Av. Venezuela. Edif. Venezuela. Piso 5. El Rosal. Caracas. Venezuela. e-mail: edelgado@ingedigit.com.

Resumen

En los últimos años, los administradores de red han tenido una variedad de herramientas para diseñar redes complejas. Switching y Routing son tecnologías requeridas en muchos ambientes de redes. La evolución de los esquemas de switching ha provocado que ambas tecnologías (Switching y routing) se integren para incrementar el rendimiento, disminuir la latencia y obtener "escalabilidad" en el ancho de banda.

Este artículo ayudará a conocer las características e integración de las tecnologías de Switching y routing para optimizar la red.

Palabras claves: Switching, routing, Switch capa 3, Switch capa 4, Fast IP, PPL3, CTL3, Cut-trough, Store-and-forward.

Abstract

For the past years, network managers have had a variety of tools for designing complex networks. Switching and routing are required technologies in most networking environments. Evolution of Switching technology has provided that the integration of these technologies (switching and routing) in order to get higher performance, lower latency and higher scalability.

This article will help to know the characteristics and integration of Switching and Routing technologies in order to optimize the network.

Hasta hace unos años los diseñadores de redes tenían repetidores, concentradores, bridges, routers y gateways para elaborar sus propuestas de diseño. Ahora, se tiene un componente adicional, que aunque, no es tan nuevo, ha dado lugar a la introducción de nuevos esquemas. Este componente es el switch, que como veremos, más adelante, puede estar asociado a la capa 2 (como en sus inicios) o a cualquier otra capa del modelo OSI (Semeria, 1995).

Los routers operan en la capa 3 del Modelo OSI y, por consiguiente, distinguen y basan sus decisiones de enrutamiento en los diferentes protocolos de la capa de red.

Los routers colocan fronteras entre los segmentos de red porque éstos envían sólo tráfico que está dirigido hacia ellos, eliminando la posibilidad de "tormentas" de broadcasts, la transmisión de paquetes de protocolos no soportados y la transmisión de paquetes destinados a redes desconocidas.

Para alcanzar estas tareas, un router ejecuta dos funciones:

• Crear y mantener una tabla de enrutamiento de cada protocolo de la capa de red. Esta tabla puede ser creada estática o dinámicamente mediante los protocolos de enrutamiento (RIP, OSPF, etc.)
• Identificar el protocolo contenido en cada paquete, extraer la dirección destino de la capa de red y enviar los datos en base a la decisión de enrutamiento.

Los routers seleccionan el mejor camino para enviar los datos basados en la métrica (# de saltos, velocidad, costo de transmisión, retardo y condiciones de tráfico) de las rutas. Adicionalmente, tienen la capacidad de implementar políticas de seguridad y de utilización del ancho de banda. Pero, por el contrario, el proceso que debe realizar con los paquetes se refleja en un incremento en la latencia y reducción del rendimiento (Semeria, 1995); (3Com, 1994).

Esta palabra ha ido tomando distintas connotaciones a medida que se plantean nuevos esquemas para mejorar el rendimiento de las redes de área local (Torrent, 1998). Así, cuando hablamos de switch, podemos estarnos refiriendo a:

• Switch capa 2.
• Switch capa 3.
• Switch capa 4.

Este es el tipo de switch de red de área local (LAN) más básico, el cual opera en la capa 2 del modelo OSI. Su antecesor es el bridge, por ello, muchas veces al switch se le refiere como un bridge multipuerto, pero con un costo más bajo, con mayor rendimiento y mayor densidad por puerto.

El switch capa 2 hace sus decisiones de envío de datos en base a la dirección MAC destino contenida en cada frame. Estos, al igual que los bridges, segmentan la red en dominios de colisión (Ver Fig. 1), proporcionando un mayor ancho de banda por cada estación.

El uso de procesadores especializados (ASIC: Application Specific Integrated Circuit) incrementaron la velocidad de conmutación de los switches, en comparación con los bridges, porque pueden enviar los datos a todos los puertos de forma casi simultánea.

Estos switches siguen, principalmente, dos esquemas para envío de tráfico, los cuales son:

• Cut-trough: comienzan el proceso de envío antes de que el frame sea completamente recibido. En estos switches la latencia es baja porque sólo basta con leer la dirección MAC destino para comenzar a transferir el frame. La desventaja de este esquema, es que los frames corruptos (corruptos, enanos, con errores, etc.) son también enviados.
• Store-and-forward: lee y valida el paquete completo antes de iniciar el proceso de envío. Esto permite que el switch descarte paquetes corruptos y se puedan definir filtros de tráfico. La desventaja de este esquema es que la latencia se incrementa con el tamaño del paquete.

Algunos switches implementan otros esquemas (Fragment free) o esquemas híbridos en base a rendimiento y porcentaje de errores, pasando en un momento de modo Cut-trough al modo Store-and-forward y, viceversa.

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:

• 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:

• 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.

Switch capa 4

La información en los encabezados de los paquetes comúnmente incluyen direccionamiento de capa 2 y 3, tal como: tipo de protocolo de capa 3, TTL y checksum. Hay también información relevante a las capas superiores, como lo es el tipo de protocolo de capa 4 (UDP, TCP, etc.) y el número de puerto (valor numérico que identifica la sesión abierta en el host a la cual pertenece el paquete).

En el caso de los switches capa 3, éstos son switches capa 2 que utilizan la información del encabezado de capa 3. Lo mismo ocurre con los switches capa 4 , son switches capa 3 que procesan el encabezado de la capa. También son conocidos como switches sin capa (Layerless switches).

La información del encabezado de capa 4 permite clasificar de acuerdo a secuencias de paquetes manejados por aplicación (denominados "flujos"). Ahora bien, dependiendo del diseño del switch, éste puede prioritizar servicios o garantizar ancho de banda por "flujos". Algunos de los diseños de capa 4 son (Torrent, 1998):

• Arquitectura basado en Crossbard: generalmente, sólo proveen prioritización por flujos porque tienen un esquema de buffering y de planificación muy compleja.
• Switches con memoria compartida y cola de salida: son capaces de manejar múltiples niveles de prioridades. Resultando con problemas en proveer servicios cuando el número de flujos excede el número de colas disponibles.
• Switches con colas por "flujos": son capaces de garantizar ancho de banda y manejar bien la congestión y pudiendo hacer la clasificación por flujos porque existe una cola por cada uno.

Algunas consideraciones acerca de switching y routing

Los diseñadores y administradores de redes necesitan saber como y cuando usar las tecnologías de las que hemos hablado hasta ahora:

• 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.
• Cuando se escogen switches capa 2 con soporte de VLAN se debe tomar en cuenta que la comunicación inter-vlan se hace usando un router y que, éste puede convertirse en un "cuello de botella" si la red es muy grande.

Se ha cumplido con el objetivo de este artículo si se entiende que las tecnologías de routing y switching no son totalmente antagónicas sino por el contrario, tal como se vislumbraba en el pasado, se han llegado a complementar (este es el caso de los Switches capa 3 y capa 4), dando origen a dispositivos que buscan el incremento del rendimiento, disminución de la latencia y escalabilidad en ancho de banda y que, además, son funcionales en asignación de prioridades, seguridad y configuración de filtras. En la Tabla 1 se hace un resumen de las características más relevantes de las tecnologías mencionadas.

Aunque, es necesario hacer notar, que los routers "puros" no van a desaparecer porque son más robustos en cuanto a soporte multiprotocolar, seguridad, administración de tráfico y conectividad a nivel de redes de área amplia (WAN).

Algunas de las tecnologías expuestas son una parte de las alternativas de diseño de redes, aunque existen otras, tales como MPOA (Multiprotocol over ATM), Router Server, etc. (Tinsley, Lang, 1996), las cuales son importantes y útiles en ciertos casos, y han dado origen a discusiones similares a la de este artículo.

3COM, 1997. CoreBuilder 3500, Layer 3 High-Function Switch. Brochure.

3COM, 1994. Bridging and Routing, technologies, strategies and benefits. Whitepaper.

PACKET, 1998. Tag switching Technology Brings New Efficiency, Scalability for Largest Networks. PACKET Cisco Systems Users Magazine. Vol. 10. No. 1.

ROBERTS E. 1996. Virtual LANs?. Data Communications. Vol. 25, No. 14, p. 66.

SEMERIA Ch., 1995. Switches and Routers. 3Tech.

STALLINGS, W., 1997. Data and Computer Communications. Ed. V. Prentice Hall.

TORRENT, 1998. Switching at Every Layer: An Insider´s Guide to Deciphering the Marketing Hype.

TORRENT, 1998. Routing and Layer 3 Switching: Understanding the Critical Differences.