SWITCHING A NIVEL 3 Asíncrono I eng.xarxes
David Luna Víctor Carrasco Merche López
Bibliografía
Aquí dejamos constancia de algunas de las webs utilizadas para la realización del documento: http://www.ebizlatam.com/noticias lat.3com.com/lat/news/pr04/mar22.html www.gerencia.cl/noticia.mv?id=20040 329x4 www.noticias 3d.com/articulos/200206/hubswitch/3.asp www.microalcarria.com/ productos http://www.noticias3d.com/articulos
SWITCHING A NIVEL 3 Introduccion
Switching IP de nivel 3 OSI es equivalente al enrutado TCP/IP. En esta capa encontramos el protocolo IP,y es la encargada del enrutamiento y de dirigir los paquetes IP de una red a otra. Normalmente los “routers” se encuentran en esta capa. El protocolo ARP (Address Resolution Protocol) es el que se utiliza para asignar direcciones IP a direcciones MAC. La función router es incluida en el hardware de los switches. De esta forma se consigue una enorme mejora en el rendimiento comparando un switch operando a nivel 3 y esta misma función realizada por un router normal. Un switch de nivel 3 puede trabajar a mas de 10 veces la velocidad de un router tradicional . Un switch de nivel 3 funciona del siguiente modo: La comunicación entre dos estaciones pertenecientes al mismo subnet IP es realizada mediante función switch de nivel 2 mientras que esto mismo es realizado en nivel 3 entre estaciones de diferente subnet IP.
Este tipo de switches integran routing y switching para producir altas velocidades (medidas en millones de paquetes por segundo). Esta es una tecnología nueva (Lippis, 1997) a los cuales los vendedores se refieren muchas veces como: Netflow, tag switching (Packet, 1998), Fast IP (3Com, 1997), etc. Este nuevo tipo de dispositivos es el resultado de un proceso de evolución natural de las redes de área local, ya que, combinan las funciones de los switches capa 2 con las capacidades de los routers (3Com, 1997). Existen dos tipos de switches capa 3, que se detallan mas adelante: • •
Packet-by-packet (PPL3). Cut-trough (CTL3).
En ambos tipos de switches, se examinan todos los paquetes y se envían a sus destinos. La diferencia real entre ellos es el rendimiento. PPL3 enruta todos los paquetes, en tanto que los switches CTL3 efectúan la entrega de paquetes de una forma un poco distinta, estos switches investigan el destino del primer paquete en una serie. Una vez que lo conoce, se establece una conexión y el flujo es conmutado en capa 2 (con el consiguiente, rendimiento del switching de capa 2) (Lippis, Jun1997). Funciones: •
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Procesamiento de rutas: esto incluye construcción y mantenimiento de la tabla de enrutamiento usando RIP y OSPF. Envío de paquetes: una vez que el camino es determinado, los paquetes son enviados a su dirección destino. El TTL (Time-To-Live) es decrementado, las direcciones MAC son resueltas y el checksum IP es calculado. Servicios especiales: traslación de paquetes, prioritización, autenticación, filtros, etc.
Principales
diferencias
entre
los
principales dispositivos
Un HUB tal como dice su nombre es un concentrador. Simplemente une conexiones y no altera las tramas que le llegan. Para entender como funciona veamos paso a paso lo que sucede aproximadamente) cuando llega una trama. 1- El HUB envía información a ordenadores que no están interesados. A este nivel sólo hay un destinatario de la información, pero para asegurarse de que la recibe el HUB envía la información a todos los ordenadores que están conectados a él, así seguro que acierta. 2 - Este tráfico añadido genera más probabilidades de colisión. Una colisión se produce cuando un ordenador quiere enviar información y emite de forma simultánea que otro ordenador que hace lo mismo. Al chocar los dos mensajes se pierden y es necesario retransmitir. Además, a medida que añadimos ordenadores a la red también aumentan las probabilidades de colisión. 3 - Un HUB funciona a la velocidad del dispositivo más lento de la red. Si observamos cómo funciona vemos que el HUB no tiene capacidad de almacenar nada. Por lo tanto si un ordenador que emite a 100 megabit le trasmitiera a otro de 10 megabit algo se perdería el mensaje Existen “switch” de nivel 3, se diferencian de los routers en que su hardware es más especifico y diseñado especialmente para llevar a cabo esa función.
Un Switch de Capa 3 tiene todos los niveles de control y seguridad con los que un ruteador normalmente cuenta. Existen mecanismos de seguridad para prevenir que un usuario indeseado se conecte a la red, incluso a nivel físico. Estos switches pueden filtrar información no deseada incluso de los usuarios que tienen permitido el acceso a la red, para prevenir ataques a servidores, bases de datos, o proteger aplicaciones con ciertos niveles de seguridad. También cuentan con mecanismos de protección para evitar que un usuario no deseado pueda infiltrarse a la configuración del switch. Un Switch de Capa 3 cuenta con la suficiente "inteligencia" para interactuar con el tráfico que va o viene de la Internet, y participa con ella en el manejo eficiente de los diferentes tipos de tráfico como Voz sobre IP por ejemplo, que ya es una realidad. Un switch de Capa 2 simplemente no tiene nada que hacer al respecto. Además, a un Switch de Capa 3 se le pueden agregar funcionalidades que van más allá de la Capa 3, como Server Load Balancing, por ejemplo. Un Switch de Capa 3 tiene la capacidad para distinguir cuando los puertos donde se conectan los servidores de la empresa están, ocupados, saturados o caídos, de tal manera que pude reenviar eficientemente el tráfico y las peticiones de los usuarios de la red, hacia aquellos puertos que puedan responder. Un Switch de Capa 2, no entiende este concepto y en el caso de que se presente esta situación, no hacen más que reintentar y retransmitir, generando más tráfico y empeorando la situación. La tendencia tecnológica es así como eventualmente los Switches de Capa 2, remplazaron a los concentradores (HUB), los nuevos mecanismos de swicheo en Capa 3, están sustituyendo a los switches de Capa 2, por sus rendimientos, sus altas funcionalidades, sus mecanismos redundantes y de tolerancia a fallas, su mejor control y su escalabilidad. Eventualmente una empresa que requiera de nuevas aplicaciones, que demande comunicación hacia y de la Internet, y que requiera de altos mecanismos de seguridad, tendrá que migrar hacia el switcheo de Capa 3.
La funcionalidad Capa 3 del Switch nivel 3, es ideal para las oficinas pequeñas o medianas, sucursales, escuelas y universidades con grupos de trabajo segmentados. Beneficios clave del Switch : •
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Facilidad de Uso: Fácil despliegue y mantenimiento debido a su enrutamiento dinámico, que actualiza automáticamente la red Capa 3 sin intervención manual, Rendimiento: Switches Capa 3 con velocidad alámbrica, con conexiones 10/100 para computadora de escritorio, diseñadas para conectividad de alto rendimiento. La asignación de prioridades para los paquetes ofrece el rendimiento óptimo para aplicaciones de tiempo real, como voz y video, Escalabilidad: Soporta hasta 2,000 rutas externas, permitiendo su escalamiento a medida que crece la red, Seguridad: Mejora la seguridad con registro en la red basado en normas, Listas de Control de Acceso, encriptación Secure Shell y Secure Sockets Layer, y Costo Total de Propiedad: Solución de bajo costo optimizada para lugares de borde de grupos de trabajo.
Un switch es un dispositivo de la capa 2 con los puertos físicos, en cambio un switch de capa 2 se comunica utilizando tramas a través del cable de capa 1. Un router es un dispositivo de la capa 3, que se comunica con los paquetes. Un paquete se encapsula dentro de una trama. Una router tiene interfaces para la conexión en el medio de la red.
Cuadro 1. Diagrama de una red simple del dos-segmento con una router de la capa 3.
La función verdadera del “switch” no se representa claramente en el diagrama simple mostrado en la imagen. Su función primaria es determinar la mejor trayectoria de la red en una red compleja, utilizando una serie de algoritmos y protocolos de encaminamiento. Comúnmente el uso de los protocolos de router incluyen el “Routing Information Protocol” (RIP) , “Open Shortest Path First” (OSPF), el protocolo interior de la encaminamiento de la entrada (IGRP) y el Border Gateway Protocol (BGP). Los protocolos de encaminamiento transmiten la información sobre la red.
