Nuevos laboratorios para la asignatura de Redes III mediante el uso de GNS3

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Nuevos laboratorios para la asignatura de Redes III mediante el uso de GNS3”. Autor: Raúl Gerones Corcho Tutor: MSc. Arelys Ramos Fleites Ing. Carlos Miguel Bustillo Rodríguez Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Nuevos laboratorios para la asignatura de Redes III mediante el uso de GNS3” Autor: Raúl Gerones Corcho E-mail: [email protected] Tutor: MSc. Arelys Ramos Fleites Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica. Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. E-mail: [email protected] Ing. Carlos Miguel Bustillo Rodríguez Especialista en Sistemas Informáticos. Dirección de Informatización y Comunicaciones. UCLV E-mail: [email protected]. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Así como perfeccionamos las ciencias, debemos perfeccionar la moralidad, sin la cual el saber se destruye”. J. Newton..

(5) ii. DEDICATORIA A mis padres, por ser mi ejemplo a seguir en la vida..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres y hermanos, que tanto me han apoyado en toda mi vida, brindándome su confianza y amor. A mis amigos César, Rolando, Miguel, Yuri, Leonardo, que han sido para mí como hermanos. A mis compañeros de aula por darme apoyo durante todo el transcurso de la carrera. A Rashel por haberme apoyado durante todo el transcurso de la tesis. A todos los profesores de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica que han influido en mi formación profesional, proporcionándome el logro de ser ingeniero. A mis tutores Arelis Ramos Fleites y Carlos Miguel Bustillo Rodríguez que me ha apoyado incondicionalmente durante el proceso de la tesis, con consejos oportunos en cada momento. Por ser ejemplo de profesionales y personas. A todos los que me han ayudado de una forma u otra a llegar hasta aquí..

(7) iv. TAREA TÉCNICA Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados fue necesario desarrollar las tares técnicas siguientes: 1- Caracterización de las tecnologías de Redes de Área Extensa (WAN, Wide Area Network). 2- Determinación de las herramientas de simulación y modelación en la enseñanza de redes WAN. 3- Búsqueda de trabajos de modelación y simulación mediante el uso del Simulador de Redes Gráficos (GNS3, Graphical Network Simulator) en redes WAN. 4- Selección de los laboratorios de redes WAN. 5- Preparación de las guías de los laboratorios y los escenarios con la ejecución de la simulación con GNS3. 6- Evaluación del comportamiento de las redes WAN para cada uno de los laboratorios. 7- Análisis de los resultados obtenidos en los diferentes escenarios..

(8) v. RESUMEN. La simulación de redes de comunicaciones mediante el uso de softwares que sean capaces de lograr la implementación y configuración de las diferentes tecnologías, protocolos y servicios, es en la actualidad una necesidad desde el punto de vista didáctico y práctico. El primero, permite enseñar lo más cercano posible a la realidad el funcionamiento de cualquier configuración de red que se desee y el segundo se utiliza como fase previa a la instalación real para determinar si el proyecto propuesto logra el desempeño adecuado de la red. y. pueda ser implementado de manera práctica. En el presente trabajo se hace la simulación y las guías de los laboratorios que se imparten en la asignatura Redes WAN (Redes de Área Extensa) de las tecnologías Frame Relay, ATM y MPLS, de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica mediante el uso el emulador de redes GNS3 (Graphical Network Simulator) que permite crear topologías complejas de redes y sus tecnologías de acceso sin necesidad de usar routers reales logrando una mejor familiarización y preparación del estudiante que complementa los contenidos impartidos en clases..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ............................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 10 CAPÍTULO 1. 1.1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN) .............. 14. Definición de Frame Relay .................................................................................... 17. 1.1.1. Historia............................................................................................................ 18. 1.1.2. Protocolo LAP-F ............................................................................................. 18. 1.1.3. Topologías Frame Relay ................................................................................. 20. 1.1.4. Encapsulación Frame Relay............................................................................ 21. 1.1.5. Gestión y prevención de la Congestión .......................................................... 26. 1.2. Modo de Transferencia Asincrónico (ATM) ......................................................... 27. 1.2.1. Fundamentos de ATM ........................................................................................ 27. 1.2.2. Dispositivos ATM .............................................................................................. 28. 1.2.3. Celda ATM. ........................................................................................................ 29. 1.2.4. Multiplexación en ATM ..................................................................................... 30. 1.2.5. Protocolo ATM ................................................................................................... 32. 1.2.6. Problemas en ATM............................................................................................. 39. 1.3. Definición de Conmutación Multi-Protocolo mediante Etiquetas (MPLS,. Multiprotocol Label Switching) ........................................................................................ 40 1.3.1. Componente de una red MPLS ....................................................................... 41.

(10) vii 1.3.2. Dominio MPLS. .............................................................................................. 43. 1.3.3. Pila de Etiquetas MPLS .................................................................................. 43. 1.3.4. Arquitectura MPLS ......................................................................................... 45. 1.3.5. Operación MPLS ............................................................................................ 46. 1.3.5.1. Asignación de etiquetas MPLS ................................................................... 46. 1.3.5.2. Establecimiento de la sesión LDP ............................................................... 47. 1.3.5.3. Distribución de etiquetas MPLS con LDP .................................................. 48. 1.3.5.4. Retención de etiquetas MPLS ..................................................................... 48. 1.3.6. Beneficios de MPLS ....................................................................................... 49. 1.3.7. Conclusiones parciales .................................................................................... 50. CAPÍTULO 2.. SIMULADORES DE REDES WAN ...................................................... 51. 2.1. Packet Tracer ...................................................................................................... 51. 2.2. Simulador de Redes Gráfico (GNS3, Graphical Network Simulator) ............... 52. 2.2.1. Características de GNS3 ................................................................................. 53. 2.2.2. Descripción técnica de GNS3 ......................................................................... 53. 2.2.2.1. Dynamips .................................................................................................... 54. 2.2.2.2. Dynagen ...................................................................................................... 55. 2.1.2.3. Qemu ........................................................................................................... 55. 2.1.3. Requerimiento del sistema .............................................................................. 55. 2.1.3.1. Uso de memoria .......................................................................................... 56. 2.1.3.2. Uso de la CPU ............................................................................................. 57. 2.1.4. Requerimientos del sistema en Windows ....................................................... 58. 2.1.5. Requerimientos del sistema en Linux ............................................................. 58. 2.2.6. Configuración ................................................................................................. 59.

(11) viii 2.3. Uso de GNS3.......................................................................................................... 60. 2.3.1. Emulación de routers Cisco ............................................................................ 61. 2.3.2. Simulación de PC............................................................................................ 67. 2.3.2.1. Virtual PC Simulator ................................................................................... 67. 2.3.2.2. Qemu ........................................................................................................... 68. 2.3.2.3. VirtualBox ................................................................................................... 70. 2.3.3. Creación de enlaces ........................................................................................ 72. 2.3.4. Creación de enlaces ........................................................................................ 73. 2.3.5. Captura de Datos ............................................................................................. 74. 2.3.6. Ventaja de GNS3 sobre Packet Tracer ........................................................... 76. 2.4. Conclusiones parciales ....................................................................................... 77. CAPÍTULO 3. 3.1. EVALUACIÓN DE LOS LABORATORIOS ........................................ 78. Análisis de los resultados ....................................................................................... 78. 3.1.1. Laboratorio #1 .................................................................................................... 78. 3.2.2. Laboratorio #2 Configuración Básica de Frame Relay ...................................... 78. 3.2.3. Laboratorio #3 Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) ................................ 80. 3.2.4. Laboratorio #4 Multiprotocolo de conmutación de etiquetas (MPLS) con. Ingeniería de Tráfico (MPLS-TE) .................................................................................... 82 3.2.5. Laboratorio #5 Multiprotocolo de conmutación de etiquetas (MPLS) mediante. Redes Privadas Virtuales (VPN)....................................................................................... 85 3.2.6 3.3. Laboratorio #6 Multiprotocolo de conmutación de etiquetas con LDP ............. 87 Conclusiones del capitulo ...................................................................................... 89. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 91 Conclusiones ..................................................................................................................... 91 Recomendaciones ............................................................................................................. 92.

(12) ix REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 93 ANEXOS .............................................................................................................................. 96 Anexo I. Laboratorio #1: Guía de instalación del virtualizador GNS3 ......................... 96. Anexo II Laboratorio #2: Frame Relay Básico .............................................................. 104 Anexo III Laboratorio #3: Modo de Transferencia Asíncrona (ATM) .......................... 118 Anexo IV Laboratorio #4: Multiprotocolo de conmutación de etiquetas (MPLS) con Ingeniería de Tráfico (MPLS-TE) .................................................................................. 132 Anexo V Laboratorio #5: Multiprotocolo de conmutación de etiquetas (MPLS) mediante Redes Privadas Virtuales (VPN)..................................................................................... 152 Anexo VI Laboratorio #6: Multiprotocolo de conmutación de etiquetas con LDP ........ 169.

(13) INTRODUCCIÓN. 10. INTRODUCCIÓN. Durante los últimos años ha existido un enorme crecimiento en la demanda de ancho de banda a nivel mundial, estimulado por el acelerado desarrollo y penetración de los nuevos servicios basados en transporte de paquetes (tales como Ethernet, VoIP, VPNs, IPTV, etc.) y de las aplicaciones multimedia con exigencias de Calidad de Servicio (QoS). Este crecimiento en demanda ha resultado en un incremento dramático en el índice de acceso que, a su vez, ha conducido a un incremento en los requerimientos de ancho de banda de las redes de acceso. Por lo que los proveedores de servicios han tenido que implementar tecnologías de backbone capaces. de soportar eficientemente servicios y aplicaciones con calidad de servicios. garantizados. En la actualidad ya es posible contar con un servicio rápido, estable, eficiente y multifuncional sobre el cual pueden verse ejecutada diversidad de aplicaciones a un precio al alcance de usuarios que se expanden con el pasar de los días. Es innegable la necesidad que tiene el mundo actual (residencial y empresarial) de contar con tecnologías de backbone capaces de lograr la conmutación y encaminamiento de paquetes de extremo a extremo. Para lograr cumplir estas expectativas, además de contar con la infraestructura de comunicaciones necesaria desarrollada de manera ininterrumpida a lo largo de los años por compañías y organismos estandarizadores internacionales se necesita la preparación de ingenieros y especialistas encargados de proveer servicios de acceso a internet. El uso de las Tecnologías de Informatización y Comunicaciones (TIC) ha sido el baluarte principal para enfrentar los retos actuales y la aparición de herramientas de simulación han permitido la elaboración de materiales didácticos y la creación de prácticas de laboratorios de forma virtual que ayudan al buen desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje, que contribuyan a la apropiación adecuada por los estudiantes de los contenidos impartidos y al desarrollo de habilidades y competencias. El uso de herramientas de simulación contribuye.

(14) INTRODUCCIÓN. 11. a resolver la carencia de los equipos reales para realizar las prácticas de laboratorio y permiten la enseñanza personalizada, donde los estudiantes pueden llevar su propio ritmo de aprendizaje y puedan repetir los eventos o fenómenos cuantas veces quieran, de forma que se enfrenten de modo individual al proceso de elaboración de sus propias conclusiones, con relación a los fenómenos que van a simular y sobre la base de sus propios errores (Larry L. Peterson, 2012). Este trabajo está encaminado a hacer una actualización del estudio de las tecnologías de redes WAN que se imparten en la disciplina de Sistemas de Telecomunicaciones de la carrera de Telecomunicaciones y la implementación. de las guías para la impartición de los. laboratorios de simulación de la asignatura Redes III usando el emulador de redes GNS3 (Graphical Network Simulator) que permite diseñar topologías de red complejas y poner en marcha simulaciones sobre ellos. Con este proyecto se pretende contribuir al mejoramiento de la calidad de los laboratorios de tecnologías WAN de la asignatura Redes III, mediante su estudio a través de las herramientas de Modelación y Simulación, pretendiendo obtener mejoras en la calidad de la realización de estos. Para permitir completar simulaciones, GNS3 está estrechamente vinculada con: • Dynamips, un emulador de IOS que permite a los usuarios ejecutar binarios imágenes IOS de Cisco Systems. • Dynagen, un front-end basado en texto para Dynamips • Qemu, un emulador de PIX.GNS3 es una excelente herramienta complementaria a los verdaderos laboratorios para los administradores de redes de Cisco o las personas que quieren pasar sus CCNA, CCNP, CCIE DAC o certificaciones. Problema de Investigación: ¿Cómo implementar las guías de los laboratorios prácticos y el montaje y simulación de los escenarios para las tecnologías WAN que se imparten en la asignatura Redes III mediante el uso del software Graphical Network Simulator (GNS3)?.

(15) INTRODUCCIÓN. 12. Del problema anteriormente planteado surgieron las siguientes interrogantes científicas: Interrogantes Científicas: ¿Cuáles son las tecnologías de redes WAN predominantes? ¿Qué herramientas de modelación y simulación son las más adecuadas para la enseñanza de redes WAN? ¿Cuáles son los laboratorios más adecuados para la enseñanza de redes III? ¿Cómo implementar los laboratorios de redes III en GNS3?. El Objetivo General del trabajo consiste en: - Preparar las guías y simulaciones mediante el uso del GNS3 para las tecnologías WAN (Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM) y MPLS (Multi-Prototocol Label Switching) que se imparten en la Asignatura Redes III. Objetivos Específicos: 1- Describir las tecnologías WAN estandarizadas por la UIT y IETF que se imparten en la Asignatura Redes III. 2- Realizar un estudio bibliográfico sobre los distintos softwares que pueden ser utilizados para simular estas tecnologías, y particularizar en el más recomendado para ser usado en las simulaciones. 3- Describir la instalación sobre Windows y Linux del software y detalles de los IOS de los routers que se usarán. 4- Preparar las Guías Prácticas para la impartición de los laboratorios. 5- Preparar las simulaciones para las diferentes topologías de redes. 6- Correr las simulaciones y analizar los resultados. Tareas de investigación: 1. Actualización bibliográfica de las tecnologías de redes WAN usadas para las redes de acceso e internet..

(16) INTRODUCCIÓN. 13. 2. Actualización y descripción de los diferentes softwares de simulación de redes disponibles. 3. Búsqueda de trabajos de simulación relacionados con el empleo de la herramienta GNS3 en otras entidades universitarias en pregrado y postgrado. 4. Preparación de las guías de los laboratorios y los escenarios con la ejecución de las simulaciones con GNS3. 5. Análisis de los resultados obtenidos en los diferentes escenarios y proyectos de investigación. 6. Informe del trabajo de diploma.. El trabajo se organizará en 3 capítulos. CAPÍTULO I: Se dedicará a la caracterización de las tecnologías de redes WAN usadas para las redes de acceso e internet impartidas en la asignatura Redes III. CAPÍTULO II: Se dedicará a relacionar las herramientas más usadas en la simulación de redes particularizando Packet Tracer y GNS3. Se describe de manera detallada las características generales del software GNS3 empleada en las simulaciones que se proponen. CAPÍTULO III: Se utilizará para dejar explícitamente el diseño de las guías que serán usadas por los estudiantes de 5to año de la carrera de Telecomunicaciones, así como la implementación de las topologías usadas y las respectivas simulaciones que se propongan..

