoS y QoS pueden ser factores a tener en cuenta en este proceso.

• Con ingeniería de tráfico se evita la congestión en cualquier camino.

• La mejora de la utilización de la red no implica necesariamente que se obtenga el mejor camino, pero si el mejor camino para un determinado tipo de tráfico.

• La ingeniería de tráfico permite al proveedor hacer un mejor uso de los recursos y reservar enlaces para determinadas clases de servicios o clientes.

• Dos protocolos que hacen ingeniería de tráfico son CR-LDP y TE-RSVP. Ellos usan encaminamiento explícito para crear los LSPs.


CONSTRAINED – BASED ROUTING LABEL

DISTRIBUTION PROTOCOL (CR - LDP) • Existen algunos casos en los que hay necesidad de

crear LSPs de enrutamiento explícito a través de un dominio MPLS.

• Hay también necesidad de asegurar que los LSPs puedan soportar CoS (Clase de Servicio) y requerimientos de Ingeniería de Tráfico.

• Para estas situaciones se crearon protocolos como: CR-LDP y RSVP-TE.

• CR-LDP es un protocolo de distribución de etiquetas basado en LDP.


CR - LDP

• CR-LDP se emplea para establecer un LSP explícitamente

ruteado punto a punto unidireccional denominado CR-LSP.

• Un LSP se establece como resultado de la información de

ruteo de una red IP que usa el algoritmo del camino más

corto.

• Un CR-LSP se calcula en el LSR origen basado en criterios

de información de enrutamiento y de QoS.

• Un CR-LSP bidireccional entre los LSRs 1 y 2 se puede

solamente crear estableciendo un CR-LSP desde el LSR1

al LSR2 y un CR-LSP separado desde el LSR2 al LSR1.


CR - LDP

• Se pueden utilizar los CR-LSPs de diferentes formas.

• Por ejemplo se pueden utilizar en una red IP para hacer balanceo de carga. Esto es, el tráfico entre sus enlaces puede ser igualmente distribuidos, forzando a que el tráfico pase a través de los enlaces menos utilizados.

• CR-LSPs también se pueden utilizar para crear túneles en MPLS, e introducir rutas basadas en criterios de QoS, tales como la minimización del retardo total extremo a extremo, y maximización del throughput.


CR - LDP • En el ejemplo asumamos que el camino entre el LSR A (de ingreso) y

el LSR G (de salida), que se ha calculado utilizando OSPF pasa a través de E y F.

• Si se usa CR-LDP se puede establecer un CR-LSP que satisface un criterio de QoS, tal como minimizar el retardo extremo – extremo. Por ejemplo si los LSRs B, C y D no están muy utilizados, enrutando el CR - LSP a través de estos LSRs reducirá el retardo, a pesar de que el número de saltos sea mayor que a través de E y F.


QoS y CoS (1)

• QoS es un mecanismo que satisface los requisitos exigidos por los usuarios para determinadas aplicaciones que circulan por la red.

• La QoS permite garantizar en caso de congestión que las aplicaciones más críticas dispongan de mayor prioridad que otras menos críticas.

• Al establecer una red con QoS los enlaces son controlados y el tráfico priorizado, de manera que se pueda distinguir entre diferentes tipos de tráfico, y asignar recursos en función de parámetros como: ancho de banda, retardo, jitter y pérdida de paquetes.

• El cumplimiento de los servicios ofrecidos por las diferentes empresas portadoras, se lo realiza mediante los Service Level Agreement (SLAs).


QoS y CoS (2) • CoS se utiliza para diferenciar el tráfico de una red, es decir para

gestionar de forma eficaz diferentes clases de flujos de datos.

• MPLS permite ofrecer CoS ya que las etiquetas MPLS permiten propagar la CoS en el correspondiente LSP.

• Una red MPLS puede transportar distintas clases de tráfico, debido a que el tráfico que fluye a través de un determinado LSP, se puede asignar a diferentes colas de salida en los diferentes saltos LSR, de acuerdo con la información contenida en la etiqueta.

• Se tendrán especificaciones para cada LSP. Por ejemplo, si se requiere videoconferencia sobre una red MPLS, el LSP tendrá mayor ancho de banda y se dirigirá por la ruta más corta, lo que permitirá reducir la latencia y entregar una imagen de mayor calidad.


QoS y CoS (3) • El campo EXP de 3 bits ubicado en la cabecera MPLS fue

originalmente considerado de uso experimental.

• Con el propósito de especificar la CoS a la que pertenece un paquete, se utiliza el soporte de MPLS para DiffServ, donde se redefine este campo para especificar dicha CoS.

• Las clases de servicio que se proporcionan en la nueva arquitectura son las mismas que en el modelo DiffServ, ya que la integración de DiffServ con MPLS no modifica su filosofía ni su funcionamiento.

• Para soportar DiffServ sobre MPLS con la gran variedad de valores DSCP (DiffServ Code Point - 6 bits redefinidos del campo ToS del paquete IP), es necesario configurar la apropiada QoS en cada LSR de la red.


QoS y CoS (4)

• Ya que las etiquetas fueron definidas antes que los valores DSCP, el campo EXP sólo tiene tres bits en correspondencia a los tres bits del campo Precedencia del paquete IP.

• El problema es que IP puede soportar hasta 64 posibles valores DSCP y las etiquetas MPLS admiten solo 8 posibles valores de PHB (Per-Hop Behaviors - tratamiento de retransmisión de un paquete en DiffServ), por lo que fue necesario redefinir métodos que cubran esta necesidad.

• El RFC 3270 describe una solución flexible para el soporte de la arquitectura DiffServ sobre redes MPLS.

• Cuando paquetes marcados con valores DSCP llegan a una red MPLS, se necesita de un método para transferir la información proporcionada por estos valores a las etiquetas MPLS.


QoS y CoS (5) • Los paquetes no pueden ser diferenciados basados en los

valores DSCP, ya que éstos son parte de la cabecera IP.

• DiffServ debe proveer de una vía diferente para hacer viable la arquitectura DiffServ/MPLS.

• El RFC 3270 describe dos métodos para transmitir información de la CoS de la cabecera IP a los LSRs en la cabecera MPLS:

– EXP-inferred-PHB Scheduling Class LSP (E-LSP)

– Label-only-inferred LSP (L-LSP)

• Si una red soporta hasta ocho PHBs entonces los bits EXP son suficientes para esa red, permitiendo utilizar E-LSP.

• Si una red tiene más de ocho PHBs entonces los bits EXP no son suficientes para cubrir todos los PHBs a LSP, por lo que se utilizará L- LSP.


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WAN_Complexivo Julio 2014

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