REDES DE ALTA VELOCIDAD

REDES DE ALTA VELOCIDAD

1. Introducción La tendencia actual en el mundo de las telecomunicaciones apunta hacia una red universal que soporte diferentes tipos de servicios, generalmente, con requerimientos distintos. Esta red es conocida como B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network) [MIN89] y algunos de los servicios que se espera proporcionar a través de ella son: teleconferencia, videoconferencia, televisión de alta definición (HDTV), transferencia de datos a altas velocidades, transporte de voz, videotelefonía y servicios mucho más diversificados y sofisticados que surjan por sí mismos cuando la capacidad de la red digital de banda ancha, demuestre su verdadero potencial y capacidad.Se ha pensado en una posible solución para B-ISDN que se conoce como tecnología Fast Packet Switching y específicamente en una de sus modalidades denominada ATM (Asynchronous Transfer Mode). ATM ha sido diseñada pensando en los requerimientos de B-ISDN, esto garantiza que ATM puede soportar cualquier tipo de servicio existente o futuro, por ello ha sido definida por el UIT-T como el modo de transferencia estándar para la red digital de servicios integrados de banda ancha [DEP91].En este documento se presenta una visión general de B-ISDN, la tecnología Fast Packet Switching y sus alternativas de implementación.

2. Red Digital de Servicios Integrados de Banda Ancha - RDSI-B o B-ISDNDebido a la creciente demanda de servicios de telecomunicaciones a altas velocidades, principalmente por parte del sector empresarial como solución a la problemática de disminuir sus tiempos de respuesta y de la necesaria dispersión geográfica, a fin de enfrentar con mayor probabilidad de éxito al permanente reto de la competitividad, se ha creado la necesidad urgente de definir una red digital de propósito general que soporte diversas aplicaciones y preste diferentes tipos de servicios independientemente de sus características, sobre una infraestructura común, de una manera eficiente. Entre otras características deseables, la red debe ser flexible, viable económicamente para los usuarios potenciales [MIN89] y lo suficientemente robusta para que se adapte por sí sola a los cambios tecnológicos que se presenten en el futuro. Dicha red se conoce como la red digital de servicios integrados de banda ancha (B-ISDN) [DEP91].B-ISDN debe proveer soporte para:
Servicios interactivos y distribuidos La red debe soportar tanto comunicaciones interactivas como distribuidas. Ej: videoconferencia, conversación telefónica, transmisión de archivos remotos, acceso a bases de datos remotas, etc.
Diversas ratas de velocidad Red con ratas de transmisión cerca de 140 Mb/s, con la posibilidad de ser incrementadas en el futuro, para soportar servicios que requieran velocidades de este orden o superior.
Tráfico a ráfagas y continuo Debe garantizarse la eficiencia en la prestación de servicios tanto para tráfico con rata de bits constante (voz, video), como para tráfico con rata de bits variable (datos), de tal manera que se garantice, a su vez, la utilización eficiente de los recursos de la red sin que ello signifique ir en detrimento de las características propias del tipo de tráfico cursado.
Servicios orientados a conexión y no orientados a conexión La red debe permitir la prestación de servicios que requieran el establecimiento previo de canales lógicos entre los extremos, objeto de la comunicación, para poder transferir la información (p.e., servicio telefónico). Así como servicios en donde este paso no sea necesario, ya que los paquetes cuentan con información implícita que permite determinar el destino dinámicamente (p.e., servicio de transmisión de datos).La concepción de la idea B-ISDN está influenciada por dos aspectos importantes en telecomunicaciones como son:
Tecnología El gran avance tecnológico en el campo de la electrónica y la calidad de los medios de transmisión utilizados por las redes actuales (transmisión digital, fibra óptica, etc.) permiten pensar en la implantación de redes que efectúen la transmisión y conmutación de tráfico a altísimas velocidades, de manera confiable.
Transmisión de datos El concepto de sistemas de transmisión de datos ha cambiado radicalmente. Hace algunos años las redes de conmutación de paquetes fueron pensadas y diseñadas para transmitir datos puros; es por ello que cuando se utilizan para transmitir otro tipo de tráfico se presentan ineficiencias ya que se requiere hardware especializado (multiplexores, PBXs, Codecs de televisión, etc.) y los recursos de la red no se administran de manera eficiente. El concepto actual, es diseñar la red de manera que se pueda transmitir a través de ella no solamente datos, sino proporcionar servicios de otro tipo (incluso combinaciones de tráfico: voz y datos, por ejemplo) a altas velocidades y con excelente calidad, reflejándose en el funcionamiento eficiente para cualquier tipo de servicio.La red que se utilice para proveer la integración de diferentes servicios, debe ser diseñada de tal manera que se satisfagan los requerimientos ya mencionados de B-ISDN, y que se garanticen dos funciones básicas: transparencia en la semántica y transparencia en el tiempo. La transparencia en la semántica, es la función que garantiza la confiabilidad y robustez de la red, es decir que se tiene la certeza de que los datos transmitidos desde el origen llegan correctamente al destino. La transparencia en el tiempo es la función que garantiza que las secuencias de bits lleguen al otro extremo dentro de un rango de tiempo razonable. Dicho de otra forma, con un retardo aceptable. Este retardo depende del servicio específico y es crítico para algunos tipos de tráfico, como voz y videotelefonía, y en general para aplicaciones de tiempo real.El grupo de estudio XVIII del UIT-T (anterior CCITT) tiene como tarea la definición de estándares internacionales para B-ISDN. Dicha tarea se ha centrado, hasta ahora, en los aspectos referentes a la capacidad de conmutación, multiplexaje y transmisión de la red. Los dos primeros se conocen como el modo de transferencia. El modo de transferencia acogido para B-ISDN por el UIT-T se denomina genéricamente conmutación rápida de paquetes (FPS).
3. Fast Packet Switching (FPS)FPS es un concepto que cubre varias alternativas, todas con las mismas características básicas, además de ser un concepto aplicable a todos los sistemas que operan a ratas de velocidad mucho más altas que los sistemas convencionales de conmutación de paquetes, gracias a la limitada funcionalidad de algunos de sus protocolos [DEP91].El estado de las telecomunicaciones a finales de la década de los ochenta y principio de los noventa, incluía la existencia de redes de propósito específico, donde cada una de ellas estaba diseñada para soportar un tipo particular de tráfico. Las redes se especializaban de tal manera que cada uno de los servicios que proporcionaba, se transmitía por una de ellas. Por ejemplo, el servicio de telefonía por la red conmutada (PSTN), la transmisión de datos por redes X.25 y X.21, la transmisión de datos de dominio privado a través de redes LAN, etc.Para la prestación de cada nuevo servicio, se necesitaba de una red especializada cuya implantación requiere de tres etapas principales: diseño, manufactura y mantenimiento; cada una con una serie de costos asociados. Por otro lado, debe tenerse en cuenta que, en cualquier caso, el dimensionamiento de la red depende del tipo de servicio que se vaya a implantar [DEP91]. Una manera de disminuir los costos de cada una de las etapas anteriormente mencionadas, consiste en utilizar alguna de las redes existentes, brindando la funcionalidad mínima a través de hardware o software, para que el servicio pueda prestarse, aunque no de manera óptima, puesto que no se garantiza la administración eficiente de los recursos de la red. Otra alternativa es la implantación de una red FPS, que hace posible que diferentes tipos de tráfico como voz, datos o combinación de ellos, sean almacenados en paquetes, conmutados, multiplexados y transmitidos a altas velocidades a través de la misma red, utilizando la infraestructura de red existente, e interconectando dichas redes a través de la subred de conmutación rápida de paquetes [SPR90] (Ver figura 1).
Figura 1. Red de Conmutación rápida de paquetes para diferentes tipos de tráfico.FPS ha sido objeto de estudio del UIT-T en los últimos años, por ser la solución a B-ISDN, habiéndose consolidado hasta el momento, varios estándares para FPS en diversas implementaciones. Estas implementaciones difieren entre sí en algunas características, tales como el tipo de red en la que se van a prestar los servicios, la longitud de los paquetes circulantes por la red, la velocidad mínima, etc. La Figura 2 ilustra el estado actual de la tecnología FPS de manera jerárquica. El ente más general es el FPS dentro del cual se aprecian las dos tendencias: Frame Relay y Cell Relay. Cell Relay, a su vez, tiene dos ramas: SMDS y ATM. En los numerales 3.1, 3.2.1, y 3.2.2 se explica detalladamente cada una de estas tecnologías.

3.1. Frame RelayDada la necesidad creciente de conectividad que requieren las empresas y la gran capacidad de cómputo de las máquinas, hoy en día, se hace evidente que la solución a dicha necesidad es una nueva tecnología que permita obtener alto “throughput” a bajos costos.Bajo dicha premisa, los cuerpos de estandarización, trabajaron sobre las recomendaciones Q.921, I.233, Q.922 y Q.923 del UIT-T, correspondientes al procedimiento para acceso al enlace en el canal D (LAP-D) de ISDN, con el propósito de obtener la descripción del servicio y la definición del protocolo y señalización de Frame Relay. Paralelamente, la industria de las telecomunicaciones también define el servicio Frame Relay a través de un foro (Frame Relay Forum), compuesto por, alrededor de, 150 proveedores de soluciones de telecomunicaciones, a fin de facilitar la interoperabilidad de sus productos. Frame Relay es una tecnología apropiada para la constitución redes de datos, generalmente, de área amplia (WAN). El protocolo Frame Relay está diseñado de tal forma que el procesamiento en los nodos de conmutación es mínimo.La Figura 3 ilustra la funcionalidad del protocolo del nivel de enlace para redes convencionales de conmutación de paquetes. Dicho protocolo se denomina HDLC (High Level Data Link Control) [TAN88] y corresponde a funciones de delimitación de tramas, transporte de bits, chequeo y recuperación de errores, control de secuencia y control de flujo, que se llevan a cabo en cada uno de los enlaces de la red. El principio básico en Frame Relay es dividir el nivel de enlace en dos subniveles con el fin de incrementar el desempeño y la velocidad de la red, partiendo del supuesto de que los medios de transmisión utilizados a nivel físico son altamente confiables. En el subnivel inferior se llevan a cabo las funciones básicas del protocolo HDLC [TAN88] (delimitación de tramas, transporte de bits, chequeo de errores y recuperación de errores por descarte) que se utilizan en los enlaces punto a punto. Por su parte, el subnivel superior corresponde a las demás funciones de este nivel (control de secuencia, control de flujo y recuperación de errores). Aquí, las funciones se realizan únicamente en los extremos de la subred Frame Relay (Ver Figura 4). [DEP91]
Figura 3. Protocolo de nivel de enlace para redes de conmutación de paquetes.Frame Relay maneja circuitos virtuales permanentes (PVC) y circuitos virtuales conmutados (SVC) y por la manera en que estos han sido diseñados, la probabilidad de que las tramas se envíen en orden es muy alta. Los circuitos virtuales pueden ser del tipo punto a punto, punto a multipunto y multipunto a multipunto. [McD94]
Figura 4. Protocolo de nivel de enlace para redes Frame Relay.En una red Frame Relay se transmiten paquetes de longitud variable. La longitud de los paquetes puede variar entre 1 y 8 kbytes (1024 a 8188 bytes).Esta característica, entre otras tantas, hace a Frame Relay poco apto para transmisión de tráfico de rata constante de bits (voz, video), dado que si se escogen paquetes muy grandes, se introduce un retardo demasiado alto (no permitido para tráfico de este tipo) o se introduce un retardo variable para cada paquete, lo cual no garantiza que la información fluya de forma natural, degradando la calidad del servicio. Adicionalmente, el protocolo no está provisto con mecanismos que garanticen que los paquetes de voz cumplen con el mínimo retardo permitido, para este tipo de tráfico, en cada instante de tiempo mientras permanezcan en la red.En razón a lo anterior, Frame Relay no se constituye como una buena solución para B-ISDN ya que no se garantiza la transparencia en el tiempo (retardos aceptables para servicios de tiempo real). Sin embargo, Frame Relay es un paso necesario en la transición de redes de conmutación de paquetes convencionales a redes de conmutación rápida de paquetes de banda ancha, haciendo que dicha transición se presente de manera más natural. Frame Relay es la solución a corto plazo que posibilita la transmisión de tráfico de rata variable de bits (datos) sobre una sola red de manera rápida y confiable. Sin embargo, Frame Relay se constituye en la actualidad como la mejor solución en cuanto a desempeño se refiere para servicios de transmisión de datos -aún por encima del mismo ATM- ya que su diseño está orientado específicamente para este tipo de tráfico.Frame Relay soporta velocidades desde DS1 (1.544 Mbps) hasta DS3 (45 Mbps) y su utilización más frecuente es la implementación de back-bones corporativos con interfaces hacia las redes públicas de datos.
3.2. Cell RelayEs otra de las implementaciones de FPS. Su característica principal es que los paquetes transmitidos por la red son de longitud fija.Pertenecen a esta tecnología los modos de transferencia SMDS y ATM, tal y como aparece ilustrado en la Figura 2. A continuación se describirá brevemente cada una de estas tecnologías.
3.2.1. SMDS - Switched Multimegabit Data ServicesEs uno de los primeros servicios con características de banda ancha. Fue creado y ofrecido en 1991 por Bellcore y su primera implementación se definió utilizando la tecnología DQDB (Distributed Queue Data Bus) que corresponde a la recomendación 802.6 de la IEEE. Dicha norma define un servicio de transporte no orientado a conexión utilizando paquetes de 53 bytes para integrar servicios que incluyan tráfico de datos, voz y video en redes de área metropolitana (MAN). [SNE90]SMDS es una combinación de servicios basados en paquetes y celdas, que soporta velocidades de acceso DS1 (1.544 Mbps), E1 (2 Mbps), E3 (34 Mbps) y DS3 (45 Mbps). Esta tecnología ha sido diseñada para que provea servicios de interconexión en redes de área amplia, basándose en centrales de alta velocidad. SMDS corresponde a la tecnología intermedia entre Frame Relay y ATM y a pesar de que los servicios basados en la recomendación 802.6 emergen muy lentamente, SMDS comenzó a tomar una fuerza importante desde 1994. Los servicios que incluye SMDS son: video, teleconferencia, videoeducación, videotelefonía, televisión de alta definición (HDTV) y televisión avanzada (ATV).

3.2.2. ATM - Asynchronous Transfer ModeEs una técnica de multiplexación y conmutación de paquetes, para redes de banda ancha, que garantiza transmisión a altas velocidades y retardos bajos para los paquetes. ATM es orientado a conexión que soporta todo tipo de tráfico y por ende, de servicios. [MIN89]ATM ha sido acogido por el UIT-T como el modo de transferencia para la red B-ISDN porque brinda la posibilidad de transportar cualquier tipo de tráfico, independientemente de características como rata de transmisión de bits, requerimientos de calidad y naturaleza continua o no continua del servicio. [DEP91]. Se espera que una red ATM, se adapte por sí sola a los cambios tecnológicos que se presenten en el futuro y soporte cualquier tipo de servicio que se incorpore a ella, sin importar el grado de sofisticación del servicio mismo.
3.2.2.1 Características de ATMLas características principales que posee una red ATM son:
Baja funcionalidad en los nodos de conmutación Debido a la confiabilidad provista por los medios de transmisión utilizados (fibra óptica, microondas digitales, etc.) y al hardware especializado que se involucra en la red, es posible garantizar que la probabilidad de que los paquetes sufran deterioro o se pierdan es baja. Por esta razón, el protocolo ATM se ha simplificado de tal manera que las funciones correspondientes a detección y recuperación de errores y control de flujo (nivel de enlace), se realizan únicamente en los extremos de la red y no en cada uno de los enlaces como en una red convencional de conmutación de paquetes. La figura 5 ilustra este hecho y permite observar cómo en ATM el nivel físico se subdivide en dos subniveles el inferior (1a) es el nivel físico común y el subnivel superior (1b) es el que tiene funciones de detección de errores de los encabezados de las celdas. De cualquier forma, este chequeo es indispensable ya que con base en dicho encabezado se logra el adecuado enrutamiento de las celdas. Esta simplificación permite que la red transmita a altas velocidades e introduzca retardos tan bajos, que sean aceptables para servicios que involucren tráfico de voz.

Longitud fija de paquetes Los paquetes de una red ATM son de longitud fija. La desventaja de escoger paquetes de longitud variable, radica en que para servicios de tipo continuo (voz, video), los retardos ocasionados en el proceso de transmisión son inaceptables, lo que conlleva a que el tráfico no fluya naturalmente debido a que cada paquete tiene un retardo diferente. Lo anterior no permite garantizar transparencia en el tiempo.
Orientado a conexión ATM establece un camino lógico/virtual con el destino antes de transferir la información. Esto permite eliminar del protocolo ATM funciones de control de secuenciación, como quiera que se garantiza que los paquetes llegan al destino en orden correcto, característica indispensable para tráfico de voz o de video.
3.2.2.2 Celdas ATMEn ATM el ancho de banda es segmentado en unidades de longitud fija denominadas celdas. Cada celda está compuesta por dos campos: el campo de datos cuya longitud es de 48 bytes y corresponde a la información del usuario de la red; el otro campo, es un encabezado con longitud de 5 bytes que contiene información de control utilizada principalmente para el enrutamiento de las celdas. Las celdas pueden ser asignadas en cualquier momento a los servicios que lo requieran.Los campos del encabezado son: VPI (Virtual Path Identifier) y VCI (Virtual Channel Identifier) que, en teoría, son los únicos campos que son necesarios en el encabezado de la celda ATM para llevar a cabo funciones de conmutación y multiplexación [MIN89],puesto que contienen la identificación de la conexión virtual de la celda, llevando implícita la ruta de la celda dentro de la red. La longitud del VCI es de 16 bits y la del VPI 8 bits. Existen dos campos con longitud de 3 bits y 1 bit respectivamente. El primero se utiliza para indicar a qué tipo de servicio ha sido asignada la celda y el segundo para indicar su prioridad. Las prioridades coadyuvan a enrutar con mayor rapidez, cierto tipo de paquetes que correspondan, por ejemplo, a servicios de tiempo real como puede ser el caso de la voz. El GFC (Generic Flow Control), es utilizado para control de flujo en caso de que se construyan algoritmos para este propósito. El GFC posee una longitud de 4 bits. Por último se encuentra el HEC (Header Error Check) que permite realizar funciones de control de errores para el encabezado de la celda. Este campo mide 8 bits.La determinación de escoger un tamaño fijo para las celdas, obedece a un compromiso entre eficiencia de transmisión y retardo de las celdas. La eficiencia en transmisión es mejor para paquetes grandes, pero debido a la cantidad y a la complejidad del procesamiento realizado en los nodos para cada celda, se introducen retardos muy grandes e inaceptables, según recomendaciones del UIT-T para determinado tipo de tráfico como voz o video telefonía.Una vez decidido que los paquetes de ATM tendrían longitud fija -razón por la cual se les dio el nombre de celdas-, se pasó a determinar la longitud para el campo de datos de cada celda. Un comité europeo votó a favor de 32 bytes, ya que un tamaño mayor implicaría tener canceladores de eco para contrarrestar la degradación de la calidad ocasionada por celdas de mayor longitud. El grupo de Estados Unidos y Japón se inclinó por un tamaño de 64 bytes en razón a la eficiencia que se obtiene en materia de transmisión. En junio de 1989 se llegó a un compromiso definiendo 48 bytes como el estándar para la longitud del campo de información de cada celda ATM.
3.2.2.3. Modo de transferenciaEl modo de transferencia usado por las redes convencionales de conmutación de paquetes es TDM (Time Division Multiplexing), que consiste en la asignación de canales, utilizando ventanas de tiempo fijo para cada trama.ATM realiza asignación dinámica del ancho de banda, de tal manera que el recurso se le asigna únicamente a los canales que tengan algo para transmitir en un momento dado (figura 6) [SPR90], permitiendo que el ancho de banda sea utilizado de una manera más eficiente ya que no se desperdicia en ningún momento.En la figura 6, T1 y T2 representan diferentes cantidades de tiempo entre las celdas, correspondientes al tiempo transcurrido entre el último bit transmitido y el siguiente bit esperando por transmisión. La variabilidad en estos tiempos ilustra la naturaleza asincrónica del protocolo ATM. [SPR90]

3.2.2.4. Modo de conmutaciónLa clave de ATM con respecto a este aspecto, es utilizar una técnica que realice la tarea de conmutación dinámicamente. La técnica más comunmente utilizada es el principio de conmutación de Banyan que se ilustra en la figura 7.Para simplificar se ilustra un conmutador de 2 etapas que provee cuatro líneas de entrada, y cuatro líneas de salida. En general un conmutador de n etapas provee 2n líneas de entrada y de salida. [SPR90]El principio de conmutación de Banyan es que cada etapa "lee" un bit prediseñado (la etapa 1 lee el primer bit, la etapa 2 lee el segundo bit y así sucesivamente) de la celda que llega, y la conmuta a la línea de salida diseñada para ese bit. [SPR90]En la figura 7, el paquete en la línea de entrada 1 está antecedido por un 1 y un 0, la etapa 1 lee el 1 y conmuta el paquete a la etapa 2. La etapa 2 lee el 0 y enruta el paquete por la línea de salida 3. Note que la secuencia 1 0 puede llegar sobre cualquiera de las cuatro líneas de entrada y la línea de salida siempre es la misma. La misma lógica aplica a un conmutador de Banyan de n etapas.
Figura 7. Principio de conmutación de BanyanEl terminal de origen establece un Identificador de Canal Virtual (VCI), que identifica el canal con cada enlace dentro de la ruta total de la celda. El VCI, como ya se dijo, hace parte del encabezado de cada paquete. La secuencia de enrutamiento "XX" (3 Xs para tres estados, 4 para 4, etc.) se denomina etiqueta y se adiciona al principio del VCI. [SPR90]. En el proceso de inicialización, el VCI es interceptado por un controlador de línea, que envía el VCI a un módulo procesador de llamados, el cual calcula la etiqueta que se debe asociar al VCI. La etiqueta y el numero del VCI pueden almacenarse en memoria caché, con el propósito de adicionar la etiqueta automáticamente, a celdas subsecuentes que lleguen con el mismo VCI, evitando que este tipo de procesamiento se realice cada vez que una celda nueva sea recibida.Cuando el paquete abandona el conmutador, la etiqueta se elimina y se establece un nuevo enlace con base al valor actual del VCI. Una vez el paquete llega a subsecuentes nodos de conmutación, sus controladores de línea adicionan la etiqueta apropiada a la celda, y esta es conmutada nuevamente hacia su destino. [SPR90]
3.2.2.5. Ventajas y desventajas de ATMAlgunas de las ventajas de ATM son: manejo eficiente del ancho de banda, ya que este recurso nunca es asignado a canales que no tengan tráfico; los costos de administración, mantenimiento y evolución de la red se manejan mejor en un ambiente integrado que en un ambiente de varias redes especializadas controladas por diferentes sistemas de administración; es posible adicionar nuevas aplicaciones a la red ATM de manera más rápida y económica en vez de construir una nueva red específica para la nueva aplicación.Dos de los mayores atractivos de ATM son: se constituye en una interesante alternativa para prestar servicios que involucren voz, ya que los retardos introducidos por el proceso de transmisión de las celdas, son bastante aceptables para este tipo de tráfico; por otro lado, ante la garantía de que la red ATM es confiable y robusta, la probabilidad de que se produzcan errores en los paquetes o pérdida de los mismos es muy baja. Gracias a estos dos aspectos, ATM puede garantizar transparencia en la semántica y en el tiempo.La principal desventaja de ATM es que requiere de una infraestructura un poco costosa, dificultando su implantación a corto plazo, lo anterior se cumple particularmente en nuestro país, donde no se cuenta aún con los recursos económicos para hacerlo