Tecnología y productos de conmutación de redes

Introducción:

Las redes actuales sufren, frecuentemente, de congestión y colapsos importantes. Estos se producen no solo en grandes redes, sino también y especialmente cuando por ellas circula tráfico que hasta hace poco no era habitual, como son gráficos, vídeo y audio, y en definitiva cualquier aplicación de mensajería electrónica y multimedia. A ello colabora el imparable incremento de prestaciones de las estaciones de trabajo y otros tipos de nodos existentes en las redes.

Los 2 Mbps. de las redes Arcnet han sido ampliamente superados por los 4 y 16 Mbps. de Token Ring y los 10 Mbps. de Ethernet, y todo ello en un corto espacio de tiempo, y más aún, en los últimos meses prácticamente, oímos hablar de Fast Ethernet (100 Mbps.), y como no, ATM (desde 155 hasta 622 Mbps.).

Sin embargo, cabe preguntarse si realmente precisamos estas velocidades entre todos los puntos de la red, o si nuestras redes actuales pueden seguir cumpliendo sus cometidos e incluso permitir las nuevas aplicaciones de videoconferencia, excepto en puntos concretos (servidores), hacia donde el tráfico esta centralizado.

Además, hay que tener en cuenta que, por ejemplo en una red Ethernet de 10 Mbps., en la que existan 10 nodos que generen una cantidad de tráfico similar, el ancho de banda, o por decirlo de un modo más comprensible, la velocidad media a la que dichos puestos de trabajo acceden en la actualidad a la red, es de 1 Mbps. Esto es lo que podemos denominar "ancho de banda compartido", que es la oferta de las redes actuales.

Pero, ¿ Que ocurriría si, por ejemplo, lográsemos que todo el ancho de banda que Ethernet nos permite, 10 Mbps., pudiera estar disponible en todo momento a cada uno de los puestos de la red ?. La respuesta es sin duda, que en la mayoría de los casos y en gran parte de las redes de pequeño y medio tamaño, sería suficiente y no requeriría cambiar toda la estructura de la red hacia las nuevas tecnologías como las que Fast Ethernet y ATM nos proponen.

Esta es la propuesta que nos ofrecen las nuevas técnicas de conmutación de paquetes y además, funcionando a través de las redes actuales, sin cambios en el cableado ni en las tarjetas y software de los puestos de trabajo.

Tecnología:

La forma más evidente, y la base de las redes conmutadas, es la reducción del número de nodos por red, con lo que se logra el objetivo de incrementar el ancho de banda disponible para cada usuario en dicho tramo, llegando incluso a un solo nodo en cada red. Esto es lo que se denomina segmentación, y a cada tramo de red así creado, lo llamamos segmento.

Pero, como es lógico, los usuarios de esos segmentos, precisan una comunicación con el resto de la red, e incluso con otros segmentos, o perderíamos el objetivo de las redes. Además, dicha comunicación entre segmentos, debe de poder realizarse a gran velocidad. Para ello se ha creado un nuevo tipo de concentrador (hub), denominado conmutador (switch).

Para entender el concepto y la funcionalidad de los conmutadores, es conveniente que antes recordemos algunos conceptos de otros dispositivos más comunes en las redes actuales:

1. Repetidores. Un repetidor es la expresión mínima de un concentrador, o dicho con más propiedad, podemos afirmar que un concentrador es un repetidor multipuerto. Los repetidores, con solo dos puertos (denominamos puerto a cada conexión con la red o segmento de la misma), diseñados según las especificaciones IEEE 802.3, actúan como una parte del cableado de la red, ya que transfieren los paquetes recibidos de un extremo al otro, independientemente de su contenido, su origen y su destino, es decir, de un modo totalmente transparente e indiscriminado. Nos permiten interconectar dos o más (según sean puros repetidores o concentradores, respectivamente) segmentos incluso con diferentes tipos de cableado, permitiéndonos, de este modo, sobrepasar el número máximo de nodos o la longitud máxima permitidas por segmento. Se encargan de regenerar las señales y resincronizar los segmentos, e incluso de desconectar (lo que se llama segmentar o particionar) a aquellos que funcionan inadecuadamente, permitiendo así que el resto de la red siga trabajando. Por supuesto, el uso de repetidores también esta limitado, ya que generan un pequeño retraso, que en caso de prolongarse por varios repetidores consecutivos, impediría el adecuado funcionamiento de la red y la perdida de los paquetes que circulan por la misma; entre dos nodos cualesquiera de la red, pueden existir un máximo de cuatro repetidores, lo que equivale a cinco segmentos, y además en un máximo de tres de ellos pueden conectarse otros nodos (es decir dos de los cinco segmentos sólo pueden ser empleados para la interconexión entre repetidores). La velocidad a la que transmiten los paquetes es siempre la misma que la de la propia red. Los repetidores actúan, según el modelo OSI, a nivel físico (capa 1).
2. Puentes. Los puentes (bridges) fueron diseñados, según la normativa IEEE 802.1d, para la conexión de redes diferentes. Igual que los repetidores, son independientes de los protocolos, y retransmiten los paquetes a la dirección adecuada basándose precisamente en esta, en la dirección destino (indicada en el propio paquete). Su diferencia con los repetidores consiste en que los puentes tienen cierta "inteligencia", que les permite reenviar o no un paquete al otro segmento; cuando un paquete no es retransmitido, decimos que a sido filtrado. Además esos filtros pueden ser automáticos, en función de las direcciones de los nodos de cada segmento, que los puentes "aprenden" al observar el tráfico de cada segmento, o pueden ser filtros definidos por el administrador de la red, en función de razones de seguridad, organización de grupos de trabajo en la red, limitación de tráfico innecesario, etc. Otra importante diferencia es que con los repetidores, el ancho de banda de los diferentes segmentos es compartido, mientras que con los puentes, cada segmento dispone del 100% del ancho de banda, o, en otras palabras, el ancho de banda total de la red se multiplica por el número de puertos de los que dispone el puente. En el caso de una red Ethernet, un puente (2 puertos), el ancho de banda disponible entre dos segmentos sería de 20 Mbps., y si disponemos de un "puente multipuerto", por ejemplo con 3 puertos, el ancho de banda total será de 30 Mbps., y así sucesivamente. Su filosofía impide que las colisiones se propaguen entre diferentes segmentos de la red, algo que los repetidores son incapaces de evitar. Los puentes pueden llegar, según sus prestaciones, a transmitir los paquetes a la misma velocidad a la que circulan por la red. Habitualmente, los puentes de una red se enlazan entre si con topología de bus y a su vez se combinan con concentradores o repetidores multipuerto para extender la red de un modo eficaz, mediante una topología de estrella. Los puentes funcionan en la capa 2 del modelo OSI (enlace). Una característica muy importante de los puentes es el algoritmo de "expansión en árbol" (spanning tree), un mecanismo del software de un puente, por el cual se impide que se creen bucles dentro de una red donde haya varios puentes, al intercambiar constantemente entre ellos unos paquetes denominados BPDU, que les permiten reconfigurar, dinámicamente, los caminos a seguir por el tráfico de la red, sirviendo así incluso, de medida de seguridad en caso de fallo de algún puente, al poder establecer, automáticamente, una ruta alternativa.
3. Encaminadores. Los encaminadores (routers), son dependientes del protocolo, y de modo similar a los puentes, tienen la capacidad de filtrar el tráfico de un modo inteligente. Su funcionamiento está basado, en gran medida en la información del protocolo contenida en cada paquete. Igual que los puentes, impiden la propagación de las colisiones de unos segmentos a otros de la red; es más, en realidad, separan totalmente los segmentos convirtiéndolos en redes lógicas totalmente diferentes, que denominamos "subredes", e incluso modifican el contenido de los paquetes retransmitidos. Como en el caso de los puentes, pueden llegar a transmitir los paquetes a la misma velocidad que a la que circulan por la red. Los encaminadores se sitúan en la capa de red del modelo OSI (nivel 3), sin embargo, la realidad es que, en la mayoría de los productos actuales, hay una gran mezcla entre puentes y encaminadores, los que denominamos "brouters", que realizan funciones de puentes a nivel 3, y tienen la capacidad de comportarse tanto como puros puentes como puros encaminadores.
4. Conmutadores. Los conmutadores (switches), son, en cierto modo, puentes multipuerto, aunque pueden llegar a tener funciones propias de encaminadores. Incrementan la capacidad total de tráfico de la red dividiéndola en segmentos mas pequeños, y filtrando el tráfico innecesario, bien automáticamente o bien en función de filtros definidos por el administrador de la red, haciéndola, en definitiva, más rápida y eficaz. Cuando un paquete es recibido por el conmutador, éste determina la dirección fuente y destinataria del mismo; si ambas pertenecen al mismo segmento, el paquete es descartado; si son direcciones de segmentos diferentes, el paquete es retransmitido (a no ser que los filtros definidos lo impidan). La diferencia fundamental, teóricamente, entre puentes y conmutadores, es que los puentes reciben el paquete completo antes de proceder a su envío al puerto destinatario, mientras que un conmutador puede iniciar su reenvío antes de haberlo recibido por completo; ello redunda, evidentemente, en una mejora de prestaciones.

Un conmutador mantiene, internamente, una tabla asociando los puertos físicos con las direcciones de los nodos conectados a cada puerto. Las direcciones pueden haber sido introducidas manualmente por el administrador de la red, o pueden haber sido aprendidas por el conmutador en su continua monitorización de los paquetes que le llegan por cada puerto. Usando esta tabla, y las direcciones destino de los paquetes recibidos, el conmutador determina una "conexión virtual" desde el puerto fuente al destino, y transfiere el paquete en función de la misma. Esta conexión virtual entre la fuente y el destino, se establece solo para cada paquete enviado.

Además, los conmutadores ofrecen la posibilidad de realizar transferencias simultáneas entre diferentes pares de puertos, a la velocidad de la red. En cualquier caso, el número máximo de transferencias simultáneas que un conmutador puede realizar, es una de las características fundamentales para determinar sus prestaciones reales. Así, un conmutador de 24 puertos, puede simultanear 12 "conversaciones", y si estas son Ethernet (10 Mbps.), su capacidad total será de 120 Mbps.; en el caso de que la combinación de su hardware/software no permita dicha capacidad teórica, se produce su bloqueo interno, y por tanto, podríamos hablar de un conmutador defectuosamente diseñado.

Por otro lado, si el trafico se produce desde varios puertos fuente hacia un único puerto destino, lo que podría ser el caso de un servidor y múltiples clientes, las prestaciones del sistema no se incrementan significativamente mas allá de la propia velocidad de la red, puesto que el tráfico desde/hacia el servidor es incapaz de superar el límite impuesto por su segmento. Se produce entonces otro tipo de bloqueo interno, ya que el conmutador se ve obligado a almacenar temporalmente los paquetes que lleguen cuando ya se haya establecido una conexión virtual, hasta que esta termine y pueda establecerse una nueva, y así sucesivamente.

Como no, esto también tiene solución, ya que en el mercado disponemos de conmutadores que ofrecen conexiones, bien para el enlace con servidores o con el troncal de la red, o incluso para la intercomunicación con otros conmutadores, a mayores velocidades, con soporte de tecnologías como Fast Ethernet (100 Mbps.), Full Duplex Ethernet (20 Mbps.), Full Duplex Fast Ethernet (200 Mbps.), FDDI (100 Mbps.), e incluso ATM (155 Mbps.).

También se puede optar por otra opción, si el software del servidor lo soporta, que es la de conectar el servidor o servidores, al conmutador, simultáneamente por varios puertos o segmentos de la red. Ello requiere también un soporte especial por parte del software del propio conmutador, para que identifique los diferentes puertos como correspondientes a un único nodo de la red, y sea capaz de remitir el tráfico a uno u otro puerto en función de su ocupación.

Los conmutadores pueden realizar su función de dos modos diferentes:

1. Cortar-Continuar. Dado que la dirección destino está en la primera parte del paquete, el reenvío del mismo puede iniciarse antes incluso de que el paquete entero haya sido recibido por el conmutador, y en ello se basa el método "cortar-continuar" (cut-through). Es decir, el paquete es examinado, tan pronto como se ha podido "cortar" la parte donde esta la dirección destino, al mismo tiempo que se continúa recibiendo el resto del paquete; en el momento en que se ha podido decidir si ha de ser reenviado o filtrado, se puede iniciar su transmisión, aunque no haya sido recibido en su totalidad. La ventaja de este procedimiento es su baja latencia, pero tiene por contra, el inconveniente de que, al no ser examinado el paquete en su totalidad antes de su reexpedición, se pueden propagar errores existentes en el mismo, e incluso fragmentos de paquetes con colisiones, lo que implicará un "consumo" innecesario del ancho de banda del segmento receptor, y por tanto una reducción en las prestaciones del conmutador. Por otro lado, cuando se transmiten paquetes entre redes de diferentes velocidades, no es posible utilizar este método, ya que, por ejemplo, al enviar un paquete recibido a 100 Mbps., a una red de 10 Mbps., la red receptora no sería capaz de "recoger" a la suficiente velocidad el paquete y se generaría un error, y viceversa. Hay que resaltar que esta misma situación, sin necesidad de que exista diferencia de velocidades, se produce cuando la red destinataria esta congestionada o colapsada.
2. Almacenar-Transmitir. Cuando se emplea la técnica de almacenar y transmitir (store-and-forward), el conmutador recibe el paquete completo, la almacena en su memoria interna, y lo examina por entero antes de decidir si ha de ser transmitido o filtrado. El inconveniente teórico es que precisan de una memoria para almacenar los paquetes, así como de procesadores y software más potente para evitar retrasos (disminuir la latencia), lo que supone un coste y complejidad de diseño mayores. Pero, obviamente, sus prestaciones son mejores al eliminar paquetes erróneos de la red e incluso permitir filtros mas sofisticados al poder analizarse el paquete completo. Además el argumento de que una latencia menor es mejor, no es válido si tenemos en cuenta que muchos de los protocolos de transporte modernos (TCP, NFS e IPX en modo ráfaga) permiten el envío de secuencias de múltiples paquetes consecutivos antes de recibir el reconocimiento de que el primero ha sido recibido adecuadamente; y por lo tanto, no se produce ningún retraso en el envío del siguiente paquete, por no haber llegado la señal de reconocimiento del primero, puesto que el segundo y sucesivos ya han sido remitidos.

Existen multitud de tipos de concentradores que pueden ser catalogados como conmutadores, y cada uno de ellos puede decirse que resuelve problemas concretos de la red. Pero fundamentalmente, podemos clasificarlos en dos grupos fundamentales:

1. Conmutador de grupo de trabajo. Un conmutador de grupos de trabajo (workgroup switch), garantiza la velocidad de la red entre pares de estaciones o nodos. Si la velocidad de los puertos fuente y destinatario es igual, el destinatario debe de estar ocioso (idle) para evitar el bloqueo. En este caso, se soporta una única dirección por puerto, que a su vez es la mínima unidad de segmento; cada segmento tiene por tanto, una conexión dedicada, con todo el ancho de banda de la red. Por supuesto, se pueden ofrecer puertos con diferentes velocidades, como se ha mencionado antes, por ejemplo para servidores y clientes. A los puertos que solo admiten una única dirección para un punto final de la red, se les denomina puertos privados (Private Ports). Para la conexión a troncales, en cambio, se requiere un puerto de red estándar, es decir, no limitado a una única dirección de red.
2. Conmutador de red. Un conmutador de red (network switch) ha de garantizar la conectividad a la velocidad de la red, entre pares de segmentos de red. Si las velocidades de los segmentos origen y destino son iguales, el segmento destino debe de estar ocioso, para evitar el bloqueo. En este caso, a cada puerto del conmutador, se suele asociar un grupo de trabajo, por lo general a través de un concentrador, y los nodos del mismo comparten el ancho de banda dentro del mismo segmento. La ventaja evidente, frente a un conmutador de grupos de trabajo, es su menor coste por nodo final, pero su desventaja el limitar el ancho de banda, que queda repartido entre todos los nodos de un segmento, y obviamente, su instalación es más complicada por la necesidad de equilibrar la carga de trabajo de la red en cada segmento.

Muchos concentradores modulares, de altas prestaciones, ofrecen una singular característica, basada fundamentalmente en software, que se denomina "conmutación de puertos" (port switching), y que en parte coincide con la estrategia de conmutación de los conmutadores, aunque no necesariamente emplean la misma tecnología. Para ello, el hardware esta preparado para dividir el concentrador en varios segmentos Ethernet, y asignar, a cada segmento, en un momento dado, un puerto o grupo de puertos. La ventaja de estos dispositivos es evidente, dada la capacidad y flexibilidad que supone para el administrador del sistema, poder "mover" puertos mediante un software de control, en función de repartir la carga de trabajo de los segmentos de la red, cambiar a un usuario de grupo de trabajo, etc., todo ello sin necesidad de cambiar físicamente el cableado de la instalación.

