PFC - La Neutralidad de Red: Gestión de tráfico mediante DPI/DFI

En los siguientes enlaces se puede acceder a la culminación de mi Proyecto Final de Carrera, en el que se abarcan varios aspectos sobre la Neutralidad de Red.

Memoria final: https://www.dropbox.com/s/acl09cgzi0qx9s0/pfc_memoria.pdf

Diapositivas lectura: https://www.dropbox.com/s/t5g44n3pqt8gdl6/pfc_presentacion.pdf


Índice



Capítulo I – Introducción ............................................................................................................. 15


Capítulo II – Conceptos básicos sobre Internet ........................................................................... 17
1 Estructura de Internet ..................................................................................................... 18
1.1 Núcleo de Internet .................................................................................................. 18
1.1.1 Modelo inicial de Internet ............................................................................... 19
1.1.2 Modelo actual de Internet .............................................................................. 19
1.2 Red de acceso .......................................................................................................... 21
2 El modelo OSI & TCP/IP ................................................................................................... 23
3 El principio ‘end-to-end’ .................................................................................................. 25
4 Factores económicos ....................................................................................................... 26
4.1 Cadena de valor ....................................................................................................... 26
4.2 El mercado bilateral ................................................................................................ 29
4.3 El mercado de acceso e interconexión IP ................................................................ 30


Capítulo III – Neutralidad de Red ................................................................................................ 34
1 Origen del debate ............................................................................................................ 35
2 Casos destacados ............................................................................................................ 36
3 Aspectos de la Neutralidad de Red ................................................................................. 39
4 Contexto internacional .................................................................................................... 42


Capítulo IV - Gestión de tráfico ................................................................................................... 44
1 Antecedentes de la gestión de tráfico ............................................................................ 46
2 Prácticas de gestión de tráfico ........................................................................................ 48
3 Tipos de tráfico y QoS ..................................................................................................... 50
4 Gestión de tráfico basada en QoS y ‘policing’ ................................................................. 52
4.1 Gestión de tráfico en redes móviles ........................................................................ 54
4.1.1 GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA - GPRS Core Network .................................... 56
4.1.1.1 Arquitectura de red ..................................................................................... 56
4.1.1.2 Niveles de QoS ............................................................................................. 57
4.1.1.3 Políticas de control ...................................................................................... 57
4.1.1.4 Análisis de tráfico en 2G/3G ........................................................................ 57
4.1.2 LTE/SAE – Evolved Packet Core ....................................................................... 58
4.1.2.1 Arquitectura de red ..................................................................................... 59
4.1.2.2 Niveles de QoS ............................................................................................. 61
4.1.2.3 Políticas de control ...................................................................................... 64
4.1.2.4 Análisis de tráfico en SAE/LTE ..................................................................... 65
4.2 Gestión de tráfico en redes fijas.............................................................................. 66
4.2.1 Cable - DOCSIS ................................................................................................. 66
4.2.1.1 Arquitectura de red ..................................................................................... 67
4.2.1.2 Niveles de QoS ............................................................................................. 68
4.2.1.3 Políticas de control ...................................................................................... 69
4.2.1.3.1 IPDR ....................................................................................................... 69
4.2.1.3.2 PCMM .................................................................................................... 70
4.2.1.4 Análisis de tráfico en Cable ......................................................................... 71
4.2.2 Acceso fijo - TISPAN ......................................................................................... 72
4.2.2.1 Arquitectura de red ..................................................................................... 72
4.2.2.2 Niveles de QoS ............................................................................................. 73
4.2.2.3 Políticas de control ...................................................................................... 74
4.2.2.4 Análisis de tráfico en accesos fijos .............................................................. 76
4.3 Comparativa de arquitecturas de gestión QoS y Policy .......................................... 76


