Tema 3. Interconexión de Redes

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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Tema 3. Interconexión de Redes
Enrique Alba Torres
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Universidad de Málaga (UMA)
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Interconexión de redes
• Hasta ahora hemos supuesto implícitamente que hay una sola red
homogénea y que cada máquina usa el mismo protocolo en cada
capa.
• Por desgracia este supuesto es demasiado optimista: existen
muchas redes diferentes que incluyen las LAN, MAN y WAN.
En cada capa hay numerosos protocolos de uso muy difundido.
• Existe realmente mucha heterogeneidad: más de 20.000 SNAs,
2000 DECNETs e innumerables tipos de LAN.
Pasarelas
Fragmentación
Software
• A continuación se estudiarán los problemas que surgen cuando
dos o más redes se unen para trabajar, formando una interred.
• Es difícil que las redes individuales desaparezcan para integrarse
todas en OSI, así que debe estudiarse su interconexión práctica.
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Interconexión
de Redes
Interconexión de redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Interconexión de redes
• Las razones para que exista dicha heterogeneidad de redes son:
9 Ya existían antes de aparecer OSI múltiples redes.
9 IBM aún soporta redes SNA.
9 Hay muchos estándares distintos de propósito específico.
9 Las LANs son raramente OSI.
• Además, el hardware es barato, lo que contribuye a la diversidad
y a que existan decisiones muy locales de compañías (no
generales) que hacen necesario la interoperatividad.
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Ejemplos de la necesidad de interconexión de redes:
9 LAN-LAN : Transmisión de un fichero entre dos departamentos.
9 LAN-WAN: Transmisión remota por e-mail de un dpto. a otro.
9 WAN-WAN: Intercambio remoto de ficheros.
9 LAN-WAN-LAN: Dos departamentos remotos comunicándose.
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Interconexión
de Redes
Interconexión de redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Interconexión de redes
• La unión entre dos redes tiene lugar a través de la inserción de
cajas negras para gestionar los paquetes que pasan de una a otra. A
estos dispositivos se les llama relays o conmutadores.
• Existen dos tipos de relays atendiendo al número de redes que
interconectan:
9 Bilaterales Æ conectan directamente dos redes entre sí.
9 Multilaterales Æ conectan directamente varias redes entre sí.
• Por lo general los relays no se nombran por el número de redes que
interconectan, sino por el máximo nivel OSI que tienen
implementado. Así tenemos:
9 Nivel 1 (físico) Æ repetidores y hubs.
9 Nivel 2 (enlace) Æ puentes y switches.
9 Nivel 3 (red) Æ pasarelas, routers o encaminadores.
9 Por encima del nivel 3 Æ conversores de protocolo.
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Interconexión
de Redes
Interconexión de redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Dos Ethernets conectadas por un switch
Dos Ethernets conectadas por routers
Software
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Interconexión
de Redes
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OSI e Interconexión de Redes
• El modelo OSI contempla la interconexión de redes a nivel de
red, aunque no está bien definido, como ocurre con la seguridad.
Puentes
• No se tomaron en cuenta las opiniones de ARPANET. CCITT
también sufrió una falta de predicción asignando 4 dígitos
decimales (10000 redes) para direccionamiento. OSI suponía que
llegarían a existir una o dos redes públicas por país y que las
redes privadas se agruparían en redes públicas mayores. Pero el
mercado se ha decantado por multitud de redes distintas.
Pasarelas
• El modelo OSI de la capa de red distingue 3 subcapas:
Introducción
Conmutadores
Fragmentación
Software
9 Subcapa de Acceso a la Subred
9 Subcapa de Mejora de la Subred
9 Subcapa Interred
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Interconexión
de Redes
OSI e Interconexión de Redes
• SUBCAPA DE ACCESO A LA SUBRED:
9 Maneja el protocolo específico de la subred física usada.
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
9 Genera y recibe paquetes de datos y control.
9 El software está diseñado para acceder a la subred real. No hay
garantías de que funcione con otras subredes.
• SUBCAPA DE MEJORA DE LA SUBRED:
9 Armoniza el funcionamiento en subredes que ofrezcan servicios
distintos.
Fragmentación
9 Presenta a la subcapa de interred un modelo uniforme de servicios.
Software
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Interconexión
de Redes
OSI e Interconexión de Redes
• SUBCAPA INTERRED:
9 Conecta de forma lógica las dos subredes.
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
9 Utiliza N-SAPs de manera uniforme para que los procesos de
transporte que usan sus servicios se conecten. Luego se direcciona
realmente dichos procesos, y no a máquinas solamente.
9 Su principal función es el encaminamiento extremo-a-extremo.
Decide el próximo enlace y cuál de entre las subredes disponibles
para cada paquete.
9 El encaminamiento es similar al presentado para una única subred.
El encaminamiento jerárquico está muy indicado para grandes redes.
9 No confundir INTERRED (internet) con la red de redes
“Internet”.
• La capa de INTERRED es la más importante ya que en ella
están los N-SAPs que comunican las aplicaciones con la red.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Relays
• Son dispositivos para la conexión de dos o más subredes de
comunicación.
• Las conversiones de un relay son a veces imposibles de llevar a
cabo. Su dificultad depende de la importancia de las diferencias
entre las dos subredes.
• El sistema relay puede establecerse a cualquier nivel del modelo
OSI en teoría, aunque en la práctica, a niveles de transporte y
superiores las conversiones de protocolo son muy puntuales.
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Como ya se ha comentado, existen 4 tipos muy comunes de
relays:
9 REPETIDORES
9 PUENTES
9 PASARELAS
9 CONVERSORES DE PROTOCOLO
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de Redes
Índice
Repetidores
• Trabajan a nivel físico.
LAN 1
REPETIDOR
LAN2
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Con la distancia la información se distorsiona, por lo que la
función básica del repetidor es restaurar la señal que le llega y
retransmitirla.
• Amplifican señales eléctricas cuando se usan cables largos (no
solo cables sino también otros medios de transmisión física). Solo
copian los bits que reciben por su entrada en su salida.
• Por ejemplo, la temporización en 802.3 del protocolo MAC
permite cables de hasta 2,5 Km, pero los transceivers sólo dan
potencia para 500 m. La solución es usar repetidores para
aumentar la distancia.
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Interconexión
de Redes
Repetidores
• Hay dos tipos de repetidores:
9 Eléctrico: transforma de voltaje en voltaje (une dos coaxiales).
Índice
9 Optoeléctrico: alguno de sus extremos es de fibra.
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
• El uso de repetidores a la hora de interconectar redes necesita de
varias consideraciones:
9 Saturación: si se unen dos redes muy saturadas mediante un
repetidor, la red única que surge está mucho más saturada
(problemas de tráfico intenso).
9 Seguridad: acceso potencial de nuevos usuarios.
9 Incompatibilidad: no es posible introducir un repetidor para
unir redes que utilizan protocolos diferentes, ya que cada
protocolo requiere unos timeouts y unos requisitos físicos de
funcionamiento determinados, amén del formato de los paquetes.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes
• También se les llama bridges.
• Tienen implementado hasta el nivel de enlace de datos.
• Son dispositivos de almacén y envío. Aceptan una trama de una
subred, la pasan al nivel de enlace para verificar checksums y la
devuelven a la capa física para envío a la otra subred.
• Por lo tanto son dispositivos más lentos que los repetidores, pero
no se dedican únicamente a retransmitir la información, tienen
más software que los hace más versátiles.
• En el nivel de enlace pueden hacerse algunos cambios en las
cabeceras de las tramas, pero no se conocen ni usan las cabeceras
de nivel de red para nada.
• Mediante puentes es posible interconectar redes que utilizan
protocolos diferentes.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes
• Pero también plantean varios problemas:
9 Puede haber problemas con los timeouts. Los paquetes
pueden tardar más tiempo del esperado para llegar a su
destino, con lo que puede expirar el timeout de un paquete
antes de llegar en la nueva interred y no porque se haya
perdido.
9 El principal problema es la conversión de tramas de forma
coherente entre protocolos si las redes que se interconectan
son distintas.
9 En cuanto a la seguridad no presentan problemas, ya que
los puentes tienen capacidad de filtrar información.
9En la práctica los puentes actuales pueden realizar tareas
avanzadas como compresión o encriptación, típicas de
niveles superiores (p.ej. 6), pero se requieren aplicaciones
nuevas y que el hardware sea de la misma empresa.
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Puentes
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Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Pasarelas
• Trabajan a nivel de red.
• Algunos autores llaman gateway a un relay que trabaja a
cualquier nivel OSI y router a un gateway a nivel de red. Para
nosotros gateway y router es lo mismo.
• Las subredes conectadas por un gateway pueden ser mucho más
distintas entre sí que usando un puente, ya que a nivel de red es
donde se encuentran las mayores diferencias entre redes. Se
pueden hacer conversiones sofisticadas, e incluso hay alternativas
para conectar redes distintas sin hacer conversiones.
• Una decisiva ventaja sobre el puente es que una pasarela puede
conectar redes con formatos de direccionamiento distinto,
como por ejemplo una LAN 802 con direcciones binarias de 48
bits y una red X.25 con direcciones X.121 decimales de 14
dígitos.
• Las pasarelas son en general más lentas que los puentes.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Conversores de Protocolo
• Trabajan a nivel de transporte o superior.
• Se suele hablar de conmutación de transporte frente a
conmutación de nivel 3, por ejemplo.
• Su trabajo es mucho más complejo que el de un gateway: puede
convertir entre dos protocolos sin perder mucho significado.
• Como ejemplos, la conversión de TP4 (OSI) a TCP (Internet), la
conversión MOTIS (OSI) a RFC 822 (Internet), etc...
Pasarelas
Fragmentación
Software
• El trabajo de un conversor es en general a nivel de aplicación
entre dos estándares distintos, y no se hacen traducciones
genéricas entre entidades de protocolos genéricas.
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de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puntos Conflictivos en el
Diseño de Puentes
• Cada LAN usa su propio formato de trama (o marco). No existe
ninguna razón técnica para la incompatibilidad, sólo que las tres
grandes compañías que soportan tres grandes estándares (Xerox,
General Motors e IBM) no cambian el suyo ni cooperan.
• Esto supone que los puentes consumirán CPU y memoria en los
cambios de formatos, checksums, etc., y pueden aparecer errores
no detectados debidos a bits erróneos en la memoria del puente.
• Un problema más serio es el del ancho de banda diferente de las
diferentes redes, por ejemplo:
- 802.3 (ethernet) Æ 1, 10, 1000, 1000 Mbps
- 802.4 (token bus) Æ 1 a 10 Mbps
- 802.5 (token ring) Æ 1, 4, 16 y 100 Mbps
• Esto supone que si se conecta una 802.3 o 802.4 a una 802.5 el
puente deberá retener los datos en buffers porque no puede
entregarlos tan rápido (contención y problemas de memoria).
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Puntos Conflictivos en el
Diseño de Puentes
• Un problema sutil son los temporizadores. Si una 802.4 envía un
mensaje largo a una 802.5 y espera confirmación el retraso en el
puente por la menor velocidad de la 802.5 (según el estándar)
puede hacer saltar la temporización y retransmitir. Tras múltiples
intentos abortará la transmisión e informará a la capa de
transporte de destino muerto. Es posible también en los gateways.
• Además, los tres principales tipos de la 802 tienen una máxima
longitud de trama diferente:
- 802.3 Æ 1518 bytes (estándar a 10 Mbps)
Pasarelas
- 802.4 Æ 8191 bytes
Fragmentación
- 802.5 Æ 5000 bytes (si MTHT es 10 ms)
Software
• Si la trama de una red es demasiado larga para el destino hay
respuesta en los protocolos 802 sobre si se puede o no, o cómo
fragmentar en tramas más pequeñas. En general las tramas son
unidades indivisibles y una trama excesivamente larga puede ser
un problema sin solución.
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Interconexión
de Redes
Índice
Puntos Conflictivos en el
Diseño de Puentes
• En aras de la transparencia se debería descartar este tipo de
transmisiones interred demasiado largas (aunque el problema sí
que tiene solución en la práctica a veces). Esto es así porque
todos los protocolos asumen que una trama llega o no llega (no se
contempla una llegada parcial).
Introducción
Conmutadores
Puentes
• Puentes remotos: variante para conectar LANs dispersas
geográficamente. Se usa un protocolo punto a punto como PPP
(túnel, ideal si las redes son iguales entre sí) o bien un traductor
(que elimine/genere cabeceras/colas).
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes IEEE 802.x a 802.y
Se podría pensar que diseñar un puente entre una LAN 802 y otra es algo
trivial, pero esto no es así. Cada una de las 9 combinaciones de 802.x a 802.y
(para x/y=3, 4, 5) tiene su propio grupo de problemas:
¾ 802.3 a 802.3:
En 802.3 si una estación quiere transmitir tiene que chequear
antes el canal para comprobar que no haya nadie transmitiendo y
monopolizar la transmisión para asegurarse de que no haya
colisiones. Si el puente no puede transmitir porque la red destino
está muy saturada puede agotar su memoria, lo que supone que se
descartarán tramas.
Siempre puede ocurrir cuando se envía a una 802.3 (no se
volverá a mencionar). Con 802.4 y 802.5 las estaciones y el puente
tienen asegurada la obtención del token y una retención de este tipo
no es un problema.
A los puentes que trabajan con Ethernet se les suele poner un
suplemento de memoria.
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Interconexión
de Redes
Puentes IEEE 802.x a 802.y
¾ 802.4 a 802.3:
Índice
Introducción
Las tramas 802.4 contienen bits de prioridad que no existen en
las 802.3. Esto supone que si dos 802.4 se comunican a través de una
802.3 estos bits pierden su sentido. Lo que se hace con ellos es
ignorarlos pero esto traerá consecuencias en la transmisión:
Conmutadores
- Cuando la trama pasa de la 802.4 a la 802.3 se pierden
los bits de prioridad.
Puentes
- Entonces, al pasar de la 802.3 a otra 802.4 hay que volver
a generarlos, y la solución más usada es poner una
prioridad alta.
Pasarelas
Fragmentación
Software
El uso de tokens temporales en la 802.4 (trama con bit de token
a 1 que viaja al destino para permitirle confirmar) hace que un
puente no sepa qué hacer: si le confirma la entrega al origen es
mentira porque el destino podría estar muerto, y si no se la confirma
probablemente el origen informará a la capa superior de que el
destino está muerto. No parece tener solución.
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Interconexión
de Redes
Puentes IEEE 802.x a 802.y
¾ 802.5 a 802.3:
Índice
Las tramas 802.5 tienen los bits A y C en el campo de estado del
marco (frame status) que el destino debe rellenar para indicar al
origen si se direccionó bien la trama y si el destino la copió.
Introducción
Conmutadores
El puente podría confirmar ambos, pero si el destino está
realmente muerto habría un gran problema: en todo caso el puente
cambia la semántica.
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
¾ 802.3 a 802.4:
El problema es qué valores usar para los bits de prioridad. Una
solución, como ya se ha comentado, es que el puente retransmita a
la mayor prioridad posible porque las tramas que le llegan ya han
sido retrasadas considerablemente.
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Interconexión
de Redes
Puentes IEEE 802.x a 802.y
¾ 802.4 a 802.4:
Índice
El problema es el préstamo temporal del token, pero si el
puente retransmite a la mayor prioridad posible puede que el destino
confirme antes del timeout.
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
¾ 802.5 a 802.4:
Los problemas son los bits A y C y además que las definiciones
de prioridad son distintas (¡al menos existen bits de prioridad en
ambas!). El puente puede copiarlos unos en otros y rezar para que
funcione el cambio (!).
Fragmentación
Software
¾ 802.3 a 802.5:
El puente debe “inventarse” los bits de prioridad para la 802.5
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Interconexión
de Redes
Puentes IEEE 802.x a 802.y
¾ 802.4 a 802.5:
Índice
Los problemas son potenciales respecto a la transmisión de
tramas muy largas. Además está el problema del préstamo
temporal del token.
Introducción
Conmutadores
Puentes
¾ 802.5 a 802.5:
El problema es el del manejo de los bits A y C.
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Tema 3.
Puentes IEEE 802.x a 802.y
Interconexión
de Redes
Destino
Origen
Índice
802.3
y Generar bits de
prioridad (alta)
y Generar bits de
prioridad (alta)
y Bits A y C
y Préstamo temporal
del token
y Temporizadores
802.4
y Agotar memoria
y Eliminar bits de
prioridad
y Préstamo temporal
del token
y Temporizadores
y Tramas muy largas
y Préstamo temporal
del token
y Temporizadores
y Tramas muy largas
y Bits A y C
y Bits A y C
y Bits de prioridad
y Bits A y C
802.5
y Agotar memoria
y Eliminar bits de
prioridad
y Eliminar bits A, C
y Tramas muy largas
Introducción
Conmutadores
Pasarelas
Fragmentación
Software
802.5
y Agotar memoria
802.3
Puentes
802.4
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Tipos de Puentes
• Cuando el comité IEEE 802 se sentó a diseñar un estándar
LAN realmente produjo 3 estándares incompatibles.
• Al reunirse para diseñar un estándar para puentes mejoró
notablemente y produjeron solo 2 estándares
incompatibles.
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Hasta el momento nadie le ha pedido que diseñe un
estándar para conectar con gateways sus dos tipos de
puentes incompatibles.
• El acercamiento de la IEEE para interconexión de un gran
número de redes con múltiples puentes consiste en usar
uno de entre dos tipos distintos de puentes:
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Tipos de Puentes
¾ PUENTES TRANSPARENTES:
• Apoyados por las compañías del CSMA/CD y de Token Bus.
• Su objetivo es la facilidad de instalación y uso. Se conectan
dos LANs únicamente introduciendo un puente de este tipo en
medio. No se requiere configuración hardware ni software y
las estaciones no son conscientes de su presencia.
¾ PUENTES POR ENCAMINAMIENTO FUENTE:
Pasarelas
Fragmentación
• Apoyados por IBM y otras compañías que usan topología en
anillo.
Software
• Su objetivo es hacer un uso óptimo del ancho de banda (lo
que no ocurre en los puentes transparentes, por no usar toda la
topología de la red).
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes Transparentes
• Operan en modo promiscuo: aceptan cualquier trama desde
cualquier LAN a la que estén conectados. Para cada paquete debe
decidirse si descartarlo o enviarlo, y si hay que enviarlo, por qué
LAN hacerlo.
• El proceso de enrutamiento de cada trama de entrada depende de
la LAN por la que le llega y de la LAN en la que está su destino:
9 Si la LAN destino es la misma que la LAN origen se
descarta la trama.
9 Si la LAN destino y la LAN origen son distintas se envía la
trama.
9 Si la LAN destino es desconocida se usa el proceso de
inundación, reenviando la trama por todas las LANs excepto
por la de origen.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes Transparentes
• Disponen de una tabla hash para asociar a cada nodo destino una
de sus LANs de salida y utilizan el Algoritmo de Aprendizaje
Hacia Atrás (Baran):
9 Cuando a un puente le llega una trama consulta su dirección
de origen y anota en su tabla la línea por la que le llegó. Esto
lo hace para saber que es por dicha línea por donde se
alcanzará al nodo que envió ese paquete y así enviar por ahí
todos los paquetes cuyo destino sea dicho nodo.
9 Cuando llega una trama con destino desconocido, es decir,
con un destino que no está en su tabla (por ejemplo recién
conectado el puente), utiliza inundación para encaminarla.
9 Una vez que el nodo destino recibe la trama envía una
confirmación y el puente asocia en su tabla el destino y la
línea por la que llegó la confirmación.
• Es decir, cualquier nodo que transmita algún mensaje es
localizado por el puente, que lo introduce en sus tabla para saber
por qué línea tiene que enviar paquetes para dicho nodo.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Puentes Transparentes
• Como la topología de la red puede cambiar a medida que las
máquinas y los puentes se encienden, se apagan o se mueven,
para manejar topologías dinámicas cada vez que se anota una
entrada en la tabla se anota también el tiempo actual. Cada vez
que llega una trama cuyo origen ya está en la tabla se actualiza su
entrada con el nuevo tiempo. Por tanto el tiempo asociado a cada
entrada indica la última vez que se vió una trama de esa máquina.
• Periódicamente, el puente elimina las entradas de la tabla que
tienen más cierto tiempo. De esta manera se actualizan los
caminos ya que si una máquina se desconecta de su LAN el
puente lo dará de baja en próximas purgas. Así se adapta el
contenido de la tabla a la topología de la red y se reduce el
tamaño de su tabla.
Software
• Sin embargo, esto supone también un inconveniente ya que si una
máquina se queda muda (sin enviar ningún mensaje) durante un
tiempo, cualquier tráfico enviado a ella tendrá que pasar por el
proceso de inundación, hasta que ella misma envía de nuevo.
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes Transparentes
• Por seguridad o eficiencia, se pueden usar puentes paralelos,
aunque esto provoca problemas de bucles. Para evitarlo, todos los
puentes se organizan en árbol abarcando todas las LANs. De esta
manera se evitan ciclos al existir un único camino origen-destino.
• Para construir el árbol se elige un nodo raíz (por ejemplo el
puente cuyo número de serie sea menor) y cada puente difunde su
identidad y los puentes que conoce conectados también a sus
LANs. El árbol se construye haciendo que los paquetes elijan el
camino más corto a la raíz.
• No todos los puentes estarán en el árbol necesariamente (uso
subóptimo de recursos). El algoritmo se ejecuta con periodicidad
para detectar cambios en la topología.
• El algoritmo para la construcción del árbol presenta problemas de
escala en grandes redes (por ejemplo, telefónicas). Si dos grupos
de LANs se comunican por puentes conectados por una WAN el
algoritmo necesita que se optimice su ejecución para minimizar
los paquetes necesarios a transmitir sobre la WAN.
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Interconexión
de Redes
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Puentes Transparentes
Puentes transparentes en paralelo
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes por
Encaminamiento Fuente
• Los puentes por encaminamiento fuente hacen un uso más
eficiente de la red, ya que mejoran el uso del ancho de banda
frente a los transparentes que usen un árbol.
• Se asume que cada emisor sabe si el destino está o no en su LAN.
Cuando envía una trama a una LAN distinta activa el bit más
significativo de la dirección destino e incluye en la cabecera la
ruta exacta que la trama debe seguir.
• El camino se construye como una sucesión puente-LAN-puente...
donde cada LAN tiene un identificador único de 12 bits y cada
puente otro de 4 bits pero único sólo en su LAN (otro puente en
otra LAN puede tener el mimo identificador).
• Un puente sólo se interesa por las tramas cuyo MSB (bit más
significativo) de la dirección destino está a 1. Entonces busca en
la ruta de la trama el número de LAN por la que llegó. Si tras éste
le sigue su propio número de puente entonces comprueba cuál es
la siguiente LAN y la pasa a ésta; si no, la ignora.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes por
Encaminamiento Fuente
• Implementaciones posibles:
9 SOFTWARE: Modo promiscuo. Copia todas las tramas a su
memoria para comprobar si su MSB está a 1. Si es así sigue
inspeccionando la trama. En caso contrario la ignora.
9 HÍBRIDO: La interfaz (hardware) a la red del puente
inspecciona el MSB y le entrega la trama sólo si está a 1. Esta
interfaz reduce en gran medida el número de inspecciones que
tiene que realizar el puente.
9 HARDWARE: La interfaz además de comprobar el MSB
también busca en la ruta para ver si su puente asociado está en
ella. Sólo le entrega la trama si este puente debe retransmitir.
Ahorra mucho tiempo de CPU.
• La implementación software requiere poco hardware pero la CPU
debe ser rápida, mientras que la implementación hardware
funciona con una CPU más lenta pero necesita circuitos
adicionales (además podría manejar más LANs).
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Puentes por
Encaminamiento Fuente
• Para conocer cualquier camino que necesite un nodo debe
difundir una trama de descubrimiento que los demás nodos
difunden a su vez. Cuando la respuesta desde el destino vuelve
cada puente anota su identidad. El origen recibirá muchos
caminos distintos y elegirá el mejor de entre ellos según su
criterio.
• Aunque se asegura encontrar la mejor ruta (¡se exploran todas!)
la explosión en el número de tramas difundidas provoca
congestión en el sistema. Algo parecido ocurre en los puentes
transparentes, pero su explosión es lineal y no exponencial
respecto al número de nodos en la red, como ocurre aquí.
• Las rutas hacia los distintos destinos se almacenan en cachés en
los hosts para limitar esta explosión, pero en todo caso supone
consciencia en los hosts de la existencia de los puentes,
problemas de administración, y por supuesto esto dista mucho de
ser transparente.
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Comparación entre
Puentes IEEE 802
Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
CONCEPTO
Orientación
TRANSPARENTE
ENCAMINAMIENTO
FUENTE
Sin conexión
Orientado a la conexión
Transparencia
Totalmente
No transparente
Configuración
Automática
Manual
Encaminamiento Subóptimo
Óptimo
Localización
Aprendizaje hacia atrás
Tramas de descubrimiento
Fallos
Manejados por el puente
Manejados por los hosts
En los puentes
En los hosts
Complejidad
Software
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Comparación entre
Puentes IEEE 802
Tema 3.
Interconexión
de Redes
TRANSPARENTES
Índice
ENCAMINAMIENTO FUENTE
Invisibles a los hosts y
compatibles 802
Ni invisibles ni compatibles
Se adaptan a la topología
Difíciles de instalar y administrar
Usan sólo un árbol entre los puentes
Encaminamiento óptimo y
distribución de carga
Pasarelas
Problema: localización inicial del
nodo
Problema: explosión exponencial de
tramas de descubrimiento
Fragmentación
Manejan fallos sin que los hosts lo
sepan
Si cae un puente la detección es
lenta y cara computacionalmente
Introducción
Conmutadores
Puentes
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Comparación entre
Puentes IEEE 802
• Los puentes por encaminamiento fuente sin uso de hardware
inteligente tienen un alto tiempo de proceso por paquete. Además
complican a los hosts en el almacenamiento, descubrimiento y
manejo de rutas, consumiendo sus tiempos de CPU.
• Ya que típicamente existe un número de hosts varias órdenes de
magnitud mayor que el número de puentes parece mejor poner la
complejidad y el coste extra en los puentes y no en todos los
hosts.
• Por esta razón el funcionamiento transparente es muy valorado
hoy en día, siempre que la red y las aplicaciones permitan su uso
frente a encaminamiento fuente.
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Pasarelas (Gateways)
• Las pasarelas o gateways operan a nivel de red, mientras que
los puentes operan a nivel de enlace.
• Son más flexibles que los puentes y pueden realizar conversiones
entre formatos de dirección de redes distintas.
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Sin embargo, son más lentos que los puentes debido a que
necesitan un mayor volumen de cálculos.
• Los puentes se utilizan de forma interna en las organizaciones,
mientras que las pasarelas son los puntos de salida al exterior. Se
suelen usar en WANs donde nadie espera que manejen 10000
paquetes por segundo ni velocidades similares y el retraso es
admisible.
• Una WAN es usualmente concebida como una red de pasarelas.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Pasarelas (Gateways)
¾ Gateways Orientados a la Conexión:
Todos los paquetes con un mismo origen y destino pasan por las
mismas pasarelas (quizás no por los mismos nodos intermedios).
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
¾ Gateways Sin Conexión:
Los paquetes con un mismo origen y destino no tienen por qué
pasar por las mismas pasarelas (diferentes rutas, como Internet).
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Gateways
Orientados a la Conexión
• Pensados para el modelo OSI de Internetworking: Concatenación
Orientada a la Conexión de redes que usan Circuito Virtual.
• Los CVs son a nivel de red (en puentes es a nivel de enlace). Un
puente puede manejarse fácilmente por parte del propietario de la
LAN, pero un gateway que conecte a dos WANs de distintos
países provoca problemas de gestión. La solución es dividirlo en
dos medios-gateways separados por un cable. El único conflicto
es acordar el protocolo a usar en dicho cable. Cada organización
maneja su mitad como más le convenga.
Pasarelas
Fragmentación
Software
• Un protocolo típico sobre
cable entre medios-gateways
es X.75 (CCITT) que es casi
idéntico a X.25, basado en la
idea de CVs concatenados
interredes.
Gateway
ESPAÑA
FRANCIA
X.75
Semi-Gateway
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Semi-Gateway
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Gateways
Orientados a la Conexión
• El establecimiento de CVs interred es similar al normal intrarred.
Los semi-gateways eligen al próximo semi-gateway al que enviar
el paquete de setup del CV, así hasta alcanzar el host remoto. Los
gateways al reenviar un paquete cambian apropiadamente el
número de CV y realizan los cambios de formato necesarios.
Introducción
Conmutadores
Puentes
• Todos los paquetes de datos atravesarán la misma secuencia de
gateways a menos que los CVs se implementen internamente
usando datagramas. En la práctica las redes que usan CVs entre
redes también los usan internamente.
Pasarelas
Fragmentación
Software
• El proceso de uso es como el visto para CVs intrarred pero, como
ya se ha comentado, sólo es fija la secuencia de gateways y no
necesariamente la secuencia de IMPs.
• Cuando se conectan dos redes con X.25 el host conecta con la
subred en X.25.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Gateways
Orientados a la Conexión
• El protocolo interno IMP-IMP no se especifica en CCITT y
probablemente sea distinto para cada subred.
• La misma libertad tienen los gateways para comunicar con el
resto de la subred pero las opciones son claras:
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
9 Usar el mismo protocolo que IMP-IMP (gateway como IMP).
9 Usar X.25 (gateway como host).
• Aunque el protocolo X.75 sólo se usa en líneas gateway-gateway
dicta la arquitectura de CVs concatenados, al requerir que todos
los paquetes de una conexión pasen por el mismo CV entre
gateway y gateway.
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Gateways Sin Conexión
• Usados en el modelo CCITT de redes conectadas por datagramas
(servicio sin conexión).
• En el viaje de un mensaje al pasar por diferentes pasarelas la capa de
transporte podría subdividirlo en datagramas (si es demasiado largo)
siendo su homónima en el destino la que los reensambla. Para pasar de
una red a otra (de gateway a gateway) cada gateway enmarca la trama
con la cabecera (header) y cola (trailer) a nivel de enlace de datos
apropiadas para la red en que lo deposita, tras despojarla de los
correspondientes a la red de la que la recibe.
• Cada red le impone un tamaño máximo a los paquetes. Causas:
9
9
9
9
9
9
Hardware: anchura del slot de transmisión TDM.
Sistema Operativo: todos los buffers son de 512 bytes de tamaño.
Protocolos: nº de bits dedicados a la longitud del paquete.
Cumplir con un estándar: nacional o internacional.
Deseo de reducir el error: incluir retransmisiones a algún nivel.
Evitar que un paquete ocupe el canal demasiado tiempo.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Gateways Sin Conexión
• Los diseñadores no son libres de elegir su propio tamaño máximo, por
ejemplo:
9 HDLC:
∞
9 ARPA (radio):
2.032 bits
9 802.4:
65.528 bits
9 ARPANET:
1.008 bits
9 X.25:
32.768 bits
9 ETHERNET:
1.500 bytes
• Cuando un paquete grande debe viajar por una red cuyo tamaño máximo
por unidad de transferencia (MTU) es demasiado pequeño surgen nuevos
problemas que se deben solucionar. Soluciones propuestas:
9 Evitar que se presente la situación. La interred podría usar un
algoritmo de encaminamiento que permitiese evitar pasar paquetes
grandes por redes que no puedan manejarlos. Pero si la red destino es
de este tipo es imposible enviar en paquete. Se puede minimizar el
problema pero no evitarlo totalmente.
9 La solución real práctica casi única es que los gateways puedan partir
los paquetes en fragmentos y enviarlos como paquetes separados. Sin
embargo fragmentar es considerablemente más simple que
desfragmentar.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Comparación entre Gateways
OC y SC
• VENTAJAS :
Índice
Introducción
Conmutadores
Circuitos Virtuales Concatenados
Datagramas
Se puede prevenir la congestión por
preasignación de buffers en los
gateways
Adaptación fácil ante problemas por
congestión
Se garantiza secuenciamiento
Puede usarse en redes que no tienen
CVs
Se pueden usar cabeceras cortas
Robustos frente a fallos en los
gateways
Se pueden evitar problemas
causados por paquetes duplicados
retrasados
Es posible usar una gran variedad de
algoritmos de encaminamiento
adaptativo
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Comparación entre Gateways
OC y SC
• INCONVENIENTES :
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Circuitos Virtuales Concatenados
Datagramas
Espacio reservado en tablas de
encaminamiento para cada conexión
abierta aunque no se usen
Mayores encabezamientos
No hay rutas alternativas para hacer
CdC
Mayor probabilidad de congestión
Vulnerabilidad ante fallos en los
gateways
Difícil de implementar si hay una
red datagrama
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Tunneling,
una solución muy usada
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Tipos de Fragmentación
• Existen dos tipos de fragmentación:
(a) Fragmentación TRANSPARENTE
No visible para el host destino
(b) Fragmentación NO TRANSPARENTE
Visible para el host destino
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Tipos de Fragmentación
• Fragmentación TRANSPARENTE:
Introducción
9 La fragmentación en una red es transparente a las demás redes que
deba atravesar. El gateway que fragmenta envía todos los
fragmentos a un mismo gateway destino y éste se encarga de
recomponerlos. Las demás redes no perciben la fragmentación
realizada.
Conmutadores
9 Es simple, aunque problemática:
Índice
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
- El gateway destino debe saber cuándo tiene todos los fragmentos
(esto supone usar un contador o bit de fragmento final).
- Todos siguen la misma ruta hacia el gateway destino y eso puede
ser ineficiente. Es posible que el gateway destino presente
bloqueo por reensamblado.
- Sobrecarga por las sucesivas fragmentaciones y composiciones
al pasar por varias redes de pequeña MTU.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Tipos de Fragmentación
• Fragmentación NO TRANSPARENTE:
Introducción
9 Solo reensambla el host destino. Los fragmentos se manejan como
si fuesen paquetes originales. Una ventaja es que podrían utilizarse
rutas a diferentes gateways de salida de la subred, aunque si el
modelo usado es el de CVs concatenados esta mejora no puede
utilizarse.
Conmutadores
9 Los problemas asociados son:
Índice
Puentes
- Se exige que cualquier host pueda reensamblar.
Pasarelas
- Cada fragmento aumenta la sobrecarga por aparición de nuevas
cabeceras que permanecen todo el viaje del paquete.
Fragmentación
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Algoritmos de Fragmentación
• Shoch (1979):
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
- Cada paquete lleva un bit indicando si el destino es capaz o no
de reensamblado. Si es así cada gateway puede elegir si usar
fragmentación transparente o no. Si el destino no puede
reensamblar, cada gateway debe hacer que el siguiente gateway
reensamble los fragmentos.
- Un bit similar debe usarse en la práctica para definir al menos
el último fragmento.
y La numeración de los segmentos debe permitir su reensamblado.
Hay dos grandes soluciones distintas:
- Numeración en árbol
- MTU elemental
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Algoritmos de Fragmentación
• Numeración en árbol:
9 El paquete X se fragmenta en trozos numerados X.0, X.1, etc... Si el
fragmento X.0 se vuelve a fragmentar se le numera X.0.0, X.0.1,
etc...
9 Si hay espacio en la cabecera para el peor caso y no se generan
duplicados esta solución asegura el reensamblado correcto (no
importa el orden de llegada).
9 Una pequeña desventaja es que el tamaño de la numeración es
variable según el camino que siga el paquete, y por lo tanto hay que
dejar espacio suficiente en la cabecera.
9 Además, si alguno de las fragmentos llega mal al destino habría que
retransmitir el paquete completo, y como no todos los paquetes van
por el mismo camino dentro de la red, puede que lleguen los
paquetes duplicados o incluso paquetes con la misma numeración y
distinto contenido.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Algoritmos de Fragmentación
• MTU elemental:
9 Se elige un tamaño básico de MTU que pase por cualquiera de las interredes.
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
9 Al fragmentar, todos los paquetes son de dicho tamaño menos el último que
puede ser menor. Un paquete podría contener varios de estos fragmentos por
eficiencia de envío.
9 La cabecera debería contener el número del paquete original, así como el
número del primer fragmento contenido en el paquete. Debe existir un bit en el
paquete indicando que el último fragmento elemental contenido en la trama es
(o no) el último de los fragmentos originales.
9 Por ejemplo, tenemos el siguiente paquete de 10 bytes para MTU=8 (sólo
payload en este ejemplo, es decir, carga útil), por lo que habría que fragmentarlo:
Datos (10 bytes)
Cabecera
27
Nº del
paquete
0
1
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
Bit de fin
de paquete
Nº del primer
byte de datos
27
0
0
A
B
27
8
1
I
J
Fragmentos:
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C
D
E
F
G
H
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Algoritmos de Fragmentación
• MTU elemental:
9 Se requieren dos números de secuencia en la cabecera de los
paquetes interred. El primer campo indica el número de
datagrama original y el segundo el offset dentro de él.
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
9 En el límite, un fragmento elemental es un bit o byte.
9Algunos protocolos interred llevan este método más lejos y
consideran toda la transmisión por un CV como un paquete
gigante y cada fragmento recibe el número absoluto de byte del
primer byte en el fragmento.
Software
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
Software para Puentes y Pasarelas
• El software es muy distinto del usado en los hosts. La eficiencia es
imprescindible. Los puentes y pasarelas están limitados por CPU. Las
interrupciones son rápidas, pero dan lugar a software mal estructurado,
por lo que sólo se usaron al principio de las comunicaciones.
• Lo ideal es planificar procesos que estarán dormidos esperando sobre
colas de trabajos a realizar, y cuyos resultados encolan en sus salidas, que
serán a su vez la entrada de otros procesos. Cada proceso tiene su propio
espacio de direcciones.
• Los procesos que atienden a las entradas deben tener la mayor
prioridad posible para evitar perder paquetes de entrada cuando estos
lleguen.
• Los procesos de salida tienen prioridad intermedia y los de
encaminamiento la menor prioridad. Estos últimos cogen paquetes y
determinan su ruta poniéndolos en la cola de algún proceso de entre los
de salida. También filtra: si el paquete es de control o bien su destino es
la misma red que su origen no lo encola: lo ignora.
• Si hay procesos de estadísticas suelen recibir la menor de todas las
prioridades. Si hay procesos de gestión, normalmente se les asignan la
mayor prioridad posible para una gestión eficiente e inmediata.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Software para Puentes y Pasarelas
Índice
• Una solución de compromiso es que los procesos compartan el mismo
espacio de direccionamiento al correr todos en modo kernel (núcleo).
Para un SO de propósito general esto es imposible, pero en un gateway se
supone que los procesos están bien definidos y vale la pena perder
seguridad frente a las ganancias en velocidad y eficiencia.
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software
• La orientación a procesos está bien estructurada pero es lenta por los
cambios de contexto entre diferentes procesos.
• El algoritmo de planificación en un gateway es crítico. Mejor que
round-robin es dejar que los procesos terminen para evitar tener que
guardar el contexto (costoso). El sistema sólo necesitaría una pila global
(no una por proceso).
• La ejecución de procesos por prioridad también puede ser cara y
podría considerarse que al terminar cada proceso hiciese un polling de las
interfaces de red y marcase los procesos que podrían ejecutarse a partir de
ese momento. El planificador elegiría el de mayor prioridad para ejecutar
en cada momento.
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Tema 3.
Interconexión
de Redes
Índice
Introducción
Conmutadores
Puentes
Pasarelas
Fragmentación
Software para Puentes y Pasarelas
• La comunicación entre procesos también es crítica. Copiar mensajes de
una cola a otra es inaceptable: deben pasarse punteros.
• El problema es que el proceso que los pasa no sabe cuándo liberar el
buffer y es el receptor del mensaje el que debe liberarlos o reutilizarlos.
• Este problema se agrava por el hecho de que los paquetes pueden
cambiar de tamaño y además deben pasar por varias capas software.
• Una solución es leer el paquete no desde el principio del buffer, sino
a una distancia igual a la cabecera más larga posible. En todo caso se
utilizan siempre buffers de tamaño constante.
• Problemas adicionales: temporizadores y cambios de orden en los bytes.
Software
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