Topologías de Red: RDSI, Softswitch, Frame Relay y Más

Tipos de Topologías Punto a Punto

En una topología punto a punto, solo hay un dispositivo conectado a la red. Este tipo de conexión está limitada por las características del cable. Podrán ser menos de 1000 metros, dependiendo de la calidad del cable. Usualmente se usa en redes WAN.

RDSI (ISDN, Integrated Services Digital Network)

Es una red que integra voz y datos digitales.

Compatibilidad y conectividad a nivel internacional.
Red digital con voz, imagen y datos digitalizados integrados.

B/ISDN (o RDSI/BA) es un concepto de red de alta capacidad con posibilidad de cursar tráfico multimedia (voz, datos, video, etc.).

Modelo General ISDN

ISDN pretende crear un sistema completo que permita abastecer a cualquier servicio actual y futuro al usuario. Se tiene una división entre ISDN de Banda Angosta y Banda Ancha:

N/ISDN Banda Angosta (Narrowband): En el primer caso se incluyen servicios de baja velocidad digital, tanto de redes públicas como privadas (telefonía, telefax, teletex, videotex, etc.), incluyendo el servicio de videoteléfono de baja velocidad.
B/ISDN Banda Ancha (Broadband): Se incluyen adicionalmente los servicios de alta velocidad, como ser televisión y radio de alta calidad. Este servicio de banda ancha se realizará mediante el Modo de Transferencia Asincrónico ATM.

Capacidad de Acceso

Se definen en ITU-T I.412:

Canal B con una capacidad de 64 kb/s. La señal vocal se codifica de acuerdo con ITU-T G.711 y las velocidades inferiores pueden multiplexarse o rellenarse (justificarse) para llevarlas a este valor. El canal B puede ocuparse con telefonía a 64 kb/s.
Canal D con una velocidad de 16 o 64 kb/s. Se usa para señalización de acuerdo con ITU-T I.440/451.
Canal H con velocidades de H0= 384 kb/s, H11= 1536 kb/s y H12= 1920 kb/s.

La estructura de acceso al usuario mediante canales B para datos y D para señalización, tiene 3 versiones distintas:

2B+D a 144 kb/s denominado acceso básico o BRI (Basic Rate Interface).
23B+D a 1544 kb/s.
30B+D a 1920 kb/s denominado acceso primario o PRI (Primary Rate Interface).

El acceso básico posee 2 canales B de datos de 64 kb/s y uno de señalización D a 16 kb/s, mientras que el acceso primario tiene 30 canales B de datos y uno de señalización D a 64 kb/s.

Softswitch

El Softswitch es el principal dispositivo en la capa de control dentro de una arquitectura NGN (Next Generation Network), encargado de proporcionar el control de llamada (señalización y gestión de servicios), procesamiento de llamadas, y otros servicios, sobre una red de conmutación de paquetes (IP).

El Softswitch actúa como gestor en el momento de interconectar las redes de telefonía tradicional, e incluso las redes inalámbricas 3G con las redes de conmutación de paquetes (IP), buscando como objetivo final lograr la confiabilidad y calidad de servicio similar a la que brinda una red de conmutación de circuitos con un menor precio.

Busca la utilización de estándares abiertos para lograr la integración de las redes de próxima generación con la capacidad de transportar voz (Voz sobre IP), datos y multimedia, sobre redes IP. Pudiendo así, considerar al Softswitch como una eficiente plataforma de integración para el intercambio de servicios y aplicaciones.
Desde el punto de vista de VoIP, se suele considerar al Softswitch como el Proxy o elemento de registro en el protocolo SIP o como el Gatekeeper en H.323. También se lo puede asociar cuando se habla de un MGC (Media Gateway Controller) en MGCP y MEGACO.

Las ventajas de control y gestión de una red multiservicios que presenta el Softswitch, hace que la arquitectura NGN se presente claramente como la evolución de la red tradicional de telefonía (RTC) conmutada.

Arquitectura de Softswitch

Un computador de propósito general que ejecuta un programa que lo convierte en un switch de teléfonos inteligentes.
Menores costos que un switch de hardware.
Mayores funcionalidades.
Paquetización de voz integrada.
Permite VoIP.

La parte más compleja de los switch de la red telefónica es controlada por las llamadas a un programa:

Enrutamiento de llamadas.
La lógica de procesamiento de la llamada.
Normalmente corre en procesadores propietarios.

Separa el procesamiento de las llamadas de las funciones de hardware del switch.

Softswitch/MGC

También es conocido como Call Agent o Media Gateway Controller (MGC). Es el mecanismo que provee el control de provisión de servicio en la red, está a cargo del control de llamada. Maneja el control de las Pasarelas de Medios (Acceso y/o Enlace) vía protocolo H.248. Realiza la función de una pasarela de señalización o usa una pasarela de señalización para trabajar conjuntamente con la red de señalización RTPC N7. Provee conexión a los servidores de Red Inteligente/aplicaciones para proveer los mismos servicios que los disponibles para los abonados a TDM.

Conmutación de Paquetes

No existe reserva de recursos.
Los datos se transmiten en trozos denominados paquetes.
Un nodo no puede reenviar un paquete hasta que no ha sido completamente transmitido por el nodo anterior.

Ventajas de las Redes de Conmutación de Paquetes

Envío de información en paquetes a través de la red, sin el uso de líneas dedicadas de transmisión.
Una línea de nodo a nodo puede ser compartida por varios paquetes en el tiempo.
La cola de paquetes es transmitida tan pronto como es posible.
Conversión de tasas de transferencias.
Cada estación se conecta a su nodo local a su propia velocidad.
Buffers de datos en los nodos son necesarios para equilibrar las tasas.
Los paquetes son aceptados aun cuando la red esté ocupada.
El envío puede ser más lento debido a esto.
Se pueden establecer prioridades.
Se puede lograr el no bloqueo, a costa de aumentar el retardo.
Envíos múltiples: multicast, broadcast.
Control de flujo, de errores, etc.
Tiempos de transmisión variables.

Partes de un Conmutador de Paquetes

Interfaz de Red: donde se conectan las diferentes líneas o enlaces.
Buffers de recepción: en los que se almacenan los datos de cada mensaje que se está recibiendo.
Memoria Central (FIFO): en la que se guardan los mensajes antes de enviarse.
Procesadores: para analizar la cabecera del mensaje y decidir a qué buffer de salida se encaminan, antes de ser enviadas por la interfaz de salida.
Buffer de Salida (reenvío).
Interfaz de Salida (red).

Concepto de Frame Relay

FRAME RELAY es una tecnología de conmutación rápida de tramas, basada en estándares internacionales, que puede utilizarse como un Protocolo de Transporte y como un Protocolo de Acceso en redes públicas o privadas proporcionando servicios de comunicaciones.

Funciones

Verifica el HDLC FCS (Frame Check Sequence).
Conmuta el DLCI (Data Link Connection Identifier).

Características

Conserva el orden de la trama.
Conecta en forma múltiple la capa de enlace.
Alto ancho de banda (alto performance).
Multiplexación estadística.

Evolución de Frame Relay

Frame Relay ha evolucionado, proporcionando la integración en una única línea de los distintos tipos de tráfico de datos y voz y su transporte por una red que responde a las siguientes necesidades:

Alta velocidad y bajo retardo.
Soporte eficiente para tráficos a ráfagas.
Flexibilidad.
Eficiencia.
Buena relación coste-prestaciones.
Transporte integrado de distintos protocolos de voz y datos.
Conectividad todos con todos.
Simplicidad en la gestión.
Interfaces estándares.

Principios Básicos de Frame Relay

Las líneas digitales, la eliminación de funciones innecesarias y la prevención de la congestión, convierten Frame Relay en la mejor solución WAN. Frame Relay se basa en los tres principios siguientes:

El medio de transmisión y las líneas de acceso están prácticamente libres de errores.
La corrección de errores se proporciona por los niveles superiores de los protocolos de las aplicaciones de usuario.
La red, en estado normal de operación, no está congestionada, y existen mecanismos estándares de prevención y tratamiento de la congestión.

Transmisión de Información entre Dos Usuarios en Frame Relay

El siguiente gráfico representa cómo se transmite la información de dos usuarios. Primeramente, se conecta a los usuarios mediante un acceso Frame Relay (puerto en el nodo de la red más línea de acceso). Después se define en la red un CVP entre los accesos, que es el camino lógico para la transmisión de información. Un usuario puede definir más de un CVP hasta distintos destinos a través de un único acceso Frame Relay. Este concepto se denomina Multiplexación Estadística.

Características de la Red Frame Relay

Frame Relay es una red de conmutación de paquetes orientada a conexión.
Para que la comunicación sea posible es necesario que antes se establezca un circuito virtual entre dos hosts de la red.
Los circuitos virtuales pueden ser permanentes o conmutados, y se identifican mediante los denominados DLCI (Data Link Connection Identifier).
Los DLCI tienen por defecto 10 bits de longitud, aunque se han definido extensiones que permiten utilizar DLCIs de 16, 17 o 23 bits.

Significado de los Campos en Frame Relay

DLCI (Data Link Connection Identifier): este campo (que se encuentra dividido en dos partes) tiene una longitud total de 10 bits. Especifica por qué circuito virtual debe circular la trama correspondiente.
C/R (Command/Response): el significado de este bit es específico de la aplicación y no se utiliza en el protocolo Frame Relay estándar.
FECN (Forward Explicit Congestion Notification): como su nombre indica, este campo de un bit se emplea en el control de congestión explícito hacia delante.
BECN (Backward Explicit Congestion Notification): como su nombre indica, este campo de un bit se emplea en el control de congestión explícito hacia atrás.
DE (Discard Elegibility): sirve para marcar las tramas de ‘segunda clase’, que son aquellas que el usuario ha ingresado en la red superando el caudal que tenía contratado.

Tipos de Circuitos en Frame Relay

Para establecer un SVC (Switch Virtual Circuit) en Frame Relay se utiliza el protocolo de señalización Q.933 de la ITU-T, que es un subconjunto del Q.931 utilizado en RDSI.
De forma análoga a RDSI o ATM, Frame Relay utiliza señalización fuera de banda para establecer la conexión, es decir, se reserva un DLCI especial (el DLCI 0) para las funciones relativas al establecimiento y terminación del SVC.
Para establecer un PVC (Permanent Virtual Circuit) en Frame Relay se utiliza si no se soporta el protocolo de señalización Q.933.
Las funciones de LMI (Local Management Interface) permiten que el conmutador FR anuncie al Host los DLCI de los PVC que están definidos.

Establecimiento de Conexiones en Frame Relay

Para conectar un host a una red Frame Relay se establece un enlace mediante una línea punto a punto entre el host y el conmutador Frame Relay al que se conecta.
Una vez hecha la conexión física, el host establece un circuito virtual por el DLCI 0 con el conmutador Frame Relay.
Si la red soporta el protocolo de señalización Q.933 se establecerán circuitos virtuales conmutados (SVCs) de manera dinámica.
Si la red no soporta Q.933 (que es el caso de la mayoría de las redes Frame Relay públicas) solo se podrán establecer circuitos virtuales permanentes (PVCs).
La elección de la ruta se realiza en el momento de establecer el circuito; si se trata de un SVC la elección la realiza el protocolo de señalización Q.933, si es un PVC la realiza el operador al configurar el PVC en los equipos.
Un PVC o SVC se constituye por una entrada en la tabla de circuitos de cada conmutador Frame Relay por el que pasa.
En cada conmutador el circuito es una correspondencia entre el puerto de entrada y su DLCI con el puerto de salida y su DLCI (que normalmente será diferente).
Las tramas Frame Relay que viajan por ese circuito están continuamente cambiando el valor de su campo DLCI.

Control de Tráfico en Frame Relay

El control de tráfico en Frame Relay se basa en la especificación de varios parámetros, el más importante de los cuales es el denominado CIR (Committed Information Rate). En el caso de circuitos permanentes el CIR se especifica en el momento de configurar los equipos; en el de circuitos conmutados es solicitado por el usuario en el momento de efectuar la llamada; en este último caso la red puede tener que rechazar la llamada si no dispone de la capacidad solicitada.

Detalles del Control de Tráfico

El control de tráfico en Frame Relay se realiza de la siguiente forma. El conmutador Frame Relay al que está conectado el equipo del usuario realiza una monitorización permanente del tráfico que el usuario inyecta en la red por el circuito virtual. Si el usuario no supera en ningún momento el CIR, sus tramas viajarán todas con el bit DE (Discard Elegibility) a cero; sin embargo, si el usuario excede dicha capacidad, el conmutador Frame Relay pondrá a 1 el bit DE en aquellas tramas que se encuentren (en todo o en parte) por encima de la capacidad especificada en el CIR. Un segundo parámetro, conocido como EIR (Excess Information Rate), especifica un caudal adicional que el usuario no deberá superar nunca, ya que las tramas recibidas por encima de este valor serán directamente descartadas por el conmutador.

Parámetros de Control de Tráfico

BC: Tamaño de ráfaga comprometida (Committed Burst Size). Indica la cantidad máxima de bits que la red se compromete a enviar, en condiciones normales, durante un intervalo de tiempo T. Estos datos pueden estar o no contiguos, es decir, pueden formar parte de una o de varias tramas.
BE: Tamaño de ráfaga excedente (Excess Burst Size). Indica la máxima cantidad de bits que, además de Bc, podrá el usuario intentar enviar por la red, durante un intervalo de tiempo T. No hay compromiso en la transferencia de estos datos, o dicho con más precisión, hay una menor probabilidad de que estos datos lleguen a su destino que los que son enviados dentro de Bc.

BC = CIR * T

BE = EIR * T

En Frame Relay los conmutadores disponen de varios mecanismos para intentar controlar las situaciones de congestión. En primer lugar, los conmutadores están continuamente monitorizando el tamaño de sus colas de salida en las interfaces, para detectar la congestión lo antes posible. Cuando se produce una situación considerada peligrosa, la primera medida que aplicará el conmutador es descartar las tramas que pasen por él con el bit DE puesto. Si esto no resuelve el problema, el conmutador intentará identificar el circuito virtual causante de la congestión y el sentido en que esta se produce.

Características Adicionales de Frame Relay

Frame Relay es una red de conmutación de paquetes.
La conmutación tiene lugar sobre una red que proporciona una ruta de datos permanente virtual entre cada estación.
La conmutación de paquetes es el método utilizado para enviar datos sobre una WAN dividiendo un paquete de datos de gran tamaño en piezas más pequeñas (paquetes).
Aunque estos paquetes pueden viajar por diferentes rutas, el equipo receptor puede ensamblar de nuevo las piezas en la trama de datos original.

Ventajas de la Conmutación de Paquetes Respecto a la Conmutación de Circuitos

En caso de error en un paquete, solo se reenvía ese paquete, sin afectar a los demás que llegaron sin error.
Aumenta la flexibilidad y rentabilidad de la red.
Se pueden asignar prioridades a los paquetes de una determinada comunicación.
No hay retraso en el inicio de la comunicación.
No hay acaparamiento (bloqueo) de recursos.
Más tolerante a fallos. Si un nodo intermedio falla, se buscará una ruta alternativa.

Técnicas de Multiplexación

En el caso de ISDN, veremos que esta usa la multiplexación TDM (Time Division Multiplexing).
En el caso de FRAME RELAY, veremos que esta usa una multiplexación estadística.

Multiplexación Estadística

En la multiplexación estadística, un canal de comunicaciones se divide en un número arbitrario de las secuencias de datos de velocidad de transmisión de bits variables de los canales digitales. El compartir del acoplamiento se adapta a las demandas instantáneas del tráfico de las secuencias de datos que se transfieren sobre cada canal. Esto es una alternativa a compartir un acoplamiento fijo, tal como en general la multiplexación de división de tiempo y la multiplexación de división de frecuencia. Cuando está realizada correctamente, la multiplexación estadística puede proporcionar una mejora de la utilización del acoplamiento, llamada aumento estadístico de la multiplexación. Con ella conseguimos:

Comparación y asignación dinámica de recursos, capacidades de transmisión y reducción de costos.
Ancho de banda bajo demanda.
Dimensionamiento óptimo de la Red de Cliente.

Técnicas de Conmutación

Existen tres tipos de conmutación:

Conmutación de circuito: consiste en el establecimiento de un circuito físico previo al envío de información, que se mantiene abierto durante todo el tiempo que dura la misma.
Conmutación de mensajes: La conmutación de mensajes es un método basado en el tratamiento de bloques de información, dotados de una dirección de origen y otra de destino.
Conmutación de paquetes: Esta técnica emplea mensajes más cortos y de longitud fija (paquetes), lo que permite el envío de paquetes sin necesidad de recibir el mensaje completo que, previamente, se ha troceado. Cada uno de estos paquetes contiene información suficiente sobre la dirección, tanto de origen como de destino.

La conmutación de paquetes admite dos variantes distintas, según el modo de funcionamiento: modo Datagrama y Circuito Virtual.

RDSI admite tanto conmutación de circuitos como conmutación de paquetes. Además, RDSI proporciona servicios no conmutados con líneas dedicadas a ello.

En el caso de FRAME RELAY, consiste en una forma simplificada de tecnología de conmutación de paquetes que transmite una variedad de tamaños de tramas (frames) para datos, para la transmisión de grandes cantidades de datos.

Encapsulamiento

Se define el encapsulado como la propiedad de los objetos de permitir el acceso a su estado únicamente a través de su interfaz o de relaciones preestablecidas con otros objetos. El HDLC es el encapsulamiento por defecto para una interfaz ISDN y FRAME RELAY en un router Cisco. Pero la mayoría de las redes emplean PPP (solidez, interoperabilidad, autenticación).

Encapsulamiento HDLC

HDLC es un protocolo estándar de enlace de datos orientado a bits que encapsula los datos en enlaces de datos seriales y síncronos. Protocolos derivados del HDLC, como ejemplo de protocolos de acceso a enlaces:

LAPB (Procedimiento de Acceso al Enlace Balanceado) para X.25.
LAPD (Procedimiento de Acceso al Enlace en el Canal D) para ISDN.
LAPM y PPP (Procedimiento de Acceso a Enlace para módems).
LAPF (Procedimiento de Acceso a Enlaces para Frame Relay).

(LAP: Link Access Procedure)

Fragmentación

La fragmentación puede tener lugar en el emisor inicial o en los routers que están entre el emisor y el receptor. Si un datagrama es fragmentado, no será ensamblado (desfragmentado) de nuevo hasta llegar al receptor. Si es necesario, un paquete ya fragmentado puede ser fragmentado otra vez (por ejemplo, durante un cambio de método de transmisión). Cada fragmento del datagrama original obtiene en vez del datagrama header (cabecera de datagrama) del paquete original un denominado fragment header (cabecera de fragmento) que contiene entre otras cosas el Offset que indica la porción de datos enviado en este paquete en relación con el paquete original. El receptor es el responsable de reensamblar todos los fragmentos en el orden correcto para obtener el datagrama original.

Tamaño del Paquete

El tamaño del paquete afecta a la eficiencia de la línea (enlace). Este tamaño se ve claramente afectado por el tamaño de las cabeceras de enlace.

Comparación Datagramas – Circuitos Virtuales

La red proporciona secuenciamiento y control de errores.
Los paquetes se reenvían más rápidamente (no es necesario un procesamiento de rutas).
Menos fiable (si un nodo falla, fallan todos los CV de ese nodo).

Datagramas

No hay fase de establecimiento.
Más flexible.

Tipos de Encaminamientos – Características

La función de encaminamiento tiene estos requisitos:

Exactitud.
Sencillez.
Robustez: es la capacidad para redirigir el tráfico a zonas seguras cuando hay fallos.
Estabilidad: es posible que si un sistema es muy robusto, se convierta en inestable al reaccionar demasiado bruscamente ante situaciones concretas.
Imparcialidad: hay sistemas que premian, en aras de optimalidad, las conexiones cercanas frente a las más lejanas, con lo que la comunicación entre estaciones alejadas se dificulta.
Optimización: es posible que la robustez y la imparcialidad reporten un coste adicional de cálculo en cada nodo, lo que implica que ya no es el sistema más óptimo.
Eficiencia: lo mismo ocurre con la eficiencia.

Encaminamiento Estático

Se elige una ruta para cada par de nodos fuente-destino.
Esta ruta permanece constante mientras la topología de la red sea la misma.
Uso de una matriz de encaminamiento central que almacena las rutas.
La construcción de la matriz se puede basar en el uso de algoritmos de mínimo coste.
Sólo es necesario guardar el nodo siguiente a uno dado.
Cada nodo almacena su columna de la matriz de encaminamiento.
No hay diferencias en el uso de datagramas o circuitos virtuales.
Poco flexible y sencillez de implementación.

Encaminamiento por Inundación

Se prueban todos los caminos.
Un paquete habrá usado el camino de menor distancia.
Prioridades y establecimiento de circuito virtual.
Todos los nodos son visitados (propaga información de encaminamiento).
No es necesario conocer la topología de la red.
Para evitar retransmisiones, que cada nodo recuerda el ID del paquete, o incluir un contador de saltos.

Encaminamiento Aleatorio

Un nodo selecciona un único camino de salida para retransmitir un paquete entrante.
La selección se puede hacer de forma aleatoria o alternada.
No necesita el uso de información sobre la red.
Tiene menos tráfico que la de inundaciones, pero es igualmente sencilla y robusta.
Un nodo selecciona un único camino de salida para retransmitir un paquete entrante.
La ruta no corresponderá en general con la de mínimo coste ni con la de menor número de saltos.

Ventana Deslizante

Es un protocolo de transmisión de datos bidireccional de la capa del nivel de enlace (modelo OSI).
Es un dispositivo de control de flujo de tipo software.
El control del flujo se lleva a cabo mediante el intercambio específico de caracteres o tramas de control, el receptor indica al emisor cuál es su estado para recibir datos.
Este dispositivo es necesario para no inundar al receptor con envíos de tramas de datos.
El receptor al recibir datos debe procesarlo a la misma velocidad que el transmisor, sino se verá saturado de datos.
Para evitar tal situación, la ventana deslizante controla este ritmo de envíos del emisor al receptor.
Con este dispositivo se resuelven dos grandes problemas: el control de flujo de datos y la eficiencia en la transmisión.

TCP/IP vs. Celdas

Aunque ambos son redes de paquetes y ambos simulan conexiones virtuales punto a punto, la forma de manejar las conexiones es diametralmente distinta. En ATM, la idea es que existe un protocolo de conexión (muy parecido a una llamada telefónica). En IP, el concepto es exactamente el opuesto. El protocolo de conexión sólo involucra al origen y al destino. ATM promete garantías de ancho de banda y retardo que parecen imprescindibles para audio y video. IP permite una escala de sobreventa casi increíble (cosa de ver cómo funciona con un ancho de banda 10 veces inferior al requerido). Para un ancho de banda dado y requerimientos por sobre la capacidad disponible, en ATM obtendré señales ocupadas y en IP obtendré degradación del servicio. Existe una duda fundada entonces de si la Internet del futuro será una gran red ATM, o será una gran red IP, con trozos ATM y trozos con otros protocolos.