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Pros. 29ª Conferencia Nacional con Participación Internacional "Telecom 2021", 28 y 29 de octubre de 2021, Sofía, Bulgaria
Comparación entre diferentes topologías de IP Redes que usan MPLS georgi georgiev Departamento de Comunicación y Ingeniería Informática Facultad de Ingeniería Universidad del Sur-Oeste “Neofit Rilski” Blagóevgrad, Bulgaria goshko.georgiev@gmail.com
ivan nedyalkov
2021 29° Congreso Nacional con Participación Internacional (TELECOM) | 978-1-6654-3344-0/21/$31.00 ©2021 IEEE | DOI: 10.1109/TELECOM53156.2021.9659581
Departamento de Comunicación y Ingeniería Informática Facultad de Ingeniería Universidad del Sur-Oeste “Neofit Rilski” Blagóevgrad, Bulgaria i.nedqlkov@gmail.com
Resumen— En el presente trabajo se realiza una comparación entre dos redes IP virtuales con diferentes topologías utilizando la tecnología MPLS. La diferencia en las topologías es la presencia de una red central MPLS. En una topología, no hay una red central MPLS claramente definida, y en la otra, sí. El objetivo del trabajo es realizar una comparación entre las dos redes IP virtuales y comprobar cuál de las dos topologías tendrá una mejora en el rendimiento de la red IP virtual. Para efectos del estudio, en las redes virtuales solo se intercambia tráfico de VoIP y se utilizan diversas herramientas de monitoreo de redes IP.
lo elimina (egreso) cuando el paquete sale de la red MPLS. El enrutador LSP (ruta de conmutación de etiquetas) o también conocido como LSR (enrutador de conmutación de etiquetas) se utiliza para realizar el enrutamiento basado en etiquetas. Estos enrutadores están ubicados en el medio de la red MPLS. Se utilizan para cambiar las etiquetas a través de las cuales se enruta el paquete.
Palabras clave— Red IP, MPLS, Topologías, Red virtual, VoIP
introducción En el mundo actual de altas velocidades en las redes de comunicaciones y en particular en las redes IP, como hegemonía en este momento, es muy importante qué tipo de tecnología de transferencia de datos se utilizará [1, 2, 3, 4, 5]. Para mantener estas altas tasas de datos y mantener la alta satisfacción de los clientes usuarios de estas redes de telecomunicaciones, es obligatorio el uso de MPLS (Multiprotocol Label Switching) [6, 7, 8]. Además de la aplicación de la tecnología, la elección de la topología de tal red MPLS IP es de particular importancia, ya sea que exista o no una red central MPLS claramente definida. Esta elección determina cómo funcionará la red IP: si la red se beneficiará completamente de la funcionalidad y las capacidades de la tecnología MPLS. En el presente trabajo se creará una red IP virtual utilizando tecnología MPLS. El estudio se realizará con dos topologías diferentes de la red virtual. Una topología tendrá una red central MPLS claramente definida y la otra no tendrá una red central claramente definida. Finalmente, se compararán los resultados obtenidos y se averiguará por cuál de las dos topologías, la red IP tiene mejor rendimiento.
II. Estructura Noroeste IP de MPLS en la red La figura 1 presenta una topología ejemplar, a través de la cual se presentan los principales elementos de red a partir de los cuales se construye una red MPLS. Los enrutadores CE son enrutadores de usuario a través de los cuales los suscriptores/hosts se conectan a la red MPLS. No están configurados para utilizar la tecnología MPLS.
Los enrutadores de entrada/salida son enrutadores que colocan la etiqueta (Ingresos) en el paquete cuando ingresa a la red MPLS o
Fig. 1. Elementos de red de una red MPLS
En el presente trabajo se estudiarán dos topologías de redes IP utilizando tecnología MPLS. Una topología no tendrá una red central MPLS claramente definida y la otra tendrá una red de este tipo claramente definida. La investigación se realizará sobre redes IP virtuales. Para este fin se utilizará la plataforma GNS3, debido a las múltiples ventajas que posee, tales como: trabajar con imágenes de disco reales de sistemas operativos de dispositivos de red reales, integración con herramientas de monitoreo y muchas otras funcionalidades. Las herramientas utilizadas para el monitoreo de redes IP son Wireshark, Solarwinds Traceroute NG y la herramienta de ping Capsa. Adicionalmente, se utilizarán distribuciones matemáticas de los momentos de arribo entre paquetes para visualizar más a fondo el retardo en las redes monitoreadas.
El estudio se realizará de la siguiente manera en las dos redes estudiadas, solo se intercambiará tráfico de voz - tráfico VoIP entre las máquinas virtuales, utilizadas como usuarios de la central telefónica IP Asterisk. Wireshark monitoreará todos los enlaces virtuales entre los dispositivos de red y las máquinas virtuales. Los paquetes intercambiados entre ellos serán capturados para poder analizar los flujos de voz intercambiados entre las dos redes. Además, otras herramientas monitorearán/ medirán continuamente el RTD (retardo de ida y vuelta) entre una máquina virtual y el Asterisk. Finalmente, se resumirán los resultados obtenidos de la investigación de las dos topologías diferentes y se averiguará cuáles
978-1-6654-3344-0/21/$31.00 ©2021 IEEE sesenta y cinco
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el valor permisible de 30 ms. Los resultados para el mismo flujo de voz, pero para el enlace entre R4 y R5 son idénticos, por lo que no se muestran.
de las dos topologías conduce a una mejora en el rendimiento de la red o a un mayor deterioro. IV. RRESULTADOS
A. Topología de la red sin red central MPLS claramente definida La figura 2 muestra la topología de la red virtual estudiada. Como se puede ver en la figura, la topología estudiada no tiene una red central MPLS claramente definida. La red está compuesta únicamente por enrutadores de entrada y salida (R1, R2, R3, R4, R5).
Fig. 5. Valores instantáneos del jitter directo e inverso
Figura 2.
La Fig. 6 muestra el cambio en RTD para todo el período de estudio, para la conexión entre VM_2 y Asterisk. X es el tiempo en que se realizó la medición del retardo, e Y es el valor del RTD en ms. Excluyendo algunos momentos en los que el retardo está por encima de los 150 ms permisibles para la transmisión de audio unidireccional, los valores de RTD varían entre 30 y 50 ms o promedian unos 38 ms. Esto también lo confirman los valores de RTD medidos por Solarwinds Traceroute NG - Fig. 7. Como puede verse en los resultados obtenidos por Traceroute NG, son idénticos a los resultados de la Fig. 6.
Topología de la red virtual: sin núcleo MPLS definido
La Fig. 3 presenta los resultados resumidos del flujo de voz que se intercambia entre VM_2 y Asterisk (enlace R2 - R4), y la Fig. 4 muestra los resultados resumidos del mismo flujo de voz que pasa por el enlace R4 - R5. 192.168.2.2 es la dirección de VM_2 y 192.168.5.2 es la dirección de Asterisk.
VM_2 a asterisco
270 240 210 180 150 120 90 60 30
18:55:52 19:00:16 19:04:40 19:09:04 19:13:28 19:17:52 19:22:16 19:26:38 19:31:00 19:35:23 19:39:46 19:44:09 19:48:32 19:52:54 19:57:16 20:01:38 20:06:00 20:10:22 20:14:44 20:19:07 20:23:30 20:27:54 20:32:18 20:36:43 20:41:08
0
Fig. 3. Resultados resumidos para el flujo de voz entre VM_2 y Asterisk
Fig. 6. Valores instantáneos del RTD para el VM_2 a Asterisk
Fig. 7. Resultados de Traceroute de Solarwinds
La Fig. 8 presenta una distribución matemática de los tiempos de llegada entre los paquetes para la conexión entre VM_2 y Asterisk. Esta distribución se basa en la función de densidad de probabilidad (PDF) [11]. X es el tiempo e Y es la probabilidad. Como puede verse a partir de la distribución obtenida, la probabilidad de retrasos entre los paquetes es constante. Una excepción es un momento en el que se advierte una infracción. Esto se debe al aumento del valor del jitter, cuyo valor, después de este único momento, vuelve a sus valores inferiores anteriores.
Fig. 4. Resultados resumidos para el flujo de voz entre VM_2 y Asterisk
Como se puede apreciar de los resultados obtenidos, los valores de los parámetros se encuentran dentro de los límites permisibles. [9, 10]. La Fig. 5 muestra el cambio del jitter a lo largo de la conversación. Los resultados que se muestran son para el flujo de voz que se intercambia entre R2 y R4. Como se puede apreciar de los resultados obtenidos, los valores instantáneos del jitter no superan
– Figura 5.
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Función de densidad de probabilidad
0,06 0,056 0,052 0,048 0,044
0,04
f(x)
0,036 0,032 0,028 0,024
0,02 0,016 0,012 0,008
Fig. 10. Resultados resumidos para el flujo de voz entre VM_2 y Asterisk
0,004
0
500
1000
1500
2000
2500
X
Fig. 8. Distribución matemática
B. Topología de la red con red central MPLS claramente definida La Fig. 9 presenta la nueva topología de la red IP virtual estudiada. Esta topología se caracteriza por una red central MPLS claramente definida. La topología de la Figura 9 se basa en la topología básica de una red MPLS – Fig. 1:
•
Los enrutadores R11, R12, R13, R14 y R15 son los enrutadores CE;
•
Los enrutadores R6, R7, R8, R9 y R10 son los enrutadores de entrada/salida;
•
Los enrutadores R1, R2, R3, R4 y R5 son los enrutadores LSP. Esta es la red central de MPLS.
Fig. 11. Valores instantáneos del jitter directo e inverso
La Fig. 12 presenta los resultados resumidos del flujo de voz de VM_2 a Asterisk pasando por el enlace R5 – R9. Como se puede ver incluso al final de la red MPLS, interfaz g1/0 de R9, los valores de los parámetros del flujo de voz apenas cambian. El cambio en los valores instantáneos del jitter en ambas direcciones durante toda la conversación es el mismo que el gráfico de la Fig. 11.
Fig. 9. Topología de la red virtual – con núcleo MPLS definido
La figura 10 presenta los resultados resumidos del flujo de voz que se intercambia entre VM_2 y Asterisk. Los datos mostrados son para el enlace R7 – R1. Como se puede ver en los resultados en la dirección inversa, los valores de los parámetros son mejores que los valores para la dirección inversa en la Fig. 3. Esto se debe al hecho de que el flujo de voz en la dirección inversa ha pasado por el Red central MPLS. No hay mejoras en el valor en la dirección directa, porque los paquetes de este flujo de voz aún no han ingresado a la red central MPLS.
Fig. 12. Resultados resumidos para el flujo de voz entre VM_2 y Asterisk
La Fig. 13 muestra el cambio en RTD para todo el período de estudio para la conexión entre VM_2 y Asterisk. Como se puede ver en el gráfico, hay un aumento significativo en los valores de RTD. Excluyendo los picos únicos que superan el valor de 100 ms, que, por cierto, tienen una amplitud significativamente menor (el valor máximo es de 160 ms, que está muy cerca del valor de retardo máximo permitido de 150 ms). Los valores del RTD varían entre 60 y 80 ms, o un promedio de alrededor de 69 ms. Debido a que la red virtual monitoreada usa el protocolo OSPF, al usarlo, hay un aumento en la carga de la red y de ahí un aumento en los valores de latencia [12].
La Fig. 11 presenta un gráfico del cambio de fluctuación en ambas direcciones durante el tiempo de toda la conversación. Como se puede ver en el gráfico, los valores del jitter en ambas direcciones son casi idénticos, en contraste con el gráfico de la Fig. 5. Los resultados para el enlace entre R1 y R5, desde donde pasa el flujo de voz de VM_2, son idénticos a los de la Fig. 10 y Fig.11.
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En la red virtual, sin una red central MPLS claramente definida, el tráfico de voz se intercambia sin problemas y los valores de los parámetros de flujo de voz son normales. Los valores de RTD varían dentro de los límites aceptables, independientemente de los valores únicos altos que excedan el valor de RTD de 150 ms.
VM_2 a asterisco 160 140 120 100
En la red virtual, con una red central MPLS claramente definida, hay una mejora en los parámetros del flujo de voz en comparación con la red sin una red central MPLS claramente definida. Se observa un deterioro en los valores RTD instantáneos, pero los picos únicos superan por muy poco el valor RTD permisible de 150 ms.
80 60 40 20 15:19:37 15:23:56 15:28:15 15:32:30 15:36:49 15:41:09 15:45:29 15:49:48 15:54:07 15:58:27 16:02:47 16:07:07 16:11:26 16:15:45 16:20:05 16:24:24 16:28:42 16:33:01 16:37:21 16:41:40 16:46:01 16:50:20
0
El aumento de los valores instantáneos de RTD en la red con un núcleo de red MPLS claramente definido se debe a la gran cantidad de dispositivos de red y, por otro lado, se debe al uso de OSPF. Otra investigación sobre el tema muestra que el uso de este protocolo conduce a una carga adicional en la red, como resultado de lo cual se incrementan los valores de retardo.
Fig. 13. Valores instantáneos del RTD para el VM_2 a Asterisk
La Fig. 14 muestra el cambio del RTD medido por Solarwinds Traceroute NG. Como se puede ver en la medición única del RTD, su valor es muy cercano al valor promedio del gráfico en la Fig. 13. Y a partir de esta herramienta se puede ver la alta carga de la red: los altos niveles de latencia medidos por el instrumento. Esto se debe en parte al uso de OSPF.
El estudio muestra que el uso de una red central MPLS claramente definida mejora el rendimiento de la red IP. Los estudios posteriores deberían examinar cómo funcionaría dicha red IP utilizando otros protocolos de enrutamiento dinámico.
RFERENCIAS [1] ST Mirtchev, "Evaluación de la capacidad de enlace a nivel de paquete para redes IP", Cybernetics and Information Technologies, vol. 18, núm. 1, págs. 30-40, 2018. [2] FI Sapundzhi y MS Popstoilov, "Algoritmos de optimización para encontrar los caminos más cortos", Bulgarian Chemical Communications, vol.
Fig. 14. Resultados de Traceroute de Solarwinds
50, núm. Número especial B, págs. 115-120, 2018.
[3] G. Popov, "Optimización de los protocolos de comunicación para la transferencia de datos en entornos muy ruidosos", Conferencia internacional sobre negocios creativos para un crecimiento inteligente y sostenible (CREBUS) de 2019, 2019, págs. 1-4.
La Fig. 15 presenta la distribución matemática de los tiempos de llegada entre los paquetes para la conexión entre VM_2 y Asterisk. Nuevamente, la distribución se basa en la función de densidad de probabilidad. Como puede verse en la distribución, la probabilidad de retrasos entre los paquetes individuales es constante y no cambia durante todo el período de estudio. Hay una ligera diferencia al principio, pero esto se debe a la red virtual más grande y al mayor tiempo de convergencia. Una vez que la red tiene convergencias, la probabilidad de retrasos entre paquetes es constante, en contraste con la distribución en la Fig. 8.
[4] W. Dimitrov, B. Jekov, E. Kovatcheva, L. Petkova (2020) Un análisis de los nuevos desafíos que enfrenta la experiencia en ciberseguridad, Actas de EDULEARN20, págs. 2978-2986. [5] T. Tashev, M. Marinov, V. Monov y R. Tasheva, "Modelado del algoritmo MiMa para el interruptor de barra cruzada por medio de redes generalizadas", 2016 IEEE 8th International Conference on Intelligent Systems (IS), 2016, págs. 593-598.
[6] MA Ridwan, NAM Radzi, WSHM Wan Ahmad, F. Abdullah, MZ Jamaludin y MN Zakaria, "Tendencias recientes en redes MPLS: tecnologías, aplicaciones y desafíos", IET Communications, vol. 14, núm. 2, 2020, págs. 177-185.
Función de densidad de probabilidad
0,06
[7] MA Barry, JK Tamgno, C. Lishou y MB Cissé, "Impacto de QoS en la carga de tráfico multimedia (IPTV, RoIP, VoIP) en modo de mejor esfuerzo"
0,056 0,052
en Proc. del 20 Int. Conf. on Advanced Communication Technology, Chuncheon, Corea, 2018, págs. 694-700.
0,048 0,044
[8] M. Pereira y P. Sousa, “Una aplicación para el análisis del tráfico y la optimización de las infraestructuras de red”, 2018 XIII Congreso Ibérico de Sistemas y Tecnologías de la Información (CISTI), Cáceres, 2018, pp. 1-6.
0,04
f(x)
0,036 0,032 0,028
[9] T. Szigeti y C. Hattingh, Diseño de red QoS de extremo a extremo: calidad de servicio en LAN, WAN y VPN, Cisco Press. Parte de Networking Technology Series, 2004, ISBN-10: 1-58705-176-1.
0,024
0,02 0,016 0,012
[10] Cisco: comprensión del retraso en las redes de paquetes de voz. Papel blanco.
0,008
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Probability_density_function
0,004
0
600
800
[12] T. Teshabayev, M. Yakubova, T. Nishanbaev, B. Yakubov, T. Golubeva y G. Sadikova, "Análisis e investigación de capacidad, latencia y otras características de redes troncales multiservicio basadas en modelos de simulación utilizando diferentes protocolos de enrutamiento y enrutadores de varios fabricantes para usar los resultados al diseñar y modernizar redes multiservicio", Conferencia Internacional sobre Ciencias de la Información y Tecnologías de la Comunicación (ICISCT), Tashkent, Uzbekistán, 2019, pp. 1-7.
1000
X
Fig. 15. Distribución matemática
CONCLUSIONES Se han creado redes IP virtuales que utilizan la tecnología MPLS para mejorar su rendimiento. Ambas redes IP están operativas y se intercambia tráfico de voz.
68 Licencia de uso autorizada limitada a: INACAP. Descargado el 20 de mayo de 2022 a las 18:12:12 UTC desde IEEE Explore. Se aplican restricciones.