Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios

Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios
Guia de estudio del tema 4
Miguel A. Gómez Hernández
12 de noviembre de 2007
1.
Objetivos
Este tema profundiza en el las funciones y protocolos para el nivel 2 en el modelo de referencia
OSI. Esto se plantea en el contexto de las redes locales, en las que debido a que la carga generada
por las máquinas no es normalmente elevada se utiliza la difusión en un medio compartido. Aunque
esta práctica está remitiendo (cada vez hay más redes locales conmutadas), es conveniente entender
que una red de difusión sobre un medio compartido puede ser adecuada a muchos problemas. El
tema tratará primero aspectos generales de redes locales, y presentará el estándar 802 de IEEE, que
cubre los niveles 1 y 2 de OSI (incluyendo tres capas: fı́sica, de acceso al medio, y de control del
enlace lógico). Después se estudiarán los aspectos involucrados, profundizando en las técnicas de
acceso a un medio compartido. Por último se presentan diversos estándares dentro de la colección
802 de IEEE, con énfasis puesto en 802.3.
Los objetivos de este tema, por lo tanto, son los siguientes:
Comprender la adecuación de implementar redes locales como redes de difusión sobre un
medio compartido.
Valorar la adecuación de distintas topologı́as, de distintas técnicas de acceso al medio compartido, y de las relaciones entre estas.
Conocer la arquitectura del estándar 802 de IEEE para redes locales.
Conocer los aspectos más generales de los estándares 802.2 (control de enlace lógico) y 802.11.
El estándar 802.3 se deberá conocer en mayor profundidad.
Comprender someramente el funcionamiento de un puente.
Desarrollar una capacidad crı́tica sobre los conocimientos anteriormente mencionados, que
permita, ante la necesidad de montar una red local, proponer justificadamente una solución
para los niveles 1 y 2.
2.
Lecturas recomendadas
Este tema cubre aspectos muy variados, que se estudian con muy distinta profundidad en distintas fuentes bibliográficas. El capı́tulo 13 de [Sta00] trata las tecnologı́as de redes locales, en el marco
del estándar 802 de IEEE, pero sin describir protocolos concretos. De hecho, se centra más en los
aspectos de tecnologı́a fı́sica, topologı́a e interconexión. El capı́tulo 14 del mismo libro sı́ describe
protocolos del nivel de acceso al medio: el 802.3, el 802.5 y FDDI, y el 802.11. Las técnicas de acceso
al medio se describen conjuntamente a los estándares (observa que el protocolo implica mucho más
que una técnica de acceso al medio: un formato de trama, una semántica de tramas. . . ). Estos dos
capı́tulos por lo tanto forma una buena fuente de apoyo a este tema.
1
El capı́tulo 4 de [Tan03] se centra más en los aspectos de acceso al medio, distinguiendo algo
mejor las técnicas de acceso al medio, y los estándares de IEEE. La parte de puentes está fuertemente
influida por la idea de conectar redes locales con protocolos de IEEE 802, lo que no es la única
posibilidad, aunque esa visión quizá hace más visibles los problemas de los puentes. Esta sección es
por lo tanto una lectura muy recomendable para la parte final del tema.
3.
Problemas recomendados
En esta sección se recomiendan una serie de problemas, y de preguntas abiertas que pueden
ayudarte a repasar los conceptos aprendidos en este tema, y a explorar problemas para localizar las
dudas o aspectos más interesantes.
3.1.
Problemas
3.1.1.
Problema 1
Las preguntas 6.1 y 6.2 de [LG00] plantean caracterı́sticas interesantes de las LAN.
(a) ¿Por qué las LAN tienden a ser redes de difusión en lugar de usar redes con multiplexión y/o conmutación?
(b) Explica las principales caracterı́sticas de una LAN en términos de topologı́a, extensión geográfica, tasa binaria, direccionamiento y coste. Para cada caracterı́stica,
¿puedes encontrar una red LAN que se desvı́e de lo tı́pico? ¿Cuál de las caracterı́sticas mencionadas es más caracterı́stica de una LAN?
