Enrutamiento

El enrutamiento es el proceso de seleccionar una ruta para el tráfico dentro de una red o entre varias redes. En términos generales, el enrutamiento se realiza en muchos tipos de redes, incluidas las redes de conmutación de circuitos , como la red telefónica pública conmutada (PSTN), y las redes informáticas , como Internet .

En las redes de conmutación de paquetes, el enrutamiento es la toma de decisiones de alto nivel que dirige los paquetes de red desde su origen hacia su destino a través de nodos de red intermedios mediante mecanismos específicos de reenvío de paquetes. El reenvío de paquetes es el tránsito de paquetes de red de una interfaz de red a otra. Los nodos intermedios suelen ser dispositivos de hardware de red como enrutadores , puertas de enlace , cortafuegos o conmutadores . Los ordenadores de propósito general también reenvían paquetes y realizan enrutamiento, aunque no disponen de hardware especialmente optimizado para esta tarea.

El proceso de enrutamiento generalmente dirige el reenvío basándose en tablas de enrutamiento . Estas tablas mantienen un registro de las rutas hacia los distintos destinos de la red. Las tablas de enrutamiento pueden ser especificadas por un administrador, aprendidas mediante la observación del tráfico de red o construidas con la ayuda de protocolos de enrutamiento .

El enrutamiento, en un sentido más estricto, suele referirse al enrutamiento IP y se contrapone al puenteo . El enrutamiento IP presupone que las direcciones de red están estructuradas y que las direcciones similares implican proximidad dentro de la red. Las direcciones estructuradas permiten que una única entrada en la tabla de enrutamiento represente la ruta a un grupo de dispositivos. En redes grandes, el direccionamiento estructurado (enrutamiento, en sentido estricto) supera al direccionamiento no estructurado (puenteo). El enrutamiento se ha convertido en la forma dominante de direccionamiento en Internet. El puenteo todavía se utiliza ampliamente en redes de área local .

Esquemas de entrega

Los esquemas de enrutamiento difieren en la forma en que entregan los mensajes:

La transmisión unicast entrega un mensaje a un único nodo específico mediante una asociación uno a uno entre un remitente y un destino: cada dirección de destino identifica de forma única un único punto final receptor.
La difusión entrega un mensaje a todos los nodos de la red mediante una asociación uno a todos ; un único datagrama (o paquete ) de un remitente se enruta a todos los posibles puntos finales asociados con la dirección de difusión . La red replica automáticamente los datagramas según sea necesario para llegar a todos los destinatarios dentro del alcance de la difusión, que generalmente es una subred completa .
La multidifusión entrega un mensaje a un grupo de nodos que han manifestado interés en recibirlo mediante una asociación de uno a muchos o de muchos a muchos ; los datagramas se enrutan simultáneamente en una única transmisión a múltiples destinatarios. La multidifusión se diferencia de la difusión en que la dirección de destino designa un subconjunto, no necesariamente todos, de los nodos accesibles.
Anycast entrega un mensaje a cualquiera de un grupo de nodos, generalmente al más cercano a la fuente, mediante una asociación uno a uno de muchos ^{[ 1 ],} donde los datagramas se enrutan a cualquier miembro de un grupo de receptores potenciales, todos identificados por la misma dirección de destino. El algoritmo de enrutamiento selecciona al receptor del grupo en función de cuál es el más cercano según alguna medida de distancia o costo.

La transmisión unicast es la forma dominante de envío de mensajes en Internet. Este artículo se centra en los algoritmos de enrutamiento unicast.

Distribución topológica

Con el enrutamiento estático , las redes pequeñas pueden usar tablas de enrutamiento configuradas manualmente. Las redes más grandes tienen topologías complejas que pueden cambiar rápidamente, lo que hace inviable la creación manual de tablas de enrutamiento. Sin embargo, la mayor parte de la red telefónica pública conmutada (RTPC) utiliza tablas de enrutamiento precalculadas, con rutas alternativas si la ruta más directa se bloquea (véase enrutamiento en la RTPC ).

