Chapter 15 Local Area Network Overview

Fundamentos de Redes de
Computadoras
Modulo III: Fundamentos de
Redes LAN
Objetivos
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•
Aplicaciones de Redes LAN
Topologías
Medios de Transmisión
Control de Acceso al Medio
Modelo IEEE 802
Protocolo CSMA/CD
—Topologías
Aplicaciones de Redes LAN
• Redes de PC’s
—Bajo Costo
—Velocidad de transmisión limitada
—Redes peer to peer o redes de servidores
centralizados (cliente-servidor)
• Redes de “back end” y almacenamiento
—Interconexión de grandes sistemas (mainframes) y
dispositivos de almacenamiento masivo
•
•
•
•
Transferencia elevada
Interfaces de Alta Velocidad
Distancia limitada
Número de dispositivos limitados
Aplicaciones de Redes LAN
• Redes de Respaldo: “Storage Area Networks” (SAN)
— Red independiente para el manejo del almacenamiento
— Independiza las tareas de almacenamiento de los servidores
— Almacenamiento compartido a traves de red de alta velocidad
(ej Fibre channel)
• Red para oficinas de alta velocidad
— Procesamiento de imágenes
— Mayor capacidad de almacenamiento local
— Voz y video
• Red troncal (“Backbone”)
— Interconecta LANs de baja/mediana velocidad
— Limitaciones de una sola LAN
• Confiabilidad
• Capacidad
• Costo
Diagrama esquemático LAN & SAN
Elementos de una LAN
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•
•
•
Topología
Medio de transmisión
Disposición del cableado
Control de acceso al medio (compartido)
Topologías
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•
Arbol
Bus
Anillo
Estrella
Topologías LAN
Transmisión
en Bus
Topología Anillo
• Conjunto de repetidores unidos por enlaces
punto a punto formando un bucle cerrado.
—Enlaces unidireccionales
—Estaciones se conectan a repetidores
• Tramas
—Circulan a través de todas las estaciones
—Destino reconoce la dirección y copia las tramas
—Trama vuelve al origen luego de pasar por todas las
estaciones (y es absorbida)
• Control de acceso al medio determina cuando
una estación puede insertar una trama.
Transmisión
en Anillo
Topología Estrella
• Cada estación se conecta a un nodo central
• El nodo central puede actuar como un “hub”
(repetidor)
—Estrella física, bus lógico
—Solo una estación puede transmitir en un dado
momento.
• El nodo central puede actuar como un “switch”
—Conmunta la trama entre el origen y el destino
Medio de transmisión
• UTP de Alta Performance
—Cat 5 y superior
—Alta velocidad de transmisión
—Topología estrella (“Switched”)
• Fibra Optica
—Aislamiento electromagnético
—Alta capacidad
—Alto costo de componentes y conexión y
mantenimiento
—Precios en considerable disminución
• Aire (radio)
Arquitectura de Protocolos de
LAN
• Capas inferiores del modelo OSI
• Modelo de referencia IEEE 802
—Capa Física
—Capa de Control de Acceso al Medio (“Medium Access
Control” - MAC)
—Capa de Control de Enlace Lógico (“Logical link
control” - LLC)
• Comité IEEE 802: define estándares de LAN y MAN
— Ej: 802.3: Ethernet // 802.11: Wifi // 802.5: Token Ring
(PAN 802.15.1: Bluetooth)
IEEE 802 vs OSI
Capas 802 - Física
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•
Codificación/decodificación
Generación/Eliminación de preámbulos
Transmisión/recepción de bits
Medio de transmisión y topología
Capas 802 - Control de Acceso al
Medio (MAC)
• En transmisión:
—Ensamblaje de datos en tramas con campos de
direcciones y de detección de errores
• En recepción:
—Desensamblado de la trama
—Reconocimiento de dirección
—Detección de errores
• Gobierna el acceso al medio de transmisión
—No presente en capa 2 del modelo OSI
• Para el mismo LLC, pueden estar presentes
varias opciones de MAC
Capas 802 – Control de Enlace
Lógico (LLC)
• Interfaz con niveles superiores
• Control de error y flujo
• Funciones similares a una capa de enlace del
modelo OSI
• Servicios LLC
—Servicio no orientado a conexión sin confirmación
—Servicio en modo conexión
—Servicio no orientado a conexión con confirmacion.
LAN: Capas
Control de Acceso al Medio
• ¿Dónde?
— Centralizado
•
•
•
•
•
(+) Mayor control, permite asignar prioridades y reservas
(+) Evita el problema de coordinación para acceso al medio.
(+) Lógica sencilla en cada estación
(-) Punto único de falla
(-) Cuello de botella potencial
— Distribuido
• ¿Cómo?
— Sincrónico
• Capacidad específica dedicada a la conexión
— Asincrónico
• Otorgamiento en demanda. Más dinámico.
• Se adapta mejor a necesidad de tráfico de LAN.
MAC – Técnicas asincrónicas
• Round robin (rotación circular)
— Apropiado si muchas estaciones tienen datos a transmitir sobre
un período largo de tiempo
• Reserva
— Buena para tráfico contínuo
• Contención (… de contienda)
— