Los Dispositivos de Acceso Integrado (Integrated Access Devices, IAD), que tradicionalmente han atendido a los segmentos Residencial y de Pequeñas Oficinas (Small to Home Office, SoHo) y de las pymes, empiezan a jugar un papel destacable en la evolución de la red de nueva generación. Muchos proveedores de servicios, entre ellos los principales operadores, que han reconocido la necesidad de proporcionar servicios integrados a los hogares, están rediseñando los IAD para que funcionen como Pasarelas Residenciales.

Las pasarelas residenciales son sistemas críticos que permitirán a los proveedores de servicios el despliegue de nuevos servicios rentables a los hogares y reducir la pérdida de clientes. Mientras se moderniza la infraestructura central para facilitar el despliegue de servicios innovadores y convergentes, la frontera entre la red del proveedor de servicio y el abonado residencial se hace cada vez más borrosa. La conectividad de banda ancha residencial ha evolucionado notablemente durante varios años, mientras los proveedores de servicios tenían un ojo puesto en la facturación media por usuario (Average Revenue Per User, ARPU) durante una integración de servicio por fases. En el núcleo de esta evolución está la visión del “hogar digital”, que ofrece a los proveedores de servicios una oportunidad para generar facturación añadida a través de servicios conjuntos y acuerdos a nivel de servicio asociado. La conectividad de banda ancha ya no se ve limitada a un simple módem. El hogar digital actual requiere varios dispositivos que influyen sobre la evolución del módem a lo largo del tiempo.

Mientras los usuarios pasaban de disponer de un simple ordenador a múltiples PC en el hogar, el módem se ha convertido en un enrutador (router). La llegada de ordenadores portátiles compatibles con 802.11 ha transformado aún más el dispositivo en un enrutador inalámbrico. Con la llegada de la Voz sobre Protocolo Internet (Voice over Internet Protocol, VoIP), hubo que incorporar técnicas avanzadas de Calidad de Servicio (Quality of Service, QoS) y gestión del tráfico para asegurar la calidad de la voz y conectar el equipamiento analógico del usuario final. Actualmente la irrupción de nuevas arquitecturas emergentes de red de transporte central de próxima generación, como IMS (IP Multimedia Subsystems), está impulsando la convergencia de los servicios celulares y los servicios basados en paquetes. Como resultado de ello, los consumidores experimentarán la convergencia de servicios fijos y móviles que se moverán a la perfección entre la infraestructura celular y la infraestructura VoIP basada en paquetes dentro del hogar.
Además de la convergencia fijo-móvil existe también el despliegue de auténticos servicios triples (triple play), en los cuales los proveedores de servicios ofrecen voz, datos y contenido de vídeo, incluyendo el servicio de Vídeo a la Carta y servicios IPTV. Estos nuevos servicios de vídeo sobre la infraestructura IP en el hogar también incluyen el despliegue del servicio de Grabación de Vídeo Personal (networked Personal Video Recording, nPVR) orientado a abonado.

Con todas estas nuevas demandas, el módem básico se ha transformado en una auténtica pasarela convergente residencial integrada que ocupa una posición central para el suministro de servicios de próxima generación. Además de permitir voz, datos, vídeo y convergencia fijo-móvil, las pasarelas residenciales deben ofrecer un elevado nivel de seguridad para mantener la integridad de todo el contenido.

Un nivel de complejidad
Las demandas del hogar digital requieren pasarelas residenciales para lograr una mayor complejidad con el fin de asegurar flexibilidad al proveedor del servicio. Los proveedores de servicios están desplegando varias tecnologías de acceso en el último kilómetro que difieren en ancho de banda y cobertura. Estas tecnologías de acceso suministran un ancho de banda de bajada a velocidades inferiores a 24 Mbps, en el caso de la ADSL2/2+, hasta 2,4 Gbps utilizando VDSL2 con Redes Ópticas Pasivas (Passive Optical Networks, EPON y GPON). Como resultado de ello, los sistemas de pasarela residencial deben ser escalables para incorporar estas tecnologías de acceso mientras enrutan paquetes IP entre la red del proveedor y los dispositivos terminales de extremo de la red en el hogar.

