6. Nivel de Red.

6.1 Introducción

• la capa de enlace se encarga de mover frames desde un extremo del cable hasta el otro.
• la capa de red se encarga de mover paquetes entre la fuente y el destino de los mismos.
• para alcanzar su destino puede surgir la necesidad de hacer varios saltos en nodos intermedios a lo largo del recorrido.
• necesita conocer la topología de la red de comunicaciones y seleccionar la trayectoria mas adecuada, incluyendo el paso de una red a otra si fuera necesario.
  

servicios de la capa de red

• la capa de red proporciona servicios al nivel 4 o capa de transporte.
• en algunos casos, el nivel 3 opera en un equipo front-end o IMP y el nivel 4 en el host, por lo que los limites entre la capa de red y de transporte definen los limites entre la subred de comunicaciones y el host, significando que los servicios de la capa de red definen los servicios proporcionados por la subred.
  

organización interna de la capa de red

• - no existe una especificación en el modelo OSI.
• - tiene que ver con con aspectos de control de encaminamiento y de congestión, que dependen de la implementación específica de la subred.
• - las filosofías básica para la organización de la subred:
  • con conexión: circuito virtual.
  • sin conexión: datagramas.
    

modalidades de servicio en conmutación por paquetes

• Los servicios y facilidades ofrecidas por una red pública de transmisión de datos están especificadas en las recomendaciones X.1 y X.2 del CCITT (Comité Consultatif International por le Télégraphe et le téléfone).
• La administración de la red ofrece los servicios de transmisión de datos al público.
• Los principales servicios ofrecidos en redes públicas de transmisión de datos son: Comunicación por circuitos y por paquetes.
• En una red pública de conmutación por paquetes, existen básicamente dos modalidades de servicio:
  • circuitos virtuales
  • datagramas
    
    

CIRCUITOS VIRTUALES

• El concepto de circuito virtual se refiere a una asociación bidireccional, a través de la red, entre dos ETD, circuito sobre el cual se realiza la transmisión de los paquetes.
• Al inicio, se requiere una fase de establecimiento de la conexión, denominado:
• "llamada virtual"
• Durante la llamada virtual los ETDs se preparan para el intercambio de paquetes y la red reserva los recursos necesarios para el circuito virtual.
• Los paquetes de datos contienen sólo el número del circuito virtual para identificar al destino.
• Si la red usa encaminamiento adaptativo, el concepto de circuito virtual garantiza la secuenciación de los paquetes, a través de un protocolo fin-a-fin (nodo origen/nodo destino).
• El concepto de CV permite a un ETD establecer caminos de comunicación concurrentes con varios otros ETDs, sobre un único canal físico de acceso a la red.
• El CV utiliza al enlace físico sólo durante la transmisión del paquete.
  
• Existen 2 tipos de CV
  • CVP: Circuito virtual permanente
  • CVT: Circuito virtual temporario
    
• CVP: no requiere fase de establecimiento o llamada virtual por ser un circuito permanente (punto a punto) entre ETDs.
  
• CVT: Requiere de la llamada virtual.
• El protocolo para uso de circuitos virtuales está establecido en la recomendación X.25 del CCITT.
  • (existe confirmación de mensajes recibidos, paquetes perdidos, etc.)
    
    

DATAGRAMAS

• Es un paquete autosuficiente (análogo a un telegrama) el cual contiene información suficiente para ser transportado a destino sin necesidad de, previamente, establecer un circuito.
• No se provee confirmación de recepción por el destinatario, pero puede existir un aviso de no entrega por parte de la red.
• Algunas redes privadas trabajan en base a DATAGRAMAS, pero en redes públicas, donde existen cargos por paquetes transmitidos, no existe buena acogida para este tipo de servicios.
• Una alternativa al servicio de DATAGRAMA propuesto al CCITT, es la facilidad de selección rápida o Fast Select, la cual es aplicable en la llamada virtual ð CVT
• Fast Select permite transmitir datos en el campo de datos del paquete de control que establece el circuito virtual. La respuesta confirma la recepción y termina el CV.
  

cuadro comparativo a nivel de subred:

asunto	datagramas	circuito virtual
establecimiento	n/a	se requiere
direccionamiento	de origen y destino en cada paquete	sólo número de CV
información de estado	la sub red no tiene información de estado.	cada CV requiere una entrada en la tabla de sub red
encaminamiento	cada paquete con ruta independiente.	todos los paquetes siguen la ruta establecida.
efectos de falla en nodo	ninguno, perdida de paquetes	todos los CV a través del nodo con falla, terminan.
control de congestión	difícil	fácil si un número suficiente de buffers son pre-asignados.
complejidad	en la capa de transporte	en la capa de red
adecuado para	servicios orientados a con y sin conexión.	servicios orientados a conexión.

6.2 Encaminamiento o Ruteamiento

- El subsistema de Comunicación de datos, proporciona la conexión entre dos puntos terminales de la red y la distribución de datos o mensajes.

• La conexión es encaminada (por la red) a través de diferentes puntos o nodos de conmutación, dependiendo de la configuración de la red y del grado de ocupación de cada camino.
• la única excepción es el caso de las redes de difusión, aunque es interesante el análisis cuando el origen y destino están en redes diferentes.
• los algoritmos que seleccionan las rutas y las estructuras de datos que utilizan, representan una de las áreas principales en el diseño de la capa de red.
  

modalidad de encaminamiento

encaminamiento	- Fijo o no adaptativo
	- Adaptativo
	nodos o centrales de conmutación

sub sistema de comunicaciones	línea telefónica microondas
	enlaces satélite
	radio enlace infrarrojos

encadenamiento fijo o no adaptativo:

• establece un camino físico fijo entre dos ECD en el subsistema de comunicación.
  

• El mismo camino será usado para el intercambio de mensajes mientras dure la conexión entre los ETD.
  

encaminamiento adaptativo

- El camino seguido por los mensajes se modifica dinámicamente.

6.3 Algoritmos de encaminamiento

- Cada nodo está controlado por un computador, recibe un paquete el cual debe ser enviado al nodo vecino en el camino al destino.

- problema fundamental:

* Establecer un camino continuo (ruta), el cual incorpora nodos y enlaces, entre los ECD o nodos terminales.

- Condiciones (alternativas):

* encontrar el camino más corto.

* minimizar número de nodos visitados.

* minimizar tiempo de transito.

- el procedimiento (algoritmo) seguido por el nodo para determinar por cual enlace enviará el paquete, o sea, la selección del nodo vecino dependerá de la estrategia utilizada para encaminamiento en la red.

- estrategia * deterministico o fijo

* estocástico o adaptativo

- control de * centralizado o nodo de control

la red * local o distribuido

Centro Controlador de la Red

- Nodo con procesador para control.

- Monitorea estado actual de la red para detección de fallas y problemas.

- Con éste objetivo, cada nodo de la red enviará a intervalos fijos, un mensaje con información de estado y/o diagnostico local.

- Las tareas de corrección son iniciadas por el centro controlador.

- Mantiene estadísticas sobre rendimiento y trafico en los enlaces.

- envía facturas a los usuarios y les entrega estadísticas sobre sus operaciones.

Algoritmos de encaminamiento

Encaminamiento Predeterminado:

- El camino es predeterminado, antes de comenzar el viaje.

ð el envoltorio llevará información de la ruta a seguir

- El camino es fijado por el nodo de origen o por el nodo controlador de la red.

- El procesamiento en cada nodo es mínimo, el nodo se limita a encaminar al paquete por la ruta predeterminada.

- Si algún nodo en el camino está fuera de servicio o un enlace no funciona, actuarán procedimientos de recuperación para establecer una nueva ruta y retransmitir los paquetes perdidos.

- Una alternativa es un encaminamiento no-predeterminado donde la envoltura sólo contiene la dirección de destino y cada nodo determinará el camino a seguir o partir del nodo actual. El tamaño del paquete será menor, pero el procesamiento en el nodo, mayor.

Encaminamiento fijo con tabla estática.

- Cada nodo tiene una tabla de caminos a seguir para llegar a algún nodo destino.

Ejemplo:

Tabla para el nodo C.

	destino	camino primario	camino alternativo
	A	A	F
	B	A	E
	D	A	F
	E	E	A
	F	F	A
	G	F	A
	H	E	F
	I	E	F

- Existe un camino primario, que dará el camino mínimo y un camino de alternativa en casos de problemas con el camino primario.

- como un ejemplo de red con encaminamiento fijo y tabla estática tenemos en la red "SITA airline system", cuya tabla es modificada 3 veces por año.

- Ventajas:

Simple de entender e implementar.

- El algoritmo funciona bien cuando el tráfico es relativamente estable.

ENCAMINAMIENTO FIJO CON TABLA DINÁMICA

- La tabla se modifica dinámicamente con información obtenida, dependiendo del control de la red:

- control local: nodos vecinos (retardos en el enlace)

- control centralizado: nodo controlador de la red (el nodo distribuye las tablas de ruteamiento).

- los números inician retardo en cada enlace.

- la demora es provocada principalmente por el enfileramiento en cada nodo.

tabla para nodo C

	destino	nodo siguiente
	A	A
	B	E
	D	A
	E	E
	F	F
	G	A
	H	F
	I	F

- Un ejemplo de red con nodo de control centralizado en la TYMNET:

- 160 nodos en 2 continentes

- media 1000 usuarios simultáneos.

- En general, la ruta permanece estática durante la sesión.

Cuando el control es centralizado:

RCC: routing control center

- Periódicamente cada nodo envía información de control al RCC, por ejemplo:

Lista de usuarios activos

Longitud de las filas de mensajes

Tráfico relativo de cada línea

- El RCC procesa toda la información y genera nuevas tablas con caminos óptimos entre dos nodos ECD.

Problemas:

- Exceso de tráfico en los enlaces cercanos al RCC

- Vulnerabilidad de la red, depende del RCC

- Problemas de actualización en los nodos lejanos.

ENCAMINAMIENTO ADAPTATIVO

- Esquema de trabajo en el cual los caminos seleccionados varían de acuerdo a las condiciones actuales de la red.

- ARPA y TELENET usan este esquema

- Cada nodo envía un mensaje de servicio a intervalos fijos (1/2 segundo), informando sobre su condición actual.

- Puede resultar en un comportamiento oscilatorio, donde la selección de un camino oscila rápidamente entre uno y otro enlace en condiciones de "peak".

- Pequeños cambios en el algoritmo pueden afectar el comportamiento bajo condiciones de sobrecarga, efectos difíciles de predecir sin usar simulación de la red.

- Es posible que un paquete en la red no encuentre su destino por:

falla del nodo destino

falla del direccionamiento.

ð Paquete puede viajar indefinidamente entre un nodo y otro si no se le detiene.

- Para prevenir este tipo de situaciones, se le agrega un campo contador, el que será incrementado en 1 cada vez que el paquete pasa por un nodo.

- Cuando el contador excede un cierto número limite, el paquete es devuelto al origen, para proteger la red de congestión por paquetes vagabundos.

Algoritmos de encaminamiento aislado (adaptativo)

hot potato:

- considera solamente la longitud de la fila de salida, colocando el mensaje en la más corta.

Combinación del hot potato con tabla estática:

- cuando llega un mensaje pondera la longitud de la fila (peso dinámico) con un peso estático dado por la tabla.

Flooding (inundación)

- es el caso extremo del encaminamiento aislado.

- el nodo que recibe un mensaje (y no es el destino) envía una copia a través de todos los enlaces de salida (o de un sub conjunto preseleccionado).

- Es una técnica simple y el mensaje siempre llegará a destino por camino más rápido.

- implica inundar la red con múltiples copias del mismo mensaje.

- ð problemas de congestión

infinitos paquetes,

usar contador para eliminación.

- apropiada sólo en redes de muy bajo tráfico:

- aplicaciones militares.

grandes redes con alta probabilidad de falla en los nodos.

- bases de datos distribuidas:

actualización concurrente.

encaminamiento por difusión

- se refiere a la transmisión de un paquete dirigido a un conjunto grande de destinatarios.

- no son necesarias caracteristicas especiales de la subred.

- inundación es un candidato.

- encaminamiento multidestino

6.4 Congestión

- Sobrecarga de paquetes en la subred (o parte de ella). Rendimiento cae.

- Inicialmente, el número de paquetes entregados por la red es proporcional al número de paquetes recibidos.

- Al aumentar el tráfico, la red comienza a perder paquetes.

- Si el tráfico es muy alto. se produce un colapso y la red no entrega más paquetes (cae).

Factores que influyen en la congestión

- nodos demasiado lentos para las tareas de enfilar buffers, actualizan tablas de rutas, etc.

- cuando la capacidad de las líneas de salida es menor que las líneas de entrada, independiente de la capacidad del procesador, provocando el crecimiento de las filas de entrada.

- enlaces con exceso de capacidad para el nodo.

- problema debido a que el nodo envía paquetes pero no lo descarta hasta saber que fue recibido sin problemas. Si se produce algún problema en la línea o en la recepción el nodo origen no puede limpiar sus buffers.

Posibles soluciones:

- preasignación de recursos.

- permitir libera buffer (descartar paquetes) cuando sea necesario.

- restringir el número de paquetes permitidos en la red.

- usar control de flujo, aunque este es un asunto punto a punto.

6.5 Interconexión de redes

- tanto como el asunto de la congestión, la interconexión de redes también está muy relacionado con la función principal de la capa de red: el encaminamiento.
- cuando las máquinas de origen y destino se encuentran localizadas en redes diferentes, todos los problemas comunes de encaminamiento se encuentran presentes, sólo que agudizados.
- si las redes que conectan a las máquinas de origen y destino no se encuentran conectadas directamente, el algoritmo de encaminamiento tendrá que determinar la trayectoria a través de una o más redes intermedias.
- por otra parte, no todas las redes utilizan los mismos protocolos, por lo que los formatos de los paquetes son diferentes, etc., por lo que es necesario realizar conversiones