Procedimiento de gestión de enlaces en el nivel de enlace de datos para redes de comunicaciones,

procedimiento de encaminamiento de tramas de datos, dispositivo de interconexión de redes y red que combina ambos procedimientos.Esta gestión de enlaces en el nivel de enlace de datos (capa 2 de OSI) comprende un procedimiento para construir un árbol de expansión jerárquico a partir de un puente de red {bridge) elegido como raíz, del que cuelga al menos un puente de red conectado a dicha raíz a través de un puerto designado y al que se asigna una dirección MAC local jerárquica (HLMAC) correspondiente al identificador del puerto designado. Las tramas con dirección de destino HLMAC se encaminan mediante un procedimiento que usa el árbol de expansión jerárquico. Todos los puentes (aquí se bautizan como puentes combinados) a los que se asigna dirección MAC local jerárquica también pueden procesar tramas con direcciones MAC universales asignadas a los terminales destino. Este árbol jerárquico se construye junto con el árbol estándar (802.1D), formando un árbol de expansión mixto que comprende tanto puentes combinados como los convencionales que operan bajo 802.1D

Procedimiento de gestión de enlaces en el nivel de enlace de datos para redes de comunicaciones, procedimiento de encaminamiento de tramas de datos, dispositivo de interconexión de redes y red que combina ambos procedimientos.

Campo técnico de la invención

La presente invención se encuadra en el marco de las tecnologías de la información y las comunicaciones en general, aplicándose más particularmente para las redes de área local (LAN) y metropolitanas (MAN), como por ejemplo las redes campus Ethernet.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, las redes campus implantadas para la conexión de centros de enseñanza e investigación son redes troncales de alta velocidad (Gigabit Ethernet,...), integrando diferentes entornos y servicios (voz, datos, vídeo) en una única infraestructura IP ("Internet Protocol"), soportando distancias de transmisión que pueden ir hasta rangos idénticos a los de redes de área amplia (WAN).

Las prestaciones y economía de Gigabit Ethernet y 10 GE empujan hacia cambios importantes tanto en las redes LAN como MAN, provocados por los drásticos incrementos en ancho de banda y escalabilidad así como por la facilidad de gestión y el bajo coste respecto a los conmutadores ATM y a los equipos SDH.

A tales avances hay que sumar la creciente demanda de ancho de banda por las aplicaciones multimedia (formación multimedia on-line, videoconferencia, telecongresos, etc.), las nuevas aplicaciones asociadas a la investigación y la industria (computación distribuida, visión artificial, etc.) que exigen mayor capacidad y menor retardo en las comunicaciones y el creciente número de equipos conectados a las redes campus. De todo ello deriva la necesidad de disponer de redes campus Ethernet autoconfigurables, de altas prestaciones, escalables a grandes tamaños de red y de coste reducido.

Dada la previsible proliferación de dispositivos de todo tipo en las redes campus, los tamaños de redes que se contemplan son de hasta 100.000 dispositivos (terminales de la red) de los cuales aproximadamente 20.000 pueden ser ordenadores convencionales, siendo el resto dispositivos de diversos tipos: sensores, paneles, asistentes personales (PDA), etc. El numero de puentes de red ("bridges", en inglés) típico para una red de este tipo puede ser de alrededor de 500.

El encaminamiento de las tramas en los puentes de red que se usan actualmente se deriva del definido en el estándar IEEE 802.1D. Pero para la implantación de redes de tamaño medio o grande el uso de puentes 802.1D tiene los siguientes inconvenientes:

Deben fragmentarse los dominios de conmutación para limitar la propagación de problemas tales como tormentas de tramas. Para ello, se requiere emplear encaminadores o enrutadores de nivel de red ("routers", en inglés), o bien utilizar Conmutadores Multicapa para fragmentar en subredes más pequeñas.

Hay que asignar y gestionar las direcciones IP, y la dirección IP cambia al cambiar el usuario de lugar de conexión.

Se infrautiliza mucha infraestructura costosa debido a los enlaces bloqueados por el protocolo de Árbol de Expansión (STP: "Spanning Tree Protocol", en inglés).

Cuando se emplean redes LAN virtuales (VLANs), estandarizadas según IEEE 802.1Q, para separar el tráfico y los dominios de difusión dentro del dominio conmutado, es posible utilizar de forma eficiente la infraestructura, pero es necesario configurar y administrar las VLANs, así como diseñar y configurar los Árboles de Expansión según el estándar 802.1Q, para luego asignar las VLAN a los mismos.

Existen diversas propuestas para definir una arquitectura de redes Ethernet escalable y autoconfigurable, la mayoría basadas en encapsulados adicionales: 802.1ah, UETS/EFR ("Universal Ethernet Telecommunications Service/Ethernet Fabric Routing"),... Estas propuestas presentan encapsulados apilados y complejos, lo que supone una escalabilidad de granularidad gruesa debida a la ausencia de verdadera jerarquía en las propuestas, dado que se mantiene el direccionamiento plano del Control de Acceso al Medio (MAC) Ethernet.

A continuación, se exponen algunas de las deficiencias que presentan las soluciones usadas para redes Ethernet hasta la fecha:

- Conmutadores de Capa Tres o Multicapa [por ejemplo, ver Cisco LAN Switching de Kennedy Clark, Kevin Hamilton, CCIE Professional Development series, ISBN: 1-57870-094-9, Cisco Press, 2001]: Aunque no poseen capacidad de encaminamiento WAN como los encaminadores, son más simples de configurar que éstos (las desventajas de los encaminadores se resumen en: complejidad por la necesidad de administrar las direcciones IP, menores prestaciones y mayor coste para iguales prestaciones por el mayor procesado de los paquetes IP respecto a las tramas Ethernet). Sin embargo, para el encaminamiento LAN aún siguen precisando definir segmentos IP.

- Conmutadores con encaminamiento en origen: Aunque el encaminamiento en origen (o basado en fuente) puede considerarse obsoleto en redes fijas, es objeto de estandarización en las redes ad-hoc como es el caso del protocolo DSR ["The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR)", disponible en http://www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-dsr-10.txt]. Cuando se emplea encaminamiento en origen en redes de capa dos, como las Token Ring, un primer inconveniente es la necesidad, a diferencia de la autoconfiguración de los puentes Ethernet, de asignar la identidad de todos los Puentes y Redes Locales para mantener la transparencia, ya que deben ser siempre los puentes de red los que realicen el encaminamiento en origen, nunca los equipos terminales de la red. Un segundo gran inconveniente es la gran sobrecarga de mensajes producida por el descubrimiento de rutas; de hecho, el ancho de banda requerido crece exponencialmente con el número de puentes por LAN y el número de puertos por puentes. La trama asimismo se alarga al extenderla con la ruta explícita, la cual contiene todas las direcciones de puentes y LANs a atravesar.

- Conmutadores con encaminamiento centralizado: Aparecen como uno de los primeros antecedentes de red local autoconfigurable ["Autonet: A High-Speed, Self-Configuring Local Area Network Using Point-to-Point Links" de M. Shoreder et al., IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 9, No. 8, p. 1318-1335, 1991]. Un inconveniente considerable de "Autonet" radica en que la compatibilidad entre los modos de trabajo Ethernet y Autonet se implementa en los ordenadores conectados como terminales, requiriendo la modificación de los mismos mediante la incorporación de un módulo ("Localnet") situado por encima de los controladores software ("drivers") de Ethernet y Autonet. Además, los enlaces deben ser punto a punto, con un solo terminal conectado en cada segmento de LAN.

- Conmutadores con encaminamiento distribuido ("Smartbridges", "Rbridges" y LSOM): A diferencia de "Autonet", los "Smartbridges" no precisan comunicación punto a punto ["SmartBridge: A scalable bridge architecture" de T. L. Rodeheffer et al., Proceedings of ACM SIGCOMM 2000, 2000], pero no son compatibles con los puentes 802.1D, no permiten incluir la velocidad del enlace como criterio de elección de caminos y precisan reinicialización global en caso de reconfiguración por cambio de topología. Los "Rbridges" ("Routing Bridges") [ver http://www.postel.org/pipermail/RBridge/] no resultan escalables a escenarios de redes campus muy grandes, porque el encaminamiento basado en direcciones MAC produce tablas bastante grandes al ser direcciones planas que no permiten agregar rutas en el encaminamiento, por lo que exigen excesiva memoria y ralentiza la búsqueda en los puentes para tamaños grandes de red. RBridges modifican la trama en cada salto entre RBridges cambiando entre otros, el campo de RBridge de siguiente salto, lo que complica el procesamiento de tramas. El encaminamiento LSOM ["LSOM: A Link State Protocol Over MAC Addresses for Metropolitan Backbones Using Optical Ethernet Switches" por J. Duato et al., Proceedings Second IEEE NCA'03, 2003] utiliza caminos óptimos, distribuye el tráfico en la red y utiliza bien la infraestructura, pero tampoco resuelve el problema de la proliferación de direcciones MAC.

- Otros Conmutadores con encaminamiento son los bautizados como "Brouters" [definición en http://en.wikipedia.org/wiki/Brouter]: Son dispositivos híbridos entre un puente de red y un encaminador, pero no son compatibles con los puentes 802.1D y sufren una sobrecarga... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de gestión de enlaces en el nivel de enlace de datos para redes de telecomunicaciones, las cuales comprenden una pluralidad de puentes de red configurados para intercambiar tramas BPDU a través de enlaces que conectan dichos puentes de red, donde se establece al menos un árbol de expansión según un protocolo estándar que se forma a partir de un puente de red raíz (R) del que cuelga al menos un puente de red convencional que opera según el protocolo 802.1D y teniendo dicho árbol de expansión al menos un puente de red hoja conectado a un equipo terminal, caracterizado porque comprende:

- crear un árbol de expansión jerárquico que se forma a partir del puente de red raíz (R) colgando al menos un puente de red que está conectado mediante un enlace punto a punto a dicho puente de red raíz (R) a través de un puerto designado y que tiene una dirección MAC local jerárquica asignada añadiendo un campo de seis octetos al final de una trama BPDU estándar, que indica un número, que es variable, de niveles del árbol de expansión jerárquico y contiene:

- un identificador de puerto del puerto designado, correspondiente a un nivel del árbol de expansión jerárquico en el que se establece el puente de red que tiene dicho puerto designado, y

- un prefijo que es el identificador de puerto del puerto raíz, al que se añade el identificador de puerto del puerto designado;

- reconfigurar el árbol de expansión jerárquico enviando al menos una trama BPDU del tipo TCN y borrando la dirección MAC asignada al puerto con el estándar 802.1D;

- usar el protocolo ARP para resolver las direcciones MAC con direcciones IP.

2. Procedimiento de gestión de enlaces según reivindicación 1, caracterizado porque el árbol de expansión se crea mediante el protocolo estándar STP.

3. Procedimiento de gestión de enlaces según reivindicación 1, caracterizado porque el árbol de expansión se crea mediante el protocolo estándar RSTP.

4. Procedimiento de gestión de enlaces según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el árbol de expansión jerárquico se une al, al menos un, árbol de expansión creado mediante el protocolo estándar y formado por puentes de red convencionales que se conectan en la periferia del árbol de expansión mixto formando subárboles, para formar un árbol de expansión mixto.

5. Procedimiento de gestión de enlaces según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el número de niveles del árbol de expansión jerárquico se indica de forma explícita en un primer octeto de dicho campo de seis octetos.

6. Procedimiento de gestión de enlaces según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el número de niveles del árbol de expansión jerárquico se indica de forma implícita rellenando con ceros desde un último octeto de dicho campo de seis octetos hasta un octeto que contiene el identificador de puerto del puerto designado.

7. Procedimiento de gestión de enlaces según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque adicionalmente comprende enviar periódicamente la trama BPDU con el campo de seis octetos añadido al final y con una dirección MAC de origen que es única y una dirección MAC de destino que es una dirección de multidifusión.

8. Procedimiento de encaminamiento de tramas de datos, que opera en el nivel de enlace de datos y que comprendiendo el envió y reenvió de tramas de datos con una dirección MAC de destino a través de un puerto designado de un puente de red, se caracteriza porque simultáneamente:

- encamina tramas de datos con la dirección MAC de destino igual a una dirección MAC universal usando el estándar 802.1D, y

- encamina, a lo largo de una ruta, al menos una trama de datos con una dirección MAC de origen y con la dirección MAC de destino igual a una dirección MAC local asignada de forma jerárquica en un campo de seis octetos de una trama BPDU que tiene al menos una entrada de al menos dieciocho octetos, donde:

- el campo de seis octetos indica un número, que es variable, de niveles del árbol de expansión jerárquico y contiene: