Arquitecturas ATM y MPLS, y su aplicación en soluciones VoIP Carlos D. Aguilar
Resumen — se analiza los fundamentos teóricos de voz sobre IP, así como el transporte de voz sobre otras tecnologías como son ATM y MPLS. Se muestra la arquitectura tanto de ATM como de MPLS, haciendo énfasis en los beneficios que MPLS presenta sobre ATM. Con el presente trabajo de investigación se pretende lograr una visión general de las opciones existentes para el transporte de tráfico de tiempo real y sensible como lo es la voz, pero no de una forma tradicional, sino con el soporte de tecnologías de red, que permitan transportar voz en forma digital.
Términos para indexación — Arquitectura Arquitectura ATM, arquitectura arquitectura MPLS, Voz sobre IP, voz sobre ATM, voz sobre MPLS.
I. INTRODUCCIÓN Generalmente se habla de Voz sobre IP (VoIP), que es la posibilidad de transportar conversaciones conversaciones telefónicas telefónicas en paquetes IP [1]. Voz sobre IP frecuentemente es considerado como un método para obtener llamadas gratuitas a larga distancia, siendo su valor real el hecho de que se convierte en una aplicación más de la red de datos [2]. Esto da el beneficio de transportar además de la voz, los datos y video; dando lugar a las redes convergentes. Esto se deriva en muchos beneficios que aporta la VoIP, entre ellos: Movilidad, permite a los usuarios efectuar y recibir llamadas desde cualquier terminal terminal con acceso a la red. Red única, en lugar de tener redes para datos y redes para telefonía por separado, se podría integrar los dos servicios en una sola red. Funcionalidad, la red telefónica tradicional sólo permite transportar voz por su naturaleza de conmutación de circuitos, por el contrario en redes de conmutación de paquetes como IP, se puede soportar más servicios como videoconferencia, mensajería, transferencia de archivos, entre otros. Ahorro, se puede aprovechar la infraestructura de red existente para proveer servicios de voz, ahorrando costos de operación y mantenimiento. La inversión a realizar estará relacionada con servidores y teléfonos, dependiendo de la tecnología a implementar. implementar. Empresarial, las empresas podrán contar con el servicio de contact center para atención al público con opciones correo electrónico, mensajería instantánea, video
conferencia, web collaboration, entre otras. Educación, permite comunicación inmediata entre estudiantes y tutores, sobre para modalidades de estudio semipresencial semipresencial y a distancia. Para alcanzar estos beneficios, es necesario prestar atención a ciertas limitantes limitantes que de bebe superar VoIP: Delay, en redes LAN (Local Area Network), el delay o retardo puede ser muy bajo, sin embargo en redes WAN (Wide Area Network), el retardo puede ser alto, lo que afecta seriamente la trasmisión de voz. Calidad de servicio (Qos), la red de ser capaz de brindar calidad de servicio, a fin de que el tráfico de voz sea diferenciado del resto de tráfico y tratado de distinta manera.
Figura 1 Esquema VoIP (Referencia [3]) En la figura 1, se muestra el esquema tradicional de VoIP, cuyo funcionamiento consiste en tomar una señal analógica (voz humana), y convertirla a formato digital (secuencia de bit) que puedan ser transportados en paquetes. En el funcionamiento de VoIP intervienen algunos elementos como la PSTN (Public Switched Telephone Network) que es la telefonía tradicional, la red de datos, centrales telefónicas (IP PBX), Teléfonos IP, softphones, entre los principales. No solamente se puede transportar la voz en paquetes IP, ya que existen soluciones de voz que han sido desarrolladas para redes ATM, Frame Relay y MPLS. En este sentido se presentan ATM y MPLS como tecnologías adecuadas para voz sobre paquetes, ya que son capaces de proporcionar calidad de servicio, servicio, un requisito necesario para el
tráfico en tiempo real, tales como la voz [4].
desde los dispositivos finales hacia la red. VPI, Virtual Path Identifiier: identifica conexiones virtuales previo el envío de datos desde el emisor hasta el recpetor. VCI, Virtual Channel Identifier: identifica un canal virtual dentro de una conexión virtual (Virtual Path). PTI, Payload Type Indicator: utilizado para indicar diferentes tipos de payload, tales como datos de usuario o de tipo OAM (Operations, Administration, Maintenance). CLP, (Cell Loss Priority): utilizado para indicar si una celda puede ser descartada cuando existe congestión en la red (bit en 1 se descarta, bit en 0 no se puede descartar). HEC, Header Error Control: utilizado para detectar errores de transmisión a nivel de cabecera. [4]
II. ATM A. Arquitectura ATM La arquitectura del modo de transferencia asíncrono (ATM, Asyncronous Transfer Mode) fue estandarizada por la ITU-T en 1978 como la arquitectura preferida para la red de datos de servicios integrados de banda ancha, ISDN por sus siglas en inglés; la misma que fue concebida como una futura red de alta velocidad, que remplazaría a las redes telefónicas y redes de datos existentes en ese entonces, y que proveería una única red para el transporte e voz, video y datos. El término ATM hace contraste con el de modo de transferencia síncrono (STM). ATM está basado en el principio de conmutación de paquetes y es orientado a la conexión. Estructura ATM, un paquete ATM es conocido como celda, cuyo tamaño es de 53 bytes, consiste de la cabecera (header) de 5 bytes y de la carga útil (payload) de 48 bytes, como se puede ver en la figura 2.
B. Stack de protocolos ATM En la figura 4, se muestra la pila de protocolos de ATM, que consiste de una capa física, capa ATM, capa de adaptación y capas superiores que soportan varias aplicaciones.
Figura 2. Celda ATM (Referencia [4]) Se adoptaron dos formatos diferentes para la celda ATM, uno para la interface de usuario (UNI, User Network Interface) y otra para la interface entre redes (NNI, Network-Network interface). En la figura 3 se muestran ambos formatos.
Figura 4. Stack o pila de protocolos ATM (Referencia [4])
Figura 3. Estructura de la celda ATM (Referencia [4]) Por un lado, UNI se refiere a la interfaz entre un dispositivo final ATM y un switch ATM, siendo el dispositivo final el que se puede conectar directamente a una red ATM y puede transmitir y recibir celdas ATM. Por otro lado NNI se utiliza entre switches ATM que pertenecen a la misma red o a dos redes diferentes. Campos principales de una celda ATM: GFC, Generic Flown Control : permite multiplexación de varias terminales en una misma interfaz de usuario, utilizada para controlar el flujo de tráfico
se encarga de los voltajes, las temporizaciones de los bits y el enmarcado en el medio físico. Posee dos subcapas: dependiente del medio físico (PMD, como su nombre lo indica, depende del medio físico del enlace, se especifica de forma distinta para diferentes medios físicos (fibra, cobre, etc); y la subcapa de convergencia de transmisión (TC), la cual se especifica independientemente del medio físico. Capa ATM, constituye el núcleo del estándar ATM, define la estructura de la celda ATM y el significado de los campos de esta estructura, mostrada en la figura 3. Capa de adaptación ATM, conocida como AAL, casi equivalente a la capa de transporte de la pila de protocolos de internet. Su propósito es permitir a los protocolos existentes y a las aplicaciones que se ejecuten en el extremo superior de ATM. ATM incluye siete tipos diferentes de AAL para soportar diferentes tipos de servicios. Como se muestra en la figura 5, AAL se implementa únicamente en los extremos de una red ATM. Capa física ATM,
La ITU ha estandarizado varias AAL, las principales son: AAL 1, para servicios de tasa de bits constante (CBR) y emulación de circuitos. AAL 2, para servicios de tasa de bits variable (VBR) AAL 5, para datos (por ejemplo datagramas IP) [5]
ATM, cada CES IWF se conecta a un circuito TDM, y extienden el circuito TDM a través de la red ATM de manera transparente. [4] ATM trunking utilizando AAL2, diseñada para interconectar dos redes telefónicas públicas o privadas que se encuentran distantes, sobre redes ATM, el esquema se muestra en la figura 7.
Figura 7. ATM trunking (Referencia [4]) Figura 5. Capa AAL extremo a extremo (referencia [4]) C. Voz sobre ATM Un elemento clave en la implementación de voz sobre ATM es un dispositivo conocido como IWF, Inter Working Function. Éste dispositivo puede ser de tipo stand alone o puede ser parte de un dispositivo superior, su función es la de implementar las funcionalidades definidas en las especificación para voz sobre ATM. Existen dos grupos de especificaciones para el transporte de voz sobre ATM. El primer grupo relacionado con troncales ATM para el transporte de voz entre dos redes telefónicas, comprende cuatro especificaciones: ATM trunking, utilizando AAL1. Emulación de circuitos (CES, Circuit Emulation Service) Emulación de circuitos de ancho de banda dinámico (DBCES, Dynamic bandwidth circuit emulation services) ATM trunking, utilizando AAL2 El segundo grupo que especifica la forma de proveer voz a usuarios finales. Voz y telefonía sobre ATM para escritorio. Emulación de servicios (LES, Loop Emulation Services), utilizando AAL2.
ATM trunkig se utiliza además para conectar PBXs que se encuentren distantes. Además en telefonía celular ya que permite el transporte de múltiples llamadas de voz.
III. MPLS A. Arquitectura MPLS La tecnología MPLS, Multiprotocol Layer Switching, se basa en etiquetas que son intercambiadas entre los routers para construir un mapa de etiquetas. Estas etiquetas se enlazan a los paquetes IP, permitiendo a los routers realizar el envío de tráfico en base a la etiqueta y no en base a la dirección IP de destino, de tal forma que el envío de paquetes se realiza mediante conmutación de etiquetas (label switching) en lugar de conmutación IP (IP switching). [6] Una red MPLS consiste de LSRs (Label Switching Routers) y nodos MPLS. Un LSR es un router IP que soporta el protocolo MPLS, un nodo MPLS es un LSR, con la excepción de que éste no necesariamente tiene la capacidad de enviar paquetes IP basado en los prefijos de red. En la figura 8, se muestra una red MPLS.
es una de las especificaciones más importantes, ya que emula circuitos TDM (Time Division Multiplexing) punto a punto. CES es utilizado para conectar interfaces TDM tales como: T1, T3, E1, E3 y J2 sobre redes ATM. CES está basado en AAL1 y usa CBR (tasa de bits constante) para garantizar retardo de extremo a extremo.
La
emulación
de
circuitos
(CES),
Figura 6. Modelo CES (Referencia [4]) En la figura 6, los dos CES IWFs están conectados a la red
Figura 8. Arquitectura MPLS (referencia [4]) En la figura 8, además se muestra dominios MPLS, que son un conjunto de nodos MPLS contiguos que están bajo un mismo dominio administrativo; dentro de un mismo dominio los paquetes IP son conmutados utilizando su etiqueta MPLS. [4] La etiqueta MPLS, es un campo de 32 bits, los 20 primeros bits corresponden al valor de la etiqueta, los bits del 20 al 22 son bits experimentales (EXP), generalmente utilizados para calidad de servicio. El bit 23 corresponde al bit BoS (Bottom of Stack), es 0 si, la etiqueta es la última del stack, de lo contrario el bit BoS será 1. Finalmente los bits 24 al 31, son 8
bits utilizados para indicar el TTL (Time To Live), que tiene la misma función que en el encabezado IP. Si el TTL de la etiqueta alcanza el valor de 0, el paquete se descarta. [6] En la figura 9 se muestra la estructura de la etiqueta MPLS.
MPLS en alianza con frame relay, definen las siguientes especificaciones: Transporte TDM sobre MPLS utilizando AAL1, que define un servicio que emula circuitos TDM punto a punto, tales como DS1/E1, T1, E1, T3 y E3 sobre MPLS; asumiendo que el tráfico a ser transportado sobre MPLS está encapsulado en AAL1. Cada dispositivo TDM es conectado aun PE (Provider Edge) que es equivalente a un CES IWF de ATM. Ver figura 12. I.366.2 Voice Trunking format sobre MPLS, similar que en ATM, se asume que la información a ser transportada sobre MPLS es la salida de AAL2 para troncales. Generalmente implementada en un gateway (GW), conectado a uno o más LSRs. Ver figura 13.
Figura 9. Etiqueta MPLS (referencia [4]) Los routers MPLS pueden requerir más de una etiqueta para enrutar paquetes a través de una red MPLS, esto lo realiza mediante una colección de etiquetas llamada stack de etiquetas (label stack) [6], como se muestra en la figura 10.
Figura 12. MPLS TDM (referencia [4])
Figura 10. Stack de etiquetas MPLS (referencia [4]) B. Funcionamiento MPLS Como se indicó anteriormente un LSR es un router que soporta MPLS y que es capaz de entender las etiquetas MPLS y de recibir y transmitir un paquete etiquetado. En este sentido existen tres clases de LSRs: Ingress LSR, recibe un paquete que no está etiquetado, inserta la etiqueta en el paquete y lo envía a través de la red.. Egrese LSR, recibe el paquete etiquetado, remueve la etiqueta y envía el paquete. Ambos LSR (ingress y egress) se encuentran en el borde de la red. Intermediate LSR, recibe un paquete etiquetado, realiza una operación sobre éste, conmuta el paquete y lo envía por el enlace correcto. [6]
Figura 13. MPLS AAL2 (referencia [4])
IV. ATM VS MPLS A. MPLS sobre ATM MPLS fue definido para operar sobre diferentes esquemas de redes incluyendo ATM y Frame Relay, en el caso de MPLS sobre ATM, el protocolo de señalización que corre típicamente en un switch ATM, es remplazado por protocolos IP tales como OSPF, BGP, PIM y RSVP; el switch ATM es simplemente usado como un dispositivo conmutador de celdas [4]. B. Ventajas MPLS sobre ATM
Figura 11. Funcionamiento MPLS (referencia [6]) C. Voz sobre MPLS Debido a que MPLS puede proveer calidad de servicio, es una tecnología adecuada para el transporte de voz sobre paquetes.
una vez implementada la red, diferentes servicios pueden implementarse sobre ella. Mejor integración IP que con ATM, fue una de las razones para la creación de MPLS. BGP-free core, MPLS realiza envío de paquetes basado en etiquetas en lugar de direcciones IP, por lo que los proveedores no necesitan configurar BGO en sus routers. Uso
de
infraestructura
unificada,
agregar nuevos clientes no requerirá gran inversión en nuevos enlaces y equipamiento. Calidad de servicio, soporte para QoS, para priorización del tráfico. Rendimiento, el enrutamiento basado en etiquetas permite alcanzar altas velocidades de transferencia. Ingeniería de tráfico, permite la optimización de los recursos de red. Flexibilidad de crecimiento,
V. CONCLUSIONES Tanto ATM como MPLS permiten transportar tráfico de voz, video y datos. MPLS es capaz de operar sobre varias tecnologías de red, entre ellas ATM, lo cual lo hace más robusto, siendo la tendencia a implementar por los proveedores de servicios de red. Son muchas las ventajas de MPLS sobre ATM, lo que ha permitido a MPLS ganar espacio en el mundo de las redes y por el contrario ATM ha ido desapareciendo. La robustez de MPLS brinda la oportunidad de poder implementar nuevos servicios, sin mayor inversión económica. REFERENCIAS [1] A. Escudero, L. Berthilson, “VoIP para el desarrollo” IDRC, 2006 Disponible en: http://comunidad.asterisk-es.org/introduccion_voip.pdf [2] J. Meggelen, J Smith, L. Madsen, “The Future of Telephony” O´REILY, 2005 Disponible en: http://comunidad.asterisk-es.org/AsteriskTFOT.pdf [3] Anderson, VoIP Disponible en: http://www.anderson.com.pt/voip-html [4] H. Perros, “Connection-Oriented Networks SONET/SDH, ATM, MPLS and Optical Networks ”, John Wiley & Sons, Ltd., 2005 [5] J. Kurose, K. Ross, “Redes de Computadores un Enfoque Descendente Basado en Internet” Pea rson, segunda edición, 2000 [6] L. De Ghein, “MPLS Fundamentals”, CISCOPRESS, 2006
BIOGRAFÍA Carlos D. Aguilar Mora, nacido en la ciudad de Loja, el 3 de octubre de 1981, obtuvo el título de Ingeniero en Sistemas Informáticos y Computación, en la Universidad Técnica Particular de Loja. Actualmente se desempeña como Administrador de Red, en la Universidad Técnica Particular de Loja. Postulante a la Maestría en Redes y Comunicaciones, PUCE.