El enrutamiento dinámico intenta solucionar este problema mediante la creación automática de tablas de enrutamiento, basándose en la información que transmiten los protocolos de enrutamiento . Esto permite que la red funcione de forma casi autónoma, evitando fallos y bloqueos. El enrutamiento dinámico domina Internet. Algunos ejemplos de protocolos y algoritmos de enrutamiento dinámico son el Protocolo de Información de Enrutamiento (RIP), el Protocolo de Ruta Más Corta Abierta (OSPF) y el Protocolo de Enrutamiento de Puerta de Enlace Interior Mejorado (EIGRP).

Algoritmos de vector de distancia

Los algoritmos de vector distancia utilizan el algoritmo de Bellman-Ford . Este método asigna un valor numérico a cada enlace entre los nodos de la red. Los nodos envían información del punto A al punto B a través de la ruta que resulta en el menor costo total (es decir, la suma de los costos de los enlaces entre los nodos utilizados).

Cuando un nodo se inicia, solo conoce a sus vecinos inmediatos y el coste directo para llegar a ellos. (Esta información —la lista de destinos, el coste total para cada uno y el siguiente salto para enviar datos— conforma la tabla de enrutamiento o tabla de distancias ). Cada nodo envía periódicamente a cada nodo vecino su propia evaluación actual del coste total para llegar a todos los destinos que conoce. Los nodos vecinos examinan esta información y la comparan con la que ya conocen; cualquier mejora con respecto a lo que ya tienen se incorpora a su propia tabla. Con el tiempo, todos los nodos de la red descubren el mejor siguiente salto y el coste total óptimo para todos los destinos.

Cuando un nodo de la red falla, todos los nodos que lo utilizaban como siguiente salto descartan la entrada y transmiten la información de enrutamiento actualizada a todos los nodos adyacentes, que a su vez repiten el proceso. Finalmente, todos los nodos de la red reciben las actualizaciones y descubren nuevas rutas hacia todos los destinos que no pasan por el nodo caído.

Algoritmos de estado de enlace

Al aplicar algoritmos de estado de enlace, un mapa gráfico de la red constituye el dato fundamental para cada nodo. Para generar su mapa, cada nodo inunda toda la red con información sobre los demás nodos a los que puede conectarse. A continuación, cada nodo ensambla de forma independiente esta información en un mapa. Utilizando este mapa, cada enrutador determina de forma independiente la ruta de menor coste desde sí mismo a cualquier otro nodo mediante un algoritmo estándar de ruta más corta, como el algoritmo de Dijkstra . El resultado es un grafo de árbol con raíz en el nodo actual, de modo que la ruta a través del árbol desde la raíz hasta cualquier otro nodo es la ruta de menor coste hasta ese nodo. Este árbol sirve entonces para construir la tabla de enrutamiento, que especifica el mejor siguiente salto para ir del nodo actual a cualquier otro nodo.

Algoritmo de enrutamiento de estado de enlace optimizado

Un algoritmo de enrutamiento de estado de enlace optimizado para redes móviles ad hoc es el Protocolo de Enrutamiento de Estado de Enlace Optimizado (OLSR). ^{[ 2 ]} OLSR es proactivo; utiliza mensajes Hello y de Control de Topología (TC) para descubrir y difundir información de estado de enlace a través de la red móvil ad hoc. Mediante los mensajes Hello, cada nodo descubre información de vecinos a dos saltos y elige un conjunto de relés multipunto (MPR). Los MPR distinguen a OLSR de otros protocolos de enrutamiento de estado de enlace.

Protocolo de vector de ruta

El enrutamiento por vector distancia y el enrutamiento por estado de enlace son protocolos de enrutamiento intradominio. Se utilizan dentro de un sistema autónomo , pero no entre sistemas autónomos. Ambos protocolos se vuelven inviables en redes grandes y no pueden utilizarse para el enrutamiento interdominio . El enrutamiento por vector distancia es inestable si hay más de unos pocos saltos en el dominio. El enrutamiento por estado de enlace requiere recursos significativos para calcular las tablas de enrutamiento. Además, genera un tráfico intenso debido a la inundación de la red.

El enrutamiento por vector de ruta se utiliza para el enrutamiento entre dominios. Es similar al enrutamiento por vector de distancia. Este método asume que un nodo (puede haber varios) en cada sistema autónomo actúa en nombre de todo el sistema. Este nodo se denomina nodo emisor. El nodo emisor crea una tabla de enrutamiento y la anuncia a los nodos emisores vecinos en sistemas autónomos adyacentes. La idea es la misma que en el enrutamiento por vector de distancia, con la diferencia de que solo los nodos emisores de cada sistema autónomo pueden comunicarse entre sí. El nodo emisor anuncia la ruta, no la métrica, de los nodos en su sistema autónomo o en otros sistemas autónomos.

El algoritmo de enrutamiento por vector de ruta es similar al algoritmo de vector de distancia en el sentido de que cada enrutador de borde anuncia los destinos a los que puede llegar a su enrutador vecino. Sin embargo, en lugar de anunciar las redes en términos de un destino y la distancia a ese destino, las redes se anuncian como direcciones de destino y descripciones de ruta para llegar a esos destinos. La ruta, expresada en términos de los dominios (o confederaciones) recorridos hasta el momento, se transporta en un atributo de ruta especial que registra la secuencia de dominios de enrutamiento por los que ha pasado la información de accesibilidad. Una ruta se define como un emparejamiento entre un destino y los atributos de la ruta a ese destino, de ahí el nombre de enrutamiento por vector de ruta. Los enrutadores reciben un vector que contiene rutas a un conjunto de destinos. ^{[ 3 ]}

Selección de ruta

La selección de ruta implica aplicar una métrica de enrutamiento a múltiples rutas para seleccionar (o predecir) la mejor. La mayoría de los algoritmos de enrutamiento utilizan solo una ruta de red a la vez. El enrutamiento multipath , y específicamente las técnicas de enrutamiento multipath de igual costo, permiten el uso de múltiples rutas alternativas.

En redes informáticas, la métrica se calcula mediante un algoritmo de enrutamiento y puede abarcar información como ancho de banda , retardo de red , número de saltos , coste de ruta, carga, unidad de transmisión máxima , fiabilidad y coste de comunicación. ^{[ 4 ]} La tabla de enrutamiento almacena únicamente las mejores rutas posibles, mientras que las bases de datos de estado de enlace o topológicas pueden almacenar también toda la demás información.

En caso de rutas superpuestas o iguales, los algoritmos consideran los siguientes elementos en orden de prioridad para decidir qué rutas instalar en la tabla de enrutamiento:

Longitud del prefijo : Siempre se prefiere una entrada de la tabla de rutas coincidente con una máscara de subred más larga, ya que especifica el destino con mayor precisión.
Métrica : Al comparar rutas aprendidas mediante el mismo protocolo de enrutamiento, se prefiere una métrica más baja. No se pueden comparar métricas entre rutas aprendidas con diferentes protocolos de enrutamiento.
Distancia administrativa : Al comparar las entradas de la tabla de rutas de diferentes fuentes, como diferentes protocolos de enrutamiento y configuraciones estáticas, una menor distancia administrativa indica una fuente más fiable y, por lo tanto, una ruta preferida.

Dado que una métrica de enrutamiento es específica de un protocolo de enrutamiento determinado, los enrutadores multiprotocolo deben utilizar alguna heurística externa para seleccionar entre las rutas aprendidas de diferentes protocolos de enrutamiento. Los enrutadores Cisco , por ejemplo, asignan un valor conocido como distancia administrativa a cada ruta, donde distancias administrativas menores indican rutas aprendidas de un protocolo que se considera más fiable.

Un administrador local puede configurar rutas específicas para cada host que brindan mayor control sobre el uso de la red, permiten realizar pruebas y mejoran la seguridad general. Esto resulta útil para depurar conexiones de red o tablas de enrutamiento.

En algunos sistemas pequeños, un único dispositivo central decide de antemano la ruta completa de cada paquete. En otros, el dispositivo de borde que inyecta un paquete en la red decide de antemano la ruta completa de ese paquete en particular. En ambos casos, el dispositivo de planificación de rutas necesita mucha información sobre qué dispositivos están conectados a la red y cómo están conectados entre sí. Una vez que dispone de esta información, puede utilizar un algoritmo como el algoritmo de búsqueda A* para encontrar la mejor ruta.

En los sistemas de alta velocidad, se transmiten tantos paquetes por segundo que resulta inviable que un solo dispositivo calcule la ruta completa para cada uno de ellos. Los primeros sistemas de alta velocidad solucionaban esto mediante la conmutación de circuitos , estableciendo una ruta una sola vez para el primer paquete entre un origen y un destino determinados; los paquetes posteriores entre ese mismo origen y destino seguían la misma ruta sin necesidad de recalcularla hasta que se desconectaba el circuito . Los sistemas de alta velocidad más recientes inyectan paquetes en la red sin que ningún dispositivo calcule jamás una ruta completa para cada paquete.

En sistemas grandes, existen tantas conexiones entre dispositivos, y estas cambian con tanta frecuencia, que resulta inviable que un solo dispositivo sepa cómo están conectados todos los demás, y mucho menos que calcule una ruta completa a través de ellos. Estos sistemas suelen utilizar enrutamiento de siguiente salto .

La mayoría de los sistemas utilizan un algoritmo de enrutamiento dinámico determinista . Cuando un dispositivo elige una ruta hacia un destino final determinado, siempre elige la misma ruta hasta que recibe información que le hace pensar que existe otra ruta mejor.

Algunos algoritmos de enrutamiento no utilizan un algoritmo determinista para encontrar el mejor enlace para que un paquete llegue desde su origen a su destino final. En cambio, para evitar puntos críticos de congestión en los sistemas de paquetes, algunos algoritmos utilizan un algoritmo aleatorio —el paradigma de Valiant— que enruta una ruta a un destino intermedio elegido al azar y, desde allí, a su verdadero destino final. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} En muchos conmutadores telefónicos antiguos, a menudo se utilizaba un aleatorior para seleccionar el inicio de una ruta a través de una estructura de conmutación de múltiples etapas .

Dependiendo de la aplicación para la que se realiza la selección de ruta, se pueden utilizar diferentes métricas. Por ejemplo, para las solicitudes web, se pueden usar rutas de latencia mínima para minimizar el tiempo de carga de la página web, o para transferencias de datos masivas, se puede elegir la ruta menos utilizada para equilibrar la carga en la red y aumentar el rendimiento. Un objetivo común en la selección de ruta es reducir los tiempos promedio de finalización de los flujos de tráfico y el consumo total de ancho de banda de la red. Recientemente, se propuso una métrica de selección de ruta que calcula el número total de bytes programados en los enlaces por ruta como métrica de selección. ^{[ 7 ]} Se ha publicado un análisis empírico de varias métricas de selección de ruta, incluida esta nueva propuesta. ^{[ 8 ]}

Múltiples agentes

En algunas redes, el enrutamiento se complica debido a que ninguna entidad es responsable de seleccionar las rutas; en cambio, varias entidades participan en la selección de rutas, o incluso de partes de una misma ruta. Pueden surgir complicaciones o ineficiencia si estas entidades eligen rutas para optimizar sus propios objetivos, lo que podría entrar en conflicto con los objetivos de otros participantes.

Un ejemplo clásico se da en el tráfico de una red vial, donde cada conductor elige la ruta que minimiza su tiempo de viaje. Con este tipo de enrutamiento, las rutas de equilibrio pueden ser más largas que las óptimas para todos los conductores. En particular, la paradoja de Braess demuestra que añadir una nueva carretera puede aumentar los tiempos de viaje para todos.

En un modelo de agente único utilizado, por ejemplo, para el enrutamiento de vehículos guiados automáticamente (AGV) en una terminal, se realizan reservas para cada vehículo con el fin de evitar el uso simultáneo de la misma parte de la infraestructura. Este enfoque también se conoce como enrutamiento sensible al contexto. ^{[ 9 ]}

Internet se divide en sistemas autónomos (AS), como los proveedores de servicios de Internet (ISP), cada uno de los cuales controla las rutas que involucran su red. El enrutamiento ocurre en múltiples niveles. Primero, las rutas a nivel de AS se seleccionan mediante el protocolo BGP , que produce una secuencia de AS por la cual fluyen los paquetes. Cada AS puede tener múltiples rutas, ofrecidas por AS vecinos, entre las cuales elegir. Estas decisiones de enrutamiento a menudo se correlacionan con las relaciones comerciales con estos AS vecinos, ^{[ 10 ]} que pueden no estar relacionadas con la calidad de la ruta o la latencia. Segundo, una vez que se ha seleccionado una ruta a nivel de AS, a menudo hay múltiples rutas correspondientes a nivel de enrutador para elegir. Esto se debe, en parte, a que dos ISP pueden estar conectados a través de múltiples conexiones. Al elegir la única ruta a nivel de enrutador, es práctica común que cada ISP emplee el enrutamiento de papa caliente : enviar el tráfico a lo largo de la ruta que minimiza la distancia a través de su propia red, incluso si esa ruta alarga la distancia total al destino.

Por ejemplo, consideremos dos ISP, A y B. Cada uno tiene presencia en Nueva York , conectados por un enlace rápido con latencia.5 ms —y cada uno tiene presencia en Londres conectada por un enlace de 5 ms. Supongamos que ambos ISP tienen enlaces transatlánticos que conectan sus dos redes, pero AEl enlace de tiene una latencia de 100 ms y B's tiene una latencia de 120 ms. Al enrutar un mensaje desde una fuente en ALa red de Londres a un destino en BEn la red de Nueva York, A puede optar por enviar inmediatamente el mensaje a B en Londres. Esto le ahorra a A el trabajo de enviarlo a través de un costoso enlace transatlántico, pero provoca que el mensaje experimente una latencia de 125 ms cuando la otra ruta habría sido 20 ms más rápida.

Además, se observa un desafío de enrutamiento similar en las redes celulares, donde diferentes paquetes se dirigen a distintos puntos finales y cada enlace presenta una eficiencia espectral variable. En este contexto, la selección de la ruta óptima implica considerar la latencia y la tasa de error de paquetes. Para abordar esto, múltiples entidades independientes, una por cada estación base, desempeñan un papel crucial en la selección de la ruta, con el objetivo de optimizar el rendimiento general de la red. ^{[ 11 ]}

Un estudio de medición de rutas de Internet realizado en 2003 reveló que, entre pares de ISP vecinos, más del 30 % de las rutas presentaban una latencia aumentada debido al enrutamiento de "patata caliente", con un 5 % de las rutas retrasadas al menos 12 ms. Si bien el aumento de latencia debido a la selección de rutas a nivel de sistema autónomo (AS), si bien era considerable, se atribuyó principalmente a la falta de un mecanismo en BGP para optimizar directamente la latencia, en lugar de a políticas de enrutamiento egoístas. También se sugirió que, de existir un mecanismo adecuado, los ISP estarían dispuestos a cooperar para reducir la latencia en lugar de utilizar el enrutamiento de "patata caliente". ^{[ 12 ]} Posteriormente, los mismos autores publicaron dicho mecanismo, primero para el caso de dos ISP ^{[ 13 ]} y luego para el caso global. ^{[ 14 ]}

Análisis de rutas

Dado que Internet y las redes IP se han convertido en herramientas empresariales de misión crítica , ha aumentado el interés en técnicas y métodos para monitorizar el enrutamiento de las redes. Un enrutamiento incorrecto o problemas de enrutamiento provocan una degradación indeseable del rendimiento, fluctuaciones o tiempos de inactividad. La monitorización del enrutamiento en una red se logra mediante herramientas y técnicas de análisis de rutas . ^{[ 15 ]}

Enrutamiento centralizado

En redes donde se dispone de un control lógicamente centralizado sobre el estado de reenvío, por ejemplo, mediante redes definidas por software , se pueden utilizar técnicas de enrutamiento que buscan optimizar las métricas de rendimiento globales y de toda la red. Esto lo han utilizado grandes empresas de internet que operan numerosos centros de datos en diferentes ubicaciones geográficas conectados mediante enlaces ópticos privados, como por ejemplo la WAN global de Microsoft , ^{[ 16 ]} la Express Backbone de Facebook ^{[ 17 ]} y la B4 de Google . ^{[ 18 ]}

Las métricas de rendimiento global a optimizar incluyen maximizar la utilización de la red, minimizar los tiempos de finalización del flujo de tráfico, maximizar el tráfico entregado antes de plazos específicos y reducir los tiempos de finalización de los flujos. ^{[ 19 ]} El trabajo sobre este último en WAN privada analiza el modelado del enrutamiento como un problema de optimización de grafos al enviar todas las colas a los puntos finales. Los autores también proponen una heurística para resolver el problema de manera eficiente sacrificando un rendimiento insignificante. ^{[ 20 ]}

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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Enlaces externos

Problema de contar hasta el infinito
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