Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Introducción. Internet End hosts Edge Routers Core Routers
Funciones básicas de un router IP (I) Las funciones básicas de un router IP son de dos tipos: Routing/Signaling/ Function Control Forwarding Function Switching Function (Fabric + Buffer) Scheduling Function Data-path Funciones de control (control): Son operaciones realizadas esporádicamente, implementadas siempre en SW, e incluyen el intercambio de la información de las tablas de enrutamiento entre routers vecinos, así como las tareas de configuración y control. Funciones de la ruta de datos (datapath):son operaciones realizadas sobre cada paquete que atraviesa el router, implementadas por lo general en HW, e incluyen la búsqueda de encaminamiento, la conmutación, y la función de output scheduling. Funciones básicas de un router IP (II) Funciones de la ruta de datos: Búsqueda de encaminamiento (forwarding): Cuando un paquete llega al router a través del enlace de entrada, se busca su dirección de destino en la tabla de encaminamiento del router. En caso que esta dirección de destino esté almacenada, el paquete se enviará hacia el puerto de salida especificado del router, se actualiza el campo TTL de la cabecera del paquete IP, y se calcula un nuevo ckecksum de cabecera. Conmutación: El paquete se envía hacia el puerto de salida del router que corresponda de acuerdo a la dirección de destino del paquete. Mientras espera ser transferido a través del backplane, el paquete puede ser almacenado. Output Scheduling: Cuando el paquete alcanza el puerto de salida del router, espera su turno para ser transferido al enlace de salida, bien siguiendo una filosofía FIFO, bien siguiendo filosofías diferentes con el fin de garantizar diferentes QoS.
Arquitectura de un router IP Header Processing Lookup IP Address Update Header Buffer Manager Address Address Table Table Buffer Buffer Memory Memory Header Processing Lookup Update IP Address Header Buffer Manager Address Address Table Table Buffer Buffer Memory Memory Header Processing Lookup IP Address Update Header Buffer Manager Address Address Table Table Buffer Buffer Memory Memory Ejemplos Cisco 7600 Switch 560 Cisco GSR 46
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Conceptos básicos de conmutación (I) El uso de una matriz de conmutación crossbar para la conexión entre los diferentes puertos de entrada y de salida de un router IP, conlleva las siguientes ventajas: Las conexiones entre los puertos de entrada/salida y la matriz de conmutación pueden implementarse mediante enlaces serie punto a punto de alta velocidad. Es no bloqueante, puesto que permite la transferencia de paquetes desde todos los puertos de entrada a todos los puertos de salida de forma simultánea. input 0 input input input output output output output 0 4
Conceptos básicos de conmutación (II) Sin embargo, a pesar de ser no bloqueante, en una matriz de conmutación crossbar se produce bloqueo por contención de los puertos de salida cuando dos o más paquetes comparten un mismo puerto de salida. Matriz de conmutación Entrada 0 Salida 0 Entrada 0 Salida Entrada Salida Entrada Salida Puesto que en cada ciclo, únicamente puede llegar a cada puerto de entrada del router un paquete, y puede transmitirse únicamente un paquete desde un puerto de salida, el resto de paquetes destinados a ese puerto de salida pueden, bien descartarse o bien almacenarse. Arquitectura interna de una matriz de conmutación Batcher Banyan 5
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Estrategias de almacenamiento (I) Existen diferentes técnicas de almacenamiento de paquetes en función de la disposición y el número de colas en el conmutador con el fin de resolver la contención de los puertos de salida: Permitir la transferencia simultánea, en un ciclo, de todos los paquetes destinados a un mismo puerto de salida. Puesto que en un único ciclo, un puerto de salida puede transmitir únicamente un paquete, el resto de los paquetes serán almacenados en los puertos de salida. Este tipo de conmutadores se denominan conmutadores con colas a la salida (Output Queued Switch - OQ). Sin embargo, la velocidad de la matriz de conmutación, y de los elementos de almacenamiento, en un conmutador NxN debe ser N veces la velocidad de los enlaces. Read N Write 6
Estrategias de almacenamiento (II) En caso de no permitir la transferencia simultánea, en un ciclo, de todos los paquetes destinados a un mismo puerto de salida, es necesario disponer de algún tipo de mecanismo de arbitraje entre los paquetes con un mismo destino. Los paquetes que no sean transferidos en un determinado ciclo, serán almacenados en los puertos de entrada. Read Write Este tipo de conmutadores se denominan conmutadores con colas a la entrada (Input Queued Switch - IQ). La velocidad de la matriz de conmutación, y de los elementos de almacenamiento, en un conmutador NxN debe ser igual a la velocidad de los enlaces. Sin embargo, las prestaciones de este tipo de conmutadores están limitadas en cuanto a throughput y control del retardo. Estrategias de almacenamiento (III) En función de la política de almacenamiento utilizada, los conmutadores pueden clasificarse en tres grandes grupos: Output queueing (N+)V Shared queueing NV Input queueing V V N Write Read N Write N Read Write Read En los siguientes apartados se presentarán en detalle los aspectos relativos a la implementación de diferentes conmutadores que siguen cada una de estas políticas de almacenamiento. 7
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Clasificación de las arquitecturas de conmutación (I) En función de la técnica de conmutación utilizada, los conmutadores pueden clasificarse en dos grandes grupos: Conmutadores por división en el tiempo (Time Division Switches - TDS): Un conmutador NxN basado en la multiplexación por división en el tiempo, dispone de un único enlace compartido para la transferencia de paquetes entre los puertos de entrada y los puertos de salida. Conmutadores por división en el espacio (Space Division Switches - SDS): Un conmutador NxN basado en la multiplexación por división en el espacio, dispone de múltiples enlaces para la transferencia de paquetes entre los puertos de entrada y los puertos de salida. De esta forma, cualquiera de los N puertos de entrada puede conectarse a cualquiera de los N puertos de salida, permitiendo la conmutación simultánea de hasta N paquetes, por lo que la capacidad total de un conmutador SDS está determinada por el producto entre el ancho de banda de cada enlace, y el número de enlaces disponibles. 8
Clasificación de las arquitecturas de conmutación (II) Conmutadores por división en el espacio: Conmutadores crossbar: No tienen bloqueo interno, su arquitectura es sencilla y son modulares. Escalabilidad NxN. Clasificación delas arquitecturas de conmutación (III) Conmutadores por división en el espacio: Conmutadores totalmente interconectados: En este tipo de conmutadores cada uno de los puertos de entrada está conectado a todos y cada uno de los puertos de salida mediante el uso de N buses independientes. Similar a los conmutadores con medio compartido, incluyendo filtrado en los puertos de salida y con una velocidad de transferencia de los buses igual a la de los enlaces. Ej. Conmutador Knockout. 9
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación Knockout Multicast QoS Circuitos de conmutación con colas a la entrada (I) En la época del nacimiento de los sistemas de conmutación, el principal objetivo era obtener las mejores prestaciones posibles, por lo que la mayoría de los conmutadores comercialmente disponibles a finales de los años 80 y principios de los 90 estaban basados en la estrategia de almacenamiento con colas a la salida. No obstante, la situación en los últimos años dista mucho de la que existía a finales de los años 80, produciéndose un enorme incremento en las necesidad de ancho de banda que, junto con las velocidades de transferencia alcanzadas por las fibras ópticas hacen inviable la implementación de un conmutador de alta velocidad con colas a la salida..5gbps.5 4=0Gbps.5Gbps.5 64=60Gbps.5Gbps.5Gbps.5Gbps.5Gbps N=4 Colas a la salida..... N=4 Colas a la entrada..... N=64 N=64 0
Circuitos de conmutación con colas a la entrada (II) Este hecho ha motivado que las investigaciones de los últimos años se hayan centrado en el diseño de conmutadores con colas a la entrada, aunque en principio sus prestaciones son muy inferiores a las que se pueden obtener en un conmutador con colas a la salida, principalmente por dos problemas: La limitación del máximo throughput alcanzable como consecuencia del bloqueo HOL. La necesidad de arbitrar entre células como consecuencia de la contención en los puertos de salida. Bloqueo de cabecera (HOL blocking) (I) Colas a la entrada HOL Contención Colas a la salida
Bloqueo de cabecera (HOL blocking) (II) Colas a la entrada Colas a la salida Throughput máximo = 58.6% Bloqueo de cabecera (HOL blocking) (III) Sin embargo, el bloqueo HOL no es inherente a los conmutadores con colas a la entrada. Una única cola por puerto de entrada. Política de servicio FIFO. Se han propuesto numerosas alternativas con el fin de eliminar el efecto del bloqueo HOL sobre el throughput máx. que puede obtenerse en los sistemas de conmutación con colas a la entrada: Incrementar la capacidad interna de la matriz de conmutación: Aceleración (speedup). Expansión de los puertos de entrada. Desarrollar políticas de servicio más eficientes: Política de ventanas. Política de colas virtuales de salida.
Métodos de eliminación del bloqueo HOL (I) Incremento de la capacidad interna de la matriz de conmutación: Aceleración (speedup): Un factor de aceleración c implica que la velocidad de la matriz de conmutación es c veces mayor que la velocidad de los enlaces, por lo que un puerto de salida puede transmitir hasta c paquetes en un único ciclo. Este factor de aceleración puede obtenerse mediante la utilización de matrices de conmutación paralelas. Expansión de puertos de entrada: En este esquema, los paquetes recibidos son demultiplexados en cada uno de los puertos de entrada, de forma que en el proceso de arbitrio se considerarán hasta un máximo de b células de cada uno de los puertos de entrada, pudiendo transferirse a través de la matriz de conmutación un máximo de b paquetes por ciclo. Un factor de expansión b igual a 8 proporciona un throughput próximo al 94%, aunque el proceso de arbitraje se complica significativamente. Métodos de eliminación del bloqueo HOL (II) Desarrollo de políticas de servicio más eficientes: Política de ventanas: Esta política se basa en que el proceso de arbitraje que selecciona las células que deben transmitirse a través de la matriz de conmutación considere, además de los paquetes situados en la cabecera de las colas asociadas a cada uno de los puertos de entrada, un determinado número de paquetes situados tras ellos, determinado por el tamaño de la ventana w. Para un conmutador con N>>, es capaz de proporcionar un throughput máx. del 88%, complicándose el proceso de arbitraje, además de tener mucha latencia. 4 N N w= 4 N N Round Round
Métodos de eliminación del bloqueo HOL (III) Política de colas virtuales de salida (Virtual Output Queues VOQ): Esta política se basa en que cada uno de los puertos de entrada mantenga una cola independiente para cada uno de los puertos de salida. Elimina el bloqueo HOL, siendo capaz de proporcionar un throughput del 00%. Sin embargo, un puerto de entrada puede recibir el acceso a más de un puerto de salida, por lo que puede producirse una ineficacia en el uso de los puertos de salida que el algoritmo de arbitraje debe evitar. Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS 4
Algoritmos de arbitraje en conmutadores con VOQ (I) En un conmutador con VOQ, el proceso de arbitraje que establece el orden en que los paquetes son transferidos a través de la matriz de conmutación, determina por completo las prestaciones del conmutador. Ésta es una de las áreas que más actividad investigadora ha generado en los últimos años. Un algoritmo de arbitraje debe tener: Altas prestaciones. Idealmente, un algoritmo de arbitraje debe ser capaz de mantener una carga de tráfico del 00%, tanto en los puertos de entrada como en los puertos de salida. Rapidez. La ejecución de un buen algoritmo debe ser tan rápida como sea posible con el fin de no representar el cuello de botella del conmutador y obtener un ancho de banda máximo. Simplicidad. Si un algoritmo debe ser rápido, deber ser fácilmente implementable, preferiblemente en un único circuito integrado. Justicia. No debe evidenciar una especial preferencia por puertos de entrada o salida específicos. Sin starvation. Un buen algoritmo de arbitraje no puede permitir que ninguna cola permanezca sin ser atendida indefinidamente. Los principales algoritmos de arbitraje para VOQ propuestos en la literatura son: PIM (Parallel Iterative Matching) LQF (Longest Queue First) OQF (Oldest Queue First) islip (iterative SLIP) Algoritmos de arbitraje en conmutadores con VOQ (II) islip (iterative SLIP): Propuesto por McKeown (Stanford) en 995, y utilizado en varios conmutadores comerciales como el GSR 000 (CISCO), el Arenea- Terabir Router (Charlotte), y el Versalar 5000 (Nortel Netowrks). Este algoritmo iterativo se basa en resolver la contención en los puertos de salida mediante una selección Round-Robin. Al igual que el algoritmo PIM, es un proceso iterativo. Request. Cada uno de los puertos de entrada sin asignar envía una petición de conexión a cada uno de los puertos de salida para los que dispone de tráfico. Grant. Si un puerto de salida sin asignar recibe varias peticiones de conexión, selecciona aquella que se encuentra en la siguiente posición comenzando por el puerto de entrada de mayor prioridad, indicado por el puntero RR de conexión ai, y siguiendo una política Round-Robin. La posición del puntero de conexión se incrementa una posición con respecto a la entrada seleccionada (módulo N), si y sólo si la conexión es aceptada, y únicamente si la conexión se establece en la primera iteración del algoritmo. Accept. Cada puerto de entrada arbitra entre los diferentes puertos de salida concedidos, seleccionando aquel que se encuentra en la siguiente posición, de acuerdo a una política Round-Robin comenzando por el puerto de entrada de mayor prioridad, indicado por el puntero RR de aceptación ai. El puntero de aceptación se incrementa una posición con respecto a la salida seleccionada (módulo N), únicamente si la conexión se establece en la primera iteración del algoritmo. g =4 4 G update a = 4 A 4 G g =4 4 A a = accept 5
a a a c c c Algoritmos de arbitraje en conmutadores con VOQ (III) (0,0) Puerto de (0,) entrada 0 (0,) a0 0 0 a 0 Iteración 0 c0 0 0 c 0 (0,) (,0) Puerto de (,) entrada (,) 0 0 (,) (,0) Puerto de (,) entrada (,) (,) 0 0 (,0) Puerto de (,) entrada (,) 0 0 (,) a c Fase de Aceptación Fase de Conexión Algoritmos de arbitraje en conmutadores con VOQ 6
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ El principal problema de los conmutadores con IQ es que el retardo de los paquetes transferidos desde los puertos de entrada a los puertos de salida es variable, lo que hace que el control del retardo para soportar diferentes QoS sea más difícil. Es posible obtener las prestaciones de un conmutador con OQ, de forma que ante los mismos paquetes de entrada en retardo sea idéntico? SI CÓMO? Utilizando un conmutador con colas a la entrada (VOQ) y colas a la salida, una matriz de conmutación con un speedup=, y un algoritmo de arbitraje adecuado. 7
Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS Circuitos de conmutación Knockout (I) Arquitectura básica de un conmutador Knockout: Un conmutador Knockout NxN está formado por N enlaces, cada uno de ellos conectado a todos y cada uno de los N puertos de salida, y N interfaces de salida que realizan las funciones de filtrado, concentración y almacenamiento. Como cada puerto de entrada está conectado directamente a todos los puertos de salida, no se produce bloqueo. La única congestión aparece en el interfaz de los puertos de salida, a los que pueden ser transferidos simultáneamente múltiples paquetes desde diferentes puertos de entrada. Tras filtrar los paquetes destinados a cada puerto de salida, el concentrador lleva a cabo una concentración de N-a-L (con L<N), proporcionando a su salida un máximo de L paquetes por ciclo, que son almacenados, siendo el resto descartado. 8
Circuitos de conmutación Knockout (II) La cuestión es, cuántos paquetes deberían poder ser transferidos a un mismo puerto de salida en cada ciclo (L)?. Depende de la probabilidad de pérdidas que se desee obtener. Para una probabilidad de pérdidas de 0-0, se ha demostrado que es suficiente con poder transferir paquetes por ciclo a un mismo puerto de salida, independientemente del tamaño del conmutador. Sin embargo, no existen dispositivos comerciales Knockout por dos motivos principales: El resultado obtenido presume que la distribución del tráfico entre puertos de entrada es incorrelada, lo que no es cierto en el tráfico real, principalmente a ráfagas. La idea de descartar células es una acción que, por lo general, se debe producir únicamente cuando una cola está llena o excede un umbral predeterminado. Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS 9
Multicast Una fuente Múltiple destinos Implementación. Técnica Una copia Múltiples punteros Lógica de control compleja Implementación. Técnica Múltiples copias Único puntero por copia Lógica de control sencilla Conmutación del paquete Envío simultáneo de todas las copias Envío de cada copia independientemente Índice Introducción Funciones básicas de un router IP Conceptos básicos de conmutación Estrategia de almacenamiento Clasificación de las arquitecturas de conmutación Circuitos de conmutación con colas a la entrada HOL Blocking Métodos de eliminación del bloqueo HOL Algoritmos de arbitraje en conmutadores VOQ Emulación de las prestaciones de un conmutador OQ Circuitos de conmutación knockout Multicast QoS 0
Calidad de servicio (QoS) (I) Se dice que una red o un proveedor de servicios ofrece QoS cuando se garantiza el valor de uno o varios de los parámetros que definen la calidad de servicio que ofrece la red (ancho de banda, retardo, jitter, probabilidad de pérdidas). Si el proveedor no se compromete en ningún parámetro el servicio que ofrece es best effort. Las diferentes calidades de servicio dependen principalmente de la naturaleza del tráfico generado por las diferentes aplicaciones, y que es transferido a través de Internet. En general, pueden distinguirse dos tipos principales de tráfico: Tráfico tolerante: Es aquel que se puede ajustar a variaciones de retardo y throughput a través de la red, dentro de un elevado rango, verificando aún así las necesidades de las aplicaciones que lo generan. Este es el tipo de tráfico tradicional en Internet. Ej. www, email, ftp, telnet. Tráfico no tolerante (streaming): Es aquel que no se puede ajustar a variaciones de retardo y throughput a través de la red. Ej. Voz o video sobre IP Calidad de servicio (QoS) (II) Los aspectos fundamentales necesarios para proporcionar un control del tráfico y garantizar así diferentes calidades de servicio a diferentes tipos de tráfico en un router IP son: Poder garantizar un ancho de banda máximo: Servicios que garantizan que un flujo de paquetes no dispone de un ancho de banda mayor que su ancho de banda máximo en ningún momento, reservándose una cierta cantidad de ancho de banda para dicho flujo. Poder garantizar un ancho de banda mínimo: Servicios que garantizan que un flujo de paquetes dispone, al menos, de su ancho de banda mínimo en todo momento, pudiendo disponer de una mayor cantidad de ancho de banda en caso de que la red no se encuentre congestionada. Poder garantizar un retardo máximo: Servicios que garantizan que el retardo de los paquetes de un flujo no experimentan un retardo mayor que su retardo máximo en ningún momento.