3.1.2.
Problema 2
La pregunta 13.1 de [Sta00] plantea por qué surge la necesidad de acceso al medio. El problema
6.8 de [LG00] ilustra el mismo aspecto.
(a) ¿Se podrı́a usar HDLC como protocolo de enlace de datos en una LAN? ¿Por qué?
(Nota: esta pregunta puede interpretarse como “¿Puede HDLC ser el protocolo de
control de enlace lógico en una LAN, suponiendo que utiliza los servicios de un
protocolo de acceso al medio?” o como “¿Puede HDLC ser el protocolo usado en
una LAN, por encima directamente de la capa fı́sica?”)
(b) Usa HDLC y Ethernet para identificar tres semejanzas y tres diferencias entre el
control de acceso al medio y el control del enlace de datos. ¿Actúa HDLC como
un protocolo para LAN cuando es usado en modo de respuesta normal en una
configuración multipunto?
3.1.3.
Problema 3
La pregunta 6.8 de [LG00] plantea las relaciones entre capas contiguas, y los servicios ofrecidos
por estas.
Una aplicación requiere la transferencia de paquetes del nivel de red entre clientes y
servidores en la misma LAN. Explica cómo puede ofrecerse un servicio de red fiable y
orientado a conexión sobre una LAN Ethernet. Realiza un boceto en el que se muestren
los intercambios de tramas y paquetes entre las distintas capas de dos máquinas involucradas en la transferencia.
2
3.1.4.
Problema 4
El problema 6.9 de [LG00] pide calcular el máximo rendimiento de un canal ALOHA.
En un canal vı́a satélite a R=56 kpbs se utiliza ALOHA para acceder al medio, enviándose tramas de B=1000 bits. ¿Cuál es el rendimiento máximo del canal en tramas
por segundo?
3.1.5.
Problema 5
El problema 6.24 de [LG00] ilustra una diferencia entre usar una Ethernet compartida o una
conmutada.
Supón N =10 estaciones en una LAN Ethernet. ¿Cuál es el ancho de banda máximo
disponible para cada estación si
(a) las estaciones están conectadas por un hub a R=10 Mbps.
(a) las estaciones están conectadas por un hub a R=100 Mbps.
(a) las estaciones están conectadas por un conmutador a R=10 Mbps.
Observa que una cosa es lo máximo disponible para cada estación, y otra es lo máximo
que se cursa en la red en su conjunto. Estudia también este último parámetro.
3.1.6.
Problema 6
El problema 4.15 de [Tan03], más bien relacionado con el tema anterior, pide reflexionar sobre
la conveniencia de una topologı́a determinada, en lo que concierne a los metros de cableado. Piensa
en el resto de aspectos también.
Un edificio de oficinas de siete pisos tiene 15 oficinas adyacentes por piso. Cada oficina
tiene un enchufe de pared para una terminal en la pared frontal, por lo que los enchufes
forman una retı́cula en el plano vertical. Suponiendo que es factible tender un cable
recto entre cualquier par de enchufes, horizontal, vertical o diagonalmente, ¿cuál de las
siguientes redes utiliza más metros de cable, y cuál menos?
(a) Una configuración en estrella con un solo enrutador en medio.
(b) Una LAN 802.3
(c) Una red en anillo, sin centro de cableado.
3.1.7.
Problema 7
La siguiente pregunta es el problema 4.3 de [Tan03].
¿Qué retardo es mayor, el de ALOHA o el de ALOHA ranurado? ¿Por qué?
3.1.8.
Problema 8
El siguiente problema, 4.4 en [Tan03], permite observar como la carga del canal es mayor que
el tráfico en origen, debido a las retransmisiones, cuando se utiliza ALOHA. Para resolverlo utiliza
las gráficas de las transparencias, o la aproximación de que ex ≈ 1 cuando x es muy pequeño.
Diez mil estaciones de reserva de una aerolı́nea compiten por un sólo canal ALOHA
ranurado. La estación promedio realiza 18 solicitudes por hora. Una ranura dura 125µs.
¿Cuál es la carga aproximada total del canal?
3
3.1.9.
Problema 9
El problema 6.14 de [LG00] plantea la conveniencia de ALOHA o CSMA/CD desde el punto de
vista del rendimiento (hay otros puntos de vista)
En una LAN, ¿qué protocolo tiene mayor rendimiento, ALOHA o CSMA/CD?
3.1.10.
Problema 10
El problema 6.15 de [LG00] permite entender muy bien el funcionamiento de diversos protocolos
de contienda.
Un canal en el que se usan técnicas de contienda tiene tres estaciones en un bus en el
que el retardo de extremo a extremo es 2τ . La estación A esta situada en un extremo
del cable, mientras que las estaciones B y C están situadas juntas en el otro extremo.
De sus capas superiores han llegando datos, que las capas MAC introducen en tramas
y transmiten. Los datos llegan a A, B y C en los tiempos tA = 0, tB = τ /2 y tC = 3τ /2.
El tiempo de transmisión de trama es 4τ . Dibuja cronogramas de actividad para estas
tres estaciones en el caso de que el acceso al medio se realice mediante
(a) ALOHA no ranurado
(b) ALOHA ranurado, con un tiempo de ranura 6τ
(c) CSMA no persistente
(c) CSMA/CD no persistente
3.1.11.
Problema 11
El problema 4.19 de [Tan03] pide calcular la tasa binaria efectiva para una red con acceso al
medio CSMA/CD. Nota que la tasa binaria efectiva es la cantidad de datos transportados a la
capa superior por unidad de tiempo. El tiempo perdido se debe en parte a los bits de cabeceras
transportados (que no son datos de la capa superior), y a los asentimientos. Observa que no se
producen colisiones, ası́ que esta es la situación más optimista.
Una LAN con CSMA/CD (no la 802.3) de R=10 Mbps y L=1 km de largo tiene una
velocidad de propagación de V =200 m/µs. Las tramas de datos tienen B=256 bits
de longitud, incluidos H=32 bits de cabecera, suma de comprobación y algo más de
información extra. La primera ranura de bits tras una transmisión con éxito se reserva
para que el receptor capture el canal y envı́e una trama de acuse de 32 bits. ¿Cuál es la
tasa binaria efectiva, Ref , suponiendo que no se producen colisiones?
3.1.12.
Problema 12
Este problema plantea una interesante comparativa en rendimiento entre CSMA/CD y token
ring. Observa que habla de tasa binaria efectiva.
Un token ring de L=1 km de longitud y R=10 Mbps con carga muy alta tiene una
velocidad de propagación V =200 m/µs. Hay N =50 estaciones a intervalos uniformes
alrededor del anillo. Las tramas de datos son de B=256 bits, de los que H=32 bits
son de sobrecarga. Los acuses de recibo se incorporan en las propias tramas de datos,
invirtiendo un bit según la trama pasa por el receptor, por lo que el procedimiento
de acuse no consume tiempo. El testigo es de T =8 bits. ¿La tasa binaria efectiva de
este anillo es mayor o menor que la de la red CSMA/CD de R=10 Mbps del problema
anterior?
4
3.1.13.
Problema 13
El problema 4.21 de [Tan03] ilustra la fuerte limitación que puede suponer utilizar CSMA/CD
sobre el tamaño de trama, al obligar a que el transmisor esté todavı́a transmitiendo cuando se da
cuenta de la colisión.
Considera la construcción de una red CSMA/CD que opera a R=1 Gbps a través de un
cable de L=1 km de longitud sin repetidores. La velocidad de la señal en el cable es de
V =200.000 km/s. ¿Cuál es el tamaño mı́nimo de trama?
3.1.14.
Problema 14
La figura 1 muestra dos redes locales interconectadas por un puente no transparente y bien
configurado. El puente debe terminar de recibir completamente una trama antes de retransmitirla
por la otra interfaz, en caso de que esto fuese necesario. En ambas redes se utiliza Ethernet como
protocolo de red local, encapsulando los datagramas IP directamente en tramas Ethernet.
Los buses miden LA y LB respectivamente, propagándose la señal a una velocidad V . En ambas
redes se transmite con tasa binaria R, tramas que miden B = H2 + D3 bits, de los que D3 son bits
generados por el nivel de red y H2 son bits de sobrecarga debido a las cabeceras y colas del nivel
MAC, pero a su vez D3 = H3 + D4 se compone de bits de cabecera de nivel de red y bits de datos
de nivel de transporte.
En el instante t = 0 la estación A1 genera D bytes de datos en su capa de transporte, que son
pasados a IP para que los lleve hasta B3 . También en el instante t = 0, la estación B3 genera 2D
bytes de datos para A1 .
Supón que nadie más tiene datos que transmitir durante todo el tiempo que consideres necesario,
y que no es necesaria la resolución de direcciones MAC (están resueltas en las cachés de ARP).
Asume también que todos los tiempos de procesamiento son despreciables. En estas condiciones
contesta a las siguientes preguntas.
(a) Asume que las longitudes de ambos buses son iguales (es decir, LA = LB ). Dibuja el cronograma de las tramas, indicando los tiempos mediante sı́mbolos (ej. ttramaA o tpropB ), explicando
con palabras qué son esos tiempos.
(b) Calcula el tiempo que transcurre desde que se dispone de los datos en el nivel IP de A1 hasta
que se dispone de ellos en el nivel IP de B3 , como una función de LA , LB , V , D, H2 , H3 y R.
(c) Calcula numéricamente el tiempo anterior, suponiendo que LA = LB = 1 km, V =200 m/µs,
D=500 bytes y R=1 Mbps. ¿En qué se gasta la mayor parte del tiempo? Reflexiona sobre si la
reducción de LA , LB , D o el aumento de R (cada uno por separado) supondrı́an una mejora
notable de este tiempo?
(d) Supón que, además de los envı́os anteriores, en t = 1µs la estación A3 tiene datos que transmitir
a B2 . ¿En qué cambiarı́an, si cambian, tus respuestas anteriores? No es necesario que dibujes
nuevos cronogramas o calcules el nuevo tiempo total. ¿Qué datos llegarán antes a B2 , los
generados por A1 o los generados por A3 ?
3.2.
Cuestiones
A continuación se plantean una serie de cuestiones sobre las que deberı́as reflexionar:
En temas anteriores se plantearon varios problemas abiertos en los que se debı́a montar una
red de datos. Piensa ahora que soluciones propondrı́as para el nivel 2, incluyendo la técnica
de acceso al medio, o la recomendación sobre algún estándar.
5
A1
A2
A3
P
B1
B2
B3
Figura 1: Red de datos del problema 14.
Dibuja escenarios en los que varias estaciones comparten un medio, e intercambian tramas.
Combina varias topologı́as, técnicas de acceso al medio, tamaños de trama. . . Intenta imaginar situaciones en las que todo sale bien, y luego introduce cambios para que se produzcan
colisiones.
Haz lo mismo suponiendo que hay varias redes interconectadas por puentes. Además, puedes
pensar también en qué pasarı́a si las redes están interconectadas por encaminadores (en los
que también está presente el nivel de red).
Referencias
[LG00] A. León-Garcı́a and I. Widjaja. Communication networks: fundamental concepts and key
architectures. McGraw-Hill Higher Education, 2000.
[Sta00] W. Stallings. Comunicaciones y redes de computadoras. Prentice Hall, Madrid, 6a edición,
2000. Versión original en inglés de 2000.
[Tan03] A.S. Tanenbaum. Computer networks. Prentice Hall, 4a edición, 2003.
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