Capítulo V - Análisis del tráfico.................................................................................................... 79
1 Técnicas de análisis: SPI, DPI y DFI .................................................................................. 80
1.1 Aplicaciones de DPI/DFI .......................................................................................... 83
2 Implantación de sistemas DPI/DFI para la gestión de tráfico ......................................... 85
2.1 Ubicación de sistemas DPI/DFI ................................................................................ 85
2.2 Integración de sistemas DPI/DFI ............................................................................. 87
2.2.1 DPI/DFI dedicado ............................................................................................. 87
2.2.2 DPI/DFI integrado ............................................................................................ 87
2.2.3 Comparativa entre soluciones dedicadas e integradas................................... 89
3 Mercado DPI/DFI ............................................................................................................. 90
3.1 Fabricantes y soluciones relevantes ........................................................................ 90
3.1.1 Fabricantes puros ............................................................................................ 91
3.1.1.1 Sandvine ...................................................................................................... 91
3.1.1.2 Allot ............................................................................................................. 91
3.1.1.3 Procera ........................................................................................................ 92
3.1.1.4 Ipoque ......................................................................................................... 93
3.1.2 Fabricantes clásicos ......................................................................................... 93
3.1.2.1 Cisco ............................................................................................................ 93
3.1.2.2 Ericsson ........................................................................................................ 94
3.2 Valor de mercado .................................................................................................... 95
4 Aspectos técnicos de DPI/DFI .......................................................................................... 97
4.1 Arquitectura de sistemas DPI/DFI ........................................................................... 97
4.1.1 Interconexión: ATCA ........................................................................................ 97
4.1.2 Procesado de datos ......................................................................................... 98
4.1.2.1 Plano de datos y plano de control ............................................................... 99
4.1.2.2 Tipos de procesadores para comunicaciones ............................................. 99
4.1.2.2.1 ASIC & NPU .......................................................................................... 100
4.1.2.2.2 Communication Processor .................................................................. 100
4.1.2.2.3 CPU multi-núcleo ................................................................................ 101
4.1.2.2.4 Procesador de flujo ............................................................................. 103
4.2 Clasificación de paquetes en flujos ....................................................................... 107
4.3 Análisis DPI ............................................................................................................ 111
4.3.1 Algoritmos de búsqueda DPI ......................................................................... 113
4.3.1.1 ‘String Matching’ ....................................................................................... 114
4.3.1.2 Regular Expression (RegEx) ....................................................................... 115
4.3.1.2.1 Teoría de autómatas ........................................................................... 116
4.3.1.2.1.1 NFA: Non-deterministic Finite Automata ..................................... 117
4.3.1.2.1.2 DFA: Deterministic Finite Automata ............................................ 118
4.4 Análisis DFI ............................................................................................................ 119
5 Análisis de tráfico real: Ejercicio práctico ..................................................................... 123
5.1 P2P (Peer-To-Peer) ................................................................................................ 123
5.1.1 BitTorrent ...................................................................................................... 123
5.1.2 eDonkey ......................................................................................................... 125
5.2 VoIP (SIP + RTP) ..................................................................................................... 125
5.3 Email (SMTP + IMAP) ............................................................................................. 127
5.4 Conclusiones del ejercicio ..................................................................................... 130


Capítulo VI – Implicaciones, conclusiones y recomendaciones ................................................ 131
1 Implicaciones ................................................................................................................. 132
1.1 Modelo ‘best effort’ .............................................................................................. 132
1.2 Modelo de tráfico gestionado ............................................................................... 133
1.3 Ventajas e inconvenientes .................................................................................... 135
2 Conclusiones.................................................................................................................. 137
3 Recomendaciones ......................................................................................................... 144


Anexo A – Contexto regulatorio internacional .......................................................................... 146
1 Unión Europea ............................................................................................................... 146
1.1 Marco Legislativo .................................................................................................. 146
1.2 Declaración de la Comisión Europea sobre la Neutralidad de Red ....................... 148
1.3 Consulta pública .................................................................................................... 148
1.4 Comunicado de la Comisión sobre la Neutralidad de Red .................................... 151
1.5 Recomendaciones del Parlamento Europeo ......................................................... 151
2 EEUU .............................................................................................................................. 153
2.1 Internet Policy Statements .................................................................................... 153
2.2 Report&Order : Preserving the Open Internet ..................................................... 154
3 Chile ............................................................................................................................... 156
3.1 Proyecto de Ley ..................................................................................................... 156
3.2 Requisitos de transparencia .................................................................................. 157
4 Holanda ......................................................................................................................... 160
4.1 Enmienda de Ley ................................................................................................... 160
5 Francia ........................................................................................................................... 162
5.1 Consulta pública sobre propuesta de directrices .................................................. 162
5.2 Propuestas y recomendaciones ............................................................................ 162
6 Reino Unido ................................................................................................................... 165
7 Suecia ............................................................................................................................ 166
8 Canadá ........................................................................................................................... 167
8.1 Telecom Decision 2008-108 .................................................................................. 167
8.2 Telecom Regulatory Policy CRTC 2009-657 ........................................................... 167
9 Noruega ......................................................................................................................... 169
10 Japón ......................................................................................................................... 170