Los diseñadores y administradores de redes necesitan saber como y cuando usar las tecnologías de las que hemos hablado hasta ahora: •
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Colocar los switches capa 3 en puntos de concentración de la red o como backbone colapsado para eliminar "cuellos de botella". Evitar enrutar en los switches capa 2 ubicados en los extremos o fronteras de la red. Escoger switches capa 3 que tengan buffers con capacidad desde 50 hasta 100 paquetes por puerto y enviar millones de paquetes por segundo en la capa 3. Evitar retardos excesivos, limitando los dominios de colisión entre 10 y 20 usuarios
Switching nivel 3
La capa 3 de la pila OSI es la encargada del control del encaminamiento de mensajes a través de las diferentes redes, como también el control del flujo y del tráfico, tarea que realizan normalmente los routers. Normalmente un switch opera a nivel 2, controlando el flujo de datos entre nodos (Ethernet). En cambio actualmente hablamos de que los “switches de nivel 3” operan en ambos niveles, integrando también la funcionalidad tradicionalmente asociada a los router y trabajando básicamente con dos tipos de implementación. •
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Donde trabajan igual que un router, el switch puede realizar todas las funciones de un router Standard, enrutando todos los paquetes hacia su destino. Trabajan con los protocolos Standard de los routers, pudiendo así interoperar con los otros switchs y los routers de la red. “packet by packet routing”:
“Flow-based routing”: implementación basada en el enrutamiento rápido de los paquetes (“cut & throw”), procesando solamente la cabecera y enrutando al destino, esto puede tener el inconveniente de que en un medio con colisiones, éstas no desapareceran nunca.
Comparativa
entre
“packet
by
packet
routing”
y
“Flow-based routing”
La adaptación de la primera opción tiene una gran aceptación en las empresas ya que el uso de esta tecnología no implica grandes cambios en la red existente, de manera que permiten a las empresas tener tecnología actualizada minimizando la inversión y el riego. Pero por otro lado, este modo de trabajar hace necesario que los switchs tenga que procesar todos los paquetes, de manera la velocidad de estos switchs es inferior a los de capa dos, encontrando un cuello de botella debido a la velocidad. La segunda implementación, se trata de una especificación propietaria, de manera que no dan soporte a todos los protocolos de encaminamiento, además como inconveniente, frecuentemente no son compatibles con el hardware y software existente en Internet, teniendo que configurar o actualizar los drivers.
Packet Switching
La conmutación de paquetes es la parte más simple de las operaciones que realiza un switch de capa 3. La única diferencia entre la operación de conmutación de un router y un switch de capa 3 es la implementación física. En routers de uso general, la conmutación se realiza mediante micropocresadores, mientras que con un switch de capa 3 lo realizan usando una aplicación especifica en un circuito integrado(ASIC). Independientemente de la implementación, la tarea del encaminamiento de paquetes es la de examinar el destino, determinar la dirección de destino, comparar dicha dirección con las que tiene en sus tablas, y finalmente enviarlo a la interfaz correcta. La conmutación también realiza una cierta manipulación del paquete ya que crea un cabecera con la MAC de la fuente, decrementando el tiempo de vida (TTL) y recalculando el “frame check sequence “(FCS), que es un código de redundancia cíclica (CRC). El tamaño de la trama se considera como la suma de los tamaños de todos los campos. Este tamaño debe ser mayor o igual a 72 bytes y menor o igual que 1526 bytes. Para garantizar el tamaño mínimo puede ser necesario completar los datos a transmitir con caracteres de relleno. Esta técnica también es conocida como “packet by packet”, y en la actualidad es la que utilizan todos los routers en las redes de todo el mundo
Packet Switching Operation
Otra importante función de la conmutación de paquetes es la capacidad de realizar operaciones de búsqueda. Por ejemplo, con una dirección de destino 1.5.6.6 tendrá dos entradas posibles en la tabla de encaminamiento. La primera posibilidad es la interfaz de la Ethernet 0 porque en la dirección IP el primer dígito, es 1. También hay posibilidad de que se dirija hacia la Ethernet 6 porque los dos primeros dígitos son 1.5. De manera que vemos que 1.5 será más específico y por lo tanto el paquete saldrá para la Ethernet 6. Esta capacidad de realizar largas búsquedas será un recurso muy importante en servicios relacionados con la movilidad en redes inteligentes. Estos planteamientos pueden parecer complejos, pero las operaciones de manipulación de paquetes en capa 3 estan bien documentada, aunque el mayor error que se tiene es pensar que la implementación de nueva tecnología implica un aumento en la velocidad de las aplicaciones. El criterio mas importante para la selección de un switch de capa 3 no es la capacidad, sino que será más interesante tener en cuenta la ruta que procesa y los servicios de la red inteligente.
Route Processing
Una de las capacidades fundamentales de los switch de capa 3 es la creación de tablas de enrutados que automáticamente se ajustan a los cambios en la topología de la red, que pueden ser causadas por fallos en enlaces, fallos en dispositivos, y agregaciones o borrados en la red. El protocolo dinámico de encaminamiento que se utiliza en switchs y routers para rellenar sus tablas. Internet es el más claro ejemplo de una red que insiste en protocolos de enrutamiento al máximo, y éste ha sido el centro de innovación en el desarrollo de protocolos de encaminamiento. Es importante resaltar que el proceso de enrutado es una actividad basada en software y funciona independientemente del “switching packet”. Desde una perspectiva histórica en Internet, el primer protocolo dinámico de encaminamiento desplegado fue el “Routing Information Protocol” (RIP). RIP es clasificado como un protocolo de encaminamiento vector distancia (que contiene características de actualizaciones periódicas, incluso cuando no hay cambios en la topología), baja convergencia respecto a enlaces fallidos(en orden de minutos), y una limitada escalabilidad debido limitadas restricciones en el recuento de saltos. RIP se ha convertido en obsoleto debido a la aparición de nuevos protocolos de enrutamiento, que solucionan el problema de la escalabilidad. La nueva versión 2 de RIP supera las limitaciones de RIP en la que solo se tiene en cuenta una dirección IP, de modo que en esta versión además de la IP se tiene en cuenta la mascara de subred(VLSM), de modo que se soluciona así la comunicación entre redes con diferentes máscaras. En respuesta a estos defectos, se desarrollaron protocolos alternativos de encaminamiento como “Interior Gateway Routing Protocol” (IGRP). Éste además de intentar solucionar los problemas de las direcciones de RIP, así como preveer una mayor flexibilidad en la elección del camino que un paquete toma en la red teniendo en cuenta la velocidad y calidad de enlace, retardo, y como otros aspectos en la decisión del envío. Por este motivo, IGRP fue adoptado rápidamente como un protocolo estándar de encaminamiento en numerosas empresas debido a su flexibilidad, robustez y facilidad de uso.
Otros desarrollos en los protocolos de encaminamiento denominados como “link-state” tuvieron lugar a principios de los 90, con la publicación de “Open Shortest Path First (OSPF) routing protocol specification”. Caracterizándose éste por una rápida convergencia con pocas actualizaciones en topologías estables. Los “link-state” intercambian la información del estado de los enlaces entre nodos vecinos, y propagan esta información por toda la red, tantos como dispositivos idénticos posea el mapa de red. Las ventajas de la rápida convergencia del OSPF son beneficiosas, aunque pueden llegar a ser complejas. Para aprovechar la rapidez de los protocolos convergentes, los diseñadores tienen que migrar de un protocolo a otro. Este cambio normalmente es largo y muy complejo. Para afrontar las necesidades de la base instalada de los clientes se usará IGRP como el protocolo de enrutamiento, ya que también soporta protocolos de enrutamiento como IPX de Appletalk y Novell. La mayoría de redes, utilizan multitud de protocolos de enrutamiento para optimizar la conectividad. En este ambiente “multilengual” se necesita una sofisticada traducción entre protocolos de manera que se pueda trabajar en armonía. Permitiendo así a los diseñadores adaptar sus diseños y características a sus propias necesidades. Sin tener en cuenta los protocolos utilizados, las redes son diseñadas típicamente con redundancia para cargar los paquetes a través de enlaces paralelos.
