Procesamiento de paquetes

En las redes de comunicaciones digitales , el procesamiento de paquetes se refiere a la amplia variedad de algoritmos que se aplican a un paquete de datos o información a medida que se desplaza a través de los distintos elementos de una red de comunicaciones. Con el aumento del rendimiento de las interfaces de red, surge la necesidad correspondiente de un procesamiento de paquetes más rápido. ^{[ 1 ]}

Existen dos grandes clases de algoritmos de procesamiento de paquetes que se ajustan a la subdivisión estandarizada de la red en plano de control y plano de datos . Los algoritmos se aplican a:

• Información de control contenida en un paquete que se utiliza para transferir el paquete de forma segura y eficiente desde el origen hasta el destino.

o

• El contenido de datos (frecuentemente llamado carga útil) del paquete que se utiliza para proporcionar alguna transformación específica del contenido o para realizar una acción basada en el contenido.

En cualquier dispositivo con capacidad de red (por ejemplo, enrutador , conmutador , elemento de red o terminal como una computadora o un teléfono inteligente), es el subsistema de procesamiento de paquetes el que gestiona el recorrido de la red multicapa o pila de protocolos desde las capas inferiores, físicas y de red hasta la capa de aplicación .

La historia del procesamiento de paquetes es la historia de Internet y la conmutación de paquetes . Los hitos del procesamiento de paquetes incluyen:

• 1962–1968: Primeras investigaciones sobre la conmutación de paquetes.
• 1969: Se conectan los dos primeros nodos de ARPANET ; a finales de 1971 ya había 15 sitios conectados con el correo electrónico como una nueva aplicación.
• 1973: Conexiones de voz conmutadas por paquetes sobre ARPANET con protocolo de voz de red . Se especificó el protocolo de transferencia de archivos (FTP).
• 1974: Se especifica el Protocolo de Control de Transmisión (TCP).
• 1979: VoIP – NVP funcionando en versiones tempranas de IP
• 1981: Se estandarizan los protocolos IP y TCP.
• 1982: Se estandariza el protocolo TCP/IP.
• 1991: El CERN lanza la World Wide Web (WWW) , con Tim Berners-Lee como autor.
• 1998: Se publica por primera vez IPv6.

Las referencias históricas y la cronología se pueden encontrar en la sección de Recursos Externos a continuación.

Para que las redes tengan éxito, es necesario contar con un estándar unificador que defina la arquitectura de los sistemas de red. El requisito fundamental de dicho estándar es proporcionar un marco que permita a los fabricantes de hardware y software de todo el mundo desarrollar tecnologías de red que funcionen conjuntamente y aprovechar sus capacidades de inversión acumuladas para impulsar el desarrollo de las redes.

En la década de 1970, dos organizaciones, la Organización Internacional de Normalización ^{[ 2 ]} (ISO) y el Comité Consultivo Internacional de Telégrafos y Teléfonos ^{[ 3 ]} (CCITT, ahora llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T)) iniciaron proyectos con el objetivo de desarrollar estándares internacionales de redes. En 1983, estos esfuerzos se fusionaron y en 1984 el estándar, llamado Modelo de Referencia Básico para la Interconexión de Sistemas Abiertos , ^{[ 4 ]} fue publicado por ISO y como estándar X.200 ^{[ 5 ]} por la UIT-T.

El modelo OSI es un modelo de 7 capas ^{[ 6 ]} que describe el funcionamiento de un sistema operativo de red . Un modelo por capas ofrece numerosas ventajas ^{[ 7 ],} entre ellas la posibilidad de modificar una capa sin afectar a las demás y su utilidad para comprender el funcionamiento de un sistema operativo de red. Siempre que se mantenga la interconexión entre las capas, los proveedores pueden mejorar la implementación de una capa individual sin afectar a las demás.

^{Paralelamente al desarrollo del modelo OSI, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos [ 8 ]} ( DARPA ) implementó una red de investigación . El protocolo de interconexión desarrollado para dar soporte a la red, denominada ARPAnet , ^{[ 9 ]} se llamaba TCP o Programa de Control de Transmisión. A medida que avanzaban la investigación y el desarrollo y crecía el tamaño de la red, se determinó que el diseño de interconexión utilizado se estaba volviendo difícil de manejar y no seguía exactamente el enfoque por capas del modelo OSI. Esto llevó a la división del TCP original y a la creación de la arquitectura TCP/IP ^{[ 10 ]} , donde TCP significa Protocolo de Control de Transmisión e IP significa Protocolo de Internet.

Las redes de paquetes ^{[ 11 ]} surgieron a principios de la década de 1960 como resultado de la necesidad de hacer que las redes de comunicaciones fueran más confiables. Se puede considerar como la implementación del modelo de capas utilizando una estructura de paquetes.

Las primeras redes comerciales estaban compuestas por circuitos analógicos dedicados a las comunicaciones de voz. El concepto de conmutación de paquetes se introdujo para crear una red de comunicaciones que siguiera funcionando a pesar de las fallas en los equipos. En este cambio de paradigma, las redes se conciben como conjuntos de sistemas que transmiten datos en pequeños paquetes que viajan desde el origen hasta el destino a través de diversas rutas. Las funciones iniciales de procesamiento de paquetes permitían el enrutamiento de los paquetes a través de la red, la detección y corrección de errores de transmisión y otras funciones de gestión de la red .

La conmutación de paquetes con sus funciones de procesamiento de paquetes de soporte tiene varias ventajas prácticas sobre las redes de conmutación de circuitos tradicionales: ^{[ 12 ]}

• Un entorno totalmente digital que admite múltiples tipos de datos (como voz, datos y vídeo) no solo enriqueció la vida de los usuarios, ^{[ 13 ] [ 14 ]} sino que aumentó significativamente la eficiencia de los proveedores de red que anteriormente tenían que implementar diferentes redes para admitir diferentes tipos de datos.
• Mayor utilización del ancho de banda, con múltiples "circuitos lógicos" que utilizan los mismos enlaces físicos.
• Supervivencia de las comunicaciones gracias a las múltiples rutas a través de la red desde cualquier origen a cualquier destino.
• Se pueden introducir servicios de información de valor añadido utilizando funciones de procesamiento de paquetes para proporcionar el procesamiento necesario.

Un paquete de red es el componente fundamental de las redes de conmutación de paquetes. ^{[ 15 ]} Cuando un elemento, como un archivo, un mensaje de correo electrónico, una transmisión de voz o de vídeo, se transmite a través de la red, se divide en fragmentos llamados paquetes que pueden moverse de forma más eficiente a través de la red que un único bloque grande de datos. Numerosos estándares ^{[ 16 ]} cubren la estructura de los paquetes, pero normalmente estos se componen de tres elementos:

• Encabezado : contiene información sobre el paquete, incluyendo origen, destino, longitud y número de paquete.
• Carga útil (o cuerpo): contiene los datos que componen el paquete.
• Tráiler : indica el final del paquete y con frecuencia incluye información sobre detección y corrección de errores.

En una red de conmutación de paquetes , el ordenador emisor empaqueta el elemento original y cada paquete se enruta a través de la red hasta su destino. Algunas redes utilizan paquetes de longitud fija, normalmente de 1024 bits, mientras que otras utilizan paquetes de longitud variable e incluyen la longitud del paquete en la cabecera.

Los paquetes individuales pueden seguir rutas diferentes hacia el destino y llegar allí desordenados. El ordenador de destino verifica la exactitud de los datos de cada paquete (utilizando la información del pie de página), reconstruye el elemento original utilizando la información del número de paquete en la cabecera y lo presenta a la aplicación o usuario receptor.

Este ejemplo básico incluye las tres funciones más fundamentales del procesamiento de paquetes: paquetización, enrutamiento y ensamblaje. Las funciones de procesamiento de paquetes varían desde las más simples hasta las más complejas. Por ejemplo, la función de enrutamiento es en realidad un proceso de varios pasos ^{[ 17 ]} que involucra diversos algoritmos de optimización y consultas en tablas. Una función de enrutamiento básica en Internet se ve así:

1. Compruebe si la dirección de destino pertenece a este equipo. Si es así, procese el paquete. Si no:

a. Compruebe si el reenvío de IP está configurado en 'Sí'. Si no, el paquete se destruye. Si sí, entonces

i. Compruebe si una red conectada a este equipo posee la dirección de destino. Si es así, enrute el paquete a la red apropiada. Si no, entonces

1. Compruebe si existe alguna ruta hacia la red de destino. Si la hay, envíe el paquete a la puerta de enlace del siguiente salto. Si no, destruya el paquete.

Las funciones de enrutamiento más avanzadas incluyen el balanceo de carga de red ^{[ 18 ]} y algoritmos de ruta más rápida ^{[ 19 ]} . Estos ejemplos ilustran la variedad de algoritmos de procesamiento de paquetes posibles y cómo pueden introducir retrasos significativos ^{[ 20 ]} en la transmisión de un elemento. Los diseñadores de equipos de red suelen utilizar una combinación de aceleradores de hardware y software para minimizar la latencia en la red.

Los equipos basados ​​en IP se pueden dividir en tres elementos básicos: plano de datos, plano de control y plano de gestión. ^{[ 21 ]}

La lista de aplicaciones de procesamiento de paquetes ^{[ 22 ]} se divide generalmente en dos categorías. A continuación se presentan algunos ejemplos seleccionados para ilustrar la variedad que se utiliza hoy en día.

La conmutación de paquetes ^{[ 24 ]} también introduce ciertas limitaciones arquitectónicas. El procesamiento de paquetes durante la transmisión de información genera retrasos que pueden ser perjudiciales para la aplicación. Por ejemplo, en aplicaciones de voz y video, la conversión necesaria de analógico a digital y viceversa en el destino, junto con los retrasos introducidos por la red, pueden causar interrupciones notables que resultan molestas para los usuarios. La latencia es una medida del tiempo de retardo que experimenta un sistema complejo.

Se han desarrollado múltiples enfoques arquitectónicos para el procesamiento de paquetes ^{[ 25 ]} para abordar los requisitos de rendimiento y funcionalidad de una red específica y para abordar el problema de la latencia.

Para crear plataformas especializadas de procesamiento de paquetes, se han desarrollado e implementado diversas tecnologías. Estas tecnologías, que abarcan tanto hardware como software, se han diseñado con el objetivo de maximizar la velocidad y el rendimiento, minimizando al mismo tiempo la latencia.

• Historia viva. “ Historia de Internet ”
• Howe, Walt. (2010) “ Una breve historia de Internet ”
• Sociedad de Internet. “ Historias de Internet ”
• Historia viva. “ Historia de la conmutación de paquetes ”
• Roberts, Dr. Lawrence G. (noviembre de 1978). “ La evolución de la conmutación de paquetes ”
• Marshall, Dave. “ Historia de Internet – Cronología. ”
• Rami Rosen, " Aceleración de red con DPDK ", artículo en lwn.net, julio de 2017.
• Rami Rosen, " Redes en el espacio de usuario con DPDK ", artículo en Linux Journal, abril de 2018.