Anexo B – Análisis de tráfico real .............................................................................................. 171
1 OpenDPI ........................................................................................................................ 171
2 Capturas de tráfico ........................................................................................................ 172
2.1 P2P (Peer-To-Peer) ................................................................................................ 172
2.1.1 BitTorrent ...................................................................................................... 172
2.1.2 eDonkey ......................................................................................................... 174
2.2 VoIP (SIP + RTP) ..................................................................................................... 176
2.3 Email (SMTP + IMAP) ............................................................................................. 177
Referéncias ............................................................................................................................... 179

La Neutralidad de Red

En lo que va de blog se han visto algunos matices tecnológicos sobre "Qué es Internet?" y sobre "Cómo funciona Internet?", además se han introducido los algunos aspectos económicos en los posts el "Mercado bilateral en Internet" y el "El modelo económico de Internet". Con ello, a parte de lo que haya podido aportar a aquellos que no estuvieran puestos en el tema, se ha querido sentar la base sobre el tema del cual va a tratar fundamentalmente este blog: La Neutralidad de Red.

El debate se inició a mitad de década pasada, y se atribuye su definición a Tim Wu, profesor de la Columbia Law School y que aplicó este nombre retomando un concepto de las antiguas redes telegráficas, en las que no se podía controlar el contenido que se transportaba. El debate se puede considerar que se inició cuando la FCC (entidad reguladora de las comunicaciones electrónicas en EEUU) suprimió una ley que impedía a las compañías controlar el contenido que circulaba por sus redes.

Pero vayamos por partes. La gran penetración y éxito de Internet han elevado de forma abismal el consumo de datos, debido sobre todo al creciente uso de servicios multimedia que demandan un ancho de banda elevado para su correcto funcionamiento. Según un estudio de Cisco, el tráfico ha crecido 8x en los últimos cinco años, y se prevé que crezca 4x en los próximos cinco. Esto ha provocado o acabará provocando una saturación en las redes (sobre todo en los accesos) que ha iniciado una serie de debates sobre quién debe invertir en Internet o cómo se puede solucionar esta situación. El modelo surgido en los últimos años lleva a una situación en la que los operadores e ISPs se ven casi en la obligación de dar más capacidad a los usuarios o bien de gestionar los servicios de algún modo, para así brindar una buena QoE (Quality of Experience) a sus clientes.

La Neutralidad de Red (en realidad se debería decir la Neutralidad de Internet) es el principio por el cual todos los paquetes IP de Internet se deben tratar por igual, sin distinción de ningún tipo. De hecho, según el principio end-to-end sobre el diseño de Internet se afirma que la inteligencia de la red debe estar en los bordes, por lo que un análisis más allá del L3-L4 en un paquete o flujo de paquetes IP va en contra de dicho principio. Los nodos internos de Internet, según este principio, deberían direccionar los paquetes sin cuestionarse nada más que hacia donde debe enviarlos. Así, si se tratan los paquetes de forma distinta (se da más prioridad a uno que lleva tráfico HTTP frente a uno que lleva P2P, por ejemplo) es porqué se está empleando un análsisi profundo de los paquetes ya que dicha información está en la capa L7 y L7+. Este análisis es conocido como "Deep Packet Inspection (DPI)", y dará bastante que hablar en posteriores posts.

Lo contrario a la Neutralidad de Red es emplear la Gestión del Tráfico, que se suele hacer previa inspección DPI y que atenta, según su detractores, en contra de la privacidad de los usuarios. El caso es que en determinadas situaciones y condiciones (zonas geográficas, horas puntas, etc.) la gestión del tráfico puede resultar beneficiosa para la gran mayoría de usuarios finales. Entonces, si se acepta como una medida positiva, ¿dónde se deben poner los límites de que políticas de gestión son aceptables o no? De esto hablaré en mi próximo post: "La Gestión de Tráfico".

No hace falta decir quien se posiciona a cada lado del debate. Operadores e ISPs reclaman un modelo en el que los proveedores de servicios y contenidos paguen por emplear las redes en las que sustentan su negocio. Estos alegan que Internet es lo que es gracias a que todo aquel que lo desee puede utilizarlo para cualquier fin sin pagar por ello (salvo por el acceso) y que esto estimula una creatividad e innovación que está cambiado nuestros modos de vida y nuestra economía. Además de estos dos agentes, hay que añadir y tener en cuenta el papel de las entidades reguladoras, que en general se posicionan a favor de una Neutralidad de Red "a medias", tema del que se hablará en profundidad en posteriores posts.