En el siguiente ejemplo vemos que entre los enlaces de los swicths de capa 3 con enlaces paralelos, los protocolos de encaminamiento ( y sus tablas correspondientes) crearían dos entradas para los paquetes que atraviesan esos switchs y por lo tanto repartiría los paquetes. Esta capacidad permite topologías más flexibles, diseños tolerantes, así como un incremento incremental de la banda entre switches. Otra clave del desarrollo en el protocolo de enrutamiento para implementar aplicaciones en red es la area del enrutado multicast, ya que muchas aplicaciones usan esta tecnología, como por ejemplo Microsoft Netsshow, Precept IP/TV… De modo que es conveniente para los diseñadores considerar el IP multicast, de modo que para soportar estas funcionalidades los switches de capa 3 también tienen que soportar enrutamientos multicast. Con el trabajo extenso hecho en el backbone multicast de Internet (MBONE), sería obvio hacer uso de “protocol independent multicast” (PIM). PIM es un protocolo muy complejo que implica años de experiencia para poder asegurar una implementación fiable y robusta, ya que éste tiene la propiedad de operar independientemente del protocolo de enrutamiento unicast (IGRP, OSPF, RIP) y el soporte a aplicaciones que tienen los servidores enviando hacia múltiples destinos (dense mode), ó también reducidos grupos de trabajo operando en diferentes grupos multicast (sparse mode).
Con el rápido crecimiento de las aplicaciones Internet, Multimedia y las necesidades de almacenamiento y búsqueda de datos, más y más trafico fluye por las infraestructuras LAN. Los servidores modernos, deben procesar y transferir grandes volúmenes de datos, encontrando a menudo un cuello de botella en las conexiones de red LAN. La situación actual nos muestra que el 85% de los ordenadores utilizan conexiones de 100 Mbps necesitando realmente conexiones a 1000 Mbps con los servidores de nuestra red.
La integración mixta de puertos 10/100 y Gigabit proporcionan la posibilidad de conectar las estaciones directamente a la red principal. Los switch nivel 3 (Layer 3) permitirán controlar múltiples redes de forma simultánea eliminando la necesidad de la incorporación de routers con sus latencias implícitas de suministro de datos.
Características principales
Compatible con IEEE802.3z, 1000Base-SX y IEEE 802.3ab, 1000Base-T Standard. Ancho de banda mejorado para incrementar el volumen de datos y mejorar la respuesta en las situaciones de cuellos de botella. Capacidad Full-duplex que aporta la duplicación en la tasa de transferencia de datos. Compatible con entornos Ethernet y Fast Ethernet. Avanzadas funciones de gestión para implementación de VLAN, Port Trunking, Spanning Tree, etc.
El switch de nivel 3, a parte implementa funciones de enrutamiento permitiendo la división de grandes redes en zonas broadcast de menor tamaño, ofreciendo mayor control de gestión .
Conclusión
La nueva gama está diseñada para enrutar tráfico por segmentos de la red local compartida por grupos de trabajo, conmutando este tráfico localmente en lugar de confiar en el enrutamiento en el núcleo de la red. Ideales para empresas y otras organizaciones que perciben una necesidad de crecimiento en switching Capa 3 para sus grupos de trabajo. A menudo las redes empresariales están creadas de forma jerárquica, con agrupamientos de usuarios por situación geográfica u organización, reunidos en el centro o núcleo de la red, y diferentes dominios de difusión que se utilizan para escalar, asegurar y mejorar la estabilidad de la red. La Capa 3 de switching transmite el tráfico por estos dominios de difusión y entre la red y el mundo exterior. La Capa 3 en un switch conectado a los terminales de los usuarios que comparten varios dominios, optimizará el rendimiento del grupo de trabajo conmutando localmente todo el tráfico local, incluyendo ese destino para otro dominio.
