Cómo diseñar una red modular utilizando un enfoque jerárquico de tres capas

Cualquier persona involucrada en redes y/o telecomunicaciones debe estar familiarizada con el uso de capas. Muchos sistemas de comunicación, sistemas operativos de computadoras y paquetes de software están diseñados en capas o módulos. Cuando se diseña y construye una red o sistema operativo con capas o módulos, la solución de problemas, la construcción, la reparación y, lo que es más importante, la comprensión de esa red se vuelven más fáciles. Además, agregar una estructura jerárquica al enfoque de capas permite un diseño escalable. Aquí, explicaré cómo se puede utilizar el diseño jerárquico de tres capas para crear una red modular.

Capa de Acceso

Ya sea que tenga una conexión Ethernet a cada estación final o un servidor de acceso remoto, si el dispositivo permite a los usuarios conectarse a la red, se considera un dispositivo de la capa de acceso. Por lo general, estos dispositivos son concentradores, unidades de acceso multiestación (MAUs) o conmutadores ubicados en armarios de cableado en cada piso de un edificio. Los cables de red de los usuarios se finalizan en este dispositivo de capa de acceso, donde se conectan a cada usuario en la red local. Por lo general, se implementan VLAN para separar dominios de difusión en la capa de acceso.

Consideraciones de la capa de acceso

Cuando se eligen dispositivos de capa de acceso, hay muchos puntos a considerar. Por ejemplo, al calcular el costo de los equipos para conectar a un gran número de usuarios, debe considerar el costo por puerto. Un conmutador de 24 puertos que cuesta aproximadamente $1,200 tiene un costo por puerto de $50. Pero un concentrador de 24 puertos que cuesta aproximadamente $500 tendrá un costo por puerto de solo $10.

Si bien el costo por puerto de un concentrador es mucho menor que el de un conmutador, debe considerar las mejoras de rendimiento que ofrece un conmutador. Dado que este dispositivo se utilizará para conectar a muchos usuarios, debe considerar la cantidad de puertos que tiene un dispositivo. Puede ser conveniente considerar el uso de conmutadores modulares, que permiten agregar más puertos según sea necesario. Esto, por supuesto, aumentará el costo por puerto principalmente porque estará agregando el costo adicional de pagar por la funcionalidad modular del conmutador.

Con una red jerárquica, la falla de un dispositivo de capa de acceso solo afectará a los usuarios conectados a ese dispositivo. Si la ausencia de tiempo de inactividad (o muy poco) es un requisito para su empresa, también debe considerar fuentes de alimentación redundantes y motores de conmutación para estos dispositivos.

La mayoría de la administración se realiza en dispositivos de capa de acceso, ya que todas las adiciones y eliminaciones de la red se realizan en esta capa. La asignación de VLAN, dúplex y velocidad del puerto se configuran en cada puerto del conmutador.

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Dispositivos potenciales de capa de acceso

La capa de acceso está compuesta típicamente por muchos conmutadores o concentradores que sirven a un piso específico de un edificio o un departamento dentro del edificio; sin embargo, los dispositivos de la capa 3 del modelo OSI (como los routers) también se pueden utilizar en esta capa. Si se utilizan VLAN para separar el tráfico departamental y de difusión, debe haber algún dispositivo de capa 3 para enrutar entre las diferentes VLAN. Lo que determina la necesidad de concentradores, conmutadores y routers en la capa de acceso no es el número de usuarios, sino la cantidad y el tipo de tráfico.

Aquí hay algunos ejemplos de dispositivos potenciales de capa de acceso de Cisco. Los rangos, de bajo costo a alto costo, se refieren al costo y escalabilidad de los dispositivos.

• Bajo costo: Los conmutadores de las series Cisco 1900 y 2800 proporcionan conexiones 10-MB 10Base-T a estaciones de trabajo y concentradores.
• Medio nivel: Los conmutadores Cisco 2900 pueden proporcionar conexiones tanto de 10-MB como de 100-MB a estaciones de trabajo y concentradores. Los conmutadores 2900 también se pueden configurar para puertos gigabit que se utilizan típicamente para conexiones ascendentes a la capa de distribución.
• Alto nivel: La serie modular de conmutadores Cisco 4000 es capaz de conectar hasta 96 estaciones finales o concentradores utilizando conexiones de 10, 100 o 1000-MB. Los conmutadores de la serie 4000 también se pueden utilizar para telecomunicaciones avanzadas, incluida la telefonía IP, mensajería unificada y VPN basada en Internet para socios y proveedores.
• Alto nivel: Los conmutadores de las series Cisco 5000/5500 son modulares y proporcionan densidades de puerto muy altas. La serie 5000 se puede configurar con hasta 250 puertos 10/100. Se pueden agregar puertos gigabit para conexiones ascendentes o conexiones de servidor. Se pueden agregar módulos de enrutamiento y conmutación (RSM) a estos conmutadores, lo que les permite actuar como un conmutador de capa 2 y un enrutador de capa 3. (Esto se refiere a la capa 2 y la capa 3 del modelo OSI de redes).