(17) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 14. CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). Dependiendo de las necesidades del usuario en cuanto al área a cubrir, la industria de telecomunicaciones ha diseñado tres tipos de redes, las cuales hoy por hoy, ofrecen solución a cualquier demanda de los usuarios. Estos tipos de redes son: Redes de Área Local (LAN, Local Networks Área), las Redes de Área Metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network) y las Redes de Área Extensa (WAN, Wide Area Network). En el presente capítulo se hace un estudio detallado de las tecnologías de Redes WAN de mayor importancia en las redes de comunicaciones y que se estudian en la asignatura Redes III de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica , teniéndose entre ellas el Frame Relay, las redes ATM (Asynchronous Transfer Mode) y la tecnología MPLS (Multi-Protocol Label Switching. Muchas WAN son construidas por organizaciones o empresas para su uso privado y otras son instaladas por los proveedores de servicios de internet (ISP, Internet Service Provide) para proveer conexión a sus clientes. El punto más importante de este estudio es mostrar la simulación o emulación de estas tecnologías vinculado a la necesidad de lograr llevar el conocimiento sobre su implementación y funcionamiento a los estudiantes que cursan las temáticas afines con las redes de comunicaciones usando software avanzados capaces de simular tecnologías complejas.. 1.1 Breve descripción de una red WAN. Una Red de Área Extensa (WAN, Wide Area Network) es una red que ofrece servicios de transporte de información entre zonas geográficamente distantes. Es el método más efectivo de transmisión entre edificios o en departamentos distantes. Esta forma de comunicación.

(18) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 15. aporta, como nota diferencial respecto a las Redes de Área Local (LAN, Local Area Networks) o las Redes de Área Metropolitana (MAN, Metropolitan Area Network), que el ámbito que pueden cubrir es más extenso. Una Red de Área Extensa (WAN, Wide Area Network) contiene una colección de máquinas dedicadas a ejecutar programas de usuario, son las denominadas hosts. Los hosts a su vez están conectados por una subred de comunicación; el trabajo de una subred es conducir el mensaje de un host a otro. La separación entre los aspectos de comunicación de la red (subred) y los aspectos de aplicación (host), simplifican el diseño total de la red (Tanenbaum and Wetherall, 2011). La tecnología de una Red de Área Extensa (WAN, Wide Area Network), incluye: . Servicios integrados a la medida de sus necesidades (integración de voz, datos e imagen, servicios de valor añadido, etc).. . Integración virtual de todos los entornos y dependencias, sin importar donde se encuentren situados geográficamente.. . Optimización de los costos de los servicios de telecomunicación.. . Flexibilidad en cuánto a disponibilidad de herramientas y métodos de explotación que le permitan ajustar la configuración de la red, así como variar el perfil y la administración de sus servicios.. . Mínimo costo en la inversión de equipos, servicios y gestión de la red.. . Alta disponibilidad y calidad de la red en el soporte de los servicios.. . Garantía de evolución tecnológica.. Redes WAN y relación con el modelo de referencia OSI. Las operaciones de una red WAN se centran principalmente en las capas 1 y 2 del modelo de referencia OSI (Open System Interconection). Los estándares de acceso WAN normalmente describen tanto los métodos de entrega de la capa física como los requisitos de la capa de enlace de datos, incluyendo la dirección física, el control del flujo y la encapsulación. La definición y la administración de los estándares de acceso WAN están a cargo de varias autoridades reconocidas, entre ellas la Organización Internacional de.

(19) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 16. Normalización (OIE), la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (TIA, Telecommunications Industry Association) y la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA, Electronic Industries Alliance) (Ross, 2013). Los protocolos de capa física (capa 1 del modelo OSI) describen cómo proporcionar las conexiones eléctricas, mecánicas, operativas y funcionales a los servicios brindados por un proveedor de servicios de comunicaciones. Los protocolos de la capa de enlace de datos (capa 2 del modelo OSI) definen cómo se encapsulan los datos para su transmisión a lugares remotos y los mecanismos de transferencia de las tramas resultantes. Se utiliza una variedad de tecnologías diferentes, como Frame Relay, ATM, MPLS entre otras. Algunos de estos protocolos utilizan los mismos mecanismos básicos de entramado, control de enlace de datos de alto nivel (HDLC, HighLevel Data Link Control), una norma ISO o uno de sus subgrupos o variantes. Diferentes tecnologías de las Redes de Área Extensa (WAN): Algunas de las tecnologías más comunes de las Redes de Área Extensa (WANs, Wide Area Networks) son: . Módems (Moduladores/Demoduladores).. . Red Digital de Servicios Integrados (RDSI, Integrated Services Digital Network (ISDN)).. . Línea de Subscripción Digital (DSL, Digital Subscriber Line).. . Frame Relay.. . Modo de Transferencia Asincrónico (ATM, Asynchronous Transfer Mode).. . X.25.. . Series de portadoras T (Estados Unidos y Canadá) y E (Europa y América Latina): T1, E1, T3, E3, etc.. . Red Óptica Síncrona (SONET, Synchronous Optical Network).. . MPLS.. . Internet por Satélite.. . Metro Ethernet..

(20) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 17. En este capítulo nos centraremos en el estudio de las tres tecnologías más importantes de Red de Área Extensa (WAN, Wide Area Network) estudiadas en la asignatura de Redes III de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica como Frame Relay, Modo de Transferencia Asincrónico (ATM, Asynchronous Tranferer Mode) y MPLS (Multiprotocol Label Switching). 1.1. Definición de Frame Relay. Frame Relay se define, oficialmente como un servicio portador de Red Digital de Servicios Integrados (RDSI, Integrated Services Digital Network (ISDN)) de banda estrecha en modo de paquetes y ha sido especialmente adaptado para velocidades de 2Mbps, aunque nada le impide superarlas. Frame Relay es una tecnología de conmutación rápida de tramas, basada en estándares internacionales, que puede utilizarse como un protocolo de transporte y como un protocolo de acceso en redes públicas o privadas proporcionando servicios de comunicaciones. Frame Relay es un protocolo de acceso que define un conjunto de procedimientos y formatos de mensajes para la comunicación de datos a través de una red, sobre la base del establecimiento de conexiones virtuales entre dos corresponsales. Es un servicio orientado a conexión, sin mecanismos para la corrección de errores o el control de flujo, que permite una asignación dinámica del ancho de banda basado en los principios de la concentración y multiplexación estadística, pero a la vez provee la baja demora y alta velocidad de conmutación que caracteriza a los Multiplexadores por División de Tiempo (TDM, Time Division Multiple). Las normas de Frame Relay dividen el nivel de enlace del modelo de referencia OSI en dos áreas fundamentales: servicios centrales o de núcleo y servicios definidos por el usuario. Los servicios centrales incluyen una serie de funciones implementadas por la red que garantizan el transporte de las tramas de extremo a extremo. Los servicios definidos por el usuario sólo se utilizan en los equipos de abonado y comprenden funciones de corrección de errores, control de flujo y chequeo de la utilización del enlace. El término Relay implica que la trama de datos del nivel de enlace del modelo de referencia OSI es conmutada en los nodos y/o procesada en los puntos extremos de cada enlace de red..

(21) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 18. Frame Relay permite comunicaciones de datos por conmutación de paquetes a través de interfaces entre dispositivos de usuario (router, bridges y hosts) y equipos de red (nodos de conmutación). Los dispositivos de usuario generalmente se conocen como Equipos Terminales de Datos (DTEs, Data Terminal Equipment), mientras que los equipos de la red, que hacen de interfaces con estos, se conocen como Equipos de Comunicación de Datos (DCEs, Data Communication Equipment); a esta interfaz se le denominan interfaz Frame Relay (FRI, Frame Relay Interface) (Rouse, 2009). 1.1.1 Historia Eric Scace, ingeniero de Sprint International, inventó Frame Relay como una versión más simple del protocolo X.25, para usar en las interfaces de la red digital de servicios integrados (ISDN, Integrated Services Digital Network). Sus especificaciones fueron definidas por el Instituto Nacional Americano para la Estandarización (ANSI, American National Standars Institute), fundamentalmente como medida para superar la lentitud de X.25, eliminando la función de los conmutadores en cada salto de la red (corrección de errores y control de flujo). Hoy, se usa a través de una variedad de otras interfaces de redes. Cuando Sprint implementó por primera vez Frame Relay en su red pública, usaron switches StrataCom. La adquisición de Cisco de StrataCom en 1996 marcó su entrada al mercado de las empresas de comunicaciones (Cisco, 2008). 1.1.2 Protocolo LAP-F La información de usuario se transmite en "frames"; un frame es la segmentación del mensaje en unidades de datos (es decir, un paquete) pero de longitud variable. Por defecto, las redes Frame Relay manejan longitudes de 4096 bytes por frame. Los frames se transmiten utilizando el protocolo LAPF (Link Access Procedure for Frame Relay). Este constituye una subcapa del nivel de enlace. Por encima de él, el usuario puede adicionar otras funciones de nivel de enlace o de red extremo a extremo (UIT-T, 1998). Las funciones de una red Frame Relay se limitan principalmente al encaminamiento de los frames. No hay control de errores ni de flujo de información nodo a nodo en la red y es la característica más importante que distingue a la trama LAPF de las restantes que se derivan del protocolo HDLC y es que no tiene incluido el campo de control. Estas tareas se dejan bajo la responsabilidad de los protocolos de capas superiores en los sistemas finales o.

(22) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 19. terminales de usuario. Esto reduce el trabajo de los nodos de red, aumentando la capacidad de procesamiento de cada uno y reduciendo los retardos de tránsito de los frames en la red; por ello se pueden alcanzar velocidades de transmisión de hasta 2 Mbit/s. Sobre una misma línea de acceso pueden soportarse múltiples conexiones lógicas, bien por demanda (llamadas virtuales) o semipermanentes (CVP), dirigidas hacia múltiples destinos. Para el caso de conexiones por demanda, la señalización de control de establecimiento y liberación de la llamada se envían en un canal lógico separado. En los CVP no se requieren procedimientos de control de llamada. La red conserva el orden de los frames. Además, a través del parámetro FCS detecta errores operativos, de formato y de transmisión, y desecha los frames afectados. En la figura 1.1 se muestra el formato de la trama LAPF.. Figura 1.1 Formato de la trama LAPF. Las funciones que la red implementa para un servicio Frame Relay bajo LAPF son: -Delimitación, alineación y transparencia del frame. -Multiplexación y demultiplexación utilizando el campo de dirección. -Inspección del frame para verificar un número entero de octetos y que la longitud esté acorde a las especificaciones. -Detección de errores de transmisión. -Funciones de control de congestión. Algunos parámetros de LAPF son: Tasa garantizada (CIR, Committed Information Rate): Indica la cantidad de datos por unidad de tiempo que la red se compromete a transferir bajo condiciones normales de operación (los paquetes que se adaptan a la CIR son sólo desechados en caso de extrema congestión). Para conexiones permanentes el CIR se establece al momento de la subscripción. Para llamadas virtuales, se negocia durante el establecimiento de la llamada; si la red no está en capacidad de aceptar la tasa solicitada por el usuario, se cancela la llamada..

(23) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 20. Tasa en exceso (EIR, Excess Information Rate): Indica la velocidad de transmisión máxima que la red va a aceptar en esa conexión, aunque el incremento respecto a la tasa garantizada será descartado por la red en caso de congestión (es una transmisión sin compromiso de entrega). En el campo de dirección existe un bit DE (Discard Eligibility, indicador de descarte) el cual es modificado de acuerdo a la velocidad de entrega de información a la red, el CIR y el EIR. Puede establecerse una cierta jerarquía entre los circuitos de un usuario, seleccionando un CIR=0 para las conexiones de menor prioridad. En Frame Relay, el enlace lógico debe tener una capacidad al menos igual a la suma de la tasa garantizada (CIR) de los circuitos que soporta (en realidad la capacidad del enlace es un poco superior para soportar el overhead de la red). La red en sí no posee implícitamente control de flujo (más que el descarte de frames); es por ello necesario implementar técnicas de control de congestión para evitar el colapso de la red por exceso de tráfico. Entre los objetivos del control de flujo están: -Minimizar los frames descartados, -Mantener una aceptable calidad de servicio, y -Representar una carga mínima para el tráfico de la red. El control de congestión resulta una responsabilidad compartida entre la red y los usuarios finales. La red tiene la mejor posición para observar el grado de congestión, y los usuarios finales tienen una posición privilegiada para limitar el tráfico entregado a la red, aspecto que será tratado en detalles más adelante. 1.1.3 Topologías Frame Relay Cuando se requiere conectar más de dos sitios, debe considerar la topología de las conexiones entre ellos. Una topología es el mapa o el diseño visual de la red Frame Relay. Debe considerar la topología desde diferentes perspectivas para comprender la red y el equipo utilizado para crear la red. Complete las topologías en relación con su diseño, implementación, operación y mantenimiento para que incluyan mapas de información general, mapas de conexiones lógicas, mapas funcionales y mapas de dirección que muestran el equipo detallado y enlaces de canal..

(24) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 21. Las redes rentables Frame Relay vinculan docenas e incluso cientos de sitios. Si se tiene en cuenta que una red corporativa puede abarcar numerosos proveedores de servicio e incluir redes de negocios adquiridos que se diferencian en el diseño básico, documentar las topologías puede ser un proceso muy complicado. No obstante, cada red o segmento de red puede verse como uno de los tres tipos de topología: estrella, malla completa o malla parcial. - Topología de malla completa: Todos los enrutadores disponen de circuitos virtuales al resto de los destinos. - Topología de malla parcial: Es un tipo de malla completa pero no todos los sitios tienen acceso a los demás. - Topología en estrella: Los sitios remotos están conectados a un punto central que por lo general ofrece un servicio o una aplicación. 1.1.4 Encapsulación Frame Relay Frame Relay toma paquetes de datos de un protocolo de capa de red, como IP o IPX, los encapsula como la parte de datos de una trama Frame Relay y, luego, pasa la trama a la capa física para entregarla en el cable. Para comprender el funcionamiento, resulta útil entender cómo se relaciona con los niveles más bajos del modelo OSI. La figura 1.2 muestra cómo Frame Relay encapsula los datos para su transporte y los mueve hacia la capa física para su entrega.. Figura 1.2 Encapsulamiento de FR y el modelo OSI. En principio, Frame Relay acepta un paquete de un protocolo de capa de red como IP. A continuación, lo ajusta con un campo de dirección que incluye el DCLI y una checksum. Se agregan campos señaladores para indicar el comienzo y el fin de la trama. Los campos.

(25) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 22. señaladores marcan el comienzo y el fin de la trama, y siempre son los mismos. Los señaladores están representados como el número hexadecimal 7E o como el número binario 01111110. Después de haber encapsulado el paquete, Frame Relay pasa la trama a la capa física para su transporte. El router CPE Equipo Local del Cliente) encapsula cada paquete de Capa 3 dentro de un encabezado Frame Relay y tráiler antes de enviarlo a través del VC. El encabezado y el tráiler están definidos por la especificación de Servicios de portadora del Procedimiento de acceso al enlace para Frame Relay (LAPF).(UIT-T, 1992) Específicamente, el encabezado Frame Relay (campo de dirección) incluye lo siguiente (Brown and Malis, 1998): (Ver figura 1.3).. Figura 1.3 Trama Frame Relay estándar. DLCI: el DLCI de 10 bits es la esencia del encabezado Frame Relay. Este valor representa la conexión virtual entre el dispositivo DTE y el switch. Cada conexión virtual multiplexada en el canal físico está representada por un único DLCI. Los valores de DLCI tienen importancia local solamente, lo que significa que son únicos sólo para el canal físico en el que residen. Por lo tanto, los dispositivos situados en los extremos opuestos de una conexión pueden usar valores DLCI distintos para referirse a la misma conexión virtual. Dirección extendida (EA): si el valor del campo EA es 1, el byte actual está determinado como el último octeto DLCI. Si bien las implementaciones actuales de Frame Relay usan un DLCI de dos octetos, esta capacidad no permite DLCI más largos en el futuro. El octavo bit de cada byte del campo Dirección indica la EA. C/R: el bit que sigue al byte de DLCI más significativo en el campo Dirección. El bit C/R no está definido en este momento..

(26) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 23. Control de congestión: incluye 3 bits que controlan los mecanismos de notificación de congestión de Frame Relay. Los bits FECN, BECN y DE son los últimos tres bits en el campo Dirección. El control de congestión se explica en un tema posterior. La capa física en general es EIA/TIA-232, 449 ó 530, V.35, o X.21. Las tramas Frame Relay son un subconjunto del tipo de trama HDLC. Por lo tanto, están delimitadas por campos señaladores. El señalador de 1 byte usa el patrón de bits 01111110. La FCS determina si hubo errores en el campo Dirección de Capa 2 durante la transmisión. La FCS se calcula antes de la transmisión a través del nodo emisor, y el resultado se inserta en el campo FCS. En el otro extremo, un segundo valor de FCS se calcula y compara con la FCS de la trama. Si los resultados son iguales, se procesa la trama. Si existe una diferencia, la trama se descarta. Frame Relay no notifica el origen cuando se descarta una trama. El control de errores tiene lugar en las capas superiores del modelo OSI (Farinacci et al., 1994). En la figura 1.4 se muestra la representación de cómo se transmite la información entre dos usuarios. Lo primero es conectar a los usuarios mediante un acceso Frame Relay (puesto en el nodo de la red más la línea de acceso); luego hay que definir en la red un Circuito Virtual Permanente (PVC, Permanent Virtual Circuit) entre los accesos, que es el camino lógico para la transmisión de información. Un usuario puede definir más de un Circuito Virtual Permanente hasta distintos destinos a través de un único acceso Frame Relay; este proceso se denomina multiplexación estadística.. Figura 1.4 Transmisión de la información entre dos usuarios. Cada circuito virtual está identificado de forma única por un DLCI local, lo que permite distinguir qué enrutador está conectado a cada interfaz. Es posible configurar manualmente.

(27) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 24. una asignación estática en la tabla de asignaciones del enrutador para poder describir la relación entre el Circuito Virtual y la dirección de capa tres del otro extremo. Las direcciones pueden asignarse también de forma dinámica mediante ARP inverso que asocia un DLCI con la dirección del siguiente salto. Las LMI son responsables de la administración y el mantenimiento del estado de enlace de los dispositivos. Los LMI son configurables, aunque las versiones actuales de IOS las detectan automáticamente. Existen tres tipos de LMI: - Cisco, definidas para equipos cisco. - ANSI - Q933a Para iniciar el proceso de comunicación se deben producir los siguientes pasos: - Cada enrutador es conectado al conmutador FR por medio de un CSU/DSU4. - El enrutador indaga el estado del circuito virtual. - Cuando el conmutador FR recibe la petición responde informando los DLCI locales de los PVC a los enrutadores remotos. - Por cada DLCI activo los enrutadores envían un paquete ARP inverso que contiene la dirección IP correspondiente a cada Circuito Virtual. - Los enrutadores remotos crean tablas que incluyen los DLCI locales y las direcciones IP. - Cada 60 segundos se envían los mensajes ARP inverso. - Cada 10 segundos se intercambia información LMI. Dentro de la nube Frame Relay el conmutador crea tablas con la relación que tienen cada puerto/slot con los DLCI de los enrutadores remotos. FR utiliza Horizonte Dividido para evitar bucles de enrutamiento (McDysan, 2001). Circuito Virtual Permanente. Un Circuito Virtual Permanente (PVC, Permanent Virtual Circuit) es una conexión dedicada a través de una red Frame Relay compartida, sustituyendo una línea punto a punto, como se muestra en la figura 1.5. Se necesita un Circuito Virtual Permanente para cada.

(28) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 25. emplazamiento de la red, al igual que una línea privada, el ancho de banda es compartido entre múltiples usuarios. Cada emplazamiento podrá comunicarse con otros sin necesidad de tener múltiples líneas dedicadas. Los PVC funcionan a través de un LMI (Local Management Interface), que proporciona los procedimientos de control que se realizan de tres formas: verificación de integridad del enlace iniciado por el dispositivo del usuario, informe del estado de la red dando detalles de todos los Circuitos Virtuales Permanentes (PVC), y notificación de la red si ha cambiado el estado de cualquiera de éstos, de activo a inactivo, y viceversa. Las Conexiones de Enlace de Datos (DLCs Data Link Connections) son pre-configuradas en los Circuitos Virtuales Permanentes en ambos lados de la conexión (Tanenbaum and Wetherall, 2011). El DLCI se utiliza como una dirección lógica para el multiplexado en la capa de trama. Cabe mencionar que los valores de DLCI tienen importancia local, lo que significan que solo son únicos para el canal físico donde residen. Por lo tanto, los dispositivos de los extremos opuestos de una conexión pueden usar los mismos valores de DLCI para referirse a diferentes circuitos virtuales (Academy, 2009).. Figura 1.5 Circuitos Virtuales.

(29) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 26. 1.1.5 Gestión y prevención de la Congestión Frame Relay reduce la sobrecarga de red mediante la implementación de mecanismos simples de congestión-notificación en lugar de control de flujo explícito por VC. Estos mecanismos de congestión-notificación son la Notificación explícita de congestión hacia adelante (FECN, Forward Explicit Congestion Notification) y la notificación explícita de congestión hacia atrás (BECN, Backward Explicit Congestion Notification). FECN y BECN están controlados por un único bit que se encuentra en el encabezado de la trama. Permiten que el router conozca que hay congestión y que debe detener la transmisión hasta revertir esta situación. BECN es una notificación directa. FECN es una notificación indirecta (Científicos.com, 2006). El encabezado de la trama también incluye un bit Elegible para descarte (DE), que identifica tráfico menos importante que puede perderse durante períodos de congestión. Los dispositivos DTE pueden establecer el valor del bit DE en 1, para indicar que la trama tiene menor importancia que otras tramas. Cuando la red se congestiona, los dispositivos DCE descartan las tramas con el bit DE configurado en 1, antes de descartar aquellas sin esta configuración. De esta forma se reducen las posibilidades de que se pierdan datos críticos durante períodos de congestión. En períodos de congestión, el switch Frame Relay del proveedor aplica las siguientes reglas lógicas a cada trama entrante en función de si se excede la CIR: - Si la trama entrante no excede la CIBR, la trama se transmite. - Si una trama entrante excede la CIBR, se marca como DE. - Si una trama entrante excede la CIBR además de la BE, se descarta. Se espera que los DTE que reciben tramas con el grupo de bits BECN establecidos intenten reducir el flujo de tramas hasta que la congestión desaparezca. Si la congestión tiene lugar en un enlace troncal interno, los DTE pueden recibir una notificación aun cuando ellos no sean la causa (Cisco, 2008)..

