REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA “UNEFA”

ESTADO SUCRE-SEDE CUMANÁ

CONMUTACIÓN DE PAQUETES

ENRUTAMIENTO / CONTROL DE TRÁFICO

Prof. Luis CedeñoCátedra: Redes de Telecomunicación

INTEGRANTES:

González Ramón

Landero Jorge

Patiño Luis

Rondón Luis

Urbaneja Juan Carlos

Ing. En Telecomunicación

Sección “M” Nocturno

Cumana, diciembre de 2010

INTRODUCCIÓN

La conmutación es una técnica que nos sirve para hacer un uso eficiente de los enlaces

físicos en una red de computadoras. Si no existiese una técnica de conmutación en la

comunicación entre dos nodos, se tendría que enlazar en forma de malla. Una ventaja

adicional de la conmutación de paquetes, (además de la seguridad de transmisión de

datos) es que como se parte en paquetes el mensaje, éste se está ensamblando de una

manera más rápida en el nodo destino, ya que se están usando varios caminos para

transmitir el mensaje, produciéndose un fenómeno conocido como “transmisión en

paralelo”. Además, si un mensaje tuviese un error en un bit de información, y

estuviésemos usando la conmutación de mensajes, tendríamos que retransmitir todo el

mensaje; mientras que con la conmutación de paquetes solo hay que retransmitir el

paquete con el bit afectado, lo cual es mucho menos problemático.

Una red que funciona en modo datagrama no tiene el compromiso de garantizar la

entrega ordenada de los paquetes, por lo que los nodos pueden cambiar el criterio de

encaminamiento para cada paquete que ha de mandar. Cualquier cambio en la topología

de la red tiene fácil solución en cuanto a encaminamiento se refiere, una vez que el

algoritmo correspondiente haya descubierto el nuevo camino óptimo.

El enrutamiento en la conmutación de paquetes está clasificada según los métodos de

encaminamiento que pueden ser determinísticos o estáticos y/o adaptativos o dinámicos.

El encaminamiento adaptativo está constituido por dos algoritmos distribuidos que son:

Vector distancia y el estado de enlace donde se explicará más adelante.

CONMUTACIÓN DE PAQUETES.

ENRUTAMIENTO (o Encaminamiento).

Es la función de buscar un camino entre todos los posibles en una red de paquetes cuyas

topologías poseen una gran conectividad. Dado que se trata de encontrar la mejor ruta

posible, lo primero será definir qué se entiende por mejor ruta y en consecuencia cuál es

la métrica que se debe utilizar para medirla

Redes de Conmutación de Paquetes, tanto en modo datagrama como en modo circuito

virtual:

Red en modo Circuito Virtual: Si la red funciona en modo circuito virtual

generalmente se establece una ruta que no cambia durante el tiempo de vida de

ese circuito virtual, ya que esto es lo más sencillo para preservar el orden de los

paquetes.  El encaminamiento se decide por sesión y no se cambia a menos que

sea imprescindible, es decir existen restricciones de cara a no cambiar el

encaminamiento en la sesión (ej. caída de un enlace).  Cuando eso ocurre se

busca inmediatamente otra ruta, pero este cambio al tardar en propagarse por la

red, al tardar los nodos en enterarse, se puede manifestar en los sistemas finales

de tres formas:

No se manifiesta

Se pierde información

Se pierde la sesión.

Red en modo Datagrama: Como en este caso no debe garantizarse el

ordenamiento final de los paquetes, en una red funcionando en modo datagrama

se puede cambiar el criterio de encaminamiento por cada paquete que se ha de

cursar (Esto da origen a menor número de problemas).

Métodos de Encaminamiento

Conceptos Básicos

Veamos la estructura general de un nodo de conmutación de paquetes, lo cual nos

valdrá para hacer una posterior clasificación de los métodos de encaminamiento

atendiendo a la forma en la que los nodos recogen y distribuyen la información que les

llega de la red y a otros factores:

Algoritmo de encaminamiento: método para calcular la mejor ruta para llegar

de un sitio a otro. La mejor ruta podrá calcularse en función de los 'costes',

retardos, distancia...

Protocolo de encaminamiento: es la manera que tienen los nodos de

intercambiar la información de encaminamiento (probablemente generada por el

algoritmo). Los protocolos serán los encargados de ocultar la red y comprobar

que las condiciones de encaminamiento impuestas se verifican siempre.

FIB (Forward Information Base): Es la tabla de encaminamiento que se

consulta para hacer el reenvío de los paquetes generados por los usuarios (los

PDU representan estos paquetes).

RIB (Routing Information Base): Tabla que almacena las distancias a los nodos.

Es la base de información de encaminamiento que se consulta para decidir y

formar la FIB. La información de la RIB se consigue mediante interacción con

el entorno local de cada nodo (cada nodo observa sus enlaces) y mediante la

recepción de R-PDUs d e información de control procedentes de otros nodos

vecinos que informan del conocimiento que estos nodos tienen sobre el estado

de la red. A su vez, con la información obtenida por la RIB, ésta manda PDUs

de control para informar del conocimiento del estado de la red que el nodo tiene

a los demás nodos.

LOCAL: Información del entorno local del nodo. Contiene la información de lo

que el nodo ve (memoria disponible, enlaces locales, etc.), más la que hay que

proporcionarle.

R-PDU (Routing-PDU): Información de control entre nodos. Son paquete de

control, los cuales mandan otros nodos con información sobre la red (no son

datos). Por ejemplo, se manda información de que el nodo sigue activo, y

también las distancias a otros nodos (vector de distancias).

PDU (Protocol Data Unit): Unidad fundamental de intercambio de información

para un nivel determinado (a veces se indica explícitamente el nivel poniendo N-

PDU, o PDU de nivel N), como nivel de enlace, red, etc. Son llamados también

tramas.

Básicamente, el funcionamiento es el siguiente: A partir de la RIB, se utiliza el

algoritmo de encaminamiento para calcular la FIB, y cuando una PDU llega al nodo, se

consulta esta FIB.

Ejemplo:

 

Tabla de Encaminamiento del NODO D:

Destino Next Coste

A E 9

B C 7

C C 2

D D 0

E E 5

F E 6

El número que aparece junto a los enlaces representa el 'coste' o 'distancia' de los

mismos, que puede ser constante o variable.

Llamaremos METRICA a la magnitud o medida a optimizar (retardo, ancho de banda,

coste económico, etc).

Clasificación de los Métodos de Encaminamiento

1.- En función de donde se decide encaminar:

Fijado en el origen (Source Routing): son los sistemas finales los que fijan la

ruta que ha de seguir cada paquete. Para ello, cada paquete lleva un campo que

especifica su ruta (campo RI: Routing Information), y los nodos sólo se dedican

a reenviar los paquetes por esas rutas ya especificadas. Así pues, son los

sistemas finales los que tienen las tablas de encaminamiento y no se hace

necesaria la consulta o existencia de tablas de encaminamiento en los nodos

intermedios. Este tipo de encaminamiento suele ser típico de las redes de IBM.

Salto a salto (Hop by Hop): los nodos, sabiendo donde está el destino, conocen

sólo el siguiente salto a realizar.

2.- En función de la adaptabilidad:

No adaptables (estáticos):

o Estáticos: Las tablas de encaminamiento de los nodos se configuran de

forma manual y permanecen inalterables hasta que no se vuelve a actuar

sobre ellas. La adaptación a cambios es nula. Tanto la recogida como la

distribución de información se realiza por gestión (se realiza de manera

externa a la red), sin ocupar capacidad de red. El cálculo de ruta se

realiza off-line (en una maquina especifica), y las rutas pueden ser las

óptimas al no estar sometido al requisito de tiempo real. Este tipo de

encaminamiento es el óptimo para topologías en los que solo hay una

posibilidad de encaminamiento (topología en estrella).

o Q-Estáticos: Este encaminamiento, es igual que el estático pero en vez

de dar una sola ruta fija, se dan además varias alternativas en caso de que

la principal no funcione, de ahí que tenga una adaptabilidad reducida.

Comparación entre ambos:

  Fijado en Origen Salto a Salto

Conocimiento Los sistemas finales han de tener un

conocimiento completo de la red

SIMPLICIDAD: Los nodos han

de tener un conocimiento

parcial de la red (saber qué

rutas son las mejores)

Complejidad  Recae toda en los sistemas finales

En los sistemas intermedios ya

que son los que tienen que

encaminar

Problemas de

Bucles

No hay bucles: el sistema final fija la

ruta (ROBUSTEZ).

Sí pueden ocurrir: no se tiene

una visión completa de la red

(INCONSISTENCIA)

Adaptables (dinámicos):

  o Centralizados: En este tipo de encaminamiento, todos los nodos son

iguales salvo el nodo central. Los nodos envían al central información de

control a cerca de sus vecinos (R-PDUs). El nodo central será el que se

encargue de recoger esta información para hacer la FIB de cada nodo, es

decir, el nodo central decide la tabla de encaminamiento de cada nodo en

función de la información de control que éstos le mandan. El

inconveniente de este método es que consumimos recursos de la red, y

además, se harían necesaria rutas alternativas para comunicarse con el

nodo central, ya que estos métodos es que dejarían de funcionar con la

caída de éste.

o Aislados: No se tiene en cuenta la información de los otros nodos a la

hora de encaminar. Se basa en que cada vez que un nodo recibe un

paquete que tiene que reenviar (porque no es para él) lo reenvía por todos

los enlaces salvo por el que le llegó. Son muy útiles para enviar

información de emergencia. Destacan dos métodos de encaminamiento

aislados:

Algoritmo de inundación. 

Algoritmo de aprendizaje hacia atrás (Backward Learning).

Algoritmo de la patata caliente ("Hot Potatoe").

o Distribuidos: Son los más utilizados. En este tipo de encaminamiento

todos los nodos son iguales, todos envían y reciben información de

control y todos calculan, a partir de su RIB (base de información de

encaminamiento) sus tablas de encaminamiento. La adaptación a

cambios es óptima siempre y cuando estos sean notificados. Hay dos

familias de procedimientos distribuidos:

Vector de distancias.

Estado de enlaces.

Vector de Distancias

El encaminamiento de un protocolo basado en vector de distancias requiere que un

router informe a sus vecinos de los cambios en la topología periódicamente y en algunos

casos cuando se detecta un cambio en la topología de la red. Comparado a los

protocolos de estado de enlace, que necesitan que un router informe a todos los nodos

de una red acerca de los cambios en su topología, los algoritmos de vector de distancias

tienen mucho menos complejidad computacional. Además, las principales

características de los diferentes algoritmos VD (vector de distancias) son siempre las

mismas.

El algoritmo VD se basa en calcular la dirección y la distancia hasta cualquier enlace en

la red. El costo de alcanzar un destino se lleva a cabo usando cálculos matemáticos

como la métrica del camino. RIP cuenta los saltos efectuados hasta llegar al destino

mientras que IGRP utiliza otra información como el retardo y el ancho de banda.

Los cambios son detectados periódicamente ya que la tabla de encaminamiento de cada

router se envía a todos los vecinos que usan en mismo protocolo. Una vez que el router

tiene toda la información, actualiza su propia tabla reflejando los cambios y luego

informa a sus vecinos de los mismos. Este proceso se conoce también como

“encaminamiento por rumor” ya que los nodos utilizan la información de sus vecinos y

no pueden comprobar a ciencia cierta si ésta es verdadera o no.

El algoritmo de Bellman-Ford se adapta perfectamente al modo de aprendizaje de los

nodos que “nacen”, es decir, cuando se conectan a la red. A medida que el algoritmo

progresa, el nuevo nodo va adquiriendo más información sobre el resto de nodos de la

red. Este algoritmo converge rápidamente cuando se conectan nuevos nodos. Por ello se

suele decir que las buenas noticias viajan rápido por la red.

Ejemplo.

En esta red, tenemos 4 routers A, B, C, y D:

Empezamos calculando las matrices de distancias para cada router. El “camino más

corto” está marcado con el color verde, un “camino más corto” nuevo está indicado en

amarillo.

Limitaciones

Un problema es el de la transmisión de malas noticias por la red tales como la ruptura

de un enlace o la desaparición de un nodo. Este algoritmo converge lentamente en estos

casos. Aunque el principal inconveniente de este algoritmo es el de la cuenta a infinito.

El algoritmo Bellman-Ford utilizado en VD no previene de la aparición de bucles.

Aunque protocolos como IGRP están modificados para detectar bucles en la red. El

problema de la cuenta a infinito es que hace que los costes o distancias se incrementen

indefinidamente sin que el algoritmo llegue a converger nunca.

Para ilustrarlo, tomemos como ejemplo el de la figura:

Inicialmente A está desactivado. Cuando A se activa, B se entera de que A existe

al recibir su vector distancia y actualizar su tabla indicando que A dista 1.

El nodo C se entera de que A existe porque B le indica que tiene un enlace hacia

A de coste 1. Entonces C actualiza su tabla registrando una trayectoria hacia A

de coste 2.

Si el nodo A se desconecta entonces B no recibe el VD de A. Sin embargo el

nodo C le dice que tiene una trayectoria hasta A de distancia 2. B no sabe que la

trayectoria de C a A pasa por el mismo y por tanto cree que puede llegar a A a

través de C por lo que actualiza su tabla registrando la distancia 2 + 1 = 3 hasta

A

En el siguiente intercambio, el nodo C comprueba que sus vecinos B y D tienen

una trayectoria hasta A de distancia 3. C calcula su propia distancia hasta A en 3

+ 1 = 4. En los siguientes intercambios, los nodos elevan ilimitadamente su

distancia a A (cuenta a infinito).

Mientras no se interrumpa la cuenta a infinito, el algoritmo no converge. Aunque se han

propuesto diversas soluciones a este problema.

Ventajas del método:

Muy sencillo.

Muy robusto (gracias al envío periódico de información)

Consumo de memoria bajo: cada nodo sólo ha de almacenar distancias con el

resto de los nodos.

Inconvenientes del método:

Convergencia lenta (los vectores de distancia tardan en estabilizarse).

Pueden aparecer bucles.

Adaptabilidad a los cambios baja, ya que sólo sabe a quién tiene que reenviar un

paquete, pero no tiene información de la topología.

Consumo alto de capacidad: se transmiten vectores cuyo tamaño es del orden del

número de nodos de la red pues cada nodo comunica a su vecino todas las

distancias que conoce

(NOTA: Los bucles (situación que se da cuando los paquetes pasan más de una vez por un nodo) ocurren

porque los criterios de los nodos no son coherentes, generalmente debido a que los criterios de

encaminamiento o no han convergido después de un cambio en la ruta de un paquete; cuando por

cualquier causa un paquete sufre un cambio de encaminamiento, la red tarda en adaptarse a ese cambio

pues la noticia del cambio tiene que llegar a todos los nodos. Es en ese transitorio cuando se pueden dar

los bucles, ya que unos nodos se han adaptado y otros no. El objetivo de los algoritmos de

encaminamiento es detener el curso de los paquetes antes de que se produzcan bucles. Esto es importante

sobre todo cuando se envían los paquete s por varias rutas simultáneamente (técnicas de inundación,

etc...)).

 

Estado de Enlaces

Cada nodo difunde a todos los demás nodos de la red sus distancias con sus enlaces

vecinos, es decir, cada nodo comunica su entorno local a todos los nodos. Así cada nodo

es capaz de conocer la topología de la red. La clave y dificultad de este método es la

difusión.

Lo podemos dividir en cinco pasos fundamentales:

1. Descubrir a sus vecinos y sus direcciones.

2. Medir el costo a cada uno de sus vecinos.

3. Construir el paquete con la información recabada.

4. Enviar este paquete al resto de routers.

5. Calcular la ruta mínima al resto de routers.

Determinar los vecinos de cada nodo. Lo primero que debe hacer un router al

activarse es averiguar quienes son sus vecinos. Para ello, manda un paquete especial

HELLO por cada línea punto a punto. Todo router que reciba este paquete debe

responder indicando su identidad.

Cálculo del coste a los vecinos. Para medir el retardo a cada nodo, el router manda un

paquete especial ECHO a través de la línea el cual debe volver a su origen. El tiempo de

ida y vuelta dividido entre dos nos da una aproximación razonable del costo a cada

vecino de la red

Elaboración de paquete de estado de enlace. El siguiente paso consiste en que cada

router construye un paquete con todos los datos que informan del estado de la red. La

estructura de este paquete es la siguiente:

Identidad del router

Secuencia

Edad

Lista de nodos vecinos

El problema de esta etapa es el momento de la creación estos paquetes. Hay varias

alternativas como hacerlo de manera periódica o bien cuando haya ocurrido un evento

en la red como la caída de un nodo.

Distribución del paquete de estado de enlace. Es la parte más complicada del

algoritmo. Básicamente lo que hace, es repartir el paquete por toda la red por

inundación. Para controlarla, cada paquete incluye un número de secuencia que aumenta

con cada paquete nuevo enviado. Cada router contiene una tabla con toda la

información de tal manera que:

Si recibe un paquete nuevo, este se envía por todas las líneas excepto por la que

llega.

Si se trata de un duplicado, lo elimina.

Si es un paquete con secuencia menor que el mayor visto hasta el momento, lo

rechaza.

A pesar de todo, surgen ciertos problemas como el reinicio de la secuencia. Si ocurre

esto, se producirá un caos en la red. Este problema se soluciona usando secuencias de

32 bits, lo suficientemente grandes para no tener que poner la secuencia a 0 suponiendo

que se envía un paquete por segundo. Otros conflictos surgen en el caso de caída de un

router (reinicio del número de secuencia) o si se recibe un número de secuencia

equivocado por haberse modificado alguno de sus bits durante la transmisión.

La solución para esto, es introducir la edad de cada paquete e ir disminuyéndola en un

intervalo pequeño de tiempo. Cuando la edad llegue a 0, estos paquetes son descartados.

Además, este método permite que los paquetes no circulen de manera indefinida por la

red.

Cálculo de ruta mínima. Una vez que el router ha completado la recopilación de

información, puede construir el grafo de la subred. De esta manera, se puede utilizar el

algoritmo de Dijkstra para calcular el camino más corto a todos los nodos.

Ventajas del método:

Detección de errores más sencilla (si un estado de enlace es infinito, significa

que el nodo ha caído).

Convergencia rápida.

Alta adaptabilidad a los cambios, ya que los nodos tienen información de toda la

red

Menor consumo de capacidad: el tamaño del tráfico enviado es siempre el

mismo independientemente del tamaño de la red.

Inconvenientes del método:

Difusión.

Consumo de memoria elevado: cada nodo almacena toda la topología de la red.

Comparación de los Métodos de Encaminamiento

 

Tipos de

Encaminamiento

Recepción de

Información de

Control

Envío de

Información de

Control

Decisión de

encaminamiento

(cálculo de FIB)

Adaptación

Estático NO NO OFF-LINE NO

Q-Estático NO NO OFF-LINE Reducida

CentralizadoNodos -> Nodo

Central

Nodo Central ->

NodosNodo Central SI

Aislado NO NO -- SI

Distribuido Todos los nodos Todos los nodos Todos los nodos si

NOTA : En los encaminamientos estático y cuasi-estático la información necesaria se

recoge y envía mediante gestión (al crear la red y en operaciones de mantenimiento), y

los cálculos de la FIB se realizan off - line (mediante gestión, es decir en una máquina

aparte).

CONCLUSIÓN

Para calcular las rutas se usa un algoritmo de encaminamiento, que dado un destino

decide la línea de salida adecuada. Es necesario además una estructura de información

donde almacenar localmente los pares (destino línea de salida) resultantes, que recibe el

nombre de tabla de encaminamiento. Asimismo, los nodos deben coordinar el cálculo de

las rutas e informarse entre sí de los cambios que se produzcan por ejemplo en la

topología de la red, tarea que es llevada a cabo por un protocolo de encaminamiento.

Propiedades exigibles a los algoritmos de encaminamiento:

Deben ser robustos, capaces de adaptarse a los posibles cambios de topología

(fallos, bajas o altas en enlaces y nodos) sin necesidad de abortar y reinicializar

toda la red.

Deben ser estables, en el sentido de converger a un resultado de la forma más

rápida posible.

No deben generar bucles en el encaminamiento.

Si no hay ningún motivo no deben favorecer a algunos usuarios frente a otros.

Clasificación de los algoritmos de encaminamiento

Estáticos o no adaptativos: Las rutas son calculadas de antemano y cargadas en

los nodos durante su inicialización y permanecen invariantes durante largos

períodos de tiempo.

Dinámicos o adaptativos: Cambian sus decisiones de encaminamiento para

reflejar cambios en la topología y/o en el tráfico. Pueden diferir en los instantes

de adaptación (de manera periódica o cuando cambie de manera significativa la

topología o el tráfico) y en la forma de obtener la información y tomar las

decisiones:

Aislados: Los nodos basan sus decisiones en información obtenida

localmente.

Centralizados: Un nodo de control utiliza la información obtenida de

todos los nodos de la red y toma las decisiones de encaminamiento, que

transmite posteriormente al resto de los nodos de la red.

Distribuidos: Las decisiones de encaminamiento se toman localmente en

los nodos y se basan en información que obtienen de parte (sólo

adyacentes) o de la totalidad del resto de nodos.

En las redes actuales el encaminamiento es dinámico y distribuido