RCOM t4- Redes LAN, WAN y redes celulares.pptx

Redes de Comunicaciones - GIB
Tema 4: Redes LAN,
WAN y Celulares
Móviles
Índice
•  Redes LAN Ethernet.
• 
• 
–  Nivel físico de Ethernet: Cobre y Fibra óptica
–  Formato de la PDU (trama) de Ethernet
–  IEEE 802.3: Protocolo CSMA-CD. Repetidores Ethernet
–  Arquitectura de Puentes (Bridges) transparentes
–  Conmutación en LAN Ethernet (Bridges)
–  Puentes Transparentes: Caídas por Bucles en la red
–  Spanning Tree Protocol (STP)
–  Ethernet conmutada. Switches y Bridges
–  Redes LAN virtuales VLAN
–  Protocolo ARP
Redes LAN Inalámbricas: Red WiFi.
Redes Celulares Móviles.
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Ethernet Clásica (“legacy”)
Conceptos
- El medio común
- El dominio de colisión
- Las retransmisiones aleatorias
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Nivel físico de Ethernet: Cobre
Evolución de
Ethernet sobre
pares
10Base-T
100Base-T
1000Base-T
10GBase-T
40GBase-T
100GBase-T
Cat. 3
Cat. 5e
Cat. 6
Cat. 6a
Cat. 7
Cat. 7a
Clase C
Clase D
Clase E
Clase Ea
Clase F
Clase Fa
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Nivel físico de Ethernet: Fibra óptica
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Formato de la PDU (trama) de Ethernet
•  Preámbulo
•  Direcciones globales MAC (MAC Address).
El espacio de direcciones universal
Transmisión “unicast” y “multicast/broadcast”
•  “Type” = Longitud/tipo
•  “Body” = Carga útil ( mínimo 46 bytes)
Longitud máxima de la trama 1.500 B
•  “CRC” = Código Redundancia Cíclica, detección de errores
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Protocolo CSMA-CD
Protocolo CSMA-CD
• 
• 
• 
• 
Transmisión Half-duplex
Detección de portadora
Detección de colisión y
longitud mínima de trama
Espera exponencial
creciente para reintentos
Ventana de colisión
(a) 
(b) 
(c) 
(d) 
A transmite en “t”
Se alcanza B en “t+d”
B transmite en “t+d”
El indicador de colisión
llega a A en “t+2d” (“t+RTT”)
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IEEE 802.3: Hubs (repetidores) Ethernet
Dominio de colisión = Conjunto de “Hubs” + Cables
Ejemplo:
Ethernet con cables de pares trenzados 100BaseT
T(twisted) : pares trenzados de cobre,100 m máx.
100:
100 Mbps
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Arquitectura de Puentes (Bridges) transparentes
Arquitectura de protocolos en una red “legacy”
Ethernet conmutada
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Conmutación en LAN Ethernet (Bridges, Switches)
Host
Port
-------------------A
1
B
1
C
1
X
2
Y
2
Z
2
Puente (Bridge) que
conecta dos LANs
difusivas
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Puentes: Aprendizaje, olvido e inundación
•  En cada “Bridge” una tabla de “forwarding”
–  MAC Addr-Destino -> puerto local.
•  Inicialmente vacía
•  Cada trama recibida:
–  si MAC Addr-Destino ϵ tabla de “forwarding” => se encamina.
–  En caso contrario se copia a todos los otros enlaces (inundación)
•  “backward learning”: La tabla de “forwarding” se rellena con la MAC
Addr-Origen de las tramas
•  Las entradas en la tabla se vacían por falta de uso
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Puentes Transparentes: Caidas por Bucles en la red
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Spanning Tree Protocol (STP)
Objetivo:
Topología sin bucles y con alcance total (no Óptimo pero Automático)‫‏‬
a) Grafo de red con bucles
b) Posible árbol de expansión
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STP – Ejemplo
Sólo se envían PDUs por los puertos habilitados por el STP
B
p1
A
p2
Root
p1
p2
p3
p4
p3
p4
p5
p5
C
p8
p7
p8
p7
p6
p6
D
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STP – Construcción del árbol ST
Los puentes intercambian mensajes de señalización (BPDUs) en cada LAN:
raíz-id
coste
bridge-id
puerto-id
Salto a salto, comparando los valores del mensaje, por la izquierda, a más pequeño:
•  Se decide el puente raíz
•  Para cada LAN se decide un único: puente designado:
El de menor “coste” a la raíz y de “id”s más pequeños.
Es el único encargado de copiar el tráfico de esa LAN.
•  Cada puente marca su puerto raíz:
El del camino más corto al raíz
•  Cada puente marca sus puertos designados:
Los que le conectan con las LANs para las que son el “puente designado”
En cada puente sólo se “copian” paquetes desde/hacia los
puertos: “raíz” y “designados”
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15
STP – Ejemplo
Sólo se envían PDUs por los puertos habilitados por el STP
B
p1
A
p2
p1
Root B,0,B,p3
A,0,A,p1
p2
p3
p3
p4
p4
B,0,B,p4
p5
p7
C,0,C,p5 C
p7
p6
p6
p8 A,1,B,p4
p9
p8
t
p5
p9
D
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STP – Construcción del árbol ST
El STP fija el “estado” de cada puerto del puente.
El “forwarding” en el “bridge” depende de dicho estado:
Cada puerto puede estar:
„  Blocking.- No copia ninguna trama que reciba (fuera del STP).
„  Forwarding.- El puerto copia, aprende y olvida.
„  Listening.- STP en construcción, no se sabe si es raíz, designado o
nada (ni copia ni aprende).
„  Learning.- STP en construcción, será “forwarding” pero el árbol no
está completo. No copia pero aprende.
„  Disabled.- El puerto no copia ni participa en la construcción del STP
por decisión de un administrador de la red
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STP – Construcción del árbol ST
B
A
p1(D) Root p1
p3(R)
p3
p5
p4(D)
p4
p5(R) p7
C
p2(D)
p2
p8
p9
p9(D)
p8(R)
p6
p6(B)
p7(D)
D
Estado de los puertos:
• 
“Forwarding”: En este estado están los puertos raíz (R) de cada switch
y los puertos designados para cada segmento de LAN (D).
• 
“Blocking”: El resto de los puertos (B).
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Repetidores, Hubs, Bridges, Switches y Routers
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Ethernet conmutada. Switches y Bridges
Bridges
–  Manejo de tramas por SW
–  Analiza y re-envía trama a trama
–  Requiere la capacidad de la LAN
Switches
– 
– 
– 
– 
– 
Manejo de tramas por HW
Analiza y re-envía múltiples tramas simultáneamente
Requiere la N veces la capacidad de la LAN
Puede incluir SW para operar como un Bridge multipuerto
Convertir una bus LAN o una Hub LAN en una Switched LAN no requiere ningún
cambio en la red o las estaciones.
–  Todos las estaciones siguen teniendo la capacidad LAN que tenían (si el switch tiene
suficiente capacidad)
–  Fácilmente escalable (se pueden añadir estaciones a un switch si se incrementa su
capacidad)
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Redes LAN virtuales (VLAN)
Formato de las tramas Ethernet 802.3 (legacy) y 802.1Q.
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Redes LAN virtuales (VLAN)
Bridged LAN que es “VLAN aware” solo en parte .
Los símbolos en grís son “VLAN aware”, los blanco
no lo son.
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Protocolo ARP:
Traducción de direcciones IP a MAC
192.168.1.1
192.168.1.3
192.168.1.7
(1) ping 192.168.1.170
11::02:10:01:01:12 00:02:10:11:11:12 00:02:10:11:11:12
(3)
(4) (5)
(2)
11::02:10:01:01:12 00:02:10:11:11:12
00:02:10:11:11:12
(1)  en 192.168.1.7
192.168.1.170 192.168.1.175 192.168.1.250
•  Comando: ping 192.168.1.170
(2)  en 192.168.1.7
•  Difusión MAC: ARP ¿ quién es 192.168.1.170 ?
(3)  en 192.168.1.170
•  Unicast MAC: Respuesta ARP ¡ soy 11:02:10:01:12 ! + MAC origen a cache ARP
(4)  en 192.168.1.7
•  MAC origen a cache ARP + PDU IP-PING a 192.168.1.7 usando MAC en cache ARP
(5)  en 192.168.1.170
•  PDU IP-PING-RESPUESTA a 192.168.1.7 usando MAC en cache ARP
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Índice
•  Redes LAN Ethernet.
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
Nivel físico de Ethernet: Cobre y Fibra óptica
Formato de la PDU (trama) de Ethernet
IEEE 802.3: Protocolo CSMA-CD. Repetidores Ethernet
Arquitectura de Puentes (Bridges) transparentes
Conmutación en LAN Ethernet (Bridges)
Puentes Transparentes: Caidas por Bucles en la red
Spanning Tree Protocol (STP)
Ethernet conmutada. Switches y Bridges
Redes LAN virtuales VLAN
Protocolo ARP
– 
– 
– 
– 
– 
– 
Estándar IEEE 802.11: Arquitectura de protocolos
Red WIFI: Multipropagación
El problema del nodo oculto
El problema del nodo expuesto
Protocolo CSMA-CA
Red WiFi Extendida (ESS): Distribución y movilidad
•  Redes LAN Inalámbricas: Red WiFi.
•  Redes Celulares Móviles.
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24
Redes LAN inalámbricas: Red WIFI
LAN WiFi - Una red inalámbrica con infraestructura: Puntos de acceso
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25
IEEE 802.11: Arquitectura de Protocolos
Parte de la torre de protocolos IEEE 802.11
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26
Red WIFI: Multipropagación
• 
• 
El medio radio no es homogéneo ni estable
Los paquetes han de ser reconocidos (ACK)
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Red WIFI: Protocolo CSMA-CA
Envío de una trama con CSMA/CA
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28
Red WIFI: El problema del nodo oculto
C quiere transmitir a B pero
no oye que B está ocupado
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29
Red WIFI: El problema del nodo expuesto
C quiere transmitir a D pero
erróneamente cree que no
puede hacerlo porque el canal
está ocupado por B
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Red WiFi Extendida (ESS): Distribución y movilidad
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Índice
• 
Redes LAN Ethernet.
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
Nivel físico de Ethernet: Cobre y Fibra óptica
Formato de la PDU (trama) de Ethernet
IEEE 802.3: Protocolo CSMA-CD. Repetidores Ethernet
Arquitectura de Puentes (Bridges) transparentes
Conmutación en LAN Ethernet (Bridges)
Puentes Transparentes: Caidas por Bucles en la red
Spanning Tree Protocol (STP)
Ethernet conmutada. Switches y Bridges
Redes LAN virtuales VLAN
Protocolo ARP
– 
– 
– 
– 
– 
– 
Estándar IEEE 802.11: Arquitectura de protocolos
Red WIFI: Multipropagación
El problema del nodo oculto
El problema del nodo expuesto
Protocolo CSMA-CA
Red WiFi Extendida (ESS): Distribución y movilidad
– 
– 
– 
– 
– 
Generaciones de sistemas móviles celulares
Reutilización de frecuencias
Canalización
Múltiplex / Acceso múltiple en GSM
Arquitectura GSM
•  Redes LAN Inalámbricas: Red WiFi.
•  Redes Celulares Móviles.
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Los sistemas móviles celulares: Generaciones
•  Primera generación: Voz analógica
•  Segunda generación (ej. GSM): Voz digital
•  Tercera generación (ej. 3G-UMTS): Voz digital y datos
•  Cuarta generación (ej. LTE): Voz digital y datos a alta
velocidad
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El sistema celular: Reutilización de frecuencias
Celdas
Microceldas
•  No mismas frecuencias en celdas contiguas.
•  Mayor densidad de usuarios => microceldas
•  Factor de reutilización:
F = Portadoras en sistema / Portadores en cada celda (Pares de)
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Ejercicio: Reutilización de frecuencias
En un sistema de telefonía celular típico con celdas hexagonales no
está permitido utilizar una banda de frecuencias en una celda
adyacente. Si hay disponibles un total de 840 frecuencias ¿Cuántas se
pueden usar en una celda dada.
Celda
Celda
Celda
Celda
Celda
Celda
Celdas
G
adyacentes F A B F G B
E
A
C
E
D
C
G
D
B
F
A
E
C
D
G
F
A
E
D
G
B
G
F
B
A
F
E
A
C
D
E
C
D
B
G
B
F
A
C
E
C
D
F = 7 familias de celdas de la A a la D.
GSM 124 pares de portadoras
124/7 = 17,71 à 17 canales duplex por celda
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Arquitectura GSM
BSC: Base Station Controller
MSC: Mobile Switching Center
HLR: Home Locatio Register
VLR: Visitor Location Register
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El sistema celular: Canalización
Los canales se dividen en 4 categorías:
• 
Control (base a móvil) para gestionar el sistema
• 
Anuncios (Paging) (base a móvil) para avisar a los
usuarios de las llamadas entrantes.
• 
Acceso (bidireccional) para establecimiento de
llamadas y asignación de canales.
• 
Datos (bidireccional) para voz o datos.
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Llamada entre teléfonos móviles
M
S
C
Localiza la señal de mayor potencia
M
S
C
Llamada a otro móvil
M
S
C
Localización del móvil llamado – Paging
M
S
C
Aceptación de la llamada
M
S
C
Llamada en curso
M
S
C
Handoff
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Múltiplex / Acceso múltiple en GSM
- 124 pares de portadoras FDM
- 8 slots TDM / portadora
=> 1 slot = 1 canal de voz o datos
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Características del sistema GSM
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
Nº de (pares) portadoras: 124
Separación entre portadoras: 200 KHz
Factor de reutilización F = 7
Nº de portadoras/celda: 124/F = 124/7 = 17
Nº de canales (usuarios simultáneos) /celda: 8*17 = 126
Nº máximo de canales en un sistema GSM: depende del número de celdas
Velocidad de datos (caudal eficaz) del canal sin FEC:
(57+57)/4615*10-3 = 24,70 Kbps
Velocidad de datos (caudal eficaz) del canal con FEC:
24,70 * 2/3 = 16,47 Kbps
Velocidad de transmisión del canal: 148/547*10-6 = 279 Kbps
Velocidad de transmisión por portadora : 1250/4,615*10-3 = 279 Kbps
Ancho de banda de un canal: 200/8 KHz
Eficiencia espectral en velocidad de datos:
24,70*8/200*10-3 = 0,988bps/Hz
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