Tema 35 - oposcaib

Tema 27. Electrónica de red
31/05/2011
Tema 27. Electrónica de red: puentes, encaminadores,
pasarelas, conmutadores.
ESQUEMA
1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................1
2 Equipos de la capa física...............................................................................................2
2.1 Repetidor...........................................................................................................................2
2.2 Concentradores (hub).......................................................................................................3
2.3 Módem...............................................................................................................................4
3 Equipos de la capa de enlace........................................................................................5
3.1 Interfaz de red..................................................................................................................5
3.2 Puentes – Bridge –............................................................................................................5
3.3 Conmutadores – Switch –................................................................................................7
4 Equipos de la capa de red..............................................................................................9
4.1 Encaminadores –Routers-................................................................................................9
5 Equipos de las capas superiores (aplicación, sesión...).............................................10
5.1 Las pasarelas de los niveles superiores del modelo OSI (Gateway)............................10
1 INTRODUCCIÓN
Las redes de comunicación de datos están compuestas de tres elementos:
•
Los equipos informáticos (estaciones de usuario y servidores) que se conectan a la red
para comunicarse entre sí.
•
Los medios de comunicación: Es el medio por donde se transmiten los mensajes que
intercambian las estaciones conectadas a la red. Por ejemplo: Un cable coaxial.
•
Los equipos intermedios de soporte a la comunicación. Son los equipos electrónicos
conectados a la red para que esta funcionen. Son los equipos que explicará a
continuación.
Los equipos electrónicos de red se clasifican según el nivel máximo de la capa del
modelo OSI de ISO en el que trabajan. Por ejemplo, un router, enrutador o encaminador
es un dispositivo clasificado como de capa 3 “Capa de red” para realizar funciones de
dicho nivel.
Los niveles son:
Nivel 1. Capa Física
-> Repetidores, concentradores, modems ...
Nivel 2. Capa de enlace -> Puentes, conmutadores, tarjetas de red...
Nivel 3. Capa de red
-> Enrutador
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Niveles superiores al 3. -> Pasarelas (proxies)
2 Equipos de la capa física
A este nivel, el dispositivo trabaja en términos de las características físicas de las señales
transmisoras de la información.
2.1 Repetidor
Es un dispositivo que recibe señales debilitadas por las perdidas en su transmisión y las
regenera, amplificando su potencia y reconstruyéndolas. Su finalidad es extender la cobertura
física de la red.
Un repetidor puede conectar dos subredes con diferentes tipos de cable.
Consideraciones al uso de repetidores:

La incompatibilidad: Las redes que se unen con el repetidor deben utilizar el mismo
protocolo de enlace de datos.

La saturación: Unir dos redes saturadas con un repetidor, da lugar a una red todavía
más saturada.

El protocolo de enlace debe permitir su uso. Por ejemplo, las redes Ethernet tienen una
longitud máxima de cable determinada por el protocolo, para detectar las colisiones.
Ampliar la longitud máxima del cable mediante repetidores, provocará un mal
funcionamiento.
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2.2 Concentradores (hub)
Es un dispositivo compuesto de varios puertos a los que se puede conectar diferentes subredes y
formar un solo segmento. Retransmite las señales que recibe en cada uno de sus puertos, al resto
de los puertos.
Se utilizan como nodos centrales donde se conectan los equipos. Las redes que utilizan
concentradores adquieren una topología en estrella.
Los concentradores son utilizados para sustituir las topologías físicas de bus común y bus en
anillo pues los concentradores permiten tener redes en estrella. Esta topología tiene las
siguientes ventajas, son: concentradores adquieren
◊ más flexibles, facilitan el traslado de equipos.
◊ más escalabres, interconectando los concentradores, aumenta el número máximo de
equipos conectables a la red.
◊ más robustas, pues los concentradores permiten aislar fácilmente los equipos con
problemas.
Existen dos tipos de concentradores:
•
Pasivos. Sólo interconectan los dispositivos de la red, transmitiendo la señal recibida
por el resto de puertos sin modificarla. (No necesitan alimentación electrica)
•
Activos. Además de interconectar los equipos, regeneran y reconstruyen la señal
recibida. Estos concentradores también se denominan repetidores multipuesto.
Inconvenientes de los concentradores:
1. La seguridad de los datos, las tramas enviadas de un equipo a otro conectado al
concentrador, son recibidas por todos los equipos conectados al mismo. (Riesgos con
los programas de sniffer.
2. La velocidad de la red. Las comunicaciones se realizan a la velocidad del ordenador
más lento.
3. Puede provocar saturación: Aumenta las probabilidades de colisión en las redes
Ethernet, las redes más utilizadas.
Tiene las mismas restricciones que los repetidores.
Actualmente, hay una mayor utilización de conmutadores que de concentradores, dado los bajos
precios de los conmutadores y que no tiene los inconvenientes anteriores.
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2.3 Módem
Módem es un acrónimo de las palabras modulador/demodulador.Un módem es un modulador y
demodulador de datos. Se utilizan para transmitir datos en formato digital sobre redes de
comunicaciones que transmiten en formato analógico.
Existen varios tipos de módems:
-
Módems convencionales. Su uso más común y conocido es la transmisión de datos
digitales por vía telefónica convencional. Los módem transforman, mediante diferentes
técnicas, las señales digitales de los ordenadores en analógicas para ser transmitidas por las
líneas telefónicas y viceversa. Velocidad máxima 56kbps. La norma estándar para módems
convencionales es la V90.
-
Módems XDSL (Digital Subscriber Line). Utilizado para transmitir los datos a través del
bucle de abonado entre la red del usuario y la central telefónica. Utilizan el espectro de
frecuencias situado por encima de la banda vocal (300 – 3400 Mhz.) del cable telefónico, lo
que posibilita establecer una comunicación telefónica por voz al mismo tiempo que se
envían y reciben datos.
-
Cable módems: Transforman las señales digitales en señales analógicas transmisibles por
cables coaxiales. Utilizado para acceder a las redes metropolitanas como la de ONO:
-
Módems ópticos: Transmiten la información de forma lumínica a través de cables de fibra
óptica. Son utilizados en redes de gran ancho de banda. Velocidades de Gigabps.
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3 Equipos de la capa de enlace
Son los equipos tienen la electrónica suficiente para poder implementar el protocolo de la capa
de enlace (Ethernet, Token Ring…) que utiliza la red a la sirven.
3.1 Interfaz de red
Es el dispositivo de entrada y salida que permite a un ordenador conectarse a la red y
comunicarse, actuando de interfaz con la red. Las tarjetas de red pueden ser una tarjeta de
expansión que se conecta al ordenador o estar incluidas dentro de la placa base del ordenador.
La tarjeta de red contiene los circuitos eléctricos requeridos para controlar la comunicación
siguiendo un protocolo de comunicación de la capa de enlace, por ejemplo Ethernet o token
ring.
Cada interfaz de red tiene un número identificativo único de 48 bits, denominado dirección
MAC (Media Access Control). Estas direcciones hardware únicas son administradas por el
IEEE. Los tres primeros octetos identifican al fabricante. Este identificador es utilizado por los
protocolos del nivel de enlace.
Esta dirección es utilizada por la mayoría de protocolos de la capa de enlace, como Ethenet,
ATM o Token Ring.
Una tarjeta puede trabajar siguiendo diferentes protocolos de la capa física y poseer conexiones
para diferentes tipos de cables, por ejemplo cable de par trenzado y cable coaxial.
3.2 Puentes – Bridge –
Los puentes son dispositivos que conectan dos redes LAN diferentes. Ambas redes pueden usar
el mismo o distinto protocolo de físico y, excepcionalmente, distintos protocolos de enlace.
Trabaja a nivel de la capa de enlace. Cuando recibe una trama en un puerto, destina a la LAN
del otro puerto, la almacena y la reenvía por el otro puerto.
802.11
Puente
802.3
La traducción de protocolos de enlace tiene limitaciones, los cambios entre protocolos no deben
ser significativos, siempre ambos protocolos deben mantener el mismo formato de
direccionamiento. Ej: Se puede pasar de una red Ethernet a una Wireless pues usan las mismas
direcciones MAC, pero no de una Ethernet a una red X25.
Al interconectar varias subredes utilizando puentes, pueden surgir varios caminos entre dos
subredes y se pueden formar bucles que imposibiliten la comunicación. Según la técnica
utilizada para gestionar el direccionamiento de la tramas, hay tres tipos de puentes:

Puentes de encaminamiento estático: Las tablas de direccionamiento se programan
manualmente. Son puentes sencillos y rápidos, pero difíciles de mantener, poco
tolerante a los fallos y no se adaptan a los cambios de la topología de la red.

Puentes transparentes: Están ligados a la redes Ethernet. Son invisibles a los equipos
conectados en la red. Poseen capacidad de aprendizaje, mediante el uso de algoritmos
de Feedback y la técnica de inundación.
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Según el destino de la trama que reciben realizan acciones diferentes:
o
Si es una trama destinada a un equipo de la misma red, no la recoge.
o
Si es una trama destinada a un equipo conocido, la reenvía directamente al
equipo o a través de otro puente.
o
Si es una trama destinada a un equipo desconocido, por ejemplo un equipo
recién conectado. Utiliza la técnica de inundación, envía la trama a todos los
puentes a los que está conectado. Cuando el equipo destinatario la recibe, le
reenvía una trama de confirmación. De esta forma, el puente puede incluir en
su tabla de direccionamiento a que puente debe enviarle las tramas destinadas a
ese equipo.
Las entradas a la tabla de direccionamiento se eliminan periódicamente, para permitir
que el puente se adapte a los cambios de topología de la red. (Por ejemplo, la conexión
de un nuevo puente.)
Los puentes conectados entre sí, formando una gran LAN, se auto-organizan formando
una estructura de árbol “Spanning tree”: eligen un puente que actúa de raíz y el resto se
organizan según su distancia al puente raíz.
Los puentes transparentes tienen las ventajas que se auto-configuran y son fáciles de
instalar, pero el inconveniente que no eligen el siempre camino óptimo a la hora de
reenviar tramas, ya que las tramas siempre siguen la ruta establecida por el árbol.

Puentes por encaminamiento fuente: Están ligados a las redes Token-Ring. No hay
tablas de encaminamiento, los emisores conocen la ruta que debe seguir el paquete (que
puentes y redes debe atravesar). Cuando un equipo no sabe la ruta hasta otro equipo,
envía un mensaje explorador, que se transmite por difusión por todas las subredes.
Cuando el recepto recibe la primera copia del mensaje, responde. El mensaje de
respuesta, va almacenando que subredes y puentes atraviesa. De esta forma, el emisor
del mensaje explorador sabe cual es la ruta óptima para enviar mensajes a ese equipo.
Las ventajas de estos puentes son que los mensajes se transmiten por las rutas óptimas,
haciendo un uso eficiente del ancho de banda de la red, y que los puentes que utilizan
son simples y baratos. Sus inconvenientes son que la complejidad la asumen los equipos
“host” y que los puentes no son transparentes.
Dado que en las redes, suele haber muchos más equipos que puentes, se utilizan más los
puentes transparentes que los encaminamiento fuente, ya que simplifican la gestión de
la red.
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3.3 Conmutadores – Switch –
Los conmutadores son dispositivos de red multi-puerto, físicamente similares a los
concentradores pues tienen puertos a los que se pueden conectar los cables de diferentes
subredes. Cada segmento de red tiene el mismo tipo de tecnología de conexión de red.
El conmutador proporciona un camino a una estación de una subred para difundir mensajes a las
estaciones de otras subredes.
Cada parte en que el conmutador divide la red se denomina segmento o subred.
Conmutador
Hub
Hub
Segmento 1
Segmento N
El conmutador cuando recibe una trama por uno de los puertos, lee la dirección de
destino y la reenvía al puerto donde está conectado el destinatario.
Para los equipos conectados a cada uno de los segmentos de la red no existe ninguna
segmentación, el conmutador es invisible para ellos.
Se utilizan conmutadores para interconectar LANs con las mismas características, en vez de
crear una gran LAN, por los siguientes motivos:
•
Mejora de la fiabilidad: la conexión de todos los dispositivos de procesamiento de datos
de una institución en una sola red puede provocar un inmenso caos en caso de
producirse un error a la red. Con el uso de conmutadores se puede dividir en unidades
autocontenidas que limiten la propagación de un error por toda la organización.
•
Mejora de prestaciones: las prestaciones de una LAN o una MAN decrecen cuando
aumenta el número de dispositivos o la longitud del medio. Varias LAN pequeñas
pueden ofrecer mejores prestaciones si los dispositivos se pueden agrupar de tal forma
que el tráfico interno de la red supere significativamente el tráfico entre las redes. En las
redes en las que puede haber colisiones entre las tramas, como por ejemplo las redes
Ethernet, establecer un dominio de colisión diferente en cada subred que conectan,
reduce el grado de colisiones en la red, mejorando el aprovechamiento del ancho de
banda de la red.
•
Mejora de la seguridad: el establecimiento de múltiples subredes puede mejorar la
seguridad en las comunicaciones. Se reduce el problema de los sniffers.
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Funcionamiento de un conmutador simple es el siguiente:
1. El conmutador no modifica el contenido o formato de las tramas que recibe. Cada trama a
transmitir es simplemente copiada desde una LAN y repetida con el mismo patrón de bits a
la otra LAN. Dado que las dos LAN emplean el mismo protocolo, esta operación es
correcto.
2. El conmutador tiene que disponer de suficiente memoria temporal (buffer de memoria) para
aceptar picos de demanda. Durante un cierto periodo de tiempo, las tramas se pueden recibir
más rápidamente del que se pueden transmitir.
3. El conmutador tiene que presentar capacidad de direccionamiento de las tramas. Para poder
realizar esta labor, el conmutador mantiene en memoria unas tablas con las direcciones
físicas (Direcciones MAC) de los equipos conectados en cada segmento. Cuando recibe una
trama, consulta la localización del equipo de destino utilizando la tabla de direcciones
físicas y reenvía la trama por el puerto adecuado.
Como en el caso de los puentes, pueden haber grandes redes compuestas por varios
conmutadores en los que aparezcan múltiples caminos entre segmentos. Para localizar los
equipos no conectados a los segmentos directamente accesibles por un conmutador, se utilizan
técnicas similares a los puentes.
Además, al disponer de varios puertos, pueden disponer de un mecanismo de control de los
problemas de la congestión de las redes. En condiciones de saturación de un segmento, puede
dar preferencia a unos paquetes sobre otros o reenviar tramas por otros segmentos. De esta
forma preserva el ancho de banda de la red.
Existen otras técnicas utilizadas en los conmutadores para mejorar las prestaciones de la
red, como son:
-
Almacén y reenvío: Las tramas enteras son almacenadas por el conmutador. Las
procesa completamente, incluyendo la detección de errores en las tramas, después
reenvía las tramas. Esta técnica reduce el número de tramas incorrectas por la red.
Usados en redes con altas tasas de paquetes con errores.
-
Reenvío directo: El conmutador sólo procesa la dirección de destino y la reenvía.
No filtra las tramas incorrectas. Son conmutadores muy rápidos. Usados en redes
con pocos errores.
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4 Equipos de la capa de red
4.1 Encaminadores –RoutersSon la espina dorsal de las redes WAN; permiten interconectar redes LAN heterogéneas,
independientemente de su topología, protocolos de la capa de enlace y situación geográfica.
Las redes LAN se conectan a la WAN utilizando un router. Los routers dirigen las
comunicaciones a través de las rutas más eficientes o económicas por dentro de la malla de
redes, que puede tener caminos redundantes hacia un destino.
Para ello, deben utilizarse protocolos específicamente diseñados para permitir el enrutamiento
(Ej: Protocolo IP). Las redes que forman la red WAN deben utilizar el mismo protocolo de red.
Existen routers para comunicaciones con conmutación de paquetes, conmutación de circuitos o
de celdas. Las explicaciones sobre los routers las daré sobre los encaminadores con
conmutación de paquetes, que son los más utilizados actualmente (el protocolo IP).
Además del enrutamiento, los routers realizan otras funciones como:

Control de la congestión: Cuando el tráfico de paquetes satura algún punto de la red, los
routers son capaces de desviar los mensajes por otros caminos.

Eliminación de paquetes antiguos: los paquetes pueden contener un campo que indique
cuando fueron enviados. Si llevan demasiado tiempo circulando, los elimina. Esto
reduce los problemas de los bucles.

Compresión y encriptación: Pueden comprimir los paquetes transmitidos para ahorrar
ancho de banda y encriptarlos para asegurar su confidencialidad.
También se usan encaminadores para interconectar grandes y complejas redes, aunque todas
usen el mismo protocolo de enlace, pues gestionan el tráfico mejor que los conmutadores, a
pesar de que sean más lentas.
Funcionamiento de los enrutadores
Los protocolos de la capa de red, organizan una red de redes en segmentos lógicos. Cada
segmento lógico se le asigna una dirección, y cada equipo host otra dirección que lo identifica y
indica en que segmento lógico está. (Ej: Dirección IP: (Identificador de red)+(identificador de
equipo).
El enrutador mantiene dos tipos de tablas en memoria:
1. La tabla de direcciones MAC. Contiene la relación entre las direcciones de red y
direcciones MAC de los equipos de los segmentos conectados directamente a él. Igual
que los conmutadores.
2. La tabla de enrutamiento. Contiene la relación entre direcciones de segmentos no
conectados directamente y dirección del encaminador a quien reenviar los mensajes
destinados a equipos en esas redes.
Un router, al recibir un mensaje, comprueba a que segmento va dirigido.
Si es de un segmento conectado directamente a él. Busca la dirección MAC del equipo y se la
envía directamente. Si no conoce la dirección MAC, utiliza algún protocolo de búsqueda como
el ARP.
Si es un segmento no conectado directamente a él, busca la dirección del encaminador al cual
enviar el mensaje.
Los routers se pueden clasificar en dos tipos, según la forma de gestionar la tabla de
enrutamiento:
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•
Routers estáticos: Las tablas de enrutamiento se configuran manualmente,
especificando las rutas por defecto para los paquetes. Son routers sencillos y baratos,
pero conllevan un coste en su mantenimiento, cada vez que hay un cambio o error en
los routers conectados a él, hay que volver a modificar las tablas de direccionamiento.
•
Routers dinámicos: Son los que determinan automáticamente las rutas, basándose en la
información contenida en los paquetes y comunicándose con otros routers, utilizando
protocolos como el RIP –“Route information Protocol” o el
OSPF –Open Shorest Path Firstt-. Son routers complejos y caros, pero son capaces de
dar respuesta automática a los cambios en la red. Son utilizados para crear el backbone
de Internet.
5 Equipos de
sesión...)
las
capas
superiores
(aplicación,
Son los equipos de red con funciones independientes de las características de la red a la que dan
soporte.
5.1 Las pasarelas de los niveles superiores del modelo OSI
(Gateway)
Las pasarelas son equipos de red (generalmente ordenadores) que conectan dos redes e
implementan funciones de las capas superiores a la capa de red del modelo OSI.
Los equipos de capas inferiores, no modifican la información que se transmite, sólo
modifican las cabeceras de los mensajes. Las pasarelas si que procesan la información
transmitida.
Funciones de las pasarelas más comunes:
•
Conversión de protocolos de la capa de aplicación. Ej. Los gateways de
correo electrónico traducen mensajes de una aplicación de mensajería a otra, de
forma que los usuarios de diferentes aplicaciones pueden compartir mensajes a
través de una red. Un gateway X.400 típico convierte el formato de los mensajes
a formato X.400, denominador común entre muchos sistemas de correo
electrónico.
•
Funciones de seguridad: Proporcionan servicios de confidencialidad,
aseguramiento de la integridad y autentificación de las comunicaciones.
Cortafuegos: Filtra las comunicaciones entrantes en una red. El filtrado puede
ser a nivel de direcciones IP o puertos TCP/IP. Antivirus: Analizan la
información recibida en busca de virus...
•
Servidores intermediarios (Proxies): Proporcionan acceso indirecto a una red
WAN. Permite que los equipos de una red LAN usen direcciones IP privadas y
puedan acceder a Internet. Para ello, el servidor intermediario sustituye la ip
privada a ip públicas mediante el protocolo NAT -Network Address Translation. Así con una o unas pocas direcciones IP públicas se pueden conectar muchos
equipos de una LAN a Internet. También permiten mejorar las prestaciones de
las comunicaciones han realizar funciones de caché, como por ejemplo Cache
Web.
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