Como decisión inicial de diseño, incluida en los requisitos, se asume un segmento único o subred IP en toda la red que evite la necesidad de cambio de dirección IP cuando un sistema final se traslada de un punto a otro dentro de dicha red. Para ello es necesaria la eliminación de los routers IP salvo en los bordes de la topología.
El problema planteado consiste en encaminar en capa dos entre sistemas finales conectados en un segmento único IP. Para realizar el encaminamiento se precisa un sistema de direccionamiento en capa dos. El encaminamiento basado en direcciones MAC estándar presenta los inconvenientes de no agregabilidad y de que la dirección MAC es un identificador y no un localizador (locator), no tiene contenido topológico,
por lo que no es agregable. Para mantener la independencia entre capas y del protocolo de red, tampoco es aconsejable el empleo de información de IP para encaminar en capa dos, salvo optimizaciones opcionales. Además deben contemplarse los casos de direcciones IP fijas. Se excluye pues el uso de direcciones IP.
En el caso de la configuración, el problema se centra en la necesidad de configurar las direcciones IP y diseñar las subredes IP dentro de la red. Cuando un sistema final se mueve de un punto a otro de la red campus, su dirección IP deberá modificarse con arreglo a la nueva subred a la que pertenece. Para evitar este problema, se parte de suponer una subred IP única en la red, que independice la dirección IP del punto de conexión en la red.
3.3.2Aprovechamiento de la infraestructura
El primer requisito de nuestro diseño, que toma como base una de las ventajas de los routers, es el aprovechamiento de la infraestructura. Para ello, el primer paso sería eliminar el bloqueo de enlaces tal y como hace el árbol de expansión clásico. El segundo sería no sólo no bloquear, sino utilizar dichos enlaces. El tercer y más estricto requisito, al que se debería tender por ser la solución óptima, sería que los enlaces realizasen un buen reparto de carga, de manera que el ancho de banda de bisección (bisection bandwidth) efectivo de la topología fuese el máximo que dicha arquitectura pudiese dar físicamente. Para maximizar este valor, una variable que actúa, es la arquitectura de la topología, como se acaba de comentar, pero una vez fijada una arquitectura, aunque no aproveche la capacidad de los enlaces de la topología al máximo, el reparto de carga realizado por el encaminamiento debería al menos alcanzar el máximo que permite dicha arquitectura. Es importante destacar que el encaminamiento por caminos mínimos no es óptimo necesariamente en reparto de carga al centrarse en caminos mínimos exclusivamente y no tener en cuenta la matriz de tráfico.
3.3.3Convergencia rápida del encaminamiento
Un requisito no menos importante es la necesidad de una convergencia rápida del encaminamiento ante alteraciones de la red por caída de nodos o de enlaces. Un argumento habitual contra RSTP es que el tiempo de convergencia tras reconfiguración es excesivamente largo, lo que es cierto comparado con los equipos SDH, pero no respecto a los algoritmos de encaminamiento de estado de enlaces como Djikstra.
En el artículo [Fra+09] se presenta un estudio detallado de los diferentes factores que afectan a la convergencia de protocolos basados en estado de enlace en redes ISP de gran tamaño. Básicamente dice que el tiempo de convergencia se puede caracterizar como D + O + F + SPT + RIB + DD, donde D (detection time) es el tiempo de detección de fallo del enlace, O (origination time) es el tiempo que se tarda en generar los nuevos mensajes de estado describiendo la nueva topología (tras el fallo
de enlace), F (flooding time) es el tiempo completo de inundación de la red desde el nodo que detecta el fallo, SPT (shortest-path tree time) es el tiempo es calcular los nuevos árboles de caminos mínimos, RIB (RIB time) es el tiempo necesario para actualizar las tablas de encaminamiento (basadas en la información aportada por la RIB, Routing Information Base, y la FIB, Forwarding Information Base) y DD (distribution time), que es el tiempo empleado en distribuir la información de las actualizaciones de las tablas de encaminamiento en el caso de una arquitectura distribuida.
Analizando estos parámetros, en el artículo llegan a la conclusión de que los tiempos D, O y DD son pequeños en comparación con el resto. Mientras que F dependerá de la topología de la red (y por lo tanto de los retardos de propagación de enlace), y el tiempo SPT dependerá del número de nodos en la red (pero puede ser reducido significativamente usando un cálculo incremental). Así pues, el RIB es el factor más significativo ya que dependerá linealmente del número de prefijos (en el caso de routers) afectados por el cambio.
En el caso concreto de nuestro estudio, es posible ver que estos parámetros están directamente relacionados con el uso de protocolos de estado de enlace (necesarios en SPB y TRILL), por lo que quizás un buen punto de partida sería trabajar sin el uso de estos protocolos, para evitar así posibles problemas de convergencia.
3.3.4Caminos óptimos
Además del aprovechamiento de la infraestructura comentado previamente, otro requisito sería obtener caminos mínimos en las comunicaciones entre nodos.
En el caso de redes empresariales, SPB y TRILL ya nos dan esta posibilidad, en base al uso de un protocolo de estado de enlace. Así pues, en nuestro planteamiento se busca conseguir caminos óptimos, pero eliminando el uso de dicho protocolo, para evitar dicha complejidad, carga y procesamiento extra en la red.
En el caso de redes de centros de datos, escogeremos inicialmente una arquitectura de red, concretamente la del falso fat tree extensible definido en [Vah+10], para luego hacer una propuesta de encaminamiento con caminos mínimos en base a dicha topología y estudiar si es generalizable a topologías similares de centros de datos. Como se puede suponer, los caminos mínimos en este tipo de redes están fijados por la arquitectura: por ejemplo, este fat tree tiene un camino mínimo de 5 nodos (o 6 enlaces) si la comunicación es entre nodos de diferentes pods, o menor si comparten pods o incluso switch frontera. Así pues, el objetivo consiste en no superar dichos valores establecidos.
3.3.5Escalabilidad
Los requisitos de escalabilidad se centran primero en una solución sin protocolo de estado de enlace, como son las opciones SPB y TRILL, que como ya se comentaba previamente, limitaba la escalabilidad. Mientras que para el caso de los centros de datos, se pretende realizar una propuesta distribuida, que no necesite gestores o directorios como en VL2 y PortLand, que en la práctica suponen un problema adicional e incluso, un cuello de botella en algunos casos.
Además, se deberían evitar en la medida de lo posible los siguientes problemas ya comentados:
Proliferación de direcciones MAC: Para evitar que los bridges llenen sus cachés, éstas podrían generarse sólo puntualmente cuando la comunicación fuera necesaria y caducar después. También podrían utilizarse técnicas similares a las de SPBM y SPBV, en las que los bridges sólo necesiten aprender las direcciones de los bridges frontera, de manera que se reduce el número de direcciones totales a aprender.
Inundación de tráfico de difusión: Para evitar esta inundación, una idea sería el uso de proxies. Otra idea podría llevar a cambiar el mecanismo básico de ARP con difusión, pero éste debe mantenerse por defecto por ser el único que garantiza la resolución de la dirección en todos los casos, incluido el caso de desplazamiento silencioso de un sistema final. Para el problema de la difusión de ARP, la exploración del estado del arte da los conocidos resultados de uso de proxies ARP, es el caso por ejemplo de EtherProxy [EC09].
Efectividad del Árbol de Expansión: Evitando el uso de árboles de expansión, eliminaremos este problema.
3.4
Conclusiones
En este capítulo se ha definido el problema a resolver, así como los problemas parciales a resolver. Se ha realizado la valoración del estado del arte de los protocolos de encaminamiento en capa 2 con vistas a su aplicación en el problema planteado.
Finalmente se ha expuesto el proceso de diseño y las decisiones tomadas para definir el desarrollo de la Tesis: lo principal es eliminar las limitaciones del protocolo de árbol de expansión, pero también se pretende obtener las ventajas de los routers en base a planteamientos menos complejos que SPB y TRILL en redes empresariales (en base a eliminar el uso de un protocolo de estado de enlace) y que VL2 y PortLand en redes de centros de datos (haciendo el encaminamiento distribuido, sin gestores, ni directorios).