3. Conmutación y circuitos de paquetes
3.1. Introducción

El principio de la conmutación de paquetes fue inventado por los diseñadores de las redes de computadoras. Dicho principio tiene en cuenta las características del tráfico de datos de las computadoras (como las ráfagas) y representa el método de conmutación, el cual es más eficaz en las redes de computadoras, más que los métodos tradicionales de conmutación de circuitos utilizados en las redes telefónicas.
Sin embargo, las ventajas y desventajas de cualquier tecnología de red son relativas. El uso de la memoria búffer en los switches de las redes de conmutación de paquetes permite usar de modo eficiente el ancho de banda del enlace cuando se transmite tráfico en ráfagas. 

3.2. Conmutación de circuitos

Una red conmutada está formada por switches conectados entre sí por medio de enlaces de comunicación. Cada enlace se caracteriza por poseer el mismo ancho de banda. Cada nodo terminal (usuario) está conectado a la red mediante el uso de un dispositivo terminal, que envía datos hacia la red a una velocidad constante igual que el ancho de banda del enlace.

Figura 1. Conmutación de circuitos sin multiplexaje.

3.1. Establecimiento de la conexión

El intercambio de datos comienza después de que se ha establecido la conexión. Suponga que dos suscriptores telefónicos (A y B) desean intercambiar información. Antes de enviar los datos a la red (es decir, iniciar una conversación), el suscriptor A envía la solicitud a la red de conmutación. En dicha solicitud, es necesario especificar la dirección (es decir, el número telefónico) del suscriptor B. El objetivo de enviar esta solicitud es establecer la conexión entre los suscriptores A y B con un canal de información, cuyas propiedades sean similares a las de un enlace continuo de comunicaciones. Éste transmite datos a lo largo de toda la longitud del enlace a una velocidad constante, lo cual significa que los switches de paso no necesitan almacenar datos de usuario.

3.2.2. Bloqueo de la solicitud de establecimiento

La posibilidad de bloquear la solicitud de establecimiento es una característica importante de la tecnología de conmutación de circuitos. Si cualquier otro par de suscriptores llegara a solicitar la red para establecer una conexión que necesite reservar al menos una de las secciones de ruta reservadas para la conexión de A y B, la red negará dicha solicitud. Por ejemplo, si el nodo terminal C envía una solicitud para el establecimiento de una conexión al nodo terminal D, la red bloqueará esta solicitud de establecimiento, pues el único enlace que conecta los switches S2 y S4 está reservado para conectar a los suscriptores A y B. El bloqueo de la solicitud de establecimiento puede también llevarse a cabo en la sección terminal de la ruta.

3.2.3. Ancho de banda garantizado

Suponga que se ha establecido la conexión entre los suscriptores A y B, por lo que solamente ellos cuentan con un circuito caracterizado por un ancho de banda fijo a su disposición. Esto significa que durante todo el tiempo de conexión, los suscriptores deben enviar los datos a la red a una velocidad constante; la red asegurará la entrega de estos datos al suscriptor llamado, sin que se presenten pérdidas y a la misma velocidad. Lo anterior es independiente de si existen otras conexiones en la red durante ese tiempo. El suscriptor no puede transmitir datos a la red a una velocidad que exceda el ancho de banda de la línea. A su vez, la red no puede hacer más lenta la velocidad de transmisión de los datos de usuario.

3.2.4. Multiplexaje

La red simplificada que se describe, en la que cada enlace físico siempre transmite datos a la misma velocidad, trabaja de manera ineficaz. Primero, los usuarios de dichas redes a menudo no obtienen el servicio que esperan. Segundo, la red emplea de manera ineficaz sus recursos. Este es el método de mantener el costo. Para mejorar la eficacia de las redes de conmutación de circuitos se puede utilizar el multiplexaje, el cual permite transmitir de manera simultánea tráfico proveniente de varias conexiones lógicas utilizando un único enlace físico. El multiplexaje en las redes de conmutación de circuitos tiene características específicas.

El uso del multiplexaje complica el procesamiento del tráfico en los switches. En vez de usar procedimientos sencillos y directos de conmutación apropiados a las interfases, ahora es necesario transmitir datos en el canal requerido. Cuando se emplea el multiplexaje por división de tiempo se requiere un gran nivel de sincronización entre los dos flujos de información, mientras que cuando se utiliza el multiplexaje por división de frecuencia, es necesario usar la transformación de frecuencia.

3.2.5. Ineficiencias de la transmisión de tráfico de ráfagas

Existe otra razón por la cual las redes de conmutación de circuitos trabajan a menudo de forma ineficaz y ésta radica en el principio fundamental de operación de dichas redes, es decir, la reservación de un ancho de banda fijo del circuito durante todo el tiempo de conexión.

Las ventajas y desventajas de cada tecnología de red son relativas. En algunas situaciones, las ventajas son más significativas y las desventajas no tienen consecuencia alguna. Por tanto, la técnica de conmutación de circuitos resulta eficaz cuando es necesario transmitir sólo tráfico telefónico, pues se puede tolerar la imposibilidad de eliminar las pausas de las conversaciones.

3.3. Conmutación de paquetes

La técnica de conmutación de paquetes se diseñó especialmente para la transmisión eficaz del tráfico entre computadoras. Cuando se utiliza la conmutación de paquetes, todos los datos transmitidos por el usuario de la red se dividen en fragmentos relativamente pequeños conocidos con el nombre de paquetes, los cuales también se llaman tramas o celdas, aunque en este contexto la selección del término no tiene importancia. La conmutación de paquetes se lleva a cabo en el nodo transmisor. Cada paquete cuenta con un encabezado que contiene una dirección, la cual es necesaria para entregar el paquete al nodo de destino. La presencia de una dirección en cada paquete representa una de las propiedades más fundamentales de la técnica de conmutación de paquetes, ya que cada paquete puede1ser procesado por el switch, independientemente de los demás paquetes del flujo de información. Además del encabezado, el paquete cuenta con otro campo auxiliar, el cual está ubicado al final del paquete generalmente y, por tanto, se conoce con el nombre de remolque.

3.3.1. Búffers y colas

La red de conmutación de paquetes, como la de conmutación de circuitos, incluye switches conectados mediante enlaces físicos de datos; sin embargo, los switches trabajan de forma diferente en estas redes. La principal diferencia es que los switches de paquetes cuentan con memorias internas para almacenar de manera temporal los paquetes. En primera instancia, esto se debe a que el switch necesita usar todas las partes de paquete para hacer una decisión en cuanto a su direccionamiento. Estas partes incluyen el encabezado, el cual debe contener la dirección de destino, el campo de datos y el remolque que contiene la suma verificadora. El switch verifica la suma verificadora y sólo cuando está seguro de que el paquete de datos no ha sido dañado, comienza a procesar dicho paquete. Segundo, se requiere almacenamiento en memoria para coordinar la velocidad de llegada de paquetes y la velocidad de su conmutación. Si la unidad que lleva a cabo la conmutación de paquetes (dispositivo de conmutación) no puede procesar paquetes lo suficientemente rápido, se generarán colas de entrada en las interfases del switch.

Por último, son necesarias las memorias o buffers para coordinar la velocidad de los enlaces conectados a cierto switch de paquetes. Si la velocidad a la que los paquetes se alimentan al switch provenientes de una línea exceden el ancho de banda del enlace al cual estos paquetes necesitan enviarse y esta situación se lleva a cabo en cierto intervalo, con el fin de evitar la pérdida de paquetes es necesario organizar la cola de salida en la interfase objetivo

3.3.2. Métodos de envío de paquetes

La interfase a la cual llegan los paquetes que deben ser enviados se selecciona con base en uno de los tres métodos de envío de paquetes:

• Transmisión no orientada a la conexión: también conocido como transmisión de datagramas. En este caso, la transmisión se lleva a cabo con el establecimiento de una conexión y todos los paquetes transmitidos se envían de manera independiente uno del otro aplicando las mismas reglas.
• Transmisión orientada a la conexión: En este caso, el proceso orientado a la conexión de la transmisión de datos se divide en las llamadas sesiones o conexiones lógicas. La red registra el comienzo y el final de cada conexión lógica. Ahora, el método de procesamiento se determina para todo el conjunto de paquetes transmitidos como parte de la sesión, en lugar de hacerlo para cada paquete individual.
• Circuito virtual: Si la lista de parámetros de conexión incluyera la ruta, todos los paquetes transmitidos como parte de una conexión específica deberán tomar una ruta determinada. Esta constante y predefinida y única ruta que conecta los nodos terminales en la red de conmutación de paquetes se conoce como circuito virtual o canal virtual.

3.3.3. Transmisión de datagramas

El método de transmisión de datagramas se basa en el hecho de que todos los paquetes transmitidos se procesan de manera independiente. La selección de la interfase a la cual es necesario enviar un paquete que llega se lleva a cabo con base en la dirección destino especificada en el encabezado del paquete. No se tiene en cuenta el hecho de que ese paquete específico pertenezca a un flujo de información determinado. La solución al envío de paquetes se basa en una tabla de conmutación que contiene el conjunto de direcciones de destino o la información acerca de direcciones que determinan, sin ambigüedades, el siguiente nodo de red en la ruta (ya sea nodo de tránsito o nodo terminal).

Las tablas de conmutación de la red de datagramas deben contener registros para todas las direcciones a las que es posible enviar los paquetes que llegan a las interfases del switch. En general, los paquetes entrantes pueden estar destinados a cualquier nodo de la red. En la práctica, se implementan métodos que ayudan a reducir el número de registros en la tabla de conmutación. Uno de estos métodos es el direccionamiento jerárquico, de acuerdo con el cual la tabla de conmutación puede contener solamente las partes más significativas (las que ocupan las posiciones más hacia la izquierda) de las direcciones que corresponden a un grupo

de nodos (subred).

3.3.3 Transmisión de datagramas

El método de transmisión de datagramas se basa en el hecho de que todos los paquetes transmitidos se procesan de manera independiente. La selección de la interfase a la cual es necesario enviar un paquete que llega se lleva a cabo con base en la dirección destino específico cada en el encabezado del paquete. No se tiene en cuenta el hecho de que ese paquete específico pertenezca a un flujo de información determinado.

La solución al envío de paquetes se basa en una tabla de conmutación que contiene el conjunto de direcciones de destino o la información acerca de direcciones que determinan, sin ambigüedades, el siguiente nodo de red en la ruta (ya sea nodo de transito o nodo terminal). en las diferentes tecnologías de red se pueden utilizar otros términos para designar la tabla de conmutación: tabla de enrutamiento, tabla de envíos, etc. tabla de conmutación se emplean para transmitir datagramas basadas solamente en las direcciones de los nodos de destino. 

Las tablas de conmutación de la red de datagramas deben contener registros para todas las direcciones a las que es posible enviar los paquetes que llegan a las interfases del switch. En general, los paquetes entrantes pueden estar destinados a cualquier nodo de la red. En la práctica, se implementan métodos que ayudan a reducir el número de registros en la tabla de conmutación. Uno de estos métodos es el direccionamiento jerárquico, de acuerdo con el cual la tabla de conmutación puede contener solamente las partes más significativas (las que ocupan las posiciones más hacia la izquierda) de las direcciones que corresponden a un grupo de nodos (subred) más que a nodos individuales. Por tanto, es posible utilizar la analogía de las direcciones de correo, donde los nombres de los países y las ciudades corresponden a las posiciones más significativas de las direcciones.

Créditos:

NOEMÍ OROPEZA BARTOLOMÉ

JUDITH VALDÉZ MARTINEZ

EDUARDO RÍOS PACHECO

ROBERTO ESPINDOLA GALEANA

Bibliografía

Olifer N. Olifer V. (2002), Redes de computadoras: principios, tecnología y protocolos para el diseño de redes. México: McGraw-Hill.