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Switching a nivel 3
 

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    Switching a nivel 3 Switching a nivel 3 Document Transcript

    • SWITCHING A NIVEL 3Asíncrono I eng.xarxes David Luna Víctor Carrasco Merche López
    • BibliografíaAquí dejamos constancia de algunas de las webs utilizadas para la realización deldocumento:http://www.ebizlatam.com/noticiaslat.3com.com/lat/news/pr04/mar22.htmlwww.gerencia.cl/noticia.mv?id=20040329x4www.noticias3d.com/articulos/200206/hubswitch/3.aspwww.microalcarria.com/ productoshttp://www.noticias3d.com/articulos
    • SWITCHING A NIVEL 3IntroduccionSwitching IP de nivel 3 OSI es equivalente al enrutado TCP/IP. En esta capaencontramos el protocolo IP,y es la encargada del enrutamiento y de dirigir lospaquetes IP de una red a otra. Normalmente los “routers” se encuentran en esta capa. Elprotocolo ARP (Address Resolution Protocol) es el que se utiliza para asignardirecciones IP a direcciones MAC. La función router es incluida en el hardware de losswitches. De esta forma se consigue una enorme mejora en el rendimiento comparandoun switch operando a nivel 3 y esta misma función realizada por un router normal. Unswitch de nivel 3 puede trabajar a mas de 10 veces la velocidad de un router tradicional .Un switch de nivel 3 funciona del siguiente modo:La comunicación entre dos estaciones pertenecientes al mismo subnet IP es realizadamediante función switch de nivel 2 mientras que esto mismo es realizado en nivel 3entre estaciones de diferente subnet IP.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, tagswitching (Packet, 1998), Fast IP (3Com, 1997), etc.Este nuevo tipo de dispositivos es el resultado de un proceso de evolución natural de lasredes de área local, ya que, combinan las funciones de los switches capa 2 con lascapacidades de los routers (3Com, 1997).Existen dos tipos de switches capa 3, que se detallan mas adelante: • 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 tantoque 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 loconoce, se establece una conexión y el flujo es conmutado en capa 2 (con elconsiguiente, 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. Principales diferencias entre losprincipales dispositivosUn HUB tal como dice su nombre es un concentrador. Simplemente une conexiones yno altera las tramas que le llegan. Para entender como funciona veamos paso a paso loque sucede aproximadamente) cuando llega una trama.1- El HUB envía información a ordenadores que no están interesados. A este nivel sólohay un destinatario de la información, pero para asegurarse de que la recibe el HUBenvía la información a todos los ordenadores que están conectados a él, así seguro queacierta.2 - Este tráfico añadido genera más probabilidades de colisión. Una colisión se producecuando un ordenador quiere enviar información y emite de forma simultánea que otroordenador que hace lo mismo. Al chocar los dos mensajes se pierden y es necesarioretransmitir. Además, a medida que añadimos ordenadores a la red también aumentanlas probabilidades de colisión.3 - Un HUB funciona a la velocidad del dispositivo más lento de la red. Si observamoscómo funciona vemos que el HUB no tiene capacidad de almacenar nada. Por lo tanto siun ordenador que emite a 100 megabit le trasmitiera a otro de 10 megabit algo seperdería el mensajeExisten “switch” de nivel 3, se diferencian de los routers en que su hardware es másespecifico y diseñado especialmente para llevar a cabo esa función.
    • Un Switch de Capa 3 tiene todos los niveles de control y seguridad con los que unruteador normalmente cuenta. Existen mecanismos de seguridad para prevenir que unusuario indeseado se conecte a la red, incluso a nivel físico. Estos switches puedenfiltrar información no deseada incluso de los usuarios que tienen permitido el acceso ala red, para prevenir ataques a servidores, bases de datos, o proteger aplicaciones conciertos niveles de seguridad. También cuentan con mecanismos de protección paraevitar que un usuario no deseado pueda infiltrarse a la configuración del switch.Un Switch de Capa 3 cuenta con la suficiente "inteligencia" para interactuar con eltráfico que va o viene de la Internet, y participa con ella en el manejo eficiente de losdiferentes tipos de tráfico como Voz sobre IP por ejemplo, que ya es una realidad. Unswitch de Capa 2 simplemente no tiene nada que hacer al respecto. Además, a unSwitch de Capa 3 se le pueden agregar funcionalidades que van más allá de la Capa 3,como Server Load Balancing, por ejemplo. Un Switch de Capa 3 tiene la capacidad paradistinguir cuando los puertos donde se conectan los servidores de la empresa están,ocupados, saturados o caídos, de tal manera que pude reenviar eficientemente el tráficoy las peticiones de los usuarios de la red, hacia aquellos puertos que puedan responder.Un Switch de Capa 2, no entiende este concepto y en el caso de que se presente estasituación, no hacen más que reintentar y retransmitir, generando más tráfico yempeorando la situación. La tendencia tecnológica es así como eventualmente losSwitches de Capa 2, remplazaron a los concentradores (HUB), los nuevos mecanismosde swicheo en Capa 3, están sustituyendo a los switches de Capa 2, por susrendimientos, sus altas funcionalidades, sus mecanismos redundantes y de tolerancia afallas, su mejor control y su escalabilidad. Eventualmente una empresa que requiera denuevas aplicaciones, que demande comunicación hacia y de la Internet, y que requierade altos mecanismos de seguridad, tendrá que migrar hacia el switcheo de Capa 3.La funcionalidad Capa 3 del Switch nivel 3, es ideal para las oficinas pequeñas omedianas, sucursales, escuelas y universidades con grupos de trabajo segmentados.Beneficios clave del Switch : • Facilidad de Uso: Fácil despliegue y mantenimiento debido a su enrutamiento dinámico, que actualiza automáticamente la red Capa 3 sin intervención manual, • Rendimiento: Switches Capa 3 con velocidad alámbrica, con conexiones 10/100 para computadora de escritorio, diseñadas para conectividad de alto rendimiento. La asignación de prioridades para los paquetes ofrece el rendimiento óptimo para aplicaciones de tiempo real, como voz y video, • Escalabilidad: Soporta hasta 2,000 rutas externas, permitiendo su escalamiento a medida que crece la red, • Seguridad: Mejora la seguridad con registro en la red basado en normas, Listas de Control de Acceso, encriptación Secure Shell y Secure Sockets Layer, y • Costo Total de Propiedad: Solución de bajo costo optimizada para lugares de borde de grupos de trabajo.
    • Un switch es un dispositivo de la capa 2 con los puertos físicos, en cambio un switch decapa 2 se comunica utilizando tramas a través del cable de capa 1.Un router es un dispositivo de la capa 3, que se comunica con los paquetes. Un paquetese encapsula dentro de una trama. Una router tiene interfaces para la conexión en elmedio de la red.Cuadro 1. Diagrama de una red simple del dos-segmento con una router de la capa 3.La función verdadera del “switch” no se representa claramente en el diagrama simplemostrado en la imagen. Su función primaria es determinar la mejor trayectoria de la reden una red compleja, utilizando una serie de algoritmos y protocolos deencaminamiento. Comúnmente el uso de los protocolos de router incluyen el “RoutingInformation Protocol” (RIP) , “Open Shortest Path First” (OSPF), el protocolo interiorde la encaminamiento de la entrada (IGRP) y el Border Gateway Protocol (BGP). Losprotocolos de encaminamiento transmiten la información sobre la red.
    • Los diseñadores y administradores de redes necesitan saber como y cuando usar lastecnologías 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 Switching nivel 3La capa 3 de la pila OSI es la encargada del control del encaminamiento de mensajes através de las diferentes redes, como también el control del flujo y del tráfico, tarea querealizan normalmente los routers.Normalmente un switch opera a nivel 2, controlando el flujo de datos entre nodos(Ethernet). En cambio actualmente hablamos de que los “switches de nivel 3” operan enambos niveles, integrando también la funcionalidad tradicionalmente asociada a losrouter y trabajando básicamente con dos tipos de implementación.• “packet by packet routing”: Donde trabajan igual que un router, el switch puede realizar todas las funciones de un router Standard, enrutando todos los paquetes hacia su destino. Trabajan con los protocolos Standard de los routers, pudiendo así interoperar con los otros switchs y los routers de la red.• “Flow-based routing”: implementación basada en el enrutamiento rápido de los paquetes (“cut & throw”), procesando solamente la cabecera y enrutando al destino, esto puede tener el inconveniente de que en un medio con colisiones, éstas no desapareceran nunca.
    • Comparativa entre “packet by packet routing” y“Flow-based routing” La adaptación de la primera opción tiene una gran aceptación en las empresas yaque el uso de esta tecnología no implica grandes cambios en la red existente, de maneraque permiten a las empresas tener tecnología actualizada minimizando la inversión y elriego.Pero por otro lado, este modo de trabajar hace necesario que los switchs tenga queprocesar todos los paquetes, de manera la velocidad de estos switchs es inferior a los decapa dos, encontrando un cuello de botella debido a la velocidad. La segunda implementación, se trata de una especificación propietaria, de maneraque no dan soporte a todos los protocolos de encaminamiento, además comoinconveniente, frecuentemente no son compatibles con el hardware y software existenteen Internet, teniendo que configurar o actualizar los drivers. Packet SwitchingLa conmutación de paquetes es la parte más simple de las operaciones que realiza unswitch de capa 3. La única diferencia entre la operación de conmutación de un router yun switch de capa 3 es la implementación física. En routers de uso general, laconmutación se realiza mediante micropocresadores, mientras que con un switch decapa 3 lo realizan usando una aplicación especifica en un circuito integrado(ASIC).Independientemente de la implementación, la tarea del encaminamiento de paquetes esla de examinar el destino, determinar la dirección de destino, comparar dicha direccióncon las que tiene en sus tablas, y finalmente enviarlo a la interfaz correcta.La conmutación también realiza una cierta manipulación del paquete ya que crea uncabecera con la MAC de la fuente, decrementando el tiempo de vida (TTL) yrecalculando el “frame check sequence “(FCS), que es un código de redundancia cíclica(CRC). El tamaño de la trama se considera como la suma de los tamaños de todos loscampos. Este tamaño debe ser mayor o igual a 72 bytes y menor o igual que 1526 bytes.Para garantizar el tamaño mínimo puede ser necesario completar los datos a transmitircon caracteres de relleno.Esta técnica también es conocida como “packet by packet”, y en la actualidad es la queutilizan todos los routers en las redes de todo el mundo
    • Packet Switching OperationOtra importante función de la conmutación de paquetes es la capacidad de realizaroperaciones de búsqueda. Por ejemplo, con una dirección de destino 1.5.6.6 tendrá dosentradas posibles en la tabla de encaminamiento. La primera posibilidad es la interfaz dela Ethernet 0 porque en la dirección IP el primer dígito, es 1. También hay posibilidadde que se dirija hacia la Ethernet 6 porque los dos primeros dígitos son 1.5. De maneraque vemos que 1.5 será más específico y por lo tanto el paquete saldrá para la Ethernet6. Esta capacidad de realizar largas búsquedas será un recurso muy importante enservicios relacionados con la movilidad en redes inteligentes.Estos planteamientos pueden parecer complejos, pero las operaciones de manipulaciónde paquetes en capa 3 estan bien documentada, aunque el mayor error que se tiene espensar que la implementación de nueva tecnología implica un aumento en la velocidadde las aplicaciones.El criterio mas importante para la selección de un switch de capa 3 no es la capacidad,sino que será más interesante tener en cuenta la ruta que procesa y los servicios de la redinteligente.
    • Route ProcessingUna de las capacidades fundamentales de los switch de capa 3 es la creación de tablasde enrutados que automáticamente se ajustan a los cambios en la topología de la red,que pueden ser causadas por fallos en enlaces, fallos en dispositivos, y agregaciones oborrados en la red. El protocolo dinámico de encaminamiento que se utiliza en switchsy routers para rellenar sus tablas. Internet es el más claro ejemplo de una red que insisteen protocolos de enrutamiento al máximo, y éste ha sido el centro de innovación en eldesarrollo de protocolos de encaminamiento. Es importante resaltar que el proceso deenrutado es una actividad basada en software y funciona independientemente del“switching packet”.Desde una perspectiva histórica en Internet, el primer protocolo dinámico deencaminamiento desplegado fue el “Routing Information Protocol” (RIP). RIP esclasificado como un protocolo de encaminamiento vector distancia (que contienecaracterísticas de actualizaciones periódicas, incluso cuando no hay cambios en latopología), baja convergencia respecto a enlaces fallidos(en orden de minutos), y unalimitada escalabilidad debido limitadas restricciones en el recuento de saltos. RIP se haconvertido en obsoleto debido a la aparición de nuevos protocolos de enrutamiento, quesolucionan el problema de la escalabilidad. La nueva versión 2 de RIP supera laslimitaciones de RIP en la que solo se tiene en cuenta una dirección IP, de modo que enesta versión además de la IP se tiene en cuenta la mascara de subred(VLSM), de modoque se soluciona así la comunicación entre redes con diferentes máscaras.En respuesta a estos defectos, se desarrollaron protocolos alternativos deencaminamiento como “Interior Gateway Routing Protocol” (IGRP). Éste además deintentar solucionar los problemas de las direcciones de RIP, así como preveer unamayor flexibilidad en la elección del camino que un paquete toma en la red teniendo encuenta la velocidad y calidad de enlace, retardo, y como otros aspectos en la decisióndel envío. Por este motivo, IGRP fue adoptado rápidamente como un protocolo estándarde encaminamiento en numerosas empresas debido a su flexibilidad, robustez yfacilidad de uso.
    • Otros desarrollos en los protocolos de encaminamiento denominados como “link-state”tuvieron lugar a principios de los 90, con la publicación de “Open Shortest Path First(OSPF) routing protocol specification”. Caracterizándose éste por una rápidaconvergencia con pocas actualizaciones en topologías estables. Los “link-state”intercambian la información del estado de los enlaces entre nodos vecinos, y propaganesta información por toda la red, tantos como dispositivos idénticos posea el mapa dered. Las ventajas de la rápida convergencia del OSPF son beneficiosas, aunque puedenllegar a ser complejas.Para aprovechar la rapidez de los protocolos convergentes, los diseñadores tienen quemigrar de un protocolo a otro. Este cambio normalmente es largo y muy complejo. Paraafrontar las necesidades de la base instalada de los clientes se usará IGRP como elprotocolo de enrutamiento, ya que también soporta protocolos de enrutamiento comoIPX de Appletalk y Novell.La mayoría de redes, utilizan multitud de protocolos de enrutamiento para optimizar laconectividad. En este ambiente “multilengual” se necesita una sofisticada traducciónentre protocolos de manera que se pueda trabajar en armonía. Permitiendo así a losdiseñadores adaptar sus diseños y características a sus propias necesidades.Sin tener en cuenta los protocolos utilizados, las redes son diseñadas típicamente conredundancia para cargar los paquetes a través de enlaces paralelos.En el siguiente ejemplo vemos que entre los enlaces de los swicths de capa 3 conenlaces paralelos, los protocolos de encaminamiento ( y sus tablas correspondientes)crearían dos entradas para los paquetes que atraviesan esos switchs y por lo tantorepartiría los paquetes. Esta capacidad permite topologías más flexibles, diseñostolerantes, así como un incremento incremental de la banda entre switches.Otra clave del desarrollo en el protocolo de enrutamiento para implementar aplicacionesen red es la area del enrutado multicast, ya que muchas aplicaciones usan estatecnología, como por ejemplo Microsoft Netsshow, Precept IP/TV… De modo que esconveniente para los diseñadores considerar el IP multicast, de modo que para soportarestas funcionalidades los switches de capa 3 también tienen que soportar enrutamientosmulticast.Con el trabajo extenso hecho en el backbone multicast de Internet (MBONE), seríaobvio hacer uso de “protocol independent multicast” (PIM). PIM es un protocolo muycomplejo que implica años de experiencia para poder asegurar una implementaciónfiable y robusta, ya que éste tiene la propiedad de operar independientemente delprotocolo de enrutamiento unicast (IGRP, OSPF, RIP) y el soporte a aplicaciones quetienen los servidores enviando hacia múltiples destinos (dense mode), ó tambiénreducidos grupos de trabajo operando en diferentes grupos multicast (sparse mode).
    • Con el rápido crecimiento de las aplicaciones Internet, Multimedia y las necesidadesde almacenamiento y búsqueda de datos, más y más trafico fluye por las infraestructurasLAN. Los servidores modernos, deben procesar y transferir grandes volúmenes dedatos, encontrando a menudo un cuello de botella en las conexiones de red LAN. Lasituación actual nos muestra que el 85% de los ordenadores utilizan conexiones de 100Mbps necesitando realmente conexiones a 1000 Mbps con los servidores de nuestra red.La integración mixta de puertos 10/100 y Gigabit proporcionan la posibilidad deconectar las estaciones directamente a la red principal. Los switch nivel 3 (Layer 3)permitirán controlar múltiples redes de forma simultánea eliminando la necesidad de laincorporación de routers con sus latencias implícitas de suministro de datos. Características principalesCompatible con IEEE802.3z, 1000Base-SX y IEEE 802.3ab, 1000Base-T Standard.Ancho de banda mejorado para incrementar el volumen de datos y mejorar la respuestaen las situaciones de cuellos de botella.Capacidad Full-duplex que aporta la duplicación en la tasa de transferencia de datos.Compatible con entornos Ethernet y Fast Ethernet.Avanzadas funciones de gestión para implementación de VLAN, Port Trunking,Spanning Tree, etc.El switch de nivel 3, a parte implementa funciones de enrutamiento permitiendo ladivisión de grandes redes en zonas broadcast de menor tamaño, ofreciendo mayorcontrol de gestión.
    • ConclusiónLa nueva gama está diseñada para enrutar tráfico por segmentos de la red localcompartida por grupos de trabajo, conmutando este tráfico localmente en lugar deconfiar en el enrutamiento en el núcleo de la red.Ideales para empresas y otras organizaciones que perciben una necesidad de crecimientoen switching Capa 3 para sus grupos de trabajo.A menudo las redes empresariales están creadas de forma jerárquica, con agrupamientosde usuarios por situación geográfica u organización, reunidos en el centro o núcleo de lared, y diferentes dominios de difusión que se utilizan para escalar, asegurar y mejorar laestabilidad de la red. La Capa 3 de switching transmite el tráfico por estos dominios dedifusión y entre la red y el mundo exterior. La Capa 3 en un switch conectado a losterminales de los usuarios que comparten varios dominios, optimizará el rendimientodel grupo de trabajo conmutando localmente todo el tráfico local, incluyendo esedestino para otro dominio.