(30) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 1.2. 27. Modo de Transferencia Asincrónico (ATM). La tecnología ATM empezó a desarrollarse en los primeros años de la década de los 80, y es alrededor de 1992 cuando comienza su despegue industrial. Las redes de acceso fijo a Internet de banda ancha ADSL y las redes de telefonía móvil UMTS de tercera generación favorecieron su despliegue en el entorno WAN (Wide Area Network) de las redes de operadores, debido a la inmadurez de Ethernet/IP para proporcionar una red convergente. ATM nunca llegó a cuajar en el entorno LAN, debido a su complejidad, coste y rendimiento. La madurez y economías de escala de Ethernet, junto a flexibilidad y adaptabilidad, ha permitido desde hace años entrar en el mercado WAN, retirando definitivamente a ATM de la guerra por la convergencia. Sin embargo, ATM sigue instalado en las redes de muchos operadores conviviendo con Ethernet/IP (Gallón, 2007). 1.2.1 Fundamentos de ATM El modo de transferencia asíncrono o ATM (Asynchronous Transfer Mode) es un estándar adoptado por la ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector) en 1985 para soportar la red digital de servicios integrados de banda ancha o B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). La tecnología ATM permite la integración de los servicios orientados y no orientados a conexión. La integración de estos servicios en una única red, reduce enormemente los costes en infraestructura y en personal de operación y mantenimiento en las operadoras de telecomunicaciones. La tecnología ATM se basa en la multiplexación y conmutación de celdas o pequeños paquetes de longitud fija, combinando los beneficios de la conmutación de circuitos (capacidad garantizada y retardo de transmisión constante), con los de la conmutación de paquetes (flexibilidad y eficiencia para tráfico intermitente). Proporciona ancho de banda escalable, que va desde los 2 Mbps a los 10 Gbps. ATM es más eficiente que las tecnologías síncronas, tales como la multiplexación por división en el tiempo o TDM (Time Division Multiplexing) en la que se basan la Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) y la Jerarquía Digital Síncrona (SDH, Synchronous Digital Hierarchy). Puesto que ATM es asíncrono, las ranuras temporales están disponibles bajo demanda con información identificando la fuente de la transmisión contenida en la cabecera de cada celda ATM (Black, 1998)..

(31) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 28. Las principales características de ATM son: opera en modo orientado a conexión, tiene una baja sobrecarga de información en la cabecera que permite altas velocidades de conmutación, tiene un campo de información relativamente pequeño que reduce el tamaño de las colas y el retardo en las mismas y utiliza paquetes de longitud fija que simplifica la conmutación de datos a alta velocidad. 1.2.2 Dispositivos ATM Una red ATM está formada por conmutadores ATM y puntos finales ATM, ver figura 1.6. El conmutador ATM es responsable del tránsito de celdas a través de la red ATM: acepta las celdas que le llegan de un punto final ATM o un conmutador ATM, lee y actualiza la información en la cabecera de la celda, y rápidamente conmuta la celda a una interfaz de salida hacia su destino. Un punto final ATM o sistema final, contiene un adaptador de interfaz a la red ATM, el cual sí lee los bytes de datos de la celda. Ejemplos de puntos finales son: las estaciones de trabajo, routers, unidades de servicio digitales, conmutadores LAN, y codificadores y decodificadores de vídeo. Los conmutadores ATM soportan dos tipos primarios de interfaces: UNI (User to Network Interface): La interfaz UNI conecta sistemas finales ATM (tales como servidores y routers) a un conmutador ATM. NNI (Network to Network Interface): Conecta dos conmutadores ATM.. Figura 1.6 Red ATM con switch públicos y privados. Los dispositivos ATM utilizan un formato de direcciones NSAP (Network Service Access Point) del modelo OSI de 20 bytes, en el caso de redes ATM privadas; y un formato de.

(32) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 29. direcciones E.164 del ITU-T, semejante a números telefónicos, para las redes públicas BISDN. Cada sistema ATM necesita de una dirección ATM, independiente de los protocolos de nivel superior como IP o IPX (Oca, 2004). 1.2.3 Celda ATM. La transferencia de información en ATM, a diferencia de la de otras técnicas de conmutación de paquetes, como X.25 o Frame Relay, utiliza paquetes de longitud corta y fija, denominados celdas. Cada celda consta de 53 octetos o bytes, tamaño que consigue el mejor equilibrio entre la eficiencia de transmisión de datos y los requerimientos de retardo para el tráfico de voz y vídeo. Los 5 primeros bytes contienen la información de la cabecera y los 48 bytes restantes la información de usuario. La cabecera ATM tiene dos formatos, el UNI y el NNI. La cabecera UNI es utilizada para la comunicación entre los puntos finales ATM y los conmutadores ATM, ver figura 1.7, mientras que la cabecera NNI es utilizada para la comunicación entre conmutadores ATM, ver figura 1.8.. Figura 1.7 Cabecera ATM UNI. Figura 1.8 Cabecera ATM NNI. Como se puede comprobar, la cabecera contiene la siguiente información:.

(33) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 30. -Identificador de canal virtual o VCI (Virtual Channel Identifier) e identificador de camino virtual o VPI (Virtual Path Identifier). Identifican el siguiente destino de la celda cuando pasa a través de varios conmutadores ATM. Un camino virtual o VP (Virtual Path) no es más que la multiplexación de diversos flujos de tráfico sobre un mismo medio de transmisión, y es identificado por el VPI. Un camino de transmisión es un conjunto de VPs. En ATM cada uno de estos VPs es más tarde multiplexado en un cierto número de canales virtuales o VCs (Virtual Channels), identificados mediante los VCIs. Un VP es, por lo tanto, un conjunto de VCs, cada uno de los cuales es conmutado de forma transparente a través de la red ATM en base a un VPI común. Los VCIs y VPIs sólo tienen un significado local a lo largo de un enlace en particular y se hace una correspondencia, cuando sea apropiado, en cada conmutador. - Identificador del tipo de carga o PTI (Payload Type Identifier). Indica en el primer bit si la celda contiene datos de usuario o datos de control. Si la celda contiene datos de usuario, el segundo bit indica congestión, y el tercer bit indica si la celda es la última en una serie de celdas que representan una única trama AAL5. - Prioridad de pérdida de celda o CLP (Cell Loss Priority). Indica si la celda debe ser descartada en el caso de que haya congestión en su tránsito por la red. Si el CLP es igual a 1, la celda debe ser descartada antes que las celdas de la misma conexión con el CLP igual a 0. - Campo de control de errores o HEC (Header Error Check). Calcula el código de redundancia cíclica sobre la cabecera de la celda. Se utiliza para localizar errores en la cabecera y corregirlos, si el número de ellos no es mayor que 2; en caso contrario, cuando existan más de 2 errores, la celda se descarta. - Campo de control de flujo genérico o GFC (Generic Flow Control). La cabecera UNI, a diferencia de la NNI, no soporta el GFC (Systems, 2012). 1.2.4 Multiplexación en ATM Un examen más cercano del protocolo ATM y cómo opera ayudará a explicar cómo los circuitos virtuales, las rutas virtuales, los conmutadores y los servicios que ellos acarrean se afectan entre sí. La figura 1.9 muestra una conexión ATM, consiste de "celdas" de información contenidas en un circuito virtual (VC). Estas celdas provienen de diferentes fuentes representadas como.

