5 LA CAPA DE RED

5 LA CAPA DE RED

1. 5.1 ASPECTOS DE DISEÑO DE LA CAPA DE RED

   • 5.1.1 Conmutación de paquetes de almacenamiento y reenvío
     • Antes de empezar a explicar los detalles sobre la capa de red, vale la pena volver a exponer el contexto en el que operan los protocolos de esta capa. En la figura 5-1 podemos ver este con texto. Los componentes principales de la red son el equipo del Provedor del Servicio de Internet (ISP) (enrutadores conectados mediante líneas de transmisión), que se muestra dentro del óvalo sombreado, y el equipo de los clientes, que se muestra fuera del óvalo. El host H1 está conectado de manera directa a un enrutador del ISP, A, tal vez en forma de una computadora en el hogar conectada a un módem DSL.
   • 5.1.2 Servicios proporcionados a la capa de transporte
     • La capa de red proporciona servicios a la capa de transporte en la interfaz entre la capa de red y de transporte. Una pregunta importante es qué tipo de servicios proporciona precisamente la capa de red a la capa de transporte. Hay que diseñar los servicios de manera cuidadosa, con los siguientes objetivos en mente:
       • 1. Los servicios deben ser independientes de la tecnología del enrutador. 2. La capa de transporte debe estar aislada de la cantidad, tipo y topología de los enrutadores presentes. 3. Las direcciones de red disponibles para la capa de transporte deben usar un plan de numeración uniforme, incluso a través de redes LAN y WAN
   • 5.1.3 Implementación del servicio sin conexión
     • Puesto que ya vimos las dos clases de servicios que la capa de red puede proporcionar a sus usuarios, es tiempo de analizar el funcionamiento interno de esta capa. Se pueden realizar dos formas de organización distintas, dependiendo del tipo de servicio ofrecido. Si se ofrece el servicio sin conexión, los paquetes se transmiten por separado en la red y se enrutan de manera independiente.
   • 5.1.4 Implementación del servicio orientado a conexión
     • Para el servicio orientado a conexión necesitamos una red de circuitos virtuales. Veamos ahora cómo funciona. La idea detrás de los circuitos virtuales es evitar la necesidad de elegir una nueva ruta para cada paquete enviado, como en la figura 5-2. En cambio, cuando se establece una conexión, se elige una ruta de la máquina de origen a la máquina de destino como parte de la configuración de conexión y se almacena en tablas dentro de los enrutadores
   • 5.1.5 Comparación entre las redes de circuitos virtuales y las redes de datagramas
     • Dentro de la red existen ventajas y desventajas entre los circuitos virtuales y los datagramas. Una de ellas tiene que ver con el tiempo de configuración y el tiempo de análisis de la dirección. El uso de circuitos virtuales requiere una fase de configuración que necesita tiempo y recursos. Sin embargo, una vez que se paga este precio, es fácil averiguar qué hacer con un paquete de datos en una red de circuitos virtuales: el enrutador sólo usa el número de circuito para buscar en una tabla y encontrar hacia dónde va el paquete.

2. 5.2 ALGORITMOS DE ENRUTAMIENTO

   • 5.2.1 Principio de optimización
     • Antes de entrar en algoritmos específicos, puede ser útil señalar que es posible hacer una postulado general sobre las rutas óptimas sin importar la topología o el tráfico de la red. Este postulado se conoce como principio de optimización (Bellman, 1957) y establece que si el enrutador J está en la ruta óptima del enrutador I al enrutador K, entonces la ruta óptima de J a K también está en la misma ruta. Para ver esto, llamemos r1 a la parte de la ruta de I a J y r2 al resto de la ruta. Si existiera una ruta mejor que r2 entre J y K, se podría concatenar con r1 para mejorar la ruta de I a K, lo cual contradice nuestro postulado de que r1 r2 es óptima.
   • 5.2.2 Algoritmo de la ruta más corta
     • Empecemos nuestro estudio de los algoritmos de enrutamiento con una técnica simple para calcular las rutas óptimas con base en una imagen completa de la red. Estas rutas son las que queremos que encuentre un algoritmo de enrutamiento distribuido, aun cuando no todos los enrutadores conozcan todos los detalles de la red.
   • 5.2.4 Enrutamiento por vector de distancia
     • Por lo general, las redes de computadoras utilizan algoritmos de enrutamiento dinámico más complejos que la inundación, pero más eficientes debido a que encuentran las rutas más cortas para la topología actual. En particular hay dos algoritmos dinámicos que son los más populares: el enrutamiento por vector de distancia y el enrutamiento por estado del enlace. En esta sección veremos el primer algoritmo. En la siguiente estudiaremos el segundo
   • 5.2.5 Enrutamiento por estado del enlace
     • El enrutamiento por vector de distancia se utilizó en ARPANET hasta 1979, cuando se reemplazó por el enrutamiento por estado del enlace. El principal problema que provocó su desaparición era que, con frecuencia, el algoritmo tardaba demasiado en converger una vez que cambiaba la topología de la red (debido al problema del conteo al infinito).
   • 5.2.6 Enrutamiento jerárquico
     • A medida que crece el tamaño de las redes, también lo hacen en forma proporcional las tablas de enrutamiento del enrutador. Las tablas que están en crecimiento constante no sólo consumen memoria del enrutador, sino que también se necesita más tiempo de CPU para examinarlas y más ancho de banda para enviar informes de estado entre enrutadores. En cierto momento, la red puede crecer hasta el punto en que ya no sea viable que cada enrutador tenga una entrada para cada uno de los demás enrutadores, por lo que el enrutamiento tendrá que hacerse de manera jerárquica, como ocurre en la red telefónica.