Llegados a un extremo, podríamos imaginar un Internet en el que no hubiese ningún tipo de control del tráfico que circula por las redes, lo cual probablemente perjudicaría a la mayoría de usuarios en beneficio de unos pocos. El otro extremo sería aquel en el que tuviéramos una gama de tarifas por usos, por ejemplo:

1. Tarifa bronce:  (20€) ->  HTTP + Streaming
2. Tarifa plata:     (35€) ->  HTTP + Streaming+ P2P + VoIP 
3. Tarifa oro:       (50€) ->  HTTP + Streaming+ P2P + VoIP + VoD

Si las aguas llegaran a este cauce, lo que sí que se podría exigir es una cierta QoS (Quality of Service)  en los servicios por los que se está pagando de forma extra. Estaríais de acuerdo con este formato para contratar Internet?



HTTP : Navegación Web
Streaming: Youtube, Spotify, etc.
P2P (peer-to-peer): Compartición archivos como BitTorrent, Gnutella, etc (ver "El tráfico P2P")
VoIP (Voice over IP): Skype, Viber, etc.
VoD (Video on Demand): Netflix, etc.

Cómo funciona Internet?

Después de haber hablado brevemente sobre "Qué es Internet?", se pretende dar un pequeña explicación de cómo funciona, que no es poca cosa. Para ello, primero de todo, se debe conocer el modelo en que está estructurado, que se corresponde con el modelo OSI.  

El Modelo OSI fue creado en 1984 por la ISO (International Organization for Standardization) con la intención de ser el marco de referencia para la conexión de equipos de comunicaciones y para estimular la compatibilidad entre diferentes tipos de redes.  Así, se definieron 7 capas a las que se atribuyen unas funciones determinadas y que hacen referencia a los procesos que atraviesan los datos desde su origen hasta su destino.

Capa física (L1): Describe las características físicas de los datos, esto abarca desde los conectores que se deben utilizar hasta la temporización de los datos, pasando por los niveles de potencia, etc.

Capa de enlace (L2): Prepara los datos para que puedan ser enviados a lo largo de los medios utilizados (a esta unidad de de datos se les llama tramas), lo que puede significar que los prepara para un medio inalámbrico (Wi-Fi, UMTS/HSPA, etc.) o bien para ser enviados a lo largo de una conexión cableada (Ethernet, ATM). Los dispositivos que realizan esta función son generalmente los switch, que trabajan con direcciones MAC (cada dispositivo de red posee una de estas, que es única en todo el mundo).

Capa de red (L3): Proporciona el direccionamiento y enrutamiento, es decir, gestiona como los datos (en este nivel, paquetes) se transportan de una parte de la red a otra. Es la responsable de configurar el paquete a un estándar de transmisión apropiada (por ejemplo, IP). El dispositivo que se encarga de esta tarea en Internet es el router, que trabaja con direcciones IP (aunque también con MAC).

Capa de transporte (L4): Establece una conexión extremo a extremo entre el punto de origen y destino asegurando que los paquetes se reúnen en el orden correcto. A estas unidades de datos se les llama datagrama y aquí es dónde se especifica el número de puerto donde conectarse una vez alcanzada la máquina a la que accedemos (por ejemplo, para navegación web se utiliza el puerto 80). Un puerto no es más que un número que se emplea a nivel software en los dispositivos para saber qué hacer con la información. Los firewall suelen analizar esta capa de la información.

Capa de sesión (L5): Crea, administra y termina sesiones de comunicaciones entre el remitente y el destinatario de tráfico de datos.  Como sesión podemos entender un proceso de intercambio de datos.

Capa de presentación (L6): Tiene que ver con el formato en que los datos se presentan. Esta capa también funciona como la capa que cifra y comprime los datos. 

Capa de aplicación (L7): Esta capa interactúa con el programa que está haciendo una petición de datos y es dónde se definen los protocolos que se van a utilizar.

Cuando se hace una petición de comunicación, los datos se van encapsulando en las diferentes capas y cada una de ellas aporta una cierta información sobre qué protocolo y características está utilizando, esto se conoce como cabecera.  Este encapsulado se produce desde el L7 hasta el L2, hasta que se envia a la red. En la recepción se des-encapsula en el sentido contrario.