(34) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 31. generadores de bits a tasas de transferencia constantes como la voz y a tasas variables tipo ráfagas (bursty traffic) como los datos. Cada celda compuesta por 53 bytes, de los cuales 48 (opcionalmente 44) son para trasiego de información y los restantes para uso de campos de control (cabecera) con información de "quién soy" y "donde voy"; es identificada por un "virtual circuit identifier" VCI y un "virtual path identifier" VPI dentro de esos campos de control, que incluyen tanto el enrutamiento de celdas como el tipo de conexión. La organización de la cabecera (header) variará levemente dependiendo de sí la información relacionada es para interfaces de red a red o de usuario a red. Las celdas son enrutadas individualmente a través de los conmutadores basados en estos identificadores, los cuales tienen significado local ya que pueden ser cambiados de interface a interface.. Figura 1.9 Proceso de conexión ATM. La técnica ATM multiplexa muchas celdas de circuitos virtuales en una ruta (path) virtual colocándolas en particiones (slots), similar a la técnica TDM. Sin embargo, ATM llena cada slot con celdas de un circuito virtual a la primera oportunidad, similar a la operación de una red conmutada de paquetes. La figura 1.10 describe los procesos de conmutación implícitos, los VC switches y los VP switches (Oca, 2004)..

(35) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 32. Figura 1.10 Proceso de conmutación. Los slots de celda no usados son llenados con celdas "idle", identificadas por un patrón específico en la cabecera de la celda. Este sistema no es igual al llamado "bit stuffing" en la multiplexación asíncrona, ya que se aplica a celdas enteras. 1.2.5 Protocolo ATM El protocolo ATM consiste de tres niveles o capas básicas (ver figura 1.11). La primera capa llamada capa física (Physical Layer), define las interfaces físicas con los medios de transmisión y el protocolo de trama para la red ATM es responsable de la correcta transmisión y recepción de los bits en el medio físico apropiado. A diferencia de muchas tecnologías LAN como Ethernet, que especifica ciertos medios de transmisión, (10 base T, 10 base 5, etc.) ATM es independiente del transporte físico. Las celdas ATM pueden ser transportadas en redes SONET (Synchronous Optical Network), SDH (Synchronous Digital Hierarchy), T3/E3, TI/EI o aún en modems de 9600 bps (Cisco, 2000). Hay dos subcapas en la capa física que separan el medio físico de transmisión y la extracción de los datos:.

(36) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 33. Figura 1.11 Capas del modelo ATM. La subcapa PMD (Physical Medium Depedent) tiene que ver con los detalles que se especifican para velocidades de transmisión, tipos de conectores físicos, extracción de reloj, etc., Por ejemplo, la tasa de datos SONET que se usa, es parte del PMD. La subcapa TC (Transmission Convergence) tiene que ver con la extracción de información contenida desde la misma capa física. Esto incluye la generación y el chequeo del Header Error Correccion (HEC), extrayendo celdas desde el flujo de bits de entrada y el procesamiento de celdas "idles" y el reconocimiento del límite de la celda. Otra función importante es intercambiar información de operación y mantenimiento con el plano de administración. La segunda capa es la capa ATM. Ello define la estructura de la celda y cómo las celdas fluyen sobre las conexiones lógicas en una red ATM, esta capa es independiente del servicio. El formato de una celda ATM es muy simple. Consiste de 5 bytes de cabecera y 48 bytes para información. Las celdas son transmitidas serialmente y se propagan en estricta secuencia numérica a través de la red. El tamaño de la celda ha sido escogido como un compromiso entre una larga celda, que es muy eficiente para transmitir largas tramas de datos y longitudes de celdas cortas que minimizan el retardo de procesamiento de extremo a extremo, que son buenas para voz, vídeo y protocolos sensibles al retardo. A pesar de que no se diseñó específicamente para eso, la longitud de la celda ATM acomoda convenientemente dos Fast Packets IPX de 24 bytes cada uno. La tercera capa es la ATM Adaptation Layer (AAL). La AAL juega un rol clave en el manejo de múltiples tipos de tráfico para usar la red ATM, y es dependiente del servicio..

(37) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 34. Específicamente, su trabajo es adaptar los servicios dados por la capa ATM a aquellos servicios que son requeridos por las capas más altas, tales como emulación de circuitos, (circuit emulation), vídeo, audio, frame relay, etc. La AAL recibe los datos de varias fuentes o aplicaciones y las convierte en segmentos de 48 bytes (Shaaban, 2000). La capa de Adaptación de ATM yace entre el ATM layer y las capas más altas que usan el servicio ATM. Su propósito principal es resolver cualquier disparidad entre un servicio requerido por el usuario y atender los servicios disponibles del ATM layer. La capa de adaptación introduce la información en paquetes ATM y controla los errores de la transmisión. La información transportada por la capa de adaptación se divide en cuatro clases según las propiedades siguientes: 1) Que la información que está siendo transportada dependa o no del tiempo. 2) Tasa de bit constante/variable. 3) Modo de conexión. La capa de adaptación de ATM define 5 clases de servicios que se describen a continuación, profundizando en el protocolo AAL-5, como el más empleado por la tecnología. . AAL-1. . AAl-2. . AAl-3. . AAL-4. . AAl-5. La capa de adaptación se divide en dos subcapas: 1) Capa de convergencia (convergence sublayer (CS)) : En esta capa se calculan los valores que deben llevar la cabecera y los payloads del mensaje. La información en la cabecera y en el payload depende de la clase de información que va a ser transportada. 2) Capa de Segmentación y reensamblaje (segmentation and reassembly (SAR)).

(38) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 35. Esta capa recibe los datos de la capa de convergencia y los divide en segmentos formando los paquetes de ATM. Agrega la cabecera que llevara la información necesaria para el reensamblaje en el destino. AAL1: AAL-1 se usa para transferir tasas de bits constantes que dependen del tiempo. Debe enviar por lo tanto información que regule el tiempo con los datos. AAL-1 provee recuperación de errores e indica la información con errores que no podrá ser recuperada. ALL 2: AAL-2 se usa para transferir datos con tasa de bits variable que dependen del tiempo. Envía la información del tiempo conjuntamente con los datos para que esta pueda recuperarse en el destino. AAL-2 provee recuperación de errores e indica la información que no puede recuperarse. AAL 3: AAL-3 se diseña para transferir los datos con tasa de bits variable que son independientes del tiempo. AAL-3 puede ser dividido en dos modos de operación: 1) Fiable: En caso de pérdida o mala recepción de datos estos vuelven a ser enviados. El. control de flujo es soportado. 2) No fiable: La recuperación del error es dejado para capas más altas y el control de flujo es opcional. ALL 4: AAL-4 se diseña para transportar datos con tasa de bits variable independientes del tiempo. Es similar al AAL3 y también puede operar en transmisión fiable y o fiable. AAL-4 provee la capacidad de transferir datos fuera de una conexión explícita. AAL 2, AAL 3/4 y AAL 5 manejan varios tipos de servicios de datos sobre la base de tasas de bits variables tales como Switched Multimegabit Data Service (SMDS), Frame Relay o tráfico de redes de área local (LAN). AAL 2 y AAL 3 soportan paquetes orientados a conexión. (El término orientado a conexión describe la transferencia de datos después del establecimiento de un circuito virtual)..

(39) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 36. AAL-5: El protocolo AAL-3/4 estandarizado para servicios orientados a la conexión y sin conexión no es adecuado para comunicación de datos a altas velocidades, debido a que es un protocolo pesado producto del encabezamiento. AAL-5 es una variante del AAL-3/4, siendo simplificada y capaz de procesar datos a altas velocidades, siendo esta su característica fundamental. Si se considera que los protocolos de los niveles superiores tienen una cuidadosa administración de la conexión y que el nivel ATM introduce errores mínimos, entonces no se requieren de los encabezamientos y colas de los sub-niveles SAR y CPCS. Un servicio orientado a la conexión no se requiere el campo MID, dado que el VCI/VPI está disponible celda a celda. Luego podemos decir que el AAL-5 fue introducido para: 1. Reducir el encabezamiento de procesamiento. 2. Reducir el encabezamiento de transmisión. 3. Asegurar la adaptabilidad a los protocolos de transporte existentes. Obsérvese en la figura 1.12 como es realizado el proceso de segmentación y reensamblado en AAL-5, donde solo en el sub-nivel CPCS se le añade una parte en la cola y la unidad CPCS PDU es segmentada en el sub-nivel SAR en bloques de 48 octetos sin ningún encabezamiento o cola (Shaaban, 2000)..

(40) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 37. Figura 1.12 Capa AAL-5. Comparándose AAL-5 con el AAL-3/4 encontramos los siguientes elementos:  . AAL-5 utiliza 8 octetos para la AAL-SDU idéntico al AAL-3/4 AAL-5 utiliza 0 octetos por celda ATM mientras AAL-3/4 usa 4.. En la figura 1.13 se muestra la estructura de la CPCS-PDU para el AAL-5, observándose que en la misma desaparece el encabezamiento y por tanto la facilidad de medida del buffer (Basize), por lo que si considera necesario por el receptor pre-localizar un buffer para el reensamblado, esta información tiene que ser pasada al nivel superior.. Figura 1.13 Estructura de la CPCS-PDU en AAL-5. En la cola de la estructura de la CPCS PDU nos encontramos con: - Indicación de Usuario a Usuario (CPCS-UU, 1 Octeto), lo cual permite llevar información de forma transparente entre usuarios (multiplexado, secuencia, etc.)..

(41) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 38. - Indicador de Parte Común (CPI, 1 octeto), indica cuando o no la correspondiente unidad de datos es una parte común y puede también indicar la unidad de la longitud de conteo LI. - Indicador de Longitud (Length, 2 Octetos), indica la longitud real de la carga de la unidad de datos CPCS PDU sin relleno. - CRC (4 octetos), el mismo transporta un código CRC-32 para la unidad de datos, incluyendo la carga, el relleno (PAD) y los primeros cuatro octetos de la cola. La carga del nivel superior es rellenada (PAD) tal que la unidad de datos CPCS PDU sea un múltiplo de 48 octetos. Luego la Unidad de datos de segmentación y reensamble SAR PDU consta de 48 octetos de carga, transportando una porción de la CPCS PDU. La debilidad del AAL-5 de no disponer de un encabezamiento del protocolo tiene varias implicaciones: 1. No hay número de secuencia y por tanto todos los SAR-PDU que van arribando se consideran que arriban en secuencia ordenada. Por lo que para dar solución a este problema, entonces el nivel ATM tiene que distinguir entre estos casos usando el bit de indicación de usuario a usuario (AAU), en el campo que indica el tipo de carga (PT). Luego una CPCS PDU que consta de varios (consecutivos) SAR PDU, serán ensamblados en diferentes celdas ATM, luego la primera y todas las que le sigan, excepto la última , tendrán el bit de indicación AAU a “0”. Solo la última celda tendrá el bit AAU fijado a “1”. 2. No tener el campo MID significa que no es posible intercalar (interleave) celdas de diferentes CPCS PDU 3. No tener un campo indicador de longitud LI, significa que la entidad SAR no distingue entre la carga de la CPCS PDU y el llenado de la última SAR PDU. Por lo que no hay forma para que la entidad SAR encuentre la cola (trailer) de la última SAR PDU. Para evitar esta situación es requerido que la carga (payload) de la CPCS PDU sea rellenada (PAD) de tal forma que el último Bit de la cola del CPCS CPDU coincida con el último Bit de la SAR PDU final (múltiplo de 48 octetos)..

(42) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 39. En la figura 1.14 se muestra un ejemplo de transmisión AAL-5, obsérvese que la CPCS PDU incluye relleno cola, siendo dividida en bloques de 48 octetos, siendo cada bloque transmitido como una celda simple. Es importante destacar que en muchas ocasiones el subnivel de servicios específicos SSCS no es utilizado (se le denomina de forma nula) en muchos casos con AAL-5. Los servicios que pueden ser ofrecidos basados en AAL-5 incluyen: FR, ATM (DXI) de ATM Forum, IP (Internet), así como también la transferencia de video codificado en MPEG2 (Slideshare, 2010).. Figura 1.14 Ejemplo de Transmisión de AAL-5. 1.2.6 Problemas en ATM A diferencia de los mecanismos de control extremo a extremo que utiliza TCP en internet working, la capacidad de Gbit/seg de la red ATM genera un juego de requerimientos necesarios para el control de flujo. Las condiciones de congestión en las redes ATM están previstas para que sean extremadamente dinámicas requiriendo de mecanismos de hardware lo suficientemente rápidos para llevar a la red al estado estacionario, necesitando que la red en sí, éste activamente involucrada en el rápido establecimiento de este estado estacionario. Sin embargo, esta aproximación simplista de control reactivo de lazo cerrado extremo a extremo en condiciones de congestión no se considera suficiente para las redes ATM..

(43) CAPÍTULO 1. TECNOLOGÍAS DE REDES DE ÁREA EXTENSA (WAN). 40. Fórum UNI / a cinco Q o S referenciados en los AALS. El objetivo de estas sub clases de servicio es agrupar características de servicio como requerimiento de ancho de banda similares, sensibilidad a la pérdida de datos y retardos para un correcto manejo de los datos en los puertos de acceso ATM, etc. Estos parámetros pueden incluir el Sustained Cell Rate (SCR), el Minimum Cell Rate (MCR), el Peak Cell Rate (PCR) y/o el Burst Tolerance (BT). Para soportar todas las diferentes clases de servicios definidos por los estándares el switch ATM debe ser capaz de definir éstos parámetros en base a cada VC o cada VP y debe proveer amortiguadores (buffers) para absorber las ráfagas de tráfico (UIT-T, 2003). 1.3. Definición de Conmutación Multi-Protocolo mediante Etiquetas (MPLS, Multiprotocol Label Switching). MPLS es un estándar IP de conmutación de paquetes del IETF, que trata de proporcionar algunas de las características de las redes orientadas a conexión a las redes no orientadas a conexión. En el encaminamiento IP sin conexión tradicional, la dirección de destino junto a otros parámetros de la cabecera, es examinada cada vez que el paquete atraviesa un router. La ruta del paquete se adapta en función del estado de las tablas de encaminamiento de cada nodo, pero, como la ruta no puede predecirse, es difícil reservar recursos que garanticen la QoS; además, las búsquedas en tablas de encaminamiento hacen que cada nodo pierda cierto tiempo, que se incrementa en función de la longitud de la tabla. Sin embargo, MPLS permite a cada nodo, ya sea un switch o un router, asignar una etiqueta a cada uno de los elementos de la tabla y comunicarla a sus nodos vecinos. Esta etiqueta es un valor corto y de tamaño fijo transportado en la cabecera del paquete para identificar un FEC (Forward Equivalence Class), que es un conjunto de paquetes que son reenviados sobre el mismo camino a través de la red, incluso si sus destinos finales son diferentes. La etiqueta es un identificador de conexión que sólo tiene significado local y que establece una correspondencia entre el tráfico y un FEC específico. Dicha etiqueta se asigna al paquete basándose en su dirección de destino, los parámetros de tipo de servicio, la pertenencia a una VPN, o siguiendo otro criterio. Cuando MPLS está implementado como una solución IP pura o de nivel 3, que es la más habitual, la etiqueta es un segmento de información añadido al comienzo del paquete (Ghein, 2006). La figura 1.15 muestra la cabecera MPLS. Los campos de la cabecera MPLS de 4 bytes, son los siguientes:.