Conmutación de paquetes
Definición
Un paquete es un grupo de información que consta de dos partes: los datos propiamente dichos y la información de control, que indica la ruta a seguir a lo largo de la red hasta el destino del paquete. La conmutación de paquetes es un método de agrupar los datos transmitidos a través de una red digital en paquetes que se componen de un encabezado y una carga útil. Los datos en el encabezado son utilizados por el hardware de red para dirigir el paquete a su destino donde la carga útil es extraída y utilizada por el software de la aplicación. La conmutación de paquetes es la base principal de las comunicaciones de datos en redes informáticas de todo el mundo. A principios de la década de 1960, el científico informático estadounidense Paul Baran desarrolló el concepto Distributed Adaptive Message Block Switching con el objetivo de proporcionar un método de enrutamiento eficiente y tolerante a errores para mensajes de telecomunicaciones como parte de un programa de investigación en RAND Corporation, financiado por el Departamento de EE. UU. de Defensa. Este concepto contrastaba y contradecía los principios de preasignación de ancho de banda de red establecidos en ese momento, en gran medida fortalecidos por el desarrollo de las telecomunicaciones en el sistema Bell. El nuevo concepto encontró poca resonancia entre los implementadores de redes hasta el trabajo independiente del informático británico Donald Davies en el National Physical Laboratory (Reino Unido) en 1965. A Davies se le atribuye la acuñación de la conmutación de paquetes de nombres modernos y la inspiración de numerosas redes de conmutación de paquetes en la década siguientes, incluida la incorporación del concepto en los primeros ARPANET en los Estados Unidos.
- Los paquetes forman una cola y se transmiten lo más rápido posible.
- Permiten la conversión en la velocidad de los datos.
- La red puede seguir aceptando datos aunque la transmisión sea lenta.
- Existe la posibilidad de manejar prioridades (si un grupo de información es más importante que los otros, será transmitido antes que dichos otros).
Historia
A fines de la década de 1950, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Estableció una amplia red de área para el sistema de defensa radar semiautomático terrestre (SAGE). Buscaron un sistema que pudiera sobrevivir a un ataque nuclear para permitir una respuesta, disminuyendo así el atractivo de la primera ventaja de ataque de los enemigos.
Leonard Kleinrock realizó una investigación temprana en la teoría de colas y publicó un libro en el campo relacionado de la conmutación de mensajes digitales (sin paquetes) en 1961.
El concepto de cambiar pequeños bloques de datos fue explorado por primera vez de forma independiente por Paul Baran en la Corporación RAND desde finales de los años 1950 en Estados Unidos y posteriormente por Donald Davies en el National Physical Laboratory (NPL) en el Reino Unido.
Baran desarrolló el concepto de conmutación distribuida de bloques de mensajes adaptativos durante su investigación en la Corporación RAND para la Fuerza Aérea de los EE. UU. en redes de comunicaciones que podrían sobrevivir a las guerras nucleares. Presentado por primera vez a la Fuerza Aérea en el verano de 1961 como informe B-265, publicado posteriormente como informe RAND P-2626 en 1962, y finalmente en el informe RM 3420 en 1964, el informe P-2626 describió una arquitectura general para una red de comunicaciones distribuible y de supervivencia a gran escala. El trabajo se centra en tres ideas clave: el uso de una red descentralizada con múltiples rutas entre dos puntos cualquiera, dividir los mensajes del usuario en bloques de mensajes y la entrega de estos mensajes mediante el cambio de almacenamiento y reenvío.
Donald Davies en el National Physical Laboratory (Reino Unido) desarrolló un concepto similar de enrutamiento de mensajes en 1965. Lo llamó conmutación de paquetes, un nombre más accesible que la terminología de Baran, y propuso construir una red nacional en el Reino Unido. Dio una charla sobre la propuesta en 1966, después de la cuál una persona del Ministerio de Defensa (MoD) le contó sobre el trabajo de Baran. Un miembro del equipo de Davies (Roger Scantlebury) se reunió con Lawrence Roberts en el Simposio ACM de 1967 sobre Principios del Sistema Operativo y lo sugirió para su uso en ARPANET. Davies había elegido algunos de los mismos parámetros para su diseño de red original como lo hizo Baran, como un tamaño de paquete de 1024 bits. En 1966, Davies propuso que se construyera una red en el laboratorio para atender las necesidades de la NPL y probar la viabilidad de la conmutación de paquetes. Después de un experimento piloto en 1967, la NPL Data Communications Network entró en servicio en 1969.
Sobre la base de su trabajo anterior sobre la teoría de colas, Leonard Kleinrock posteriormente llevó a cabo un trabajo teórico para modelar el rendimiento de las redes de conmutación de paquetes, lo que sirvió de base para el desarrollo de ARPANET. El equipo NPL también llevó a cabo trabajos de simulación en redes de paquetes.
En 1974, Vint Cerf y Bob Kahn publicaron las especificaciones para Transmission Control Protocol (TCP), un protocolo de internetworking para compartir recursos usando paquetes de conmutación entre los nodos (este protocolo monolítico se superpuso luego como TCP sobre el Protocolo de Internet, o IP).
La red francesa CYCLADES, diseñada por Louis Pouzin a principios de los años 70, fue la primera en responsabilizar a los hosts por la entrega confiable de datos, en lugar de ser un servicio centralizado de la red en sí.
Técnicas
La conmutación de paquetes se puede clasificar en conmutación de paquetes sin conexión, también conocida como conmutación de datagramas, y conmutación de paquetes orientada a la conexión, también conocida como conmutación de circuitos virtuales.
Modo conmutación de paquetes sin conexión o datagramas
En modo sin conexión, cada paquete incluye información de direccionamiento completa. Los paquetes se enrutan individualmente, a veces dando como resultado rutas diferentes y entrega fuera de orden. Cada paquete está etiquetado con una dirección de destino, dirección de origen y números de puerto. También puede etiquetarse con el número de secuencia del paquete. Esto excluye la necesidad de una ruta dedicada para ayudar al paquete a llegar a su destino, pero significa que se necesita mucha más información en el encabezado del paquete, que por lo tanto es más grande, y esta información debe buscarse en un contenido de gran consumo de energía.
- El protocolo utilizado para transporte es UDP.
- UDP no tiene ninguna garantía.
- No todos los paquetes siguen una misma ruta.
- Un paquete se puede destruir en el camino, cuya recuperación es responsabilidad de la estación de origen (esto da a entender que el resto de paquetes están intactos).
Modo conmutación de paquetes orientada a la conexión o conmutación de circuitos virtuales
La transmisión orientada a la conexión requiere una fase de configuración en cada nodo involucrado antes de que se transfiera cualquier paquete para establecer los parámetros de comunicación. Los paquetes incluyen un identificador de conexión en lugar de información de dirección y se negocian entre puntos finales para que se entreguen en orden y con verificación de errores. La información de dirección solo se transfiere a cada nodo durante la fase de configuración de la conexión, cuando se descubre la ruta al destino y se agrega una entrada a la tabla de conmutación en cada nodo de red por el que pasa la conexión. Los protocolos de señalización utilizados permiten a la aplicación especificar sus requisitos y descubrir los parámetros del enlace. Se pueden negociar valores aceptables para los parámetros del servicio. Enrutar un paquete requiere que el nodo busque el ID de conexión en una tabla. El encabezado del paquete puede ser pequeño, ya que solo necesita contener este código y cualquier información, como la longitud, la marca de tiempo o el número de secuencia, que es diferente para los diferentes paquetes.
- El protocolo utilizado para transporte es TCP.
- TCP garantiza que todos los datos lleguen correctamente y en orden.
Conmutación de paquetes en redes
La conmutación de paquetes se usa para optimizar el uso de la capacidad de canal disponible en redes de telecomunicaciones digitales, como redes de computadoras, y minimizar la latencia de transmisión (el tiempo que tardan los datos en atravesar la red) y aumentar la solidez de la comunicación.
El uso más conocido de conmutación de paquetes es Internet y la mayoría de las redes de área local. Internet es implementado por Internet Protocol Suite utilizando una variedad de tecnologías Link Layer. Por ejemplo, Ethernet y Frame Relay son comunes. Las tecnologías de telefonía móvil más nuevas (por ejemplo, GPRS, i-mode) también usan conmutación de paquetes.
Funciones
Cada nodo intermedio realiza las siguientes funciones:
- «Almacenamiento y retransmisión» (store and forward): hace referencia al proceso de establecer un camino lógico de forma indirecta haciendo "saltar" la información de origen al destino a través de los nodos intermedios.
- Control de ruta (routing): hace referencia a la selección de un nodo del camino por el que deben retransmitirse los paquetes para hacerlos llegar a su destino.
Los paquetes en fin, toman diversas vías, pero nadie puede garantizar que todos los paquetes vayan a llegar en algún momento determinado. En síntesis, una red de conmutación de paquetes consiste en una "malla" de interconexiones facilitadas por los servicios de telecomunicaciones, a través de la cual los paquetes viajan desde la fuente hasta el destino.