Las redes de distribución de contenidos dentro del hogar son también críticas para las pasarelas residenciales. Un entorno inalámbrico se soporta principalmente mediante 802.11a/b/g/n. Sin embargo, existen diferentes métodos para la distribución de contenidos por cable en el hogar. Entre tales métodos se encuentran las líneas eléctricas (Homeplug), línea telefónica de cobre (HomePNA) o cable coaxial (Multimedia sobre cable coaxial o MOCA). Con la creciente popularidad de VoIP, las pasarelas residenciales también deben integrar tecnologías de establecimiento de llamadas como SIP (Session Initiation Protocol), H.323, MGCP (Media Gateway Control Protocol) y Megaco. Finalmente, la tecnología de pasarela residencial debe ofrecer soporte a un número diverso de puertos de voz y de tipos de algoritmos para compresión de voz.
Además de estos componentes clave de conectividad y de tecnología de voz, las pasarelas residenciales deben atener los complejos requisitos en cuanto a QoS y gestión del tráfico en múltiples niveles – puentes en Capa 2 y enrutamiento en Capa 3 – para suministrar contenido de vídeo de alta calidad. Para responder a las futuras demandas de almacenamiento de medios, en especial para servicios nPVR, las pasarelas necesitan proporcionar diferentes opciones de almacenamiento con las funciones asociadas de software para la gestión de contenidos.
Con la incorporación de tantos contenidos a través de la pasarela residencial, los proveedores de servicios necesitan un marco de seguridad bien definido. Las pasarelas residenciales deben incorporan tecnologías de criptografiado/descriptografiado de paquetes, como AES (Advanced Encryption Standard) o DES (Data Encryption Standard), y mecanismos de intercambio importantes como IKE (Internet Key Exchange). Las pasarelas residenciales también deben ser compatibles con terminaciones IPsec de Redes Privadas Virtuales (Virtual Private Network, (VPN), VPN en la capa de aplicación (SSL, Secure Sockets Layer), tecnología de inspección profunda de paquetes para activar Servicios de Detección de Intrusión (IDS, Intrusion Detection Services) y cortafuegos avanzados. Estas funciones de seguridad tienen implicaciones tanto en el contenido del hardware como en el contenido de software del sistema de las pasarelas residenciales.

Quizás el requisito más crítico para cualquier pasarela residencial es la facilidad de gestión del dispositivo. Se deben incorporar la autoconfiguración, configuración y gestión remota para un suministro de servicio garantizado y la conformidad a los acuerdos de nivel de servicio puesto que las pasarelas residenciales son fundamentales para la visión de un proveedor de servicio para que tenga éxito en el suministro de servicios IP. Para gestionar de forma eficaz las pasarelas residenciales y asegurar un suministro fiable de servicio, los proveedores necesitan integrar un marco de gestión como el TR 69 del DSL Forum.
También es esencial que las inversiones en diseño y desarrollo en software y hardware puedan aprovecharse en diferentes redes de acceso, entre ellas ADSL2/2+, VDSL2, EPON y GPON.
Una arquitectura de procesador que pueda ser escalable para unos anchos de banda tan amplios sin sacrificar prestaciones de conmutación y enrutamiento para interfaces cableados e inalámbricos, así como para la circulación de datos seguros y no seguros, permiten que los diseñadores de sistemas afronten el futuro de los productos de pasarela. Teniendo en cuenta que se integrarán diferentes aplicaciones en cada pasarela residencial, una arquitectura flexible que incorpore QoS avanzada y motores de gestión del tráfico con provisión para cambios dinámicos en las estrategias, asegura que el sistema será capaz de garantizar el suministro de servicios sensibles como VoIP, VoD, IPTV y juegos durante mucho tiempo.
La evolución de los requisitos para las pasarelas residenciales plantea un desafío para el diseño del sistema, lo cual exige unas arquitecturas en el procesador de pasarela que sean flexibles y escalables. Los actuales procesadores de pasarelas residenciales se están convirtiendo rápidamente en un componente nodal en el que convergen múltiples servicios de aplicación, enrutamiento de red, seguridad de datos, almacenamiento y tecnologías de interface de red para distribución de contenidos en el hogar. Como consecuencia de ello, se necesita una arquitectura de flujo de datos única para asegurar que la futura aplicación puede integrarse perfectamente en los procesadores de la pasarela residencial.

