1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la
Anuncio
Tema 5 Redes de área local Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas ([STA04] Capítulo 17) 5.1. Introducción a las WLAN 5.2. El estándar 802.11 5.3. Capas físicas de 802.11 5.4. Control de acceso al medio en 802.11 6. VLAN 7. Control de enlace lógico (LLC) 81 Tema 5 Redes de área local 5.1 Introducción a las WLAN Tipos de redes inalámbricas • • Red inalámbrica de área personal (Wireless PAN) • • Distancias de apenas unos metros y velocidad de transmisión reducida Ejemplos: IrDA, Bluetooth Red inalámbrica de área local (Wireless LAN) • • Distancias de varios metros y velocidad de transmisión elevada Ejemplos: Wifi (IEEE 802.11a/b/g/n) • Red inalámbrica de área extensa (Wireless WAN) • Redes inalámbricas fijas • Distancias de varios kilómetros y velocidad de transmisión elevada • Ejemplos: Wimax (IEEE 802.16) Aplicaciones típicas de las WLAN • • Ampliación de LANs cableadas o interconexión de LANs entre edificios Redes inalámbricas móviles • • Acceso nómada (movilidad) • Conexión temporal de un terminal a una WLAN (por ejemplo, en un hotel) Redes ad hoc • Conexión temporal de varios terminales entre sí (por ejemplo, en una reunión) 82 Tema 5 Redes de área local 5.1 Introducción a las WLAN Ventajas de las WLAN • Flexibilidad • Las microondas permiten poder salvar obstáculos • Los emisores/receptores pueden colocarse en cualquier sitio • Fácil instalación • Bibliotecas, hoteles, aeropuertos, edificios históricos,... • Coste • Ahorro en conectores, cables, mantenimiento,... • Una vez que se proporciona acceso a la red a un usuario, los posteriores no incrementan su coste de instalación Desventajas de las WLAN • Calidad de servicio • Menor que en las redes cableadas • Mayor porcentaje de error y mayor retardo que las redes cableadas • Seguridad • Privacidad, uso ilegítimo, interferencias,... 83 Tema 5 Redes de área local 5.1 Introducción a las WLAN Dispositivos WLAN • Estación (STA) • Punto de acceso (AP) • Terminal con mecanismos de acceso al medio inalámbrico • Estación base que posibilita la comunicación inalámbrica entre dos o más STAs Arquitectura WLAN independiente • Independent Basic Service Set (IBSS) • Red ad-hoc entre estaciones • No hace uso de APs 802.11 LAN IBSS2 STA1 IBSS1 STA3 STA5 STA4 STA2 802.11 LAN 84 Tema 5 Redes de área local 5.1 Introducción a las WLAN Arquitectura WLAN de infraestructura • Basic Service Set (BSS) • Grupo de STAs que utilizan • • el mismo AP Identificador (BSSID): dirección MAC del AP BSS1 Distribution System Access Point ESS Sistema de distribución (DS) BSS2 • Red de interconexión entre • los BSSs Wireless DS (WDS): red de interconexión inalámbrica entre los BSSs Portal Access Point • Grupo de BSSs conectados entre sí mediante un DS Identificador (ESSID): cadena de caracteres 802.x LAN STA1 Extended Service Set (ESS) • • 802.11 LAN STA2 802.11 LAN STA3 85 Tema 5 Redes de área local 5.2 El estándar 802.11 Estándar de la familia 802.11 • La especificación base incluye los siguientes módulos: • Capa MAC 802.11 • Capa física 802.11 FHSS PHY • Capa física 802.11 DSSS PHY • • Posteriormente se han añadido otras capas físicas: a/b/g/n Además cuenta con especificaciones adicionales acerca de seguridad (802.11i), calidad de servicio (802.11e),... 86 Tema 5 Redes de área local • • • 5.2 El estándar 802.11 Nombre Banda de Frecuencia VT Máx. VT Típica Cobertura Cobertura Transmisión (indoors) (outdoors) 802.11a 5 GHz 54 Mbps 23 Mbps ~35 m ~120 m OFDM 802.11b 2,4 GHz 11Mbps 4,3Mbps ~38 m ~140 m HR/DSSS 802.11g 2,4 GHz 54 Mbps 19 Mbps ~38 m ~140 m OFDM 802.11n 2,4 GHz y 5 GHz 600 Mbps 74 Mbps ~70 m ~250 m OFDM 802.11g es compatible con 802.11b Utilizan modulación PSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM (depende de la VT) Las coberturas pueden ampliarse: • • Disminuyendo la velocidad de transmisión (el ruido afecta menos) Aumentando la potencia de transmisión de la señal (emisor) • • • Utilizando un transmisor con mayor potencia (dBm) Utilizando antenas con alta ganancia (dBi) que incrementan la potencia Aumentando la potencia de recepción de la señal (receptor) • • Utilizando un receptor con mayor sensitividad de recepción (dBm) Utilizando antenas con alta ganancia (dBi) que incrementan la potencia 87 Tema 5 Redes de área local 5.3 Capas físicas de 802.11 Técnicas de transmisión • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) • Similar a FDM • Reduce las bandas de guarda (consigue “juntar” los canales) • Uso extendido en radiofrecuencia de alta velocidad • WLAN, WiMax, TDT (televisión digital terrestre) • Espectro expandido o Spread Spectrum (SS) • Dispersa la señal en un ancho de banda mayor del necesario • Solventa problemas de intercepción e interferencias • Técnicas: FHSS y DSSS 88 Tema 5 Redes de área local 5.3 Capas físicas de 802.11 Frequency Hoping Spread Spectrum (FHSS) • La señal de entrada se transmite sobre una serie, aparentemente aleatoria, de frecuencias distintas (canales) • La amplitud de cada canal corresponde al W de la señal original • La dispersión es proporcional al número de canales • La transmisión cambia de canal a intervalos regulares • El emisor opera en un solo canal durante un periodo determinado • Los bits se transmiten usando algún esquema de codificación 89 Tema 5 5.3 Capas físicas de 802.11 Redes de área local Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) • Cada bit de los datos de entrada se representa mediante • múltiples chips en la señal transmitida La secuencia de chips, aparentemente aleatoria, dispersa la señal original en una banda de frecuencia mayor • La dispersión es proporcional al número de chips por bit • Combina los datos de entrada con el código de dispersión usando XOR • Los bits se transmiten usando algún esquema de codificación tb user data 0 1 XOR tc chipping sequence 01101010110101 resulting signal = 01101011001010 90 Tema 5 Redes de área local 5.3 Capas físicas de 802.11 En redes inalámbricas, las colisiones se producen en el receptor pero no necesariamente en el emisor Por tanto, se intenta evitarlas usando CSMA/CA en lugar de CSMA/CD Aún así, CSMA/CA no resuelve todos los problemas: • Estaciones ocultas • Una estación cree que el canal está libre, pero en realidad está ocupado por otra estación a la que no puede escuchar • Estaciones expuestas • Una estación cree que el canal está ocupado, pero en realidad está libre pues la estación a la que escucha no interferiría en su transmisión 91 Tema 5 Redes de área local 5.3 Capas físicas de 802.11 Estaciones ocultas • A no puede escuchar a C y viceversa • A quiere enviar a B y ve que el medio está libre • C quiere enviar a B y ve que el medio está libre • Se produce una colisión en B que ni A ni C pueden • detectar A está oculta para C y viceversa A B C 92 Tema 5 5.3 Capas físicas de 802.11 Redes de área local Estaciones expuestas • B quiere enviar a A y C quiere enviar a D • B comprueba que el medio está libre y transmite • C comprueba que el medio está ocupado y espera • A está fuera del alcance de C luego la espera es • innecesaria C está expuesta a B y viceversa A B C D 93 Tema 5 Redes de área local 5.4 Control de acceso al medio 802.11 Métodos de acceso • DFWMAC-DCF CSMA/CA (obligatorio) • Coordinación distribuida • Diferente espacio entre tramas (IFS) • Intenta evitar colisiones mediante un mecanismo aleatorio de back-off • Uso de tramas de ACK para las confirmaciones • Diseñado para tráfico asíncrono • DFWMAC-DCF con RTS/CTS (opcional) • Soluciona el problema de la estación expuesta y la estación oculta • DFWMAC- PCF (opcional) • Coordinación centralizada controlada por el punto de acceso • Una estación sólo puede enviar datos si recibe autorización para • hacerlo (sondeo) y puede recibir datos sólo si se la selecciona Diseñado para aplicaciones en tiempo real 94 Tema 5 Redes de área local 5.4 Control de acceso al medio 802.11 Diferentes espacios entre tramas • Definen prioridades • A menor espacio, mayor prioridad • SIFS (Short Inter Frame Spacing) • La mayor prioridad (para ACK, CTS y respuestas a sondeos) • PIFS (Point Coordination Function IFS) • Prioridad media (para el servicio PCF) • DIFS (Distributed Coordination Function IFS) • La menor prioridad (para el servicio DCF) DIFS DIFS Medio ocupado PIFS SIFS Acceso directo si el el medio está libre ≥ DIFS contención Próxima trama t 95 Tema 5 5.4 Control de acceso al medio 802.11 Redes de área local DFWMAC-DCF CSMA/CA • Envío de paquetes unicast • El emisor tiene que esperar un tiempo DIFS antes de enviar una trama de datos • El receptor tiene que esperar SIFS antes de confirmar que recibió correctamente (comprobación CRC) la trama de datos • En caso de error se retransmite automáticamente la trama • La retransmisión implica reiniciar el algoritmo CSMA/CA DIFS emisor data SIFS receptor ACK DIFS otras estaciones Tiempo de espera data t contención 96 Tema 5 5.4 Control de acceso al medio 802.11 Redes de área local DFWMAC-DCF con RTS/CTS • Envío de paquetes unicast • El emisor puede enviar un RTS anunciando un tiempo de reserva • • • después de esperar durante DIFS El receptor envía una confirmación al emisor mediante un CTS tras esperar durante SIFS El emisor envía los datos y éstos son confirmados mediante un ACK Las otras estaciones anotan el tiempo de reserva de los RTS y CTS DIFS emisor RTS data SIFS receptor otras estaciones CTS SIFS SIFS NAV (RTS) NAV (CTS) acceso diferido ACK DIFS data t contención 97 Tema 5 Redes de área local Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas 6. VLAN ([TAN03] Capítulo 4.7.6) 7. Control de enlace lógico (LLC) 98 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN 1998. IEEE 802.1Q. VLAN (Virtual LAN) • División de una LAN en diferentes dominios de broadcast (VLANs) • • • Conmutadores VLAN definen qué estaciones pertenecen a cada VLAN En la práctica, cada VLAN identifica a un subred IP diferente • • La división es lógica, no física Los routers se utilizan para comunicar las VLANs entre sí La configuración de las VLANs es manual, es decir, los administradores de la red establecen los equipos que pertenecen a cada VLAN 99 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN • Ventajas de las VLAN • Rendimiento: • Reducen el envío de tráfico broadcast a destinos innecesarios • Las VLAN con más tráfico broadcast no saturan al resto • Grupos de trabajo virtuales: • VLAN constituida por distintas estaciones independientemente • de su situación física dentro de la LAN de una organización Los usuarios/recursos pueden ubicarse donde más convenga • Simplificación de administración: • El cambio de ubicación física de los usuarios no implica la reconfiguración de los routers • Coste: • Reduce el número de routers necesarios • Seguridad: • Se impide el acceso al tráfico broadcast de otras VLAN 100 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Topología VLAN • Dos tipos de enlaces en función del soporte VLAN (802.1Q) • Enlace en modo trunk: • • Todos los dispositivos de un enlace trunk tienen soporte VLAN Tramas etiquetas (tagged frames): cabecera especial que incluye un identificador de VLAN • Enlace en modo access: • • Dispositivos sin soporte VLAN Tramas sin etiquetar (legacy frames) 101 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Tipos de VLAN • VLAN de Nivel 1: • Pertenencia por puerto físico de entrada al conmutador • Desventaja: no permite la movilidad de los usuarios • VLAN de Nivel 2: • Pertenencia por dirección MAC de la estación • Desventaja: el registro de MACs es una tarea compleja • VLAN de Nivel 2’: • Pertenencia por el tipo de protocolo de nivel 3 • VLAN de niveles superiores: • Pertenencia por dirección de nivel 3 (dirección IP) • Pertenencia por puerto o servicio de nivel de transporte • El estándar IEEE 802.1Q define sólo las de Nivel 1 y 2 102 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Procesamiento de tramas en un conmutador VLAN • El conmutador determina la VLAN de tramas entrantes: • Etiquetado explícito: el identificador está en la propia trama • Etiquetado implícito: obtenido a partir de una tabla interna • Entradas estáticas: • Gestionadas por el administrador de la red • Entradas dinámicas: • Aprendizaje mediante análisis de las tramas entrantes • Anotación de la dirección fuente, VLAN y puerto • En función del tipo de enlace de salida, el conmutador etiquetará las tramas (modo trunk) o no (modo access) 103 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Tramas etiquetadas (IEEE 802.1Q) • Ampliación del formato de trama Ethernet: • TPID (Tag Protocol ID): ID del protocolo VLAN (0x8100) • Priority de 3 bits: prioridad de la trama • CFI (Canonical Format Indicator) de 1 bit: encaminamiento de la trama • VID (VLAN Identifier) de 12 bits: identificador de VLAN 104 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Ejemplo: • • • • Dos conmutadores VLAN conectados entre sí Station 1, Station 2 y Router con soporte VLAN LAN 1 y LAN 2 con estaciones sin soporte VLAN Distribución: • • • VLAN A: Router, Station 1 y LAN 2 VLAN B: Router, Station 2 y LAN 2 El router permite la conexión entre ambas VLAN 105 Tema 5 Redes de área local 6.3 VLAN Problema 6. Un router con soporte VLAN tiene 4 interfaces de red: eth0 (133.25.1.1) y eth1 (200.30.1.2) corresponden a enlaces en modo access, mientras que eth2 (195.16.16.33) y eth3 (195.16.16.65) corresponden a enlaces en modo trunk (VLANs 1 y 2, respectivamente). Dada su tabla de encaminamiento, dibuja un esquema de la red en la cual se encuentra el router. Destino Gateway Máscara Interfaz 133.25.0.0 * 255.255.0.0 eth0 200.30.1.0 * 255.255.255.0 eth1 195.16.16.32 * 255.255.255.224 eth2 195.16.16.64 * 255.255.255.224 eth3 87.0.0.0 133.25.2.1 255.0.0.0 eth0 default 200.30.1.1 0.0.0.0 eth1 106 Tema 5 Redes de área local Índice 1. Introducción 2. Control de acceso al medio (MAC) 3. Redes de la familia Ethernet 4. Redes basadas en token 5. Redes inalámbricas 6. VLAN 7. Control de enlace lógico (LLC) ([HAL98] Capítulo 5.3.6) 107 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico IEEE 802.2. LLC • Define la subcapa que opera sobre la subcapa MAC • Protocolo de nivel de enlace creado a partir de HDLC • Delimitación de tramas y control de errores (CRC) realizado por la subcapa MAC La subcapa LLC proporciona tres tipos de servicios a la capa de red: • Tipo 1: sin conexión no confirmado (Ethernet) • Tipo 2: orientado a la conexión • Tipo 3: sin conexión pero con asentimientos Todas las estaciones deben implementar el Tipo 1 108 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico Formato trama LLC • DSAP: punto de • acceso al servicio LLC en destino SSAP: punto de acceso al servicio LLC en origen Control (tramas I, S y U de HDLC) 109 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico Tipos de tramas LLC Código Formato Orden Respuesta LLC1 LLC2 LLC3 Descripción I I X X X Trama de datos RR S X X X Receptor preparado RNR S X X X Receptor no preparado REJ S X X X Rechazo simple (vuelta trás N) UI U X XID U X TEST U X SABME U X X Establecimiento de modo asíncrono balanceado extendido (módulo 128) DISC U X X Petición de desconexión UA U X X Reconocimiento no numerado DM U X X Establecimiento de modo de desconexión FRMR U X X Rechazo de trama X Información no numerada X X Intercambio ID X X Test AC0 X Trama de datos + ACK 0 AC1 X Trama de datos + ACK 1 110 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico Formato de la trama Ethernet • Longitud < 1536 (IEEE 802.3) • Nº de bytes presentes en el campo de datos (entre 0 y 1500) • Trama LLC • • • • Extensión SNAP (Sub-Network Access Protocol) DSAP=SSAP=0xAA y Control=0x03 (UI) Org. Code = 0 EtherType: • Paquete IP (0x0800) • Paquete ARP (0x0806) • Paquete RARP (0x0835) +-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+ | Preámbulo | SFD | Dst | Src | Longitud | Trama LLC | CRC | +-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+ <---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><--- 46-1500 ---><- 4 -> 111 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico Interfaz del protocolo: LLC Tipo 1(a1), 2(b) y 3(a2) 112 Tema 5 Redes de área local Control de enlace lógico Interfaz del protocolo: MAC a) Envío con éxito b) Recepción con éxito 113 Tema 5 Redes de área local Resumen Arquitectura IEEE • Subcapas MAC y LLC Control de acceso al medio • Aloha, CSMA, CSMA/CD y CSMA/CA • Paso de token Tecnologías LAN • Basadas en CSMA/CD (familia Ethernet) • Basadas en paso de token (Token Ring y FDDI) • Basadas en CSMA/CA (redes inalámbricas) Dispositivos de interconexión • Dominio de colisión y dominio de broadcast • VLAN 114 Tema 5 Redes de área local Anexo I: Formato de la trama Ethernet Ethernet II / 802.3 with 802.1Q (VLAN) +---------+---------+---------+------------+----------| Dst | Src | VLANTag | Type/Lenth | Data... +---------+---------+---------+------------+----------<-- 6 --> <-- 6 --> <-- 4 --> <---- 2 ---> <-42-1500-> 802.2 (802.3 with 802.2 header) +---------+---------+---------+-------+-------+-------+----------| Dst | Src | Length | DSAP | SSAP |Control| Data... +---------+---------+---------+-------+-------+-------+----------<- 1 -> <- 1 -> <- 1 -> <-43-1497-> SNAP (802.3 with 802.2 and SNAP headers) +---+---+------+----+----+----+-----------+---------+----------|Dst|Src|Length|0xAA|0xAA|0x03| Org Code | Type | Data... +---+---+------+----+----+----+-----------+---------+----------<-- 3 --> <-- 2 --> <-38-1492-> 115