3. 5.3 ALGORITMOS DE CONTROL DE CONGESTIÓN

   • Cuando hay demasiados paquetes presentes en una red (o en una parte de ella), hay retardo o pérdida en los paquetes y se degrada el desempeño. Esta situación se llama congestión. Las capas de red y de transporte comparten la responsabilidad de manejar la congestión.
   • 5.3.1 Métodos para el control de la congestión
     • La presencia de congestión significa que la carga es (temporalmente) mayor de la que los recursos (en una parte de la red) pueden manejar. Dos soluciones vienen a la mente: aumentar los recursos o reducir la carga. Como se muestra en la figura 5-22, estas soluciones por lo general se aplican en distintas escalas de tiempo, para prevenir la congestión o reaccionar ante ella una vez que se presenta.
   • 5.3.2 Enrutamiento consciente del tráfico
     • El primer método que examinaremos es el enrutamiento consciente del tráfico. Los esquemas de enrutamiento que vimos en la sección 5.2 utilizaban ponderaciones de enlaces fijas. Estos esquemas se adaptaban a los cambios en la topología, pero no a los cambios en la carga. El objetivo al tener en cuenta la carga al calcular las rutas es desviar el tráfico de los puntos más activos que serán los primeros lugares en la red en experimentar congestión
   • 5.3.4 Regulación de tráfico
     • En Internet y en muchas otras redes de computadoras, los emisores ajustan sus transmisiones para enviar tanto tráfico como la red pueda distribuir. En este escenario, la red aspira a operar justo antes de que comience la congestión. Cuando la congestión es inminente, debe pedir a los emisores que reduzcan sus transmisiones y su velocidad. Esta retroalimentación es algo común, en vez de una situación excepcional. En ocasiones se utiliza el término evasión de congestión para contrastar este punto de operación con el punto en que la red se ha congestionado (demasiado).
   • 5.3.5 Desprendimiento de carga
     • Cuando ninguno de los métodos anteriores elimina la congestión, los enrutadores pueden sacar la artillería pesada: el desprendimiento de carga, que es una manera rebuscada de decir que cuando se inunda a los enrutadores con paquetes que no pueden manejar, simplemente se tiran. El término viene del mundo de la generación de energía eléctrica, donde se refiere a la práctica de instalaciones que producen apagones intencionales en ciertas áreas para salvar a la red completa de colapsarse en días calurosos de verano, en los que la demanda de energía eléctrica excede por mucho el suministro

4. 5.4 CALIDAD DEL SERVICIO

   • 5.4.1 Requerimientos de la aplicación
     • A un conjunto de paquetes que van de un origen a un destino se le denomina flujo (Clark, 1988). En una red orientada a conexión, un flujo podría estar constituido por todos los paquetes de una conexión; o en una red sin conexión, un fujo serían todos los paquetes enviados de un proceso a otro. Podemos caracterizar las necesidades de cada flujo mediante cuatro parámetros principales: ancho de banda, retardo, variación del retardo (jitter) y pérdida. En conjunto, estos parámetros determinan la QoS (Calidad del Servicio, del inglés Quality of Service) que requiere el flujo.
   • 5.4.2 Modelado de tráfico
     • Antes de que la red pueda hacer garantías de QoS, debe saber qué tráfico está garantizando. En la red telefónica esta caracterización es simple. Por ejemplo, una llamada de voz (en formato descomprimido) necesita 64 kbps y consiste en una muestra de 8 bits cada 125 µseg. Sin embargo, el tráfico en las redes de datos es en ráfagas. Por lo general llega a tasas de transmisión no uniformes a medida que varía el tráfico (es decir, videoconferencias con compresión), los usuarios interactúan con las aplicaciones (por ejemplo, navegar en una nueva página web) y las computadoras cambian de una tarea a otra.
   • 5.4.3 Programación de paquetes
     • Tener la capacidad de regular la forma del tráfico ofrecido es un buen comienzo. Sin embargo, para ofrecer una garantía de desempeño debemos reservar suficientes recursos a lo largo de la ruta que toman los paquetes a través de la red. Para ello, supongamos que los paquetes de un flujo siguen la misma ruta. Si los dispersamos a través de rutas al azar, es difícil garantizar algo.
       • Se pueden reservar potencialmente tres tipos distintos de recursos para diversos flujos: 1. Ancho de banda. 2. Espacio de búfer. 3. Ciclos de CPU
   • 5.4.4 Control de admisión
     • Ya hemos visto todos los elementos necesarios para la calidad del servicio (QoS); es tiempo de reunirlos para realmente proporcionarla. Las garantías de QoS se establecen por medio del proceso de control de admisión. Primero vimos cómo se utilizaba el control de admisión para controlar la congestión, lo cual es una garantía de desempeño, aunque algo débil. Las garantías que consideraremos ahora son más sólidas, pero el modelo es el mismo.
   • 5.4.5 Servicios integrados
     • Entre 1995 y 1997, la IETF se esforzó mucho en diseñar una arquitectura para la multimedia de flujos continuos. Este trabajo generó cerca de dos docenas de RFC, empezando con los RFC 2205–2212. El nombre genérico para este trabajo es servicios integrados

5. 5.5 INTERCONEXIÓN DE REDES

   • 5.5.1 Cómo difieren las redes
     • Las redes pueden diferir de muchas maneras. Algunas de las diferencias, como técnicas de modulación o formatos de tramas diferentes, se encuentran en la capa física y en la de enlace de datos. No trataremos esas diferencias aquí. En su lugar, en la figura 5-38 listamos algunas diferencias que pueden ocurrir en la capa de red. La conciliación de estas diferencias es lo que hace más difícil la interconexión de redes que la operación con una sola red.
   • 5.5.2 Cómo se pueden conectar las redes
     • Existen dos opciones básicas para conectar distintas redes: podemos construir dispositivos que traduzcan o conviertan los paquetes de cada tipo de red en paquetes para otra red o, como buenos científicos de la computación, podemos tratar de resolver el problema al agregar una capa de indirección y construir una capa común encima de las distintas redes. En cualquier caso, los dispositivos se colocan en los límites entre las redes
   • 5.5.3 Tunelización
     • Es en extremo difícil manejar el caso general de hacer que dos redes distintas se interconecten. Sin embargo, hay un caso especial que se puede manejar, incluso para distintos protocolos de red. Este caso es cuando el host de origen y el de destino están en el mismo tipo de red, pero hay una red diferente en medio.
   • 5.5.4 Enrutamiento entre redes
     • El enrutamiento a través de una interred presenta el mismo problema que el enrutamiento en una sola red, pero con algunas complicaciones adicionales. Para empezar, las redes pueden usar internamente distintos algoritmos de enrutamiento. Por ejemplo, una red podría usar un enrutamiento por estado del enlace y otra un enrutamiento por vector de distancia. Como los algoritmos de estado del enlace necesitan conocer la topología pero los algoritmos de vector de distancia no, tan sólo esta diferencia dificultaría mucho el proceso de encontrar las rutas más cortas a través de la internet.
   • 5.5.5 Fragmentación de paquetes
     • Cada red o enlace impone un tamaño máximo a sus paquetes. Estos límites tienen varias razones, entre ellas: 1. El hardware (por ejemplo, el tamaño de una trama Ethernet). 2. El sistema operativo (por ejemplo, todos los búferes son de 512 bytes). 3. Los protocolos (por ejemplo, la cantidad de bits en el campo de longitud de paquete). 4. El cumplimiento de algún estándar (inter)nacional. 5. El deseo de reducir hasta cierto nivel las retransmisiones inducidas por errores. 6. El deseo de evitar que un paquete ocupe el canal demasiado tiempo.

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