El modelo de sistema de suministro de servicios IP
Las pasarelas residenciales ocupan un puesto central en el suministro de servicios IP en general al hogar digital. Como tales, es importante que los diseños de sistemas permitan una flexibilidad tal que cumpla los requisitos fundamentales para los actuales servicios, y que al mismo tiempo se puedan adaptar al soporte de nuevos servicios, y también que sean escalables para manejar los crecientes anchos de banda. Los sistemas de pasarela residencial para enrutamiento de primera generación se realizaron alrededor de los procesadores de aplicación general. Éstos tenían arquitecturas en un único plano en los que todas las funciones de proceso de paquetes, software de control y agentes específicos de servicio residen en un procesador central.
Sin embargo, esta arquitectura no resulta muy apropiada para manejar condiciones de tráfico cambiantes, como la conmutación de paquetes a velocidad de cable. Por ejemplo, un dispositivo que puede enrutar 100 Mbps de tráfico de tráfico con tamaños de paquete elevados podría pasar apuros para conmutar 10 Mbps de paquetes pequeños. Este requisito es muy crítico considerando la demanda de aplicaciones de diferentes tamaños de paquetes y en muchos casos los paquetes pequeños orientados a transacción son sensibles al tiempo.
Los procesadores de aplicación general y las arquitecturas de controlador de interface de red no resultan apropiados para las condiciones de mayor tráfico porque la mayor parte del proceso necesario para lograr la funcionalidad de enrutamiento de paquete se realiza en software ejecutado en el procesador. Los procesadores de aplicación general se han diseñado para entornos de cálculo de tipo general. Se gasta un gran número de ciclos en tareas no conectadas al proceso de paquetes. A medida que aumenta la velocidad del tráfico, el tiempo entre paquetes se reduce. El procesador deber ser capaz de realizar la misma función en menos tiempo. Otra complicación añadida es la necesidad de lidiar con la inspección de paquetes profunda para cumplir los requisitos de seguridad, según los cuales la QoS ha de asegurarse para diferentes tipos de paquetes y para la distribución múltiple de contenido de vídeo.
Pese a que el incremento de velocidad del procesador resulta de ayuda, no resuelve la totalidad de los problemas. La razón: el procesador no es el único que participa en la función de enrutamiento, sino que también asume las restantes responsabilidades del software en el sistema, incluyendo los procesos de aplicación controladas por el cliente, así como las actividades en el plano de control como las funciones de gestión y del sistema operativo. Además, la demanda de potencia de procesado por parte de los nuevos servicios es difícil de prever. Un modelo multiplano proporciona la aceleración del proceso de paquetes necesaria para los mayores anchos de banda de acceso en el último kilómetro. También proporcionan un plano de servicio dedicado en los que motores dedicados soportan servicios específicos, mientras que un procesador central se encarga de las funciones de control y gestión.
Con funciones avanzadas como la Traducción de Direcciones de red (NAT, Network Address Translation), Filtrado de Paquetes, Cortafuegos con Indicación de Estado y VPN ofrecidos por la nueva generación de pasarelas, la cantidad de proceso requerida para cada paquete se puede ver incrementada enormemente. Con la técnica basada en un procesador tradicional no es posible diseñar una pasarela capaz de cubrir los mayores requisitos. Esta arquitectura de flujo de datos requiere la separación de los agentes de control y aplicación desde la ruta directa de los datos real. La siguiente sección explora una solución diferente utilizando una arquitectura multiplazo que atiende esta necesidad específica.
La Figura 1 proporciona un marco conceptual de una arquitectura multiplano.

