Network core: packet/circuit switching, Internet structure

De Departamento de Informatica
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Núcleo de la Red: Conmutación de Circuitos y de Paquetes, Estructura de Internet

El transporte de datos a través de una red está basado en dos métodos conmutación; conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. En la conmutación de circuitos, los recursos necesarios para la comunicación entre terminales (buffers, velocidad de transmisión, etc) es reservada, en cambio en la conmutación de paquetes los recursos son solicitados a medida que se va necesitando.


Packetsw.gif


Conmutación de circuitos

Para ejemplar, la comunicación funciona de la siguiente forma. Si el host A se quiere comunicar con el host B primero debe reservar la cantidad necesaria de conmutadores para la conexión, cada conmutador tiene n enlaces por lo cual es asignado 1/n del ancho de banda por el tiempo que dure la transmisión.

Figura1.jpg

Multiplexación en redes de conmutación de circuitos

Existen dos métodos para la conmutación de circuitos, la multiplexación por división de frecuencia (FDM, Frequency-Division Multiplexing) y la multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time-Division Multiplexing). En FDM el espectro de frecuencia es dividido entre las conexiones existentes en donde cada circuito obtiene de forma continua una fracción del ancho de banda. En TDM lo que se divide es el tiempo; éste se divide en marcos de duración fija y éste es dividido en particiones de tiempo establecido, cada circuito dispone de todo el ancho de banda periódicamente durante el tiempo de partición establecido.

Figura2.jpg

Ejemplo

El tiempo que toma transmitir 640 kb del host A al host B usando multiplexación TDM requiriendo 24 particiones las cuales en total tienen una velocidad de 1,536 Mbps y el tiempo de conexión entre terminales es de 500 milisegundos, se calcula dividendo la velocidad total por las particiones, por lo cual cada circuito tiene una velocidad de 64 kbps y para enviar los 640 kb se tarda 10 segundos, a lo cual hay que sumarle los 0,5 segundos que demora establecer la conexión entre los host A y B, tomando en consecuencia 10,5 segundos en enviarse el archivo.






Conmutación de paquetes

El sistema de envío de datos mediante paquetes (packet switching) lo ocupan las redes más modernas y la mayoría de las redes actuales. Consiste en la división de la información en muchas partes de igual tamaño (dependiendo del protocolo a utilizar), donde cada una de estas partes viaja de manera independiente a las demás partes a través de la red desde un emisor hasta un destinatario. La estructura de cada paquete está dada por una cabecera (header) contenedora de todos los datos del servicio (source, destination, length, number, sequence) que podrán proporcionar la información necesaria para que cada paquete llegue a su destino o interactúe según las especificaciones del protocolo.

A continuación una imagen representativa de los paquetes viajando por las redes entre clientes y servidor.


Paquetesred.jpg


¿Cómo se envían por la red los paquetes?

El emisor divide los mensajes (archivos de texto, video, sonido, etc...) en partes iguales (paquetes) del mismo tamaño a los que se les agrega la cabecera con la información de origen/destino más datos de control para ser transferidos a sus destinos. Existen dos maneras de realizar ésta transmisión: “connectionless” (basado en datagramas) y “connection-oriented” (basado en la comunicación).

Método Connectionless Los paquetes se tratan de manera independiente, de manera que el emisor enumera cada paquete, le pone la información del destino (en la cabecera) y lo envía al receptor por la red. De ésta manera, cada paquete hará un viaje independiente por la red buscando el camino para llegar a destino, pudiendo estos paquetes tomar diferentes caminos y algunos de ellos llegar a perderse. De ésta manera, el emisor no puede saber de manera inmediata el caso en que algún paquete se pierda en su camino, sino que debe esperar a que el receptor reciba el mensaje completo para que avise al emisor sobre alguna pérdida de la información. Éste método se aplica, por lo general, a envíos de datos unidireccionales, donde no se sabe si el receptor de los paquetes sigue estando disponible.

Método Connection-oriented (orientado a conexión) Con éste método, se crea un camino lógico o físico por donde serán transmitidos los paquetes que enviará el emisor. Se realiza una única petición de servicios (conocida como handshaking) por medio de un camino entre emisor-receptor y pasando por un camino de nodos, a los que se les informará (en esta primera petición), que detrás vendrán los paquetes enviados. De esta manera, se asegura que los paquetes sigan una misma ruta para llegar a destino. El handshaking consiste en una interacción bidireccional de petición de servicios: el emisor (cliente) que pide la conexión, y el servidor (cliente) que corresponde a esta petición con un saludo para informar que se ha establecido la comunicación. Por ende, no se puede aplicar éste método de envío de datos en protocolos unidireccionales. Una vez que se ha terminado de enviar los paquetes por el canal, se cierra la conexión. Si se desea enviar nuevos datos al mismo o a otro receptor, se debe abrir un nuevo canal de comunicación.


Protocolos que trabajan con Connection-oriented:

TCP SMTP DCCP Connection-oriented Ethernet ATM Frame Relay TIPC SCTP IPX/SPX


Ejemplos de envío de datos con ambos sistemas

Si deseamos, por ejemplo enviar como dato la palabra HELLO a un receptor (por ejemplo a la portátil de un amigo), el envío de datos será diferente para cada servicio. Veamos que sucede con: Connected-Oriented:

Connection oriented.png

El mensaje será recibido en el mismo orden en que es enviado. Se establece un único canal de comunicación que, al ser aprobado por el handshaking, se utiliza para el envío de todos los paquetes H E L L O .

Connectionless:

Connectionless.png

Al enviar el mensaje, el emisor no establece un canal de comunicación fijo para los paquetes. Éstos, salen a la red buscando llegar a destino usando la información que llevan en las cabeceras. Llevan además números correlativos que el receptor podrá interpretar para enviar un aviso al emisor para poder avisar sobre un envío exitoso o fallido por la pérdida de algún paquete. Pueden llegar en distinto orden al destino, diferente al orden enviado. Ejemplo: L O H E L



Tabla de comparación entre ambos sistemas de envío de paquetes.

Connected-Oriented vs Conectionless
Criterio Conectionless Connected-Oriented
¿Cómo se envían los datos? uno a la vez un stream continuo
¿Hay una conexión con el servidor? no si
¿Se registra información en el camino de nodos a usar? no si
¿Qué sucede si un nodo falla? sólo el paquete contenido se pierde todo el sistema de comunicación falla
¿Mínima información necesaria en los paquetes? Todo el recurso y la dirección de destino número correlativo


Conmutación de paquetes frente a conmutación de circuitos: multiplexación estadística

Los fans de la conmutación de circuitos dicen que la conmutación de paquetes tiene retardos que no sirven para la comunicación en tiempo real (llamadas telefónicas y videoconferencias) por su retardo, variabilidad e impredecibles conexiones entre terminales. En cambio los que prefieren la conmutación de paquetes argumentan que se comparte mejor el ancho de banda, es más sencilla, más eficiente y menos cara de implementar que la conmutación de circuitos.

Supongamos lo siguiente; cierta cantidad de usuarios comparten un enlace de 1Mbps, cada usuario estará utilizando el enlace solamente el 10% de su tiempo con velocidad constante de 100 kbps. Con conmutación de circuitos con TDM de marcos de 1 segundo y este es dividido en 10 particiones de 100 ms, entonces cada usuario tendría asignada una partición por marco. Por tanto, el enlace de conmutación de circuitos sólo podrá dar soporte a 10 (= 1 Mbps/100 kbps) usuarios al mismo tiempo.

En el caso de utilizar la conmutación de paquetes, la probabilidad de que un determinado usuario esté activo es 0,1 (es decir, del 10 por ciento). Si hay 35 usuarios, la probabilidad de que 11 o más usuarios estén activos simultáneamente es aproximadamente igual a 0,0004. (El Problema P7 indica cómo se obtiene esta probabilidad.) Cuando hay 10 o menos usuarios activos a la vez (lo que ocurre con una probabilidad del 0,9996), la velocidad acumulada de llegada de los datos es menor o igual a 1 Mbps, la velocidad de salida del enlace. Por tanto, cuando el número de usuarios activos es 10 o menor, los paquetes fluyen a través del enlace prácticamente sin retardo, como en el caso de la tecnología de conmutación de circuitos. Cuando hay más de 10 usuarios activos simultáneamente, entonces la velocidad acumulada de llegada de los paquetes excede la capacidad de salida del enlace y la cola de salida comenzará a crecer. (Continúa creciendo hasta que la velocidad acumulada de entrada cae por debajo de 1 Mbps, punto en el que la longitud de la cola comenzará a disminuir.) Puesto que la probabilidad de que haya más de 10 usuarios conectados a la vez es muy baja en este ejemplo, la conmutación de paquetes proporciona prácticamente el mismo rendimiento que la conmutación de circuitos, pero lo hace permitiendo que haya un número de usuarios más de tres veces superior. La compartición de recursos bajo petición (en lugar de por preasignación) a veces se denomina multiplexación estadística de recursos.

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