Capa de Distribución

Desde la perspectiva de la capa física del modelo OSI, la función principal de la capa de distribución es proporcionar conectividad a la capa de acceso. La capa de distribución conecta cada dispositivo de la capa de acceso para que los dispositivos de acceso puedan enrutar entre sí y hacia la capa central. Si se utilizan VLAN para separar el tráfico en la capa de acceso, la capa de distribución puede enrutar entre las VLAN.

Además, la capa de distribución se encarga de enrutamiento de paquetes, filtro de paquetes y conectividad WAN. Por lo general, esta capa se implementa con enrutadores o conmutadores multinivel, como los conmutadores de las series 5000 o 6500 que pueden enrutar y conmutar. El enrutamiento es importante en la capa de distribución, porque es aquí donde se implementa el tráfico de difusión y otros filtros de tráfico. La capa de distribución "decide", a través de protocolos de enrutamiento y filtros, si, cómo y dónde se enviará el tráfico.

En la capa de distribución:

• Se configuran firewalls, seguridad, políticas de red y traducción de direcciones de red (NAT).
• Se realiza el enrutamiento entre grupos de trabajo y VLAN.
• Se implementan listas de acceso, filtrado de paquetes y encolamiento.

Consideraciones de la capa de distribución

Dado que la función más básica de la capa de distribución es conectar los dispositivos de la capa de acceso, debe asegurarse de que los dispositivos de la capa de distribución (como los enrutadores) puedan transportar volúmenes extremadamente altos de tráfico. Muchas de las funciones de la capa de distribución requieren el uso de enrutadores, por lo que se debe realizar una planificación muy cuidadosa en esta capa para asegurarse de que estos dispositivos puedan manejar las funciones del modelo OSI de capa 3 (como la agregación de puntos de acceso, traducción de seguridad, etc.) a velocidades muy altas. En una red de campus grande, se debe considerar un conmutador multinivel para la capa de distribución.

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La redundancia es otra consideración importante para esta capa. Si bien la falla de un dispositivo de la capa de acceso podría afectar potencialmente a cientos de usuarios, la falla de un dispositivo de la capa de distribución podría afectar a miles. Por esta razón, los dispositivos de la capa de distribución generalmente se implementan en pares con enlaces redundantes a los dispositivos de la capa de acceso. Las fuentes de alimentación redundantes y los motores de supervisor son de vital importancia en redes de alta disponibilidad. Se debe utilizar el Protocolo de Enrutamiento en Espera Activa (HSRP) para proporcionar tolerancia a fallas al utilizar enrutadores estándar en la capa de distribución. Para comprender mejor HSRP, consulte el artículo "Agregar redundancia de red con Cisco HSRP" de Robert McIntire.

Dado que la capa de distribución generalmente utiliza enrutadores o conmutadores multinivel, debe considerar las demandas de procesador que tienen. Las demandas de enrutamiento y conmutación de protocolos de enrutamiento interno y externo, redistribución o listas de acceso pueden ser abrumadoras para la CPU y la memoria del dispositivo. Al decidir qué productos utilizar, no olvide las necesidades de memoria y procesador requeridas en esta capa de su red. Por ejemplo, un solo kit de DRAM de 64 MB para un conmutador de la serie Cisco 7500 costará $425, y un kit de DRAM de 128 MB para la misma serie costará $839. Debido a estos costos, puede ver por qué sería más barato comprar un conmutador que se adapte mejor a sus necesidades que tratar de ahorrar dinero y corregir las deficiencias con actualizaciones. Si necesita un conmutador de alto rendimiento con una sola interfaz gigabit, deberá optar por el conmutador 8510. Si necesita dos interfaces gigabit, deberá adquirir el 8540.

Dispositivos potenciales de capa de distribución

Los dispositivos de la capa de distribución se implementan en pares para proporcionar redundancia y confiabilidad. El par de dispositivos de capa de distribución está conectado mediante un enlace de troncal para permitir el tráfico entre los dos conmutadores y enrutadores. Cada dispositivo de la capa de acceso se conecta a ambos dispositivos de la capa de distribución. El árbol de expansión, cuando se configura correctamente, utilizará solo una de las conexiones entre la capa de acceso y la capa de distribución. Si falla una conexión entre las dos capas, el árbol de expansión se reconvertirá y utilizará la conexión redundante.

Aquí hay algunos ejemplos de dispositivos de la capa de distribución:

• Medio nivel: Los conmutadores de la serie Cisco 5000/5500 con RSM son modulares y proporcionan densidades de puerto muy altas. La serie 5000 se puede configurar con hasta 250 puertos 10/100. Se pueden agregar puertos gigabit para conexiones ascendentes o conexiones de servidor. También se pueden agregar RSM a los conmutadores 5000/5500 que permiten que la serie 5000 actúe como un conmutador de capa 2 y un enrutador de capa 3 del modelo OSI.
• Alto nivel: Los conmutadores Cisco 6500 con tarjetas de funciones de múltiples conmutadores son conmutadores modulares que proporcionan densidades de puerto muy altas. El 6513 puede admitir hasta 576 puertos 10/100 y 192 conexiones Gb. La serie 6500 cuenta con un backplane de 256 Gb. Se puede agregar una tarjeta de funciones de múltiples conmutadores (MSFC) para permitir que el 6500 actúe como un conmutador y un enrutador. El 6500 también admite un módulo Ethernet de 10 Gb con una distancia máxima de 10 KM.

Bloques de conmutación

El término bloque de conmutación describe un conjunto de dispositivos de capa de distribución y sus conmutadores de capa de acceso asociados o conectados. Por ejemplo, en una red de campus que consta de muchos edificios de varios pisos, puede haber uno o más conmutadores de capa de acceso en cada piso de cada edificio. Todos los conmutadores de capa de acceso se conectan a un par de conmutadores de capa de distribución. En este escenario, cada edificio es un bloque de conmutación. Los bloques de conmutación están interconectados entre sí a través de la capa central.

Capa central

Las redes de campus que contienen dos o más bloques de conmutación requieren una capa central para conectar cada bloque de conmutación con otros bloques de conmutación. La consideración más importante en la capa central es la velocidad, porque los dispositivos en la capa central deben realizar la conmutación entre los bloques de conmutación a velocidades muy altas. Dado que la velocidad es importante, la capa central no es el lugar donde deben realizarse políticas de red, firewalls o cualquier tipo de filtrado.

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No hay un diseño único aprobado para la capa central. Algunos prefieren diseños estrictamente de capa 2 para una velocidad de conmutación, mientras que otros prefieren diseños de capa 2 y capa 3 para aprovechar los protocolos de enrutamiento, la convergencia rápida y las capacidades de failover. Es cierto que los protocolos de enrutamiento de capa 3 convergen mucho más rápido y brindan una mejor protección contra fallas que el protocolo de árbol de expansión de capa 2, pero esto tiene un costo. La conmutación (en la capa 2) es más rápida que el enrutamiento (en la capa 3). Por lo tanto, el compromiso es la velocidad del paquete frente a la velocidad de convergencia y failover. Esta no es una decisión que se pueda tomar a la ligera, pero sus requisitos de red deben dictar su diseño.

Dispositivos potenciales de la capa central

En este punto, estamos ingresando a una solución de menor costo para las necesidades de conmutación. Los enrutadores de las series 5000 y 6000 todavía ofrecen interfaces Gb, diseño modular y conmutación de alta densidad.

• Bajo costo: Cisco 5000/5500. Los conmutadores de las series Cisco 5000 y 5500 son modulares y proporcionan densidades de puerto muy altas. La serie 5000 se puede configurar con hasta 250 puertos 10/100. Se pueden agregar puertos Gb para conexiones ascendentes o conexiones de servidor. También se pueden agregar RSM a los 5000/5500 que permiten que la serie 5000 actúe como un conmutador de capa 2 y un enrutador de capa 3.
• Bajo costo: Cisco 6500 con tarjetas de funciones de múltiples conmutadores son conmutadores modulares que proporcionan densidades de puerto muy altas. El 6513 puede admitir hasta 576 puertos 10/100 y 192 conexiones Gb. La serie 6500 cuenta con un backplane de 256 Gb. Se puede agregar una MSFC para permitir que el 6500 actúe como un conmutador y un enrutador. El 6500 también admite un módulo Ethernet de 10 Gb con una distancia máxima de 10 KM.
• Bajo costo: Los conmutadores de la serie Cisco 8500 pueden realizar conmutación de capa 3 a velocidad de cable y conmutación de ATM. El conmutador Catalyst 8500 ofrece una solución integrada de ATM y Ethernet Gigabit en un solo chasis.

Poniéndolo todo junto

Dividir la red en una estructura jerárquica hace que el diseño, la comprensión, la actualización y la solución de problemas sean más fáciles. Cada capa de la estructura jerárquica es responsable de una función general importante pero diferente. Para tener una idea final de esta jerarquía, eche un vistazo a la Figura A para una representación gráfica de la capa de acceso, Figura B para una representación de la capa de distribución y Figura C para una vista de la capa central. Todas se obtienen del modelo OSI de Cisco.

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