Se ha hablado del modelo OSI, pero Internet se basa en el modelo TCP/IP. A grandes rasgos son muy similares pero con la diferencia de que en TCP/IP se integran los niveles del modelo OSI L6 y L5 en su L7 (aplicación). Esto es debido a que Internet no tiene un nivel de sesión unificado sobre el que los niveles superiores se sostengan, estas funciones son típicamente desempeñadas (o ignoradas) por las aplicaciones de usuario. El modelo OSI es posterior a la definición del modelo TCP/IP (1972), aunque es interesante describirlo porque las funcionalidades son prácticamente las mismas.  En cualquier caso, el modelo OSI no es más que un modelo teórico, y como todos sabemos la aplicación práctica suele distar bastante de la teoría, pudiendo mezclarse conceptos a la hora de aplicar algunos protocolos.

Aclarado esto, ya podemos hablar de como se transfieren los datos. Cuando un usuario hace una petición, sucede algo así:

1. Los datos son encapsulados por el nivel de aplicación, que guarda la información de que programa está solicitando datos. Esto lo hace nuestro PC o dispositivo cualquiera.
2. Esta información a su vez se encapsula en un datagrama TCP (Transfer Control Protocol) o UDP (User Data Protocol), que contiene la información de a qué puerto se va a pedir la conexión, además del orden en que están distribuidos los datos.
3. Estos datagramas se fragmentan en paquetes IP, que son los que se irán distribuyendo por la red. En primer lugar irán desde nuestro router al router del ISP. En ese punto, el router del ISP consulta la dirección IP de destino que lleva escrita nuestro paquete, y según unas tablas internas lo redirigirá a otro router para que este a su vez haga lo mismo, hasta que el paquete alcance el destino. Dependiendo de la página accedida, en número de saltos puede variar, pero para dar una idea suele ser de varias unidades o decenas. (Existe una aplicación bastante interesante llamada traceroute que nos da esta información).
4. En el destino se procederá de forma inversa para acceder a los datos.

En la descripción del proceso se ha obviado la función del nivel de enlace. Cada router asocia la dirección MAC que corresponde a la IP a la que se deba acceder, y envía los datos a esa dirección. Cuando se recibe en el siguiente router o salto, se quita la cabecera L2 y se analiza la L3, se consultan las tablas de este nuevo router, se añade cabecera L2 y se envía al siguiente punto.

Un router como tal tan solo debería consultar dirección IP de destino y de origen para determinar hacia donde enviar los datos.  No obstante, la realidad es que se suele consultar esto mas los puertos origen y destino y el protocolo de datos (esta información corresponde al L4, y no es específica de un router, sino más bien de un firewall). A esta combinación de datos se la conoce como 5-tuple, y se emplea para determinar si algún paquete no debe seguir por la red si está intentando acceder algún puerto prohibido o si el protocolo no es el pertinente.

Existe un principio sobre el diseño de Internet que dice que una red óptima debe tener la inteligencia en los extremos  esto es el principio end-to-end. Esto significa que si un paquete se pierde por el camino, no será el router quien se encargue de tomar las medidas pertinentes, si no que será el destinatario quien se encargue de pedir la retransmisión (esto sucede en el L4). Este modo de funcionamiento no aprovisiona un QoS (Quality of Service) mínima y se corresponde con lo que se denomina un servicio 'best effort' (mejor esfuerzo) y que como su nombre indica hace las tareas lo mejor que puede. Este modo de funcionamiento es totalmente contrario a los servicios de comunicación a los que estamos acostumbrados (la red telefónica conmutada o RTC) dónde una llamada no es cursada si no se puede establecer un mínimo QoS.

Habiendo simplificado mucho y con ánimo de dar tan solo una visión orientativa, así es como se mueven los datos por Internet. Se ha prescindido de comentar protocolos de seguridad, protocolos de control, medidas para evitar congestión y errores y varias cosas más, que poco a poco iré desgranando.

Para más información y detalles del funcionamiento de Internet ver "Cómo funciona Internet? (II)", además del resto de entradas del blog.

Os dejo un par de vídeos bastante amigables (y antiguos) que explican el proceso (están en inglés, aunque hay versión en castellano): "Warriors of the Net", "How the Internet works".