Sistema y bloques funcionales
La Figura 2 proporciona un modelo en capas de los módulos de software que integran las Pasarelas Residenciales.
Desde el punto de vista de la funcionalidad del núcleo, las pasarelas residenciales de próxima generación deben ofrecer soporte a una serie de funciones clave. Entre tales funciones se encuentran:
Sistema Operativo de Control – La industria está evolucionando hacia sistemas operativos Linux embebidos de arquitectura abierta. Sin embargo, dependiendo de la experiencia anterior en el desarrollo y en los conocimientos propios, también se recurre a menudo a otros sistemas operativos en tiempo real.
Infraestructura de Voz – Ésta incluye las tecnologías de compresión y descompresión de voz específicas de la serie ITU G (G.711, G.729, etc.) combinadas con funciones de cancelación de eco y diferentes algoritmos específicos para voz como detección de tono, generación de ruido de confort y mecanismos intermedios adaptativos de fluctuación (jitter).
Tecnologías de Establecimiento de Llamada – Los proveedores de servicios han sopesado diferentes tecnologías dependiendo de los tipos de infraestructuras de núcleo a las que ofrecen soporte. Sin embargo, iniciativas recientes como IMS están convirtiendo a SIP en la principal tecnología para el establecimiento de llamadas.
QoS – Éste es un requisito funcional que juega un papel fundamental en el suministro de servicios IP al abonado. Flexibilidad y configurabilidad son las claves. Las funciones QoS se han de introducir en diferentes capas, entre ellas la capa física, de acceso medio y capas de enlace, así como en la capa de red/enrutamiento. Entre estas tecnologías se encuentran Diffserv, IEEE 802.P/Q, asignación de un ancho de banda específico a LAN Virtual e IEEE 802.11e, así como el marco de QoS en redes inalámbricas 802.11.
Soporte a Multidifusión – Es esencial para el suministro de servicios emergentes como VoD e IPTV.
Seguridad – Éste es otro bloque funcional crítico en la pasarela residencial. Existen varios niveles de bloques funcionales a realizar. Las Pasarelas Residenciales se han convertido verdaderamente en un sistema convergente en el que convergen los interfaces de comunicación de área extensa en el último kilómetro, los interfaces de red dentro del hogar y los interfaces inalámbricos. Todas las comunicaciones de paquetes en estos interfaces representan potenciales amenazas para la integridad de contenido y datos. Como resultado de ello se deben integrar varios niveles de seguridad del marco. La cadena de valor de la seguridad incluye la Traducción de Direcciones de Red (Network Address Translation, NAT), cortafuegos con indicación de estado, controles de acceso, VPN de seguridad IP (Ipsecurity VPN)), VPN de SSL, funciones de Inspección Profunda de Paquetes (Deep Packet Inspection, DPI) para realizar funciones de Detección y Prevención de Intrusión, cuadro de seguridad inalámbrica que incluye Acceso Protegido a WiFi (WPA) y proceso de autenticación IEEE 802.1x.
Interface de Almacenamiento y Software para Gestión de Contenidos Asociados – Este bloque funcional permite introducir el servicio PVR en red en un hogar digital conectado a múltiples terminales decodificadores (set-top boxes).
Software de Gestión de Sistema – Se necesita para ofrecer soporte a funciones de gestión remota integrada, funciones de configuración y monitorización del tráfico que ayudan a asegurar la conformidad a los Acuerdos a Nivel de Servicio (Service Level Agreements). Existen varios cuadros de gestión y entre ellos está el TR 69 del DSL Forum, que está surgiendo rápidamente como una de las tecnologías clave para gestión remota. Este cuadro también proporciona un modelo de gestión a través del cual los operadores de red pueden gestionar de forma eficaz los sistemas terminales dentro del hogar que están han conectados a una pasarela residencial. Los canales inalámbricos también se deben gestionar dado que las redes domésticas inalámbricas también pueden utilizarse para el suministro de contenidos de vídeo.
Las Pasarelas Residenciales han ganado en complejidad y han permitido que los proveedores de servicios suministren de forma eficaz la próxima generación de servicios, incrementando así la ARPU. Las diferentes tecnologías de acceso, combinadas con varias tecnologías de red domésticas, tanto cableadas como inalámbricas, están dando como resultado el desarrollo de un hardware de sistema de pasarela residencial lo suficientemente flexible como para cubrir las futuras necesidades de suministro de servicio.

 

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Autor:
Sanjeev Challa, Jefe de Tecnología, Grupo de Productos de Red, Ikanos Communications, Inc.