Prestaciones de los conmutadores:

Dado que un conmutador pretende solucionar los problemas de ancho de banda real disponible en la red, y por tanto evitar su congestión, es importante determinar sus prestaciones, que podemos analizar en función de tres parámetros fundamentales:

1. Ancho de banda puerto a puerto. Las redes Ethernet, a 10 Mbps., son capaces de transmitir 14.880 paquetes por segundo (PPS), para paquetes de un tamaño mínimo de 64 bytes. Esta velocidad, que se denomina velocidad de la red o "velocidad del cable" (wire speed), es la máxima teóricamente alcanzable. Un conmutador, e incluso un puente o conmutador que sea capaz de sostener dicha velocidad, en una conversación entre dos de sus puertos cualesquiera, ofrece las máximas prestaciones posibles en este sentido. Nos indica que su combinación de hardware y software es capaz de ser tan eficiente como lo es el propio cableado en si mismo.
2. Ancho de banda total. Bien sea medida en Mbps. o PPS, el ancho de banda total es la máxima velocidad a la que los paquetes pueden ser "movidos" a través del conmutador y por tanto recibidos y enviados por los puertos del mismo. En un conmutador con 24 puertos Ethernet (10 Mbps.), su ancho de banda total, debe de ser igual a la suma del máximo número de conexiones virtuales que pueda establecer a la velocidad de la red (o "velocidad del cable"), es decir, 120 Mbps. (10 Mbps. ´ 12 conexiones virtuales) o bien 178.560 PPS (14.880 ´ 12 conexiones virtuales). Este sería el caso de un conmutador "no bloqueable" internamente (non-blocking).
3. Latencia. La latencia (latency) es la demora en el tiempo, o retraso, desde la recepción de los datos en un puerto y su reexpedición al puerto destino. Por lo general se toma como punto de referencia el primer bit de cada paquete. La latencia depende fundamentalmente del tiempo requerido por el hardware y software del conmutador para identificar la dirección destino. Una baja latencia incrementa las prestaciones, especialmente en redes que emplean protocolos de señalización y reconocimiento (handshaking), en los que todas las transferencias de datos se implementan en secuencias de transmisiones de paquetes individuales, cada uno de los cuales es reconocido (acknowledged) individualmente por el destinatario. La baja latencia es menos importante en redes que emplean protocolos de "windowing", ya que implementan las transferencias de datos en secuencias de múltiples paquetes, reconocidos como un grupo por el receptor.

Aplicaciones y productos:

A lo largo de las páginas anteriores, ya hemos esbozado las aplicaciones básicas de los conmutadores, que sin embargo podemos sintetizar en:

Los fabricantes que ofrecen conmutadores, hoy en día y en nuestro mercado, son: Alantec, Artel, Cabletron, Cisco, Grand Junction Networks, Interphase, Kalpana, Lannet, Lantronix, SMC, UB, y 3COM. El abanico de productos ofrecidos incluye una variedad imposible de enumerar en estas líneas.

Lo que si cabe señalar es que algunos fabricantes ofrecen soporte, en sus dispositivos de conmutación, para redes FDDI, ATM, Fast Ethernet, Full Duplex Ethernet, Full Duplex Fast Ethernet y Token Ring, entre otras, bien como puertos independientes, o incluso como conmutación de dichos tipos de redes. Sin duda el soporte multitecnología y la modularidad, primarán en los futuros productos que el mercado adopte, aunque podemos afirmar que algunos de ellos ya han hecho su aparición, y están despuntando con fuerza frente a otros productos de gama baja e inferiores prestaciones.

Sin duda, es fundamental recalcar que existen en el mercado puentes y encaminadores multipuerto, cuyas prestaciones y funcionalidad pueden llegar a ser equivalentes a las de verdaderos conmutadores, especialmente para pequeños grupos de trabajo o redes no excesivamente grandes.

Resumiendo:

Podemos esquematizar las ventajas clave de la conmutación en:

Me atrevo a predecir, sin duda alguna, el incremento en el uso de este tipo de dispositivos, cada vez más sofisticados y modulares en todo tipo de redes, e incluso en un futuro no muy lejano, la desaparición de puentes y encaminadores, tanto locales como remotos, puesto que los conmutadores pueden cumplir perfectamente y con creces, todas sus funciones.