Aproximación al modelamiento del enrutamiento en redes GMPLS con fines de optimización de recursos

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(1)Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Aproximación al modelamiento del enrutamiento en redes GMPLS con fines de optimización de recursos. Danilo de Jesús Ariza Agámez. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Bogotá D.C., Colombia Diciembre de 2015. 1.

(2) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Aproximación al modelamiento del enrutamiento en redes GMPLS con fines de optimización de recursos Danilo de Jesús Ariza Agámez Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de: Magister en ciencias de la información y las telecomunicaciones. Director: Ph.D. Octavio José Salcedo Parra. Línea de Investigación: Investigación de operaciones, enrutamiento Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de Ingeniería Bogotá D.C., Colombia Diciembre de 2015 2.

(3) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Nota de aceptación. ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________. __________________________________________ Firma del presidente del jurado __________________________________________ Firma del jurado __________________________________________ Firma del jurado. Bogotá D.C., diciembre de 2015 _. 3.

(4) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 4.

(5) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Dedicatorias. A Danilo Alejandro y Sebastián David, mis grandes, amados, juiciosos y muy inteligentes hijos. Dos enormes regalos del creador.. A mi madre Lesbia Lidis y su gran amor y devoción.. A Andrea y Olinda, otras dos madres que me regaló la vida.. A mi adorada Brigitte, hermoso ser que me enseñó a sentirme realmente amado.. A Laura Marcela, de quien espero siempre tanto aprecio como el que siento por ella.. A Dalton y Whisky, hermosos ejemplares de otras especies que siempre dispuestos a dar y recibir amor.. A Ana Vicenta, Juan Bautista, Luis Alfonso, León Santiago y Doyler Medelson: seres queridos que encuentran en la gloria de Dios.. se. 5.

(6) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Agradecimientos. Expreso mis sinceros y profundos agradecimientos a la Facultad de ingeniería de la Universidad Distrital Francisco José de Calda, a cada uno de los docentes del programa de maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones que contribuyeron con esta etapa en mi proceso de formación.. Agradecimientos especiales al Maestro Octavio José Salcedo Parra, por sus aportes, consejos y orientaciones en el desarrollo. Mil gracias Maestro.. .. 6.

(7) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Tabla de contenidos PARTE I: CONTEXTUALIZACIÓN ............................................................................................... 10 Capítulo 1. Contextualización ................................................................................................. 11 1.1. Resumen ................................................................................................................................. 11 1.2. Abstract .................................................................................................................................. 12 1.3. Introducción ........................................................................................................................... 13 1.4. Formulación del problema ..................................................................................................... 14 1.5. Objetivos ................................................................................................................................ 15 1.5.1. Objetivo general ..............................................................................................................15 1.5.2. Objetivos específicos .......................................................................................................15 1.6. Justificación ............................................................................................................................ 16 1.7. Resultados esperados ............................................................................................................ 17 PARTE II: MARCO TEÓRICO..................................................................................................... 19 Capítulo 2. Fundamentos de redes de transporte .................................................................... 20 2.1. Arquitectura genérica de las redes de trasporte ................................................................... 21 2.2. Redes ópticas y mecanismos de multiplexación .................................................................... 21 2.2.1. Multiplexación por División de Tiempo (TDM). ..............................................................22 2.2.2. Multiplexación por División de Longitud de Onda. .........................................................22 2.2.3. Conmutación de Fibra: ....................................................................................................23 2.3. Evolución de las redes ópticas ............................................................................................... 23 2.3.1. Redes ópticas de primera generación. ............................................................................24 2.3.2. Redes ópticas de segunda generación ............................................................................24 2.3.3. Redes ópticas de tercera generación. .............................................................................26 Capítulo 3. Fundamentos de MPLS y GMPLS ........................................................................... 28 3.1. Conmutación de paquetes y conmutación de etiquetas ....................................................... 28 3.2. Conmutación de etiquetas: paradigma de la tecnología MPLS ............................................. 29 3.3.1. LSR y LSP .............................................................................................................................. 30 3.3.2. Clases de Equivalencia de Reenvío (FEC) ........................................................................31 3.3.3. Apilamiento de etiquetas o túneles MPLS ......................................................................31 3.4. Noción básica de señalización ................................................................................................ 32 3.5. El paso a GMPLS ..................................................................................................................... 32 3.6. Génesis de GMPLS .................................................................................................................. 33 3.7. Requerimientos y restricciones asociadas a GMPLS .............................................................. 33 3.7.1. Limitaciones de la generalización de etiquetas: .............................................................33 3.7.2. Tipos de conmutación en Nodos de redes de transporte: ..............................................33 3.7.3. LSP en GMPLS: .................................................................................................................34 3.7.4. Granularidad del Ancho de banda: .................................................................................34 3.7.5. Bidireccionalidad de conexiones en GMPLS ...................................................................34 3.7.6. Planos de control y de datos separados .........................................................................35 3.7.7. Túneles y jerarquías en GMPLS .......................................................................................35 3.8. Señalización en GMPLS .......................................................................................................... 35 3.9. Mejoras de RSVP-TE para GMPLS........................................................................................... 36 7.

(8) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.9.1. Señalización de LSP jerárquicos ......................................................................................36 3.9.2. Mejoramiento de etiquetas ............................................................................................38 3.10. Enrutamiento ....................................................................................................................... 39 3.10.1. Enrutamiento IP e Ingeniería de Tráfico .......................................................................39 3.11. Enrutamiento en GMPLS ...................................................................................................... 39 3.11.1. Información de Enrutamiento requerida en redes GMPLS ...........................................40 3.11.2. Protocolos de Enrutamiento en GMPLS ........................................................................40 3.12. Ingeniería de Tráfico GMPLS ................................................................................................ 40 3.12.1. Atributos de enlaces de TE ............................................................................................41 3.13. Protocolos de soporte de Ingeniería de Tráfico GMPLS...................................................... 41 3.13.1. OSPF-TE e IS-IS-TE .........................................................................................................42 3.13.2. Construcción de enlaces de Ingeniería de Tráfico ........................................................42 3.13.3. Regiones de Ingeniería de Tráfico y capas de conmutación .........................................42 3.13.4Topología virtual de red ..................................................................................................44 3.13.5. Protección H-LSP ...........................................................................................................45 3.13.6. Capacidades de adaptación ..........................................................................................46 3.14. PCE: Path Computation element .......................................................................................... 47 3.14.1. Arquitectura del modelo PCE ........................................................................................48 Capítulo 4. Contexto general del problema de cálculo de rutas ............................................... 51 4.1. Aspectos básicos de complejidad........................................................................................... 51 4.1.2. Clases de Complejidad ....................................................................................................52 4.2. Representación de redes para cálculo de rutas ..................................................................... 53 4.3. Algoritmos de cálculo de la ruta más corta ............................................................................ 54 4.3.1. Algoritmo de Dijkstra ......................................................................................................55 4.3.2. Algoritmo de Bellman-Ford .............................................................................................56 4.3.3. Algoritmo de Johnson .....................................................................................................57 4.4. Extensión de algoritmos básicos para hallar múltiples rutas más cortas. ............................ 58 4.4.1. Algoritmo KSP ..................................................................................................................59 4.5 Restricciones de cálculo de rutas en GMPLS........................................................................... 60 4.5.1. Restricciones asociadas con atributos de enlace y de ruta .............................................61 4.5.2. Restricciones asociadas con exclusión e inclusión ..........................................................62 Capítulo 5: Cálculo de rutas más cortas en ámbitos restringidos (CSPP) ................................... 62 5.1. Estado del arte del CSPP......................................................................................................... 63 PARTE III: PLANTEAMIENTO DE MODELOS .............................................................................. 67 Capítulo 6. Bases matemáticas asociadas con la solución del CSPP .......................................... 68 6.1 Elementos básicos de programación lineal ............................................................................. 68 6.1.2. Modelo de problemas de programación lineal ...............................................................68 6.1.4. Solución de problemas de programación lineal ..............................................................69 6.1.5. Solución de problemas de programación lineal. El método simplex ..............................70 6.1.6. Problema dual de un problema de programación lineal ................................................71 6.2. Elementos básicos de programación lineal entera ................................................................ 71 6.2.1. Relajación Lagrangiana....................................................................................................72 6.2.2 Límite inferior de la función objetivo ...............................................................................73 6.2.3. Teorema de relajación Lagrangiana ................................................................................74 6.2.4. Algoritmo de optimización subgradiente ........................................................................75 8.

(9) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Capítulo 7. Modelos formales de solución .............................................................................. 77 7.1. Modelamiento del problema usando programación lineal entera ........................................ 78 7.2. Algoritmo para hallar rutas factibles ...................................................................................... 80 7.2.1. Procedimiento FPDT de afinamiento para el problema JFP............................................81 7.2.2. Procedimiento de enumeración para el problema ......................................84 7.3. Algoritmo para el problema JMCSP ....................................................................................... 86 7.3.1. Procedimiento de afinamiento para JMCSP .............................................87 7.3.2. Procedimiento MCSPPE de enumeración para el problema JMCSP ...............................91 7.4 Algoritmo CSP con una restricción .......................................................................................... 93 Capítulo 8: Diseño e implementación ..................................................................................... 95 8.1. Ajuste de Pseudocódigos de algoritmos de solución ............................................................. 95 8.1.1. Pseudocódigo para hallar 3 rutas factibles .....................................................................96 8.1.2. Pseudocódigo del algoritmo para el problema 3MCSP....................................................... 98 8.2 Flujo lógico del sistema ......................................................................................................... 100 8.3. Opciones de herramienta de simulación ............................................................................. 101 8.3.1. OPNET............................................................................................................................102 8.3.2. NS-2 ...............................................................................................................................102 8.3.3. Programación en Java. ..................................................................................................102 8.4. Selección de herramienta .................................................................................................... 103 Capítulo 9: Evaluación de resultados, trabajos futuros y conclusiones. ...................................105 9.1. Pruebas del algoritmo KSP ................................................................................................... 105 9.2 pruebas del algoritmo para manejo de restricciones ........................................................... 107 9.3 Trabajos futuros .................................................................................................................... 114 9.4. Conclusiones......................................................................................................................... 114 Referencias...........................................................................................................................118 PARTE IV: ANEXOS ................................................................................................................121 Codificación de clases para el algoritmo KSP ..........................................................................122 Codificación del algoritmo CSP ..............................................................................................143. 9.

(10) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. PARTE I: CONTEXTUALIZACIÓN. 10.

(11) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Capítulo 1. Contextualización 1.1. Resumen En el presente trabajo inicialmente se revisa conceptos fundamentales de redes basadas en la tecnología GMPLS, enfatizando en el enrutamiento, que es el intercambio de información requerida antes de realizar el cálculo de rutas. Se toma en cuenta que las comunicaciones a través de la Internet, soportada por los Proveedores de Servicios de Internet (ISP), cada día muestran mayores requerimientos, obligando cada vez más a los ISP a hacer uso eficiente de sus recursos al tiempo que satisfagan las necesidades de sus abonados. GMPLS, es quizá la tecnología más llamada a contribuir con tales propósitos en razón a la separación de los planos de control y de datos y al diseño de protocolos orientados a la apropiada administración de recursos, sin embargo, las complejidades subyacentes a las comunicaciones hacen del cálculo de rutas una tarea también compleja debido a las variadas restricciones impuestas por las comunicaciones. El cálculo restringido de rutas ha dado lugar a profundas investigaciones sobre optimización, con el fin de lograr eficientes algoritmos. Para la realización de este trabajo se ha dirigido la mirada al tratamiento matemático del problema de cálculo de múltiples mejores rutas sujeto a múltiples restricciones, se propone el uso de un conjunto de bloques algorítmicos y se destaca en ellos la importancia del algoritmo KSP que calcula las K mejores rutas en un grafo. Se presenta elementos del discurso matemático que de los algoritmos adoptados, se realiza implementaciones de los mismos y pruebas que avalan su funcionamiento.. Palabras clave: GMPLS, Enrutamiento, optimización, Dijkstra, programación lineal. 11.

(12) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 1.2. Abstract In this work basic concepts of GMPLS-based technology, with emphasis on routing, which is the exchange of information required before performing route calculation networks is reviewed. It takes into account that communications via the Internet, supported by the Internet Service Providers (ISP), daily show higher requirements, forcing the ISP to make efficient use of their resources while meeting the needs of their subscribers. GMPLS, is perhaps the most called to contribute for such purposes due to the separation of control plane and data and design appropriately oriented resource management protocols, however, the underlying communications complexities make the calculation Route an equally complex task due to various constraints imposed by these communications. Calculating restricted routes has led to extensive research on optimization, in order to achieve efficient algorithms. To carry out this work has been directed to look mathematical treatment of the problem of calculation of multiple best paths subject to multiple restrictions, the use of a set of algorithmic blocks is proposed and excels in them the importance of calculating the best K routes (KSP) from a graph. Speech elements mathematical algorithms adopted, implementations thereof is performed and evidence supporting operation performed occurs. Keywords: GMPLS, routing, optimization, Dijkstra, linear programming.. 12.

(13) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 1.3. Introducción Las modernas redes de comunicación han transformado notablemente las formas en que hoy desarrollamos nuestras diferentes actividades. Estamos altamente influenciados por el uso de la Internet y cada día parece que la necesidad de su uso es más creciente. En un mundo empresarial, en el que los ISP, buscan mantenerse competitivos frente a las exigencias de sus abonados, existe la necesidad de contar con infraestructuras soportadas por sólidas configuraciones que den lugar al eficiente uso de los recursos sin que ello vaya en detrimento de los intereses de los clientes. Para las modernas redes, una arquitectura soportada en la tecnología GMPLS ayuda en el logro de sus propósitos, sin embargo requiere de sólidas técnicas de enrutamiento frente a las crecientes exigencia de los usuarios de hoy.. El presente trabajo aborda el problema del enrutamiento, en el cual no solo se requiere calcular las mejores rutas, sino que estas deben satisfacer un conjunto de restricciones asociadas con las métricas de la red. El trabajo está organizado de la siguiente manera: una primera parte de contextualización dedicada precisamente a indicar al lector las generalidades del resto del trabajo, contiene un capítulo que incluye un breve resumen, formulación del problema, justificación, objetivos y resultados espera obtener.. En la parte 2, correspondiente a marco teórico, se presenta un segundo capítulo en que se aborda elementos fundamentales de redes de transporte, mecanismos de multiplexación y la evolución de las redes ópticas. El capítulo 3 inicia con una breve descripción de la conmutación de paquetes IP para luego describir la conmutación de etiquetas, que es el paradigma fundamental de la tecnología MPLS. Continúa el capítulo introduciendo otros conceptos básicos de MPLS para luego pasar a la descripción de la generalización que da lugar a GMPLS, se aborda de manera breve los aspectos que tienen que ver con la señalización, el enrutamiento y los protocolas que les dan soporte. El capítulo continúa el tratamiento de las restricciones propias del ámbito GMPLS. El capítulo 4 aborda el problema de cálculo de ruta y los diferentes algoritmos de solución, ya que ellos son la base de desarrollo de posteriores capítulos. Esta segunda parte finaliza con el capítulo 5, donde se aborda específicamente el cálculo de rutas en ambientes restringidos. 13.

(14) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. En la tercera parte, el capítulo 6 se dedica a una breve descripción de principios matemáticos fundamentales que contribuyen con la solución del problema. El capítulo 7 aborda los modelos y procedimientos formales adoptados, en el capítulo 8 se presenta un diseño básico, la implementación mientras que en el capítulo 9 se presenta la evaluación de resultados, posibles trabajos futuros y conclusiones y las conclusiones. Luego de las conclusiones se presenta como cuarta parte el código de las clases implementadas a manera de Anexos.. 1.4. Formulación del problema La Internet aprovecha los avances de las transmisiones ópticas que permiten muchísimas comunicaciones simultáneas a través de un mismo cable [1], sin embargo, al tiempo que avanzan las posibilidades tecnológicas en materia de telecomunicación, también crece la demanda que presenta mayores exigencias a la infraestructura de los Proveedores de Servicios de Internet (ISPs) [1]. Los usuarios esperan siempre muy alta calidad de los servicios que contratan, pero por un lado los ISP necesitan mantenerse competitivos y por otro, los elementos de la infraestructura asociados a los recursos no están exentos de daños, fallas o sobrecargas, siendo esto un factor llamado a generar dificultad en cuanto a la garantía de los servicios en las condiciones esperadas.. El plano de control de GMPLS es responsable de la señalización y enrutamiento que permiten la aplicación de ingeniería de tráfico, soporte del aprovisionamiento de calidad de servicio (QoS). La finalidad de la ingeniería de tráfico (TE) es optimizar el rendimiento de los recursos de red, redirigiendo el tráfico, sobre recursos recargados, hacia otros posiblemente subutilizados. En el contexto del enrutamiento GMPLS, la TE es aplicada, por ejemplo, mediante el balanceo de cargas, que distribuye el flujo de red a través de múltiples rutas precalculadas, entre los nodos origen y destino, de tal manera que se evite saturación de enlaces y los efectos asociados.. Comúnmente los diferentes servicios presentan diferentes requisitos de QoS relacionados, por ejemplo, con parámetros de ancho de banda, retardo, pérdida de paquetes, costos, entre otros. A lo anterior se une el hecho que la transmisión a 14.

(15) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. través de redes ópticas de transporte de nueva generación hace necesario tomar en consideración factores adicionales como el jitter o variación del retardo, la probabilidad de bloqueo, la redundancia y la tolerancia a fallas, entre otros. Frente a la necesidad de optimización de recursos y el alcance de diferentes objetivos frecuentemente en conflicto, es deseable que la optimización del enrutamiento GMPLS pueda expresarse matemáticamente considerando apropiadas métricas asociadas a las nuevas exigencias impuestas por los servicios que prestan las modernas redes de transporte. Frente a lo antes señalado vale la pena formular el siguiente interrogante que orienta esta propuesta de investigación:. ¿Están claramente definidos los referentes que, con fines de optimización de recursos, caracterizan matemáticamente la funcionalidad de enrutamiento de las redes GMPLS?. A través de esta propuesta se identifica, más que un problema, una oportunidad de investigación en el hecho que el en contexto de las redes de transporte existe la permanente necesidad de optimización de recursos. En este caso lo anterior atañe a la necesidad de formulaciones que consideren restricciones y exigencias asociadas a métricas de enrutamiento propias del contexto GMPLS y que constituyan una aproximación a su descripción formal.. 1.5. Objetivos 1.5.1. Objetivo general Establecer un modelo que caracterice matemáticamente la función enrutamiento en redes GMPLS con fines de optimización de recursos.. de. 1.5.2. Objetivos específicos  Establecer un estado del arte en el modelado de optimización del enrutamiento.  Establecer posibles formulaciones matemáticas de optimización del enrutamiento en redes GMPLS.. 15.

(16) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones.  Simular las funcionalidades del enrutamiento en redes GMPLS a partir de sus posibles formulaciones matemáticas.  Evaluar el comportamiento del enrutamiento en redes GMPLS frente a manipulación de variables.  Establecer posibles criterios de optimización de recursos en redes GMPLS con base en formulaciones matemáticas de la funcionalidad de enrutamiento.. 1.6. Justificación Las redes de transporte, que soportan el cúmulo de servicios prestados a través de la Internet, se han visto inmersas en procesos de evolución debidos en buena medida al incremento de exigentes aplicaciones demandantes de altísimas tasas de transferencia y capacidades de calidad de servicio. Al no resultar lo necesariamente efectivo, el paradigma de conmutación de paquetes IP se remplaza por el esquema MPLS, el que a su vez se generaliza para dar lugar a las redes GMPLS. [1],[2]. Las modernas redes de transporte, basadas en buena medida en transmisión a través de fibra óptica, requieren complejas funcionalidades de control debido a múltiples exigencias y restricciones impuestas por los servicios que soportan. Los actuales ISP, además de los requisitos de QoS que usualmente presentan las aplicaciones (relacionados con ancho de banda, retardo, pérdida de paquetes), deben considerar factores adicionales tales como el jitter o variación del retardo, probabilidad de bloqueo, redundancia y tolerancia a fallas, elementos directamente relacionados con múltiples objetivos que deben alcanzar en aras de mantenerse competitivos, por tanto es pertinente abordar la optimización del enrutamiento de tal manera que considere métricas asociadas a las nuevas complejidades.. Particularmente en la tecnología GMPLS, el plano de control coordina, entre otras, la tarea de enrutamiento, para lo cual se vale de un conjunto de protocolos específicos, ligados a principios de ingeniería de tráfico, que demandan la 16.

(17) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. aplicación de criterios de optimización de recursos, de tal manera que se pueda prestar los servicios cumpliendo con parámetros de eficiencia. [1],[2].. Frente a la necesidad de aplicación de principios de ingeniería de tráfico involucrados en el alcance de múltiples objetivos y teniendo en cuenta que, no están totalmente definidos los referentes que, con fines de optimización de recursos, caractericen matemáticamente la funcionalidad de enrutamiento de redes GMPLS, resulta muy importante abordar este trabajo.. La utilidad de posibles formulaciones matemáticas que, dentro de ciertos límites, se aproximen a una caracterización o modelo matemático de optimización que considere los aspectos señalados en el párrafo anterior, y que permita establecer criterios de eficiencia en el uso de los recursos de red, al tiempo que se alcance los múltiples objetivos que comprometen a las redes de transporte, justifica plenamente que se aborde el estudio aquí propuesto.. 1.7. Resultados esperados El desarrollo de la presente propuesta puede contribuir con el fortalecimiento de elementos de análisis alrededor de la optimización de recursos en el contexto de las redes de transporte, particularmente al interior del programa de Maestría en Ciencias de la Información y las Telecomunicaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Adicionalmente se considera que los estudios realizados, y posibles resultados que de él se deriven, podrían ser de utilidad, directa o indirectamente para:.  Comunidad académica: la utilidad se vería representada en mayores referentes conceptuales en relación con el tema de optimización de recursos en redes de transporte y particularmente con los asociados a la funcionalidad de enrutamiento en redes GMPLS..  Personal docente y directivo: les sería de utilidad en la medida que los resultados del proyecto, o interrogantes y conclusiones que de él se deriven, 17.

(18) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. podrían constituir un punto de partida de futuras investigaciones relacionadas con las temáticas abordadas en la propuesta..  Comunidad de Ingenieros: los resultados o conclusiones del estudio podrían ser utilizados como fundamentos conceptuales que ayuden a sustentar criterios técnicos en relación a la optimización de recursos en redes de transporte de información..  Empresas proveedoras de servicios: Los resultados o conclusiones del estudio podrían ser parte de los referentes conceptuales utilizados por empresas Proveedoras de Servicios de Telecomunicaciones (TPS) y Proveedoras de Servicios de Internet (ISP), toda vez que son estas organizaciones las que más directamente se ven comprometidas en la administración de recursos en redes de transporte.. 18.

(19) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. PARTE II: MARCO TEÓRICO. 19.

(20) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Capítulo 2. Fundamentos de redes de transporte Se puede considerar una red de transporte como un conjunto de recursos de red para transmitir datos de usuarios de redes en diferentes lugares. La Internet es una compleja estructura de múltiples redes de trasporte propiedad de los ISP o Proveedores de Servicios de Internet. Las redes de los ISP son heterogéneos Sistemas Autónomos que cooperan entre ellos para formar la columna vertebral o backbone de la Internet, y cuentan con una infraestructura de recursos para prestar a sus abonados el acceso a la Internet y soportar los exigentes servicios a los que acceden los usuarios [1]. La tecnología de interconexión al interior de las redes de usuario es muy variada, lo que da lugar al uso de diferentes tecnologías de conexión en las fronteras de las redes de usuario y la red de transporte. La Figura 1 [1] ilustra la idea básica correspondiente al contexto de redes de transporte.. Figura 2.1: Ilustración básica del funcionamiento de redes de transporte.. 20.

(21) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 2.1. Arquitectura genérica de las redes de trasporte Así como las arquitecturas de redes se representan mediante modelos de capas, es útil ver una red de transporte desde la perspectiva de las funcionalidades de sus nodos, lo que hace posible construir una descripción del modelo arquitectónico al tiempo que facilita la comprensión de la misma. Una red de trasporte es vista como una arquitectura formada por conjuntos de componentes con funcionalidades relacionadas. A los conjuntos de funcionalidades se les conoce con el nombre genérico de planos. De esta manera, un nodo con diferentes componentes y funcionalidades está presente en la comunicación entre planos, es decir, la comunicación entre planos se da en nodos individuales. Por otro lado, la comunicación de componentes similares de nodos diferentes se da en un mismo plano. Estas ideas se ilustran en la Figura 2.2, [1] donde la arquitectura de red se compone de cuatro planos que son los planos de administración, señalización, enrutamiento y de datos.. Figura 2. 2: Arquitectura de red compuesta por los planos de administración, señalización, enrutamiento y de datos.. 2.2. Redes ópticas y mecanismos de multiplexación A lo largo de la historia de la Internet, el medio de transmisión predominante en las redes de ISP ha sido la fibra óptica. La transmisión por fibra óptica se ha valido de técnicas de Multiplexación, como las que se describen brevemente a continuación.. 21.

(22) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 2.2.1. Multiplexación por División de Tiempo (TDM). El fundamento de TDM (Time Division Multiplexing) está en el hecho que el ancho de banda de la señal portadora se comparte por múltiples flujos, asignándose a cada flujo una ranura temporal de la señal. TDM típicamente maneja variadas capacidades de transmisión, actuales investigaciones trabajan sobre lo que se conoce como o Multiplexación por División de Tiempo Óptica u OTDM (Optical Time Division Multiplexing). La Figura 2.3 [3] muestra una idea básica del esquema de multiplexación TDM.. Figura 2. 3: Esquema de funcionamiento de la multiplexación TDM. 2.2.2. Multiplexación por División de Longitud de Onda. La técnica de Multiplexación por División de Longitud de Onda o WDM (Wavelegth Division Multiplexing) coloca simultáneamente múltiples señales ópticas en la misma fibra, cada señal se asocia con un canal de longitud de onda (lambda), que transportan datos independientemente de los transportados por los otros canales de la misma fibra. Es muy común que cada lamda en WDM transporte flujos TDM.. WDM presenta las versiones CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) o WDM gruesa, que multiplexa 18 canales con separaciones de 20nm entre canales; y DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) o WDM densa, que logra más 22.

(23) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. canales por fibra. DWDM cuenta con varias especificaciones caracterizadas por menores separaciones, de 100, 50 o 25 Ghz. Existen dos tipos distintos de switches WDM, que son Swithces OEO (Óptico-Electrónico-Óptico) y PXC o OOO (Fotónico cross-connect o todo óptico). La Figura 2.4 [3] ilustra la idea del esquema WDM.. Figura 2. 4: Esquema de funcionamiento de la multiplexación WDM. 2.2.3. Conmutación de Fibra: Un switch de fibra es un dispositivo que toma todos los datos de una fibra y los replica a otra fibra, son usualmente dispositivos transparentes, lo que significa que la señal entrante no se convierte al dominio eléctrico antes de ser transmitida.. 2.3. Evolución de las redes ópticas El enorme crecimiento en la demanda de ancho de banda, la creciente complejidad de los servicios y aplicaciones que se dan sobre la Internet, hace que la alta disponibilidad de capacidad de transmisión de la fibra óptica, no satisfaga suficientemente las actuales necesidades de gestión de redes, esto plantea exigencias que han motivado investigaciones y desarrollos en el campo óptico, 23.

(24) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. que han marcado etapas en su evolución, tal evolución permite clasificarlas redes ópticas como redes de primera, segunda y tercera generación [4].. 2.3.1. Redes ópticas de primera generación. La impronta de las redes ópticas de primera generación es el uso de fibra óptica como medio de transmisión, siendo la velocidad el elemento diferenciador frente a redes basadas en otros medios. En estas redes, los nodos deben realizar tareas de enrutamiento y conmutación, sobre los datos que usan el nodo como tránsito o como destino, en el domino eléctrico, lo significa que las señales ópticas que ingresan son convertidas al formato eléctrico y luego son convertidas al dominio óptico para su reenvió [4]. Tomando en cuenta que las estadísticas de tráfico señalan que en promedio aproximadamente el 85 % del tráfico usa los nodos como tránsito, estas conversiones conllevan una ineficiente utilización de recursos, lo que representa la más significativa limitación asociada a las redes ópticas de primera generación.. 2.3.2. Redes ópticas de segunda generación Si a un nodo de una red de transporte se le releva de tareas de conversión al dominio eléctrico, del tráfico dirigido a otros nodos, se lograría mayor eficiencia en el uso de los recursos de red. Este es el paradigma de la segunda generación de redes ópticas, con componentes capaces de colocar o extraer selectivamente grupos de longitudes de onda, desde o hacia la fibra, esto se conoce como enrutamiento y conmutación en el dominio óptico. Esta segunda generación está marcada por la incorporación de la idea de capa óptica al modelo de transmisión. La conmutación, enrutamiento y algunas tareas de control y gestión, pasan a darse en el dominio óptico. A estas redes también se les llama redes de enrutamiento de longitud de onda [4].. 24.

(25) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Figura 2. 5: Vista de red soportada en una capa óptica. Siguiendo la filosofía de los modelos en capas, la capa óptica presta servicios a la capa de nivel superior, llamada capa cliente, en la que se encuentran tecnologías como SONET/SDH, ATM, IP. El servicio consiste en el aprovisionamiento de las rutas ópticas o lightpath para satisfacer requerimientos de conexión. Es posible el uso de diferentes longitudes de onda a lo largo de la ruta siempre y cuando haya conversores de longitud de onda para realizar la retransmisión, en caso contrario se debe usar la misma lambda en todos los enlaces de la ruta. Es posible que en la red se use una misma longitud como componente de diferentes rutas ópticas si no comparten las mismas interfaces. La Figura 2.5 [3] muestra la relación de la capa óptica y las capas clientes.. 2.3.2.1. Hardware de redes ópticas de segunda generación La capa óptica de redes de segunda generación tienen parte de su soporte de hardware en la aparición de Multiplexores Ópticos de Inserción Extracción (OADM), Terminales Ópticos de Línea (OLT) y swithes conmutación óptica (OXC) [3], [4].. Un OADM puede detectar señales de diferentes lambdas que viajan por una fibra y procesar solo las que se requiera, permitiendo el paso de las demás sin ningún procesamiento, reduciendo significativamente los costos de operación. Por otro lado, un OLT se usa como punto de terminación en conexiones punto a punto para multiplexar/demultiplexar las longitudes de onda que conforman las rutas ópticas, también se encargan de la adaptación de señales entre las capas cliente y óptica. 25.

(26) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Los OXC pueden conmutar una longitud de onda desde cualquiera de sus puertos de entrada a cualquiera de salida, puede incluir o no conversión de longitud de onda. La Figura 2.6 [3] ilustra un esquema de red que incluye elementos asociados con el hardware de redes ópticas.. Figura 2. 6: Red óptica que ilustra algunos elementos de hardware. 2.3.3. Redes ópticas de tercera generación. En las redes de segunda generación, la función de enrutamiento corresponde a la tarea de establecer una ruta frente a peticiones de conexión, lo que se conoce como problema de Enrutamiento y Asignación de Longitud de Onda (RWA) [4], el cual busca que el establecimiento de rutas optimice el uso de recursos. Dada la altísima variabilidad del tráfico de información a través de la Internet, en la actualidad el mayor interés se centra alrededor del enrutamiento dinámico, en el que las conexiones se van estableciendo a medida que se van requiriendo y las rutas son liberadas cuando ya no se necesitan. De igual manera se debe tener en cuenta los requerimientos de calidad de servicio que presentan diferentes flujos, por ejemplo, se debe considerar la alta sensibilidad al retardo que tiene la transmisión de voz y video. Visto desde el ámbito administrativo de los ISP, que requieren ser lo suficientemente competitivos, el enrutamiento resulta ser un componente de fundamental que los impacta directamente, por lo cual se requiere plataformas tecnológicas y procedimientos que lo soporten de forma eficiente. 26.

(27) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. En virtud de lo anterior parece claro que las redes de segunda generación no satisfacen con suficiencia las necesidades de rápido y eficiente aprovisionamiento de recursos que demanda el enrutamiento dinámico exigido por el tráfico de Internet, ante lo cual la evolución de la capa óptica está llamada a proporcionar capacidades que faciliten la administración de rutas de forma eficiente, incluyendo el tratamiento de situaciones asociadas con fallas de red. Esto requiere la incorporación de mayor inteligencia a la red, en el sentido que pueden proporcionar rutas ópticas bajo demanda al tiempo que ofrece eficaces mecanismos de recuperación.. La evolución mencionada en relación con la capa óptica marca la tercera generación de redes ópticas, cuyo mayor desafío es la gestión de la misma, usando software inteligente, que facilite, entre otras, la asignación y configuración de rutas ópticas. En este sentido, una plataforma soportada en SONET/SDH es insuficiente ya que, por ejemplo, usa ineficientemente el ancho de banda y el enrutamiento se basa en demultiplexación que demanda conversiones ópticoelectrónicas. Además, al considerar las potencialidades de WDM, es acertado pretender que las tecnologías de comunicación ópticas puedan transportar paquetes IP directamente sobre DWDM, esto se conoce como redes ópticas de tercera generación o redes de conmutación óptica de paquetes, en las que enrutamiento y conmutación se realizan directamente en el dominio óptico. Avances en el sentido de lo señalado, dan lugar a un replanteamiento de los modelos arquitectónicos, llegándose a la arquitectura IP/WDM, la Figura 2.7 [1] muestra un esquema de la evolución referida. Como importante alternativa de gestión entra en escena GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching). GMPLS se tratará en este trabajo luego de tratar MPLS.. 27.

(28) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Figura 2. 6: Esquema de evolución de redes ópticas. Con estos elementos relacionados con algunas generalidades de las redes de transporte y la evolución de redes ópticas se da por finalizado este capítulo, el capítulo siguiente aborda elementos fundamentales de MPLS y GMPLS.. Capítulo 3. Fundamentos de MPLS y GMPLS 3.1. Conmutación de paquetes y conmutación de etiquetas La conmutación de paquetes es un proceso de renvío basado en un identificador lógico, el caso más representativo es la conmutación de paquetes IP, siendo la dirección IP de destino el identificador asociado. Cada paquete IP se entrama 28.

(29) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. según la tecnología de enlace de datos, y en cada interfaz de la ruta se desencapsula para leer la dirección IP y encapsularlo luego en una nueva trama para su reenvío. La necesidad de desentramado en cada interfaz de la ruta se constituye en la gran desventaja de la conmutación de paquetes IP, ya que este proceso afecta la velocidad del reenvío.. 3.2. Conmutación de etiquetas: paradigma de la tecnología MPLS La necesidad de desentramar cada paquete IP en cada interfaz de la ruta, puede considerarse parte del origen de investigaciones que dieron lugar a la conmutación de etiquetas, lo cual hace parte del contexto de MPLS. En la conmutación de etiquetas el envío se basa en la asociación de una etiqueta a cada paquetes entramado, el paquete se reenvía en cada salto hacia el siguiente nodo en la ruta, en función de la etiqueta entrante y con una nueva etiqueta saliente, de ahí que se hable de intercambio y conmutación de etiquetas, sin que se requiera desentramar completamente el paquete, ya que no se requiere leer la información de direccionamiento IP [1], [2].. Las redes que funcionan bajo el paradigma de conmutación de etiquetas se llaman redes MPLS o dominios MPLS. Como la etiqueta, se ubica entre los encabezados de capa de enlace de datos y capa de red, desde el punto de vista del modelo OSI, tiene sentido decir que la tecnología MPLS corresponde a una subcapa intermedia entre las capas de enlace de datos y la capa de red. La Figura 3.1 [1], ilustra la idea de la etiqueta como nuevo identificador para gestionar envíos. Además de la ventaja dada por la conmutación de etiquetas, MPLS brinda funcionalidades para mejor aprovechamiento de los recursos mediante la adecuada distribución del tráfico, lo que corresponden a Ingeniería de Tráfico (TE) [1].. Figura 3. 1: Etiqueta como identificador en la tecnología MPLS. 29.

(30) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.3.1. LSR y LSP Cada nodo de un entorno MPLS se conoce como Router de Conmutación de Etiqueta o LSR (Label Switching Router). Cuando los paquetes, aún no etiquetados, ingresan al dominio MPLS son recibidos por un LSR de entrada, el cual los etiqueta según la pertenencia a flujos determinados, luego los envía a un LSR vecino en el que se retira la etiqueta de entrada y se asigna una nueva para el reenvío a otro LSR intermedio o al de salida. En el LSR de salida se retira la etiqueta y se entregan a la red final de usuario. La ruta tomada por el flujo de datos en las redes MPLS se conoce como Rutas Conmutadas por Etiquetas o LSP (Label Switch Path). Las LSP en MPLS son unidireccionales, lo que hace necesaria la configuración de otra LSP en sentido contrario entre los mismos nodos extremos.. Cada LSR construye una tabla de reenvío, conocida como Tabla de Información Base de Etiquetas de Reenvío o LFIB (Label Forwarding Information Base), que guarda las asociaciones entre pares {interfaz de entrada, etiqueta de entrada} e {interfaz de salida, etiqueta de salida}, lo que define la etiqueta e interfaz con que se envía un paquete según la interfaz y etiqueta de entrada. La Figura 3.2 [1] ilustra la idea básica del reenvío basado en la conmutación de etiquetas.. Figura 3. 2: Proceso de reenvío basado en la conmutación de etiquetas.. La tabla LFIB se construye con el concurso de un protocolo de señalización para soportar el coherente uso de etiquetas, esto se basa en la información de las tablas de enrutamiento de los LSR. En MPLS se usa protocolos de señalización 30.

(31) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. como LDP o Protocolo de Distribución de Etiquetas (Label Distribution Protocol) y RSVP o Protocolo de Reserva de Recursos (Resource Reservation Protocol).. 3.3.2. Clases de Equivalencia de Reenvío (FEC) En MPLS una Clase de Equivalencia de Reenvío o FEC (Forwarding Equivalence Class) corresponde a un grupo de paquetes tratados de la misma forma, enviados por la misma ruta con la misma etiqueta, al ser, por ejemplo, paquetes con igual prefijo de dirección IP destino o flujos con similares necesidades de tratamiento de reenvío o pertenencia a alguna red privada. La asignación a una FEC se hace a la entrada del dominio MPLS.. 3.3.3. Apilamiento de etiquetas o túneles MPLS Las pilas de etiquetas permiten crear túneles, o túneles de túneles, al agregar múltiples LSP con el mismo etiquetado cuando las LSP comparten un conjunto de nodos. A la entrada de cada túnel, a los paquetes de flujos agregados se aplica una etiqueta adicional asociada con el túnel, sin remover la de entrada. La etiqueta superior o última adicionada es la que se retira a la salida de un túnel. La última etiqueta de la pila tiene un bit adicional que lo indica. El uso de pilas de etiquetas tiene la ventaja de ahorro de procesamiento en los LSR, ya que por cada túnel, tienen en su LFIB una única entrada que permite gestionar múltiples LSP. La Figura 3.3 [1] muestra la idea asociada con el apilamiento de etiquetas o túneles MPLS.. Figura 3. 3: Apilamiento de etiquetas, base para la creación de túneles en MPLS. 31.

(32) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.4. Noción básica de señalización La señalización corresponde al intercambio de mensajes de control para soportar el establecimiento, mantenimiento, modificación y eliminación de rutas. En MPLS el protocolo de señalización o de distribución de etiquetas opera entre pares de LSR de tal modo que el LSR más cercano al origen, o LSR ascendente, sepa cómo etiquetar los flujos hacia el LSR vecino más cercano al destino, o LSR descendente.. El soporte de señalización en MPLS y GMPLS está en extensiones de los protocolos RSVP y LDP, las que además cuentan con soporte para la ingeniería de tráfico (TE). Las extensiones son CR-LDP o protocolo de enrutamiento basado en restricciones y RSVP-TE para soportar reserva de recursos con funcionalidades TE.. 3.5. El paso a GMPLS De manera simple se ve a GMPLS como Generalización de MPLS, pero es claro tal generalización se relaciona con la heterogeneidad de las redes de transporte en cuanto a las tecnologías de equipos que las componen, tanto que en un mismo ISP hay segmentos formados por routers IP, switch de capa 2, switches SONET/SDH, entre otros. La coexistencia compatible de variadas tecnologías requiere suficiente capacidades de gestión. GMPLS surge del interés de proporcionar mecanismos de control capaces de trabajar sobre cualquier infraestructura sin importar su soporte en múltiples tecnologías, lo que sumado a la actual necesidad de aprovisionamiento dinámico de rutas, se constituye en la motivación de investigaciones alrededor de un plano de control suficientemente inteligente que además permita ahorro de operaciones. En aras de la generalización la lupa se dirigió hacia la similitud lógica de la conmutación de longitudes de onda de WDM y la conmutación de etiquetas MPLS.. 32.

(33) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.6. Génesis de GMPLS La similitud lógica de la conmutación MPLS y WDM se refiere a que un switch WDM toma lambdas entrantes, asociadas con un flujo, por una determinada interfaz y retransmite con una lambda diferente por una interfaz de salida, por su parte en la conmutación de etiquetas cada paquete entra por una interfaz, con una etiqueta y es retransmitido por una interfaz de salida y otra etiqueta predefinida. De aquí surge la idea de aplicar los principios de la señalización y enrutamiento MPLS, dando origen al Multiprotocolo de Conmutación de Longitud de Onda o MPλS (Multiprotocol Lambda Switching), en el que se tiene el mapeo {lambda entrante, interfaz de entrada} a {lambda saliente, interfaz de salida} en los dispositivos ópticos. El surgimiento de MPλS a partir del fundamento de MPLS, llevó a la ampliación de las investigaciones para incluir otras tecnologías, como conmutación de fibra, TDM, conmutación de capa 2, conmutación de paquete/trama/celda, lo que condujo a formular los conceptos de MPLS Generalizado o GMPLS [1].. 3.7. Requerimientos y restricciones asociadas a GMPLS La generalización GMPLS debe considerar algunas limitaciones y requerimientos, algunas de ellas se comentan a continuación.. 3.7.1. Limitaciones de la generalización de etiquetas: La etiqueta en MPLS puede tener un valor arbitrario ya que ésta no representa recurso físico alguno, mientras que, por ejemplo, en DWDM una etiqueta identifica una lambda particular, lo que deja ver que en general no son de libre escogencia al ser identificador de los recursos físicos conmutables (lambdas, ranuras de tiempo, puertos o fibras específicas) [1].. 3.7.2. Tipos de conmutación en Nodos de redes de transporte: Un tipo de conmutación en un nodo de red de transporte se refiere a su capacidad de multiplexado, demultiplexado y conmutación de unidades de datos. Entre los. 33.

(34) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. diferentes tipos de conmutación en el ámbito de GMPLS se tiene conmutación de paquetes etiquetados, conmutación de capa 2, TDM, WDM.. 3.7.3. LSP en GMPLS: En MPLS una LSP es una ruta definida en función de los LSR que la componen. El establecimiento de rutas en redes de transporte basadas en GMPLS requiere la programación de recursos para tomar tráfico entrante desde un recurso y enviarlo a un recurso saliente. Puesto que en GMPLS las etiquetas se asocian a recursos físicos, una LSP corresponde a una serie de dispositivos de retransmisión, la respectiva programación para la entrega, las etiquetas que identifican recursos y las interfaces de entrada y salida. La LSP en GMPLS también describe el estado de rutas en el plano de control, es decir, en el plano de control existe información del estado rutas o del LSP del plano de datos.. 3.7.4. Granularidad del Ancho de banda: La granularidad del ancho de banda se refiere a la mínima unidad de ancho de banda asignable a un servicio. En MPLS puede ser del orden de bytes/seg, con lo cual la capacidad de un enlace se puede dividir sin significativas limitantes entre las LSP que lo comparten. Como en GMPLS existe asociación entre LSP y recursos físicos, la división del ancho de banda se limita a las capacidades del equipo de conmutación, siendo posible que el mínimo ancho de banda asignable sea mucho mayor que el requerido para un servicio, para evitar el potencial desperdicio, los mecanismos que soportan la transmisión deben tener en cuenta esta restricción [1],[2].. 3.7.5. Bidireccionalidad de conexiones en GMPLS En MPLS la bidireccionalidad se logra mediante el establecimiento de dos LSP en sentido contrario, en GMPLS el mismo propósito se logra asignando los recursos al tiempo en ambas direcciones, necesitándose sólo un estado en el plano de control, dando ahorro de memoria y procesamiento, facilidad y rapidez de configuración [1].. 34.

(35) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.7.6. Planos de control y de datos separados Las redes de transporte transmiten gran cantidad de tráfico, por lo que los nodos deben ser relevados de tareas de control asociadas con el examen de encabezados, esto implica que los mensajes de control no viajen por los mismos canales de datos, lo que corresponde a la separación de los planos de control y de datos y su vez trae significativos desafíos de gestión a los protocolos GMPLS [1].. 3.7.7. Túneles y jerarquías en GMPLS La idea de pilas de etiquetas, para crear túneles de LSP, no se aplica directamente en GMPLS debido a la asociación de etiquetas con recursos físicos. La jerarquización de LSP en GMPLS está ligada a los tipos de conmutación, que a su vez están atados a la granularidad. El anidamiento de LSP se da en función de la jerarquía de tipos de conmutación, en los que una fibra puede anidar múltiples canales de diferentes lambdas, cada canal puede anidar varias ranuras de tiempo y éstas a su vez anidan paquetes IP, tal como lo sugiere la Figura 3.4 [1]. La jerarquización hace eficiente el uso del ancho de banda y permite integrar diferentes tipos de conmutación. Su aprovechamiento está ligado a apropiados procedimientos de señalización, enrutamiento e ingeniería de tráfico.. Figura 3. 4: Jerarquía de tipos de conmutación. 3.8. Señalización en GMPLS En GMPLS la señalización se soporta en el protocolo RSVP-TE. Básicamente RSVP reserva recursos a lo largo de una ruta para un flujo específico, garantizando QoS y permitiendo indicar las necesidades de servicios. La operación de RSVP se basa en siete mensajes de señalización que son: Path y 35.

(36) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Resv, para establecer reservas para una sesión; PathTear y ResvTear, para anular el estado de sesión y reservación; PathErr y ResvErr, para notificar errores, y ResvConf, para confirmación de reserva [1].. RSVP-TE (RSVP para Ingeniería de Tráfico), es una extensión para distribución de etiquetas sobre MPLS, soporta creación de rutas explícitas con o sin reserva de recursos, es usado para crear, mantener y anular LSP, permitiendo reenrutamiento de túneles LSP para resolver problemas de caídas de red, cogestión y cuellos de botella. Entre los puntos clave RSVP-TE están el uso de los mensajes Path y Resv para petición y asignación de etiquetas, funcionalidades para especificar una ruta explicita, especificar ancho de banda y otros parámetros y para asociar un nuevo protocolo Hello a múltiples LSP relacionadas.. 3.9. Mejoras de RSVP-TE para GMPLS. En el caso de GMPLS el uso de RSVP-TE involucra nuevas extensiones basadas en nuevos objetos, mensajes y procedimientos para administrar conexiones. Así RSVP-TE y las mejoras para GMPLS se llama GMPLS RSVP-TE. Las mejoras se refieren a los siguientes aspectos.. 3.9.1. Señalización de LSP jerárquicos La señalización GMPLS usa los LSPs jerárquicos. La siguiente Figura 3.5 [5] muestra el establecimiento de una serie de LSPs a lo largo de un camino que consiste de routers (R0, R1, R8 y R9), switches SONET (S2 y S7), switches OEO (Ópticos Electro Óptico) WDM (O3 y O6) y switches fotónicos (P4 y P5) [5].. 36.

(37) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Figura 3. 5: Establecimiento de una serie de LSP a lo largo de una ruta con diferentes tipos de conmutación.. Se requiere el envío de mensaje PATH request, path1 para el establecimiento de la LSP1 entre R0 y R9, se envía de R0 a R1. El router R1 activa la iniciación del LSP2 entre R1 y R8. El LSP1 es anidado dentro del LSP0.. Los mensajes PATH: path1, path2, path3 siguen propagándose, y los LSPs siguen anidándose hasta el establecimiento final del LSP0 entre R0 y R9. Un LSP se establece cuando el mensaje Path completa su camino dentro de los LPSs de orden superior y un mensaje RESV es recibido.. La figura 3.6 [5] muestra como el LSP4 es el LSP de más alto nivel, y de acuerdo con la figura anterior es el que se establece primero, el LSP3 se establecido dentro del LSP4, el LSP2 dentro del LSP3 y el LSP1 dentro del LSP2.. 37.

(38) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. Figura 3. 6: Establecimiento de LSPs entre routers. 3.9.2. Mejoramiento de etiquetas Además del concepto de etiqueta generalizada, GMPLS introduce conceptos tales como solicitud de etiqueta generalizada, conjunto de etiquetas y etiqueta sugerida.. 3.9.3. Solicitud de etiqueta generalizada GMPLS generaliza el mensaje de solicitud de conexión para distinguirlo de una solicitud no generalizada y permitir transportar detalles de parámetros adicionales que especifican la solicitud. La solicitud de etiqueta generalizada da tres características necesarias en el soporte de la LSP solicitada: El Tipo de codificación, el Tipo de conmutación y el Tipo de datos.. 3.9.4. Conjunto de etiquetas: Se utiliza para restringir rangos de etiquetas a usarse en una LSP. El receptor un conjunto debe restringir su opción de etiquetas del conjunto. Un conjunto etiquetas debe estar presente a través de múltiples saltos, cada nodo genera propio conjunto de etiquetas de salida, posiblemente basado en el conjunto etiquetas de entrada y las capacidades de hardware.. de de su de. 3.9.5. Etiqueta sugerida Introducida para reducir la latencia en el establecimiento de la LSP, cada LSR selecciona una etiqueta que considere más apropiada y la señaliza en su trayecto hacia adelante y comienza a programar su propio switch, asumiendo que la 38.

(39) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. etiqueta será la elegida. Al recibir la respuesta a la señalización, el mensaje ya lleva una etiqueta. Si esta etiqueta confirma la escogencia sugerida ya que el switch se encuentra programado. Cuando la programación del switch ya está totalmente estabilizada, la respuesta respectiva de señalización puede seguir enviándose en sentido ascendente.. 3.10. Enrutamiento 3.10.1. Enrutamiento IP e Ingeniería de Tráfico Previo a MPLS el enrutamiento ha correspondido en la selección del siguiente salto en la ruta hacia el destino cada router, según el esquema de mejor esfuerzo, toma la decisión de reenvío basado en la dirección destino y la información de su tabla de enrutamiento. En grandes redes la construcción de las tablas depende de los protocolos de enrutamiento de estado enlace, como OSPF e IS-IS [1].. Un significativo avance en el enrutamiento surge con las técnicas de Ingeniería de Tráfico (TE), que colocan tráfico sobre rutas precalculadas, evitando sobreutilizar o subutilizar enlaces, también permite la selección de enlaces para proporcionar la calidad de servicio deseada o satisfacer restricciones que imponen las aplicaciones. En las redes con ingeniería de tráfico los enlaces con tales capacidades, se conocen como enlaces TE y corresponden a abstracciones de los recursos de la red [1], [2].. 3.11. Enrutamiento en GMPLS En MPLS y GMPLS el enrutamiento realmente consiste en intercambio de información útil para el cálculo de rutas, antes de la entrada en operación de señalización que instalará la LSP [1], lo que involucra uso de ingeniería de tráfico. La aplicación de ingeniería de tráfico requiere mucho más que la información de estado de enlaces dada por los protocolos de enrutamiento, por lo cual un elemento clave es la Base de Datos de Ingeniería de Tráfico (TED), que guarda información de los enlaces de TE y es usada como insumo del cálculo de rutas. Entre la información almacenada en la TED se encuentra Dirección de router, ID del router en el otro extremo del enlace, Dirección IP de interfaz local, Dirección IP 39.

(40) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. de interfaz remota, Métricas de TE, Máximo Ancho de banda del enlace, Máximo Ancho de banda que se puede reservar.. 3.11.1. Información de Enrutamiento requerida en redes GMPLS En GMPLS, además de la información guardada en la TED, se requiere información relacionada con capacidades de conmutación de los LSR, granularidad del ancho de banda, máximo y mínimo ancho de banda asignable, información para tratar la necesidad de protección ante fallas de enlaces individuales y cuáles enlaces TE serían afectados por una misma falla de hardware, respecto a esto último se define los grupos de enlaces de riesgo compartido (SRLG: Shared Risk Link Groups). Toda esta información debe ser distribuida por los protocolos de enrutamiento GMPLS [1].. 3.11.2. Protocolos de Enrutamiento en GMPLS Los protocolos de enrutamiento GMPLS se fundamentan en extensiones de protocolos IS-IS y OSPF. Aunque todos los routers participantes se instruyen para realizar los reenvíos, no todos deben procesar la información de TE y GMPLS, esta característica es conocida como intercambio opaco de información de GMPLS y TE.. OSPF cuenta con la unidad básica de intercambio de información LSA (Link State Advertisement) para las publicaciones de estado enlace, la cual posee un indicador “opaco”, que permite a los routers determinar si la información no es parte del enrutamiento IP.. 3.12. Ingeniería de Tráfico GMPLS En GMPLS los enlaces dinámicos de datos se añaden o eliminan con el fin de alcanzar objetivos de ingeniería de tráfico. Un enlace TE corresponde a un enlace de datos, pero también puede publicarse como agrupaciones de enlaces en paralelo, e incluso a como una fracción de los recursos de un enlace. Una TE-LSP es una LSP publicada como un enlace TE.. 40.

(41) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. 3.12.1. Atributos de enlaces de TE Entre los atributos de enlace TE están el Tipo de enlace (punto a punto o multiacceso), el identificador Link ID de enlace, direcciones IP de Interfaces local y remota, identificador de enlaces local y remoto para enlaces no numerados. En GMPLS otros atributos de enlace TE usados en cálculo de ruta basado en restricciones son:. 3.12.1.1 Métrica de Ingeniería Tráfico 3.12.1.2. Grupo administrativo: Algunos de valores identifican calidades de los enlaces que pueden ser considerados para evitar o forzar su uso en el cálculo de ruta.. 3.12.1.3. Tipo de protección de Enlace: Indica las capacidades de protección del enlace TE, su valor puede limitar el cálculo a tomar aquellos enlaces que satisfagan las necesidades de protección.. 3.12.1.4. El Grupo de Enlace de Riesgo Compartido (SRLG) A los que pertenece el enlace.. 3.12.1.5 Descriptor de Capacidad de conmutación de interfaz Indica características de una interfaz de datos relacionada, entre la información que atañe a este atributo se incluye el tipo de Capacidad de conmutación de la interfaz, Tipo de codificación de datos (por ejemplo, Ethernet, SDH), Ancho de banda de LSP máximo disponible para reserva según los niveles de prioridad.. 3.13. Protocolos de soporte de Ingeniería de Tráfico GMPLS La señalización se da a través de mensajes que viajan encapsulados en paquetes IP, por lo cual se necesita las tablas de reenvío soportadas por protocolos como OSPF o IS-IS. Si se ejecuta principios de ingeniería de tráfico, se requerirá información de la topología de la red, en lo concerniente a switches de datos y enlaces de TE, tal información constituye el insumo de la TED. Con el fin de soportar el intercambio de mensajes que soportan el mantenimiento de la TED, se introduce inicialmente en MPLS los protocolos OSPF-TE e ISIS-TE. Vale anotar que existe la tendencia a ver a OSPF-TE como una OSPF extendida para soportar la ingeniería de tráfico, esto no es del todo cierto ya que si bien OSPF-TE usa el 41.

(42) Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones. mismo mecanismo de distribución de publicaciones que OSPF, los dos protocolos publican información para diferentes fines. OSPF-TE e IS-IS son descritos brevemente a continuación.. 3.13.1. OSPF-TE e IS-IS-TE OSPF-TE utiliza la opción LSA OSPF opaca, la cual tiene alcance de área OSPF, para realizar publicaciones que atañen a información de TE. El componente de TE en cada nodo administra la respectiva TED y genera el grafo de TE de la red, base para el cálculo de rutas. La información TE va organizada en conjunto de TLV. En OSPF hay dos tipos de TLV que son: TLV Dirección del router, usado para dar a conocer direcciones IP del controlador o identificador único del controlador que hace la publicación. El otro es el TLV Enlace TE, usado para publicar atributos de un enlace de TE. Estos atributos corresponden a sendas sub-TLV que son anidados en TLV de orden superior. Actualmente, hay varias restricciones en el uso de TLV TE. Mediante sub-TLVs de enlaces TE puede publicarse atributos del enlace GMPLS TE.. Por su parte IS-IS-TE define un TLV de identificador de Router de Ingeniería de Tráfico (TE Router ID TLV) y la TLV de Accesibilidad extendida. Al igual que con OSPF-TE, GMPLS IS-IS-TE adiciona nuevas sub-TLV a la TLV IS-IS de Accesibilidad extendida con el fin de publicar atributos de enlace TE como identificadores de enlaces locales y remotos para enlaces TE no numerados, tipos de protección de enlace, descriptores ISC y SRLGs.. 3.13.2. Construcción de enlaces de Ingeniería de Tráfico En GMPLS, la necesidad de cálculos de rutas con base en restricciones, impuestas por la ingeniería de tráfico, demanda gran cantidad de publicaciones de información de TE, sin embargo, el aprovechamiento de agrupaciones de enlaces TE, con similares necesidades, facilita la publicación de múltiples enlaces como uno solo.. 3.13.3. Regiones de Ingeniería de Tráfico y capas de conmutación GMPLS se concibe para atender necesidades de control de entornos con variadas capacidades de conmutación (network layering). Si la conexión de nodos finales 42.