Encaminamiento

Versión 8/04/05
:: Redes ::
aplicación
transporte
Redes : : Encaminamiento
red
enlace
Encaminamiento
física
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1
Contenidos
Introducción
La capa de red
Algoritmos de encaminamiento
●
Vector distancia
Estado de enlace
Interconectividad
Redes : : Encaminamiento
●
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2
:: Introducción ::
Introducción
El objetivo principal de la capa de red es el
encaminamiento, es decir, llevar paquetes desde el
origen al destino a través de la subred.
La capa de red debe tener información de la topología de
la subred para poder elegir la ruta más adecuada.
Redes : : Encaminamiento
La capa de red también se encarga de la interconexión
de redes heterogéneas formando inter-redes.
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3
:: Introducción ::
La capa de red
En TCP/IP la capa de red ofrece únicamente un servicio
de conmutación de paquetes, de almacenamiento y
reenvío y no orientado a conexión.
Redes : : Encaminamiento
La interfaz de la capa de red TCP/IP se limita básicamente
a las primitivas send_packet() y receive_packet().
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:: Introducción ::
Servicio NO orientado a conexión
Los paquetes se colocan en la subred y se encaminan y transportan
hasta el destino de forma individual. Es perfectamente posible que
paquetes consecutivos utilicen rutas distintas.
Una subred de este tipo se conoce como subred de datagramas.
Redes : : Encaminamiento
4
1
GW
3
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2
5
Tabla de encaminamiento
Cada encaminador posee una tabla de encaminamiento.
La tabla indica qué interfaz de salida elegir para llegar a cada
uno de los encaminadores de la subred.
B
Tabla de encaminamiento de A
C
Redes : : Encaminamiento
A
D
E
destino
iface
A
B
C
D
E
i1
i2
i3
i4
El algoritmo que gestiona estas tablas y toma decisiones sobre las
rutas se llama algoritmo de encaminamiento.
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Algoritmos de encaminamiento
Cada vez que llega un paquete, el encaminador:
almacena el paquete.
comprueba la suma de verificación.
elige una interfaz de salida en base a la tabla de
encaminamiento y la dirección destino del paquete.
Redes : : Encaminamiento
reenvía el paquete por la interfaz elegida.
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Algoritmos de encaminamiento
Un algoritmo de encaminamiento debería ser:
exacto
sencillo
robusto (tolerante a fallos)
estable
equitativo
Redes : : Encaminamiento
óptimo
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Algoritmos de encaminamiento
Redes : : Encaminamiento
No adaptativos. Se basan en información obtenida y cargada
de antemano en los encaminadores. Se conoce como
encaminamiento estático.
●
Ruta más corta
●
Inundación
Adaptativos. Se basan en mediciones y estimaciones del
tráfico. Pueden percibir cambios en la topología. Esta
información puede ser local, de los encaminadores vecinos o de
todos los encaminadores de la subred. Son algoritmos de
encaminamiento dinámico.
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Algoritmos de encaminamiento
Estático
por Ruta más corta
Inundación
Dinámico
por Vector Distancia
Redes : : Encaminamiento
por Estado del Enlace
Jerárquico
por Difusión
Multicast
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Principio de Optimización
«Si el encaminador J está en la ruta óptima desde el encaminador I
hasta el encaminador K, entonces la ruta óptima desde J a K también
está en la misma ruta, independientemente de la topología y el tráfico
de la red.»
El grupo de rutas óptimas desde todos los encaminadores a un destino
dado forman un árbol, con raíz en el destino, llamado árbol sumidero.
Redes : : Encaminamiento
En el siguiente ejemplo, la métrica utilizada es el número de saltos:
subred
árbol sumidero
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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:: Encaminamiento Estático ::
Encaminamiento por la ruta más corta
1. Se toma un grafo ponderado y normalmente no dirigido, en el que los
nodos son encaminadores y los arcos son líneas de comunicaciones
(enlaces)
2. Para determinar la línea de salida, el algoritmo busca la ruta más
corta al destino.
Redes : : Encaminamiento
3. Cada nodo se etiqueta con la distancia al nodo origen a través de la
mejor ruta. En principio las etiquetas son tentativas, cuando se
comprueba que son la mejor ruta posible se convierten en etiquetas
permanentes.
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:: Encaminamiento Estático ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por la ruta más corta
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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:: Encaminamiento Estático ::
Encaminamiento por la ruta más corta
Algoritmo de Dijkstra para calcular la ruta más corta en un grafo:
#define MAX_NODES 1024
#define INFINITY 1000000000
/* maximum number of nodes */
/* a number larger than every maximum path */
Redes : : Encaminamiento
int n, dist[MAX_NODES][MAX_NODES];
/* dist[i][j] is the distance from i to j */
void shortest_path(int s, int t, int path[])
{
struct state {
/* the path being worked on */
int predecessor;
/* previous node */
int length;
/* length from source to this node */
enum {permanent, tentative} label; /* label state */
} state[MAX_NODES];
int i, k, min;
struct state *p;
for (p = &state[0]; p < &state[n]; p++) { /* initialize state */
p->predecessor = -1;
p->length = INFINITY;
p->label = tentative;
}
state[t].length = 0; state[t].label = permanent;
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:: Encaminamiento Estático ::
Encaminamiento por la ruta más corta
Redes : : Encaminamiento
k = t;
/* k is the initial working node */
do {
/* Is there a better path from k? */
for (i = 0; i < n; i++)
/* this graph has n nodes */
if (dist[k][i] != 0 && state[i].label == tentative) {
if (state[k].length + dist[k][i] < state[i].length) {
state[i].predecessor = k;
state[i].length = state[k].length + dist[k][i];
}
}
/* Find the tentatively labeled node with the smallest label. */
k = 0; min = INFINITY;
for (i = 0; i < n; i++)
if (state[i].label == tentative && state[i].length < min) {
min = state[i].length;
k = i;
}
state[k].label = permanent;
} while (k != s);
/* Copy the path into the output array. */
i = 0; k = s;
do {path[i++] = k; k = state[k].predecessor; } while (k >= 0);
}
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:: Encaminamiento Estático ::
Encaminamiento por la ruta más corta
Ejercicio
Redes : : Encaminamiento
Tomando como base el código anterior, escribe una función
shortest_path()que calcule la ruta más corta entre dos nodos de
un grafo, y utilízala en un programa.
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:: Encaminamiento Estático ::
Inundación
Cada paquete que llega se reenvía por todas las líneas de salida
excepto por la que llegó.
Muy eficaz pero muy ineficiente. Genera una gran cantidad de
paquetes duplicados.
Redes : : Encaminamiento
Los paquetes seguirían reenviándose indefinidamente de un
encaminador a otro. Soluciones:
●
Los paquetes deben incorporar un contador. Se descartan al llegar a 0.
●
Cada encaminador lleva un registro de los paquetes que ha procesado.
La inundación selectiva es una variante que tiene en cuenta rasgos de la
topología a nivel global.
A pesar de su ineficiencia se utiliza en algunas aplicaciones muy concretas
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Protocolos de encaminamiento
Los protocolos de encaminamiento permiten a los encaminadores
informar a sus vecinos sobre el estado de la red y de sus cambios.
Redes : : Encaminamiento
Pueden utilizar distintas métricas para calcular la «ruta más corta»
hacia el destino. A veces, utilizan una combinación de varias.
●
número de saltos
●
distancia geográfica
●
retardo medio
●
tamaño de las colas de salida
●
ancho de banda de la línea
●
coste del uso de la línea
●
...
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por vector distancia
Cada encaminador mantiene un tabla que indica la mejor distancia
conocida a cada nodo de la subred y la línea de salida.
Las tablas se actualizan intercambiando información entre
encaminadores.
El encaminador conoce o puede calcular la distancia a sus vecinos.
Problemas:
Redes : : Encaminamiento
●
●
Convergencia lenta: Las «buenas noticias» se propagan rápido pero
las malas «tardan» muchísimo. Esto se conoce como «el problema de
la cuenta hasta infinito».
No toma en cuenta el ancho de banda al elegir la ruta.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por vector distancia
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por vector distancia
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por vector distancia
(inicialización)
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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22
:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por vector distancia
(actualización)
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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23
:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por vector distancia
«cuenta a infinito»
Soluciones
Redes : : Encaminamiento
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
Definición de infinito.
Horizonte dividido.
●
B no enviar información a A si vino de A.
Horizonte dividido y retorno envenenado.
●
Para que A sepa que B tiene información sobre X, la envía pero
con coste ∞.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
RIP (Routing Information Protocol)
Es un protocolo de vector distancia.
Infinito = 16.
Redes : : Encaminamiento
Métrica es el contador de saltos.
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
Redes : : Encaminamiento
Cada encaminador debe:
●
Descubrir a sus vecinos y conocer sus direcciones de red
●
Medir el coste para cada vecino
●
Construir un paquete especial con todo lo aprendido
●
Enviar ese paquete a todos los encaminadores
●
Calcular la ruta más corta a todos los encaminadores
El encaminador averigua la identidad de sus vecinos con un
paquete HELLO. Las identificación es globalmente única.
El encaminador estima el retardo a sus vecinos enviando un
paquete ECHO y midiendo el tiempo de retorno.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por estado del enlace
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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27
:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento por estado del enlace
[de: B.A. Forouzan, Transmisión de datos y Redes de Comunicaciones]
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28
:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
El paquete de estado del enlace contiene:
identidad del emisor
número de secuencia
edad
Redes : : Encaminamiento
lista de vecinos
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
Medición del coste, mediante el paquete HELLO:
Tener en cuenta la carga: el temporizador se inicia al poner el paquete en
la cola.
No tenerla en cuenta: el temporizador se inicia cuando el paquete llega al
frente de la cola.
Redes : : Encaminamiento
A
B
C
D
Tener en cuenta el retardo puede provocar que las tablas de
encaminamiento oscilen entre varias rutas posibles.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
Distribución de la información de encaminamiento.
Los encaminadores se intercambian la información que han
aprendido (el estado del enlace) por medio de paquetes especiales.
Se utiliza una inundación controlada para distribuir esos paquetes
Redes : : Encaminamiento
El paquete incluye un número de secuencia y una edad, de modo
que pueden prevenirse problemas debidos a:
●
caídas de los encaminadores
●
corrupción de los números de secuencia
Estos envíos son confirmados
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
Conjunto de paquetes de estado de enlace para B (un paquete por fila):
Redes : : Encaminamiento
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
●
●
El paquete 3 llegó por EAB y también por EFB. Sólo se debe
reenviar a C, pero se debe confirmar a A y F.
Los paquetes no se retransmiten inmediatamente, se espera un
momento por si llega otro paquete del mismo origen.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por estado del enlace
Una vez distribuida la información de los enlaces.
●
Construye el grafo de la subred.
●
Se calcula la ruta más corta a cada encaminador.
●
Se actualizan las tablas de encaminamiento.
Redes : : Encaminamiento
El protocolo OSPF (Open Shortest Path First), que se usa
actualmente, usa un algoritmo de estado de enlace.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento Jerárquico
Problema: El tamaño de las tablas de encaminamiento crece
de forma lineal con la subred y eso puede plantear problemas
serios.
El encaminamiento jerárquico intenta solventar este
problema.
Redes : : Encaminamiento
La subred se divide en regiones, y dentro de cada región se
utiliza un encaminamiento habitual.
Los encaminadores de una región saben como llegar a otras
regiones pero no conocen nada de sus topologías.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento Jerárquico
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por difusión
Objetivo: Enviar un paquete a un conjunto arbitrario de destinos.
Posibilidades:
El origen envía una copia a cada destino.
Inundación
Redes : : Encaminamiento
Encaminamiento multidestino. El paquete contiene una lista de destinos
y los encaminadores hacen copias del paquete en las líneas apropiadas.
Encaminar a través del árbol sumidero del encaminador origen. Puede
llegar a todos los encaminadores sin desperdiciar ancho de banda, pero
todos los encaminadores deben conocer todos los árboles sumidero.
Reenvío por ruta invertida. El paquete se reenvía sólo si llegó por la
mejor ruta de salida.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento por difusión
Redes : : Encaminamiento
Reenvío por ruta invertida
subred
árbol sumidero
para 'I'
reenvío por ruta
invertida
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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37
:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento multicast
Objetivo: Enviar un paquete a un conjunto de destinos,
comparativamente pequeño, y sólo a ellos.
El encaminamiento multicast requiere administración de grupos:
crear, destruir grupos, añadir y eliminar hosts a los grupos, etc.
Los encaminadores deben saber a qué grupos pertenecen sus
hosts.
Redes : : Encaminamiento
Los encaminadores propagan esa información a sus vecinos
recursivamente.
Cuando un encaminador recibe un paquete multicast de uno de sus
hosts examina su árbol de expansión y lo recorta.
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:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento multicast
Recorte del árbol de expansión conforme a los grupos
A
A
subred
Redes : : Encaminamiento
A
árbol recortado para el grupo 1
árbol de expansión para A
A
árbol recortado para el grupo 2
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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39
:: Encaminamiento Dinámico ::
Encaminamiento multicast
Problemas en el cálculo de árboles recortados.
●
Se deben calcular tantos árboles como miembros haya en el grupo
●
Esto debe hacerse para cada grupo
Redes : : Encaminamiento
●
Si se tienen g grupos y m miembros por grupo se deben calcular un
total de g x m árboles recortados, lo que puede suponer mucha
sobrecarga en términos de memoria y cómputo.
Como alternativa se pueden utilizar árboles de núcleo (core-based trees).
Se trata de calcular un sólo árbol por grupo, que tiene la raíz en el núcleo
(un nodo aproximadamente en el centro del grupo).
●
Para enviar un paquete multicast, el host lo envía al núcleo, que es
quién hace la multidifusión a través del árbol de núcleo.
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40
:: Interconectividad ::
Interconectividad
Otro de los cometidos importantes de la capa de red es la
interconexión de redes heterogéneas para formar interredes
Existen muchas redes diferentes con protocolos diferentes y
todo apunta a que seguirá así en el futuro.
Redes : : Encaminamiento
Objetivo: Permitir que los usuarios de redes diferentes
puedan comunicarse y acceder a los datos de los demás.
Enviar paquetes de una red a otro diferente puede llegar a
ser muy complicado.
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41
:: Interconectividad ::
Redes : : Encaminamiento
Interconectividad
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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42
:: Interconectividad ::
Interconectividad
Problemas de interconectividad
Protocolo: IP, IPX, SNA, ATM, AppleTalk
Direccionamiento: plano / jerárquico
Tamaño de paquete
Control de flujo
Control de congestión
Redes : : Encaminamiento
Seguridad: mecanismos de cifrado
Servicio: Orientado a conexión / No orientado a conexión
Multidifusión
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:: Interconectividad ::
Interconectividad
Redes : : Encaminamiento
La interconexión de redes puede hacerse a varios niveles:
físico: repetidores, concentradores
enlace: puentes, conmutadores
red: encaminadores multiprotocolo. ej: IP <-> ATM
transporte: pasarelas de transporte. ej: TCP <-> SNA
aplicación: pasarelas de aplicación.
paquete
encabezado
terminador
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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44
:: Interconectividad ::
Interconectividad
Interconexión orientada a la conexión (concatenación de
circuitos virtuales)
Redes : : Encaminamiento
●
Se construyen circuitos virtuales a lo largo de cada subred, de puerta
de enlace a puerta de enlace
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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45
:: Interconectividad ::
Interconectividad
Interconexión no orientada a la conexión
●
●
Redes : : Encaminamiento
●
Los paquetes de una conexión no tienen porqué pasar a través de
las mismas puertas de enlace.
Las conversiones entre protocolos sólo son factibles cuando se
son variaciones sencillas.
La traducción de direcciones entre redes diferentes tampoco es
sencilla porque pueden tener nociones distintas de lo qué es
direccionable
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46
:: Interconectividad ::
Redes : : Encaminamiento
Interconectividad
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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47
:: Interconectividad ::
Interconectividad :: túneles
Redes : : Encaminamiento
Cuando origen y destino utilizan el mismo tipo de red se puede
fabricar un túnel virtual a través de las redes intermedias.
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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48
:: Interconectividad ::
Interconectividad :: encaminamiento interred
Cada subred independiente se llama Sistema Autónomo (AS)
Cuando hay varios AS interconectados se distingue entre dos niveles de
encaminamiento:
Protocolos de Pasarela Interior: IGP (Interior Gateway Protocol)
Redes : : Encaminamiento
●
Es el que se utiliza dentro de la subred (AS)
Protocolos de Pasarela Exterior:
EGP (External Gateway Protocol)
●
Es el que se utiliza para enrutar
paquetes entre subredes diferentes
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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49
:: Interconectividad ::
Interconectividad :: fragmentación
Límites en el tamaño de los paquetes: hardware, SO, protocolo,
estándar, sobrecarga por errores, ocupación del canal.
Hay gran variedad de tamaños: desde 48B (ATM) hasta 64KB (IP).
Redes : : Encaminamiento
Problema: ¿Qué ocurre cuando un paquete de la red A es
demasiado grande para la red B?
●
Se enruta por otro sitio. ¿Y si el destino está en esa red?
●
Se negocia el tamaño máximo. ¿Por qué ruta?
●
Se fragmenta el paquete original. ¿Y cuando se re-ensambla?
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50
:: Interconectividad ::
Interconectividad :: fragmentación
Problemas:
●
●
Cada fragmento debe ir numerado y debe haber un marca que indique
cuál es el último.
¿Qué pasa si se pierde un fragmento?
Redes : : Encaminamiento
Fragmentación transparente. Al “salir” de la subred, se monta el paquete.
●
Esto obliga a que todos los fragmentos sigan la misma ruta.
●
El gateway debe almacenar los fragmentos hasta que lleguen todos.
Re-ensamblado en destino.
●
Los fragmentos pueden seguir rutas diferentes y fragmentarse a su vez.
●
Las retransmisiones se pueden fragmentar de modo diferente.
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51
:: Interconectividad ::
Interconectividad :: fragmentación
paquete original
Redes : : Encaminamiento
fragmentos para
MTU=8 bytes
fragmentos para
MTU=5 bytes
[de: A.S. Tanenbaum, Redes de Computadoras]
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Referencias
Se recomienda repasar y profundizar el contenido de este tema utilizando (al
menos) la siguiente bibliografía básica:
B.F. Transmisión de datos y redes de comunicaciones, cuarta edición 2007.
Redes : : Direccionamiento IP
●
Sección 22.3
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