MPLS: estándar de transporte de datos en redes

Cuando se habla de transmisión de datos se diferencian fundamentalmente dos tipos. En la transmisión no orientada a conexión, los datos pueden enviarse al sistema de destino desde el terminal que se desee en cualquier momento y sin límite, sin que el camino del paquete tenga que estar definido desde el principio. Cada nodo intermedio (generalmente, routers) sabe de forma automática cómo reenviar el flujo de datos. Si bien los servicios no orientados a conexión ofrecen una gran flexibilidad, no aseguran que los recursos necesarios estén efectivamente disponibles.

Por el contrario, en el caso de la transmisión orientada a conexión, el camino de los paquetes de datos se conoce de antemano. Los nodos implicados, generalmente conmutadores, obtienen de la estación que les precede la información necesaria para reenviar los datos hasta que los paquetes llegan al ordenador de destino al final de la ruta. Este método agiliza en gran medida el largo proceso de enrutamiento propio de los servicios no orientados a conexión. De esta forma, además, se pueden controlar y repartir los recursos de red de una forma óptima. El llamado Multiprotocol Label Switching (MPLS) o conmutación de etiquetas multiprotocolo permite aplicar este método también en redes TCP/IP a pesar de entrar en la categoría de redes no orientadas a conexión.

A mediados de los años noventa, las grandes redes aún se caracterizaban por una mayor participación de la telefonía frente a la comunicación por datos. En aquel entonces los proveedores de telecomunicaciones operaban redes separadas para ambos tipos de transmisión, lo que, por un lado, resultaba en un alto coste financiero y, por el otro, no garantizaba una calidad general del servicio (Quality of Service, QoS). Frente a las cualitativamente excelentes redes de voz orientadas a conexión, las redes de datos no orientadas a conexión carecían de la amplitud de banda necesaria. La introducción del protocolo ATM (Asynchronous Transfer Mode) pudo resolver esta problemática en su mayor parte, ya que permitía transmitir habla y datos a través de una única infraestructura, pero fue el Multiprotocol Label Switching (MPLS) el que ofreció a finales de los 1990 la solución definitiva que permitió utilizar los anchos de banda disponibles de forma eficiente.

Para llevarlo a cabo, MPLS descongestionó unos sistemas de enrutamiento que soportaban una enorme carga: en lugar de dejar que sean las estaciones intermedias las que determinen la mejor ruta del paquete de datos como venía siendo habitual hasta el momento, este método ofrecía la posibilidad de predefinir rutas que establecieran el camino que debía seguir un paquete desde el punto de ingreso (ingress router) al punto de egreso (egress router). Las estaciones intermedias (enrutadores de conmutación de etiquetas o Label Switched Router, LSR) reconocen esta ruta al examinar las etiquetas con la información de enrutamiento y de servicio asignadas a cada paquete. Esta evaluación tiene lugar con ayuda del hardware adecuado (un conmutador, p. ej.) por encima de la capa de enlace de datos (capa 2 del modelo OSI), mientras que el enrutamiento en el nivel de red (capa 3) desaparece.

Gracias a la extensión Generalized MPLS, esta técnica, originariamente desarrollada solo para redes IP, también está disponible para otros tipos de red como SONET/SDH (Synchronous Optical Networking / Synchronous Digital Hierarchy) o WSON (Wavelength Switched Optical Network).

La intervención del MPLS en redes IP requiere la existencia de una infraestructura lógica y física compuesta por routers habilitados para ello. En ellas este método opera de manera preferente dentro de un sistema autónomo (AS): un conjunto de redes IP gestionadas como una unidad y conectadas por al menos un protocolo de puerta de enlace interior (Interior Gateway Protocol, IGP). Los administradores de tales sistemas suelen ser proveedores de Internet, universidades o compañías de alcance internacional.

Antes de establecer las rutas, el IGP ha de procurar que todos los routers del sistema autónomo puedan encontrarse unos a otros. Seguidamente se determinan las rutas principales, también llamadas Label Switched Paths (LSP). Los mencionados routers de ingreso y egreso suelen estar situados en las entradas y las salidas de un sistema y las LSP se pueden activar de manera manual, automática o semiautomática:

• Configuración manual: cada nodo por el que pasa una LSP debe configurarse por separado, procedimiento ineficaz en el caso de grandes redes.

• Configuración semiautomática: solo se deben configurar manualmente algunas estaciones (los tres primeros hops, por ejemplo), mientras que el resto de las LSP obtiene la información del IGP.

• Configuración automática: en este caso es el IGP el que define la ruta por completo, aunque sin atender a criterios de optimización.

Los paquetes de datos que se envían dentro de una red MPLS obtienen una cabecera MPLS del router de ingreso que se intercala entre los datos de la segunda y la tercera capa en la denominada operación Push. Durante la transmisión, cada uno de los nodos implicados en la ruta del paquete (LSR) sustituye (conmuta) la etiqueta por una variante que incluye sus propios datos de conexión (latencia, ancho de banda y hop de destino), lo que se denomina a menudo como operación Swap. Al final del trayecto la etiqueta se elimina de la cabecera IP (operación POP).

Los 32 bits de la pila de etiquetas MPLS añaden a un paquete IP estos cuatro datos para el siguiente hop:

• Label (etiqueta): la etiqueta contiene la información central de la cabecera MPLS, razón por la cual constituye, con 20 bits, la parte más larga de la cabecera. Como ya se mencionó, una etiqueta es siempre única y por ello media únicamente entre dos determinados routers. A continuación se edita como corresponde para ser transmitido hacia el siguiente nodo.

• Traffic Class (TC): con ayuda de este campo la cabecera informa sobre Differentiated Services (DiffServ) y se puede utilizar para clasificar paquetes IP en función de su importancia con el objetivo de garantizar la calidad del servicio: estos 3 bits podrían servir para priorizar a un paquete de datos sobre el resto o para clasificarlo como secundario.

• Bottom of Stack (S): este único bit define si la ruta de transmisión más profunda es una ruta simple o está compuesta por varias LSP intercaladas entre sí porque, si este fuera el caso, el paquete estaría marcado por varias etiquetas agrupadas en una pila (Label stack). Este campo informa al router, en definitiva, de si aún siguen más etiquetas (S=0) o si, por el contrario, la entrada contiene la última etiqueta MPLS de la pila (S=1).

• Time to live (TTL): los últimos 8 bits de la entrada muestran la vida útil del paquete de datos definiendo los routers que el paquete aún puede recorrer (el límite se sitúa en los 255).

En la década de 1990 el MPLS fue de gran ayuda para los proveedores a la hora de desplegar y ampliar sus redes, aunque su mayor velocidad en la transmisión de datos pronto retrocedió a un segundo plano con la entrada en juego de la nueva generación de routers de mayor rendimiento con procesador de red integrado. No obstante, hoy sigue siendo utilizado por muchos operadores como método con el que garantizar la calidad del servicio en el marco de la llamada ingeniería o gestión de tráfico (Traffic engineering, TE), un proceso que se ocupa del análisis y la optimización de flujos de datos y en el cual, además de la clasificación de cada conexión de datos, también tiene lugar un análisis del ancho de banda y de la capacidad de cada elemento de red. En función de los resultados de este análisis, la carga de datos se distribuye de la forma más conveniente con el propósito de fortalecer la red entera.

Otro ámbito de aplicación muy extendido de la conmutación de etiquetas multiprotocolo son las redes virtuales privadas o VPN redes aisladas de comunicación que utilizan infraestructuras de red, como Internet, como medio de transporte. Esto permite a los dispositivos conectarse a una red sin que estén físicamente conectados entre sí. Se diferencian básicamente dos tipos de redes virtuales MPLS:

• VPN en la capa 2: las redes privadas en el nivel de enlace de datos pueden ser concebidas para conexiones punto a punto o para el acceso remoto. Para el usuario de estas VPN, la capa 2 funciona de interfaz para establecer la conexión. Los protocolos básicos son el Point-to-Point Tunneling Protocol (PPTP) o el Layer 2 Tunneling Protocol (L2TP). De este modo los proveedores de servicios tienen la posibilidad de ofrecer a sus clientes servicios similares a SDH y Ethernet.

• VPN en la capa 3: estas redes representan para los proveedores de servicios una solución asequible para ofrecer a diferentes clientes (independientemente de los rangos privados de direcciones IP) estructuras de red completamente enrutadas erigidas sobre una única infraestructura IP. La gestión independiente de los clientes mediante etiquetas MPLS individuales y rutas de paquetes predefinidas garantizan la calidad del servicio (los nodos no enrutan en este caso).

Los operadores de grandes redes WAN (Wide Area Network) obtienen beneficio de las ofertas de proveedores basadas en MPLS porque, configuradas correctamente, las Label Switched Paths optimizan el tráfico de datos y garantizan que todos los usuarios dispongan siempre del ancho de banda que necesitan sin un gran coste. El método también constituye una solución adecuada para redes universitarias internas o para redes corporativas, siempre y cuando se cuente con el presupuesto suficiente.