Routers: Funcionamiento, Tipos, Componentes y Evolución Tecnológica

¿Qué es un Router?

Un router es un dispositivo que conmuta (encamina) paquetes IP.

Funciones Principales de un Router

• Encaminamiento (Routing): Determina el camino que seguirán los paquetes desde el origen hasta el destino. Esto se basa en protocolos de encaminamiento, la configuración del sistema y la gestión del router.
• Transferencia de Paquetes (Forwarding): Se encarga de mover los paquetes desde una interfaz de entrada a la interfaz de salida correcta. Este proceso incluye: validación de la cabecera IP, verificación del TTL (Time To Live), cálculo del Checksum, búsqueda en la tabla de rutas (Route Lookup), fragmentación si es necesaria, procesamiento de opciones IP, clasificación de paquetes, traducción de paquetes (por ejemplo, NAT) y priorización del tráfico.

Tipos de Routers

Los routers se pueden clasificar principalmente en:

• CPE (Customer Premises Equipment): Diseñados para usuarios finales, como en entornos SOHO (Small Office/Home Office) y empresas.
• Routers de Red: Utilizados por proveedores de servicios e infraestructuras de red más grandes. Incluyen concentradores de acceso, routers MAN (Metropolitan Area Network) y routers Core (núcleo de red).

Factores clave en la elección y diseño de routers: Rendimiento, Modularidad, Coste, Fiabilidad, Soporte.

Elementos Fundamentales de un Router

• Interfaces de red: Contienen varios puertos que proporcionan conectividad física. Realizan un procesado de Nivel 2 (enlace) y Nivel 3 (red), extrayendo las cabeceras relevantes para pasarlas al siguiente elemento.
• Motores de transferencia (Forwarding Engines): Deciden a qué interfaz de red se debe transferir cada paquete. Sus algoritmos pueden estar implementados en hardware o software. También clasifican paquetes según diferentes criterios.
• Gestor de colas: Administra las colas de paquetes en las interfaces para evitar la congestión y el descarte de paquetes (llenado de colas).
• Gestor de tráfico: Prioriza y regula el tráfico de salida, aplicando políticas de calidad de servicio (QoS).
• Medio de interconexión (Switch Fabric): Proporciona la conectividad interna entre las interfaces de red y otros componentes para que los paquetes puedan transferirse eficientemente.
• Procesador de control de ruta (Route Processor): Implementa y ejecuta los protocolos de encaminamiento (como OSPF, BGP). Mantiene una tabla de encaminamiento que se actualiza dinámicamente y que sirve para crear la tabla de transferencia utilizada por los motores de transferencia. También se encarga de la configuración y gestión general del router.

Evolución de la Arquitectura de Routers

Primera Generación (Arquitectura Centralizada/Generalizada)

El procesamiento de paquetes se realiza en una CPU central. El throughput de los sistemas basados en bus está restringido (aproximadamente a unos 20 Gbps).
Limitaciones: Los paquetes pasan dos veces por el bus (entrada y salida), lo que causa un cuello de botella en el procesamiento centralizado. Requiere un uso intensivo de memoria, resultando en baja efectividad.

Segunda Generación (Procesamiento Distribuido)

Se distribuye parte del procesamiento a las tarjetas de línea. Existen dos enfoques principales:

• A) Entradas de la tabla de encaminamiento (o una caché de la misma) se almacenan en la tarjeta de línea.
• B) Motores de transferencia distribuidos en las propias tarjetas de línea o en tarjetas separadas dedicadas.

Ventajas: El paquete pasa solo una vez por el bus de interconexión. Permite un procesamiento paralelo/distribuido.
Desventajas: La tasa de transferencia del bus sigue siendo un posible cuello de botella.

Tercera Generación (Basada en Matriz de Conmutación - Switch Fabric)

Reemplaza el bus compartido por una matriz de conmutación de alta velocidad, eliminando el cuello de botella del bus.
Se utiliza hardware especializado en las line cards para el reenvío rápido de paquetes. Las cabeceras de los paquetes se envían a los forwarding engines para el procesado de rutas, mientras los datos pueden conmutarse directamente a través de la matriz.

Cuarta Generación (Arquitecturas Ópticas Escalables)

Introduce tecnologías ópticas para mejorar la capacidad y escalabilidad.

• Sistemas híbridos óptico-eléctricos.
• Arquitecturas multi-rack que dividen la potencia y la conmutación.
• La matriz de conmutación puede tener múltiples etapas (por ejemplo, 3 etapas Clos).
• Las tarjetas de línea están divididas en G grupos lógicos.
• Se utilizan tecnologías como MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) de alta capacidad para la conmutación óptica, que se reconfiguran cuando se mueven o agregan tarjetas de línea.
• Los conmutadores locales (eléctricos o fotónicos) se reconfiguran con mayor frecuencia para adaptarse al tráfico.