Redes de área extensa

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1 Redes de área extensa Escuela Tec. Sup. Ingeniería Telecomunicación gsyc-profes (arroba) gsyc.es Enero de 2015 GSyC Redes de área extensa 1

2 c 2015 GSyC Algunos derechos reservados. Este trabajo se distribuye bajo la licencia Creative Commons Attribution Share-Alike 4.0 GSyC Redes de área extensa 2

3 Introducción Redes de Área Extensa WAN: Wide Area Network Surgen a partir de la red telefónica tradicional Dos grandes familias de protocolos Vinculados con la telefonía tradicional (ITU) Vinculados con Internet Cada vez más relevantes Con préstamos de los protocolos ITU GSyC Redes de área extensa 3

4 La red telefónica conmutada Redes de telefonía y datos 1837: Samuel Morse inventa el telégrafo eléctrico 1871: Antonnio Meucci inventa el telettrofono 1876: Alexander Graham Bell patenta el teléfono. Conexión directa entre los teléfonos de los usuarios 1877: Central telefónica manual 1891: Central telefónica automática 1896: Marcación por pulsos 1950s: Teléfonos electromecánicos que aceptan hasta 9 ĺıneas 1963: Marcación por tonos GSyC Redes de área extensa 4

5 La red telefónica conmutada Elementos de la red telefónica conmutada Abonados (subscribers) Teléfonos u otros terminales de datos Línea de abonado (subscriber line), aka bucle local (local loop), aka bucle de abonado (subscriber loop) Casi siempre par trenzado Central telefónica (Telephone exchanges), aka telephone switch No confundir con centralita, (PBX Private Branch Exchange) Líneas troncales (trunks) T-Carrier. EEUU, Canadá, Japón. Año T1 (1,544 Mbps), T3 (44,763 Mbps) E-Carrier. Resto del mundo. E1 (2,048 Mbps), E3 (34,368 Mbps) GSyC Redes de área extensa 5

6 La red telefónica conmutada RTC, Red Telefónica Conmutada (PSTN, Public Switched Telephone Network) aka RTB, Red Telefónica Básica, aka POTS, Plain Old Telephone Service Originalmente, una gran compañía nacional en cada pais, empresa pública o privada en régimen de monopolio: CTNE, Compañía Telefónica Nacional de España BT, British Telecom AT&T, American Telephone & Telegraph Company... A partir de los años 1980, 1990 va apareciendo la privatización y la competencia GSyC Redes de área extensa 6

7 La red telefónica conmutada Organismos que coordinan las redes de telefonía Año 1865: ITU, International Telegraph Union Año 1934: ITU, International Telecommunication Union Desde 1947 hasta hoy depende de la ONU Actualmente se divide en Radiocommunication (ITU-R) Standardization (ITU-T) Entre 1956 y 1993, este organismo era el CCITT, Consultative Committee for International Telegraphy and Telephony Development (ITU-D) GSyC Redes de área extensa 7

8 Historia de Internet Internet Año ARPANET, protocolo NCP Año UNIX Año Año Internet, protocolo TCP/IP Año World Wide Web GSyC Redes de área extensa 8

9 Internet Organismos que regulan Internet ISOC, The Internet Society IAB, Internet Architecture Board IETF, Internet Engineering Task Force IRTF, Internet Research Task Force ICANN, Internet Corporation for Assigned Names and Numbers IANA, Internet Assigned Numbers Authority W3C, World Wide Web Consortium GSyC Redes de área extensa 9

10 Tipos de conmutación Conmutación de circuitos Redes de conmutación de circuitos Canal de comunicación dedicado entre el origen y el destino, a través de nodos intermedios Tres fases 1 Establecimiento del circuito Solicitud extremo a extremo, para reserva del canal 2 Transferencia de datos Analógicos o digitales. En este momento la red es transparente, las estaciones perciben una conexión directa 3 Desconexión del circuito Liberación de los recursos empleados GSyC Redes de área extensa 10

11 Tipos de conmutación Redes de conmutación de circuitos En transmisión de voz, la conmutación de circuitos es algo ineficiente, el canal está ocupado, ya hablen los usuarios o no En trasmisión de datos, es muy ineficiente Tipos de conmutación: División en el espacio Un trayecto físico separado para cada comunicación Conmutador de 1 etapa. Tantas entradas como salidas. No bloqueante Conmutador multietapa. El número de ĺıneas internas del conmutador es inferior al número de entradas y salidas. Bloqueante División en el tiempo Varios flujos de bits se combinan en uno de mayor velocidad, donde a cada circuito se le asigna un slot de tiempo GSyC Redes de área extensa 11

12 Tipos de conmutación Conmutación de paquetes Redes de conmutación de paquetes Al extenderse las redes de transmisión de datos, aparece la conmutación de paquetes Los datos se dividen en pequeños paquetes Mejora el rendimiento Al aumentar la carga, la degradación del servicio es gradual El principal inconveniente es que el tiempo de propagación aumenta Dos tipos Circuitos virtuales aka packet switching, conmutación de paquetes Datagramas aka packet routing, encaminamiento de paquetes GSyC Redes de área extensa 12

13 Tipos de conmutación Redes de conmutación de paquetes Servicio basado en circuitos virtuales (aka conmutación de paquetes) Al principio se establece un circuito virtual por el que viajarán todos los paquetes de datos. La dirección de destino viaja sólo en los paquetes que establecen el cirtuito virtual. Los paquetes con datos sólo llevan un identificador del circuito virtual al que pertenecen Todos los paquetes pertenecientes a un mismo circuito virtual siguen el mismo camino y llegan en orden. Servicio basado en datagramas (aka encaminamiento de paquetes) La dirección de destino viaja en todos los paquetes de datos. El encaminamiento de cada paquete es independiente, por lo que varios paquetes enviados del mismo origen al mismo destino pueden viajar por diferentes rutas (y, tal vez, llegar en desorden). GSyC Redes de área extensa 13

14 Tipos de conmutación Circuitos virtuales vs datagramas Redes de conmutación de paquetes Circuitos virtuales aka conmutación de paquetes Lo bueno: es más rápido procesar cada paquete Lo malo: con muchos orígenes y destinos posibles, es complicado establecer los circuitos virtuales y adaptarlos al tráfico Datagramas aka encaminamiento de paquetes Lo bueno: es más flexible, razón fundamental del éxito de IP Lo malo: es más costoso procesar cada paquete GSyC Redes de área extensa 14

15 Tipos de conmutación Redes de conmutación de paquetes Por todo ello En el nivel 3 es habitual usar datagramas (excepto para audio y vídeo) En el nivel 2 O bien se emplea una conexión dedicada O bien se emplea una red donde se conmutan paquetes (tramas de nivel 2), con circuitos virtuales típicamente estáticos GSyC Redes de área extensa 15

16 Tipos de conmutación Redes de conmutación de paquetes Conmutación de circuitos GSyC Redes de área extensa 16

17 Tipos de conmutación Redes de conmutación de paquetes Servicio basado en circuitos virtuales: A B E C D GSyC Redes de área extensa 17

18 Tipos de conmutación Redes de conmutación de paquetes Servicio basado en datagramas: A 3 B E C D GSyC Redes de área extensa 18

19 X.25 X.25 Estándar de ITU para conmutación de paquetes en WAN Libro naranja publicado en el año Primer protocolo de conmutación de paquetes ampliamente extendido Basado en circuitos virtuales Incluye nivel físico, nivel de enlace y nivel de paquete (red) Velocidad de transmisión entre 2400 bps y 2Mbps Los paquetes de control comparten el canal con los paquetes de datos Control de errores en nivel 2 y en nivel 3 GSyC Redes de área extensa 19

20 ISDN / RDSI ISDN Integrated Services Digital Network, ISDN Red Digital de Servicios Integrados, RDSI Año 1988, libro rojo del CCITT Red de conmutación de circuitos, define niveles 1, 2 y 3 Integra voz y datos Dos tipos de ĺınea Acceso básico Acceso primario GSyC Redes de área extensa 20

21 RDSI: Acceso básico ISDN Pensado para el usuario ordinario, bucle local 192 kbps, repartidos en 2 canales B, full duplex 64 kbps 1 canal D full-duplex 16 kbps, para gestión de la red División en tramas Permite audioconferencia de calidad, videoconferencia o acceso a redes de conmutación de paquetes Nunca llegó a tener mucho éxito, se usó algo a finales de los años 1990, pero fue rápidamente superado por el ADSL (ITU G.992.x) GSyC Redes de área extensa 21

22 RDSI: Acceso primario ISDN Destinado a usuarios exigentes (empresas y organismos) 2,048 Mbps (Europa, India, Australia) repartidos en 30 canales B, full duplex, 64 kbps 1 canal D de 64 kbps División en tramas 1,544 Mbps (EEUU, Japón) Bastante usado para videoconferencia de calidad, transmisión de audio para radiodifusión, etc Solo recientemente está siendo sustituido por tecnología IP GSyC Redes de área extensa 22

23 B-ISDN ISDN A mediados de los años 1980, ITU-T diseña la Broadband Integrated Services Digital Network, B-ISDN, como sucesora de ISDN El propósito es integrar audio y video con datos, y reemplazar a Internet B-ISDN define niveles 1, 2 y 3 B-ISDN tampoco tiene éxito. Aunque su nivel 2, ATM, se emplea entre routers IP en redes WAN Entre 155,520 Mbps y 622,080 Mbps GSyC Redes de área extensa 23

24 Frame Relay Frame Relay Protocolo de conmutación de paquetes para WAN Nivel 1 y 2 Propuesto inicialmente por CCITT en 1984, Como versión simplificada de X.25 Para poder usar conmutación de paquetes sobre la conmutación de circuitos ofrecida por RDSI A partir de 1990 la industria se centra en su desarrollo. Se hace muy popular, pero fuera de RDSI. Es sencillo y eficiente. Se convierte en una manera muy habitual de unir routers IP a larga distancia IP sobre Frame Relay RFC 1294, año RFC 2427, año 1998 GSyC Redes de área extensa 24

25 Frame Relay A diferencia de X.25, Frame Relay: Los paquetes de control tienen su propio canal dedicado: Control Plane, User Plane Solo trabaja a nivel 2 Best-effort. No hace control de error ni de flujo salto a salto (ni siquiera extremo a extremo) GSyC Redes de área extensa 25

26 Frame Relay Fuente: Ruwanindika, Wikipedia GSyC Redes de área extensa 26

27 Frame Relay Frame Relay Regula el acceso entre El equipo del usuario, Data Terminal Equipment, DTE Frame Relay Assembler/Disassembler, FRAD El conmutador, propiedad de la empresa de telecomunicaciones Data Communications Equipment, DCE Frame Relay Network Device, FRND No regula el funcionamiento interno de la red GSyC Redes de área extensa 27

28 Frame Relay Una red Frame Relay ofrece al usuario un Permanent Virtual Circuit, PVC El usuario percibe un enlace directo entre su router IP y otro router IP (ya sea también suyo o de su proveedor) Por debajo habrá otra estructura más compleja, que resulta transparente Concepto similar al de VPN, aunque en este caso la red que está por debajo no es la internet pública Se propusieron Switched virtual circuits, circuitos virtuales para cada llamada, que prácticamente nunca llegaron a implementarse GSyC Redes de área extensa 28

29 Frame Relay En los años 1990, 2000 y posterior: El usuario ordinario suele emplear modems sobre RTB, ADSL, cable Las empresas con necesidades intermedias suelen emplear Frame Relay (para tranmisión de datos ordinarios) entre 56 Kbps y 2,048 Mb RDSI (para transmisión de audio y vídeo con baja latencia) Para grandes volúmenes de datos, ATM En vez de Frame Relay y ATM también se pueden emplear ĺıneas dedicadas (T1/T3/E1/E3), pero es mucho menos frecuente GSyC Redes de área extensa 29

30 Frame Relay En WAN para datos En el nivel de red se usan datagramas. Direcciones globales Los datagramas son prácticos a alto nivel, son sencillos, adecuados para redes complejas. Aunque el tiempo necesario para encaminar cada datagrama es elevado En el nivel de enlace, circuitos virtuales. Direcciones con significado local Más cerca del cableado, requieren menos tiempo para procesar cada trama GSyC Redes de área extensa 30

31 ATM Asynchronous Transfer Mode, ATM Norma ITU-T I.361 ATM Forum, fundado en 1991 Entre 155,520 Mbps y 622,080 Mbps ATM es el nivel 2 de B-ISDN Diseñado para usarse hasta el escritorio, pero solo tiene éxito en WAN Conmutación de paquetes (especiales): las celdas Circuitos virtuales, frecuentemente establecidos a mano, estáticos incluso meses. (También automatizable pero no es muy habitual) GSyC Redes de área extensa 31

32 Celdas ATM ATM Las celdas son tramas de bajo nivel, de tamaño fijo, lo que permite que sean procesadas directamente por el hardware Las celdas se envían continuamente, haya datos o no Las celdas son pequeñas, para minimizar latencias. Hubo muchas discusiones sobre el tamaño de las celdas Celdas grandes, 64 bytes, serían más adecuadas para datos Celdas pequeñas, 32 bytes, serían más adecuadas para audio y vídeo Se tomó una solución de compromiso, 48 bytes datos + 5 cabecera GSyC Redes de área extensa 32

33 ATM Normalmente ATM usa SONET/SDH como nivel físico Regula el acceso del usuario a la red y también el funcionamiento interno de la red 5 octetos son suficientes para la cabecera, hay un identificador de canal y de trayecto, que solo tienen significado local GSyC Redes de área extensa 33

34 ATM Fuente: Jesjimher, Wikipedia GSyC Redes de área extensa 34

35 SONET/SDH SONET/SDH Las primeras redes de fibra óptica aparecen a finales de los años 197x A finales de los años 199x en EEUU se normaliza Synchronous Optical Networking, SONET (ANSI95a) En el resto del mundo se usa una modificación posterior, Synchronous Digital Hierarchy, SDH (ITU-T00a) Distintas pero muy similares, cualquier equipo suele soportar ambas normas 155,52 Mbps, 622,08 Mbps, 2,5 Gbps o 10 Gbps Topología punto a punto, multipunto o anillo Transporte de bajo nivel, puede llevar tramas ATM, tramas ethernet, paquetes IP... prácticamente cualquier cosa Empleado en buena parte de las redes de fibra óptica actuales, han aparecido competidores, como Gigabit ethernet y 10 Gigabit ethernet GSyC Redes de área extensa 35

36 MPLS MPLS: Multiprotocol Label Switching Propuesto por Cisco en 1997, normalizado en RFC 3031, año 2001 Nivel 2,5 Multiprotocolo: puede ir bajo cualquier protocolo de red y sobre cualquier protocolo de enlace Casi siempre se usa para llevar IPv4 o IPv6 sobre cualquier protocolo de enlace: ethernet, SONET/SDH, ATM En la actualidad, muy extendido y creciendo. Reemplaza paulatinamente a ATM Será MPLS el protocolo definitivo para WAN? GSyC Redes de área extensa 36

37 MPLS Antes de MPLS el esquema típico para WAN de datos era: En el nivel 3, IP ( Universal, sencillo, flexible, lento) En el nivel 2 O bien una ĺınea dedicada (caro, inflexible) O bien una red de conmutación de paquetes, aka circuitos virtuales como ATM Rápida Poco flexible Que se comparte con redes para audio y vídeo Aislada de IP Podría pensarse en mejorar el rendimiento haciendo a la red de conmutación más amigable con IP GSyC Redes de área extensa 37

38 MPLS Pero el enfoque de MPLS es distinto Está más cerca de IP, mejora sus características, permite incrementar su velocidad y administrarlo con precisión Pero solamente en zonas concretas, típicamente de un único organismo El nivel de enlace ya no encamina, resulta similar a una LAN (aunque naturalmente con protocolos adecuados, como SONET/SDH) GSyC Redes de área extensa 38

39 MPLS MPLS diferencia entre Routing: construcción de las tablas de encaminamiento Forwarding: consulta de las tablas de encaminamiento para procesar cada paquete MPLS se encarga de hacer más sencillo el forwarding, independientemente de cómo se haga el routing GSyC Redes de área extensa 39

40 MPLS Idea fundamental de MPLS Todos los paquetes de una cierta clase de tráfico se encaminarán por la misma ruta A los paquetes se les añade una etiqueta delante de la cabecera IP Durante la ruta, sólo se mira la etiqueta La idea inicial es muy sencilla, aunque comprender sus implicaciones y su desarrollo tiene cierta dificultad GSyC Redes de área extensa 40

41 Cabecera MPLS MPLS ETIQUETA: Clave según la cual se encaminará en el siguiente nodo este paquete EXP: reservado S: Flag de apilamiento de cabeceras MPLS 0, detrás viene otra cabecera MPLS 1, detrás viene la cabera IP TTL Al entrar en la zona MPLS, se copia el de la cabecera IP Dentro de la zona MPLS, se decrementa el TTL de la cabecera MPLS en cada nodo MPLS Al salir de la zona MPLS, se copia el TTL de la cabecera MPLS a la cabecera IP. GSyC Redes de área extensa 41

42 MPLS MPLS suele emplearse en ciertas zonas de redes IP normales Al entrar en la zona en la que se encamina con MPLS se introducen las etiquetas, que desaparecen al salir Las rutas en MPLS son unidireccionales Dentro de la red MPLS se usan protocolos de encaminamiento ordinario como OSPF o BGP GSyC Redes de área extensa 42

43 Utilidad de MPLS MPLS MPLS permite hacer cosas que con IP es (o era) imposible, pero considerando el datagrama IP 1 Forwarding de datagramas desde el hardware 2 Encaminamiento expĺıcito 3 Ingeniería de tráfico 4 Calidad de servicio 5 Redes privadas virtuales Private Virtual Networks, VPN GSyC Redes de área extensa 43

44 MPLS Forwarding de datagramas desde el hardware Consultar las tablas de encaminamiento IP para cada datagrama es una tarea de cierta complejidad que, inicialmente, solo podía hacer el software del router y no el hardware Pero a partir de mediados de los años 200x, las mejoras en la electrónica hacen desaparecer esta utilidad GSyC Redes de área extensa 44

45 MPLS Encaminamiento expĺıcito Generalización de la idea del encaminamiento en origen (source routing). En un cierto punto de la red (no necesariamente en origen) se establece una ruta fija por la que deben viajar datagramas en función de parámetros adicionales a su IP de destino. GSyC Redes de área extensa 45

46 Ingeniería de tráfico MPLS Nombre que se da a la manera de encaminar tráfico de forma que se maximice el aprovechamiento de todo en ancho de banda disponible. En el encaminamiento IP normal, el mejor camino suele ser el más corto, y se sobre-congestiona, desperdiciándose ancho de banda disponible por otros caminos. Los ISPs de nivel 1 son los más interesados en hacer Ingeniería de Tráfico, y por eso usan MPLS normalmente. GSyC Redes de área extensa 46

47 Calidad de servicio MPLS Las aplicaciones que requieren calidad de servicio no funcionan demasiado bien en IP. La razón fundamental es que cada paquete se encamina por separado y no hay forma sencilla de reservar recursos a lo largo de un camino para una transmisión privilegiada. Aplicación particular: Voz sobre MPLS, con dos variantes: VoIPoMPLS (Voice over IP over MPLS): paquetes de voz encapsulados en datagramas IP transmitidos por MPLS. VoMPLS (Voice over MPLS): paquetes de voz transmitidos directamente por MPLS. GSyC Redes de área extensa 47

48 MPLS Redes privadas virtuales con MPLS Un mismo proveedor ofrece servicios de VPN a sus clientes Cada cliente tiene máquinas en diferentes emplazamientos Cada cliente ve la red IP como si interconectara solamente sus propios emplazamientos GSyC Redes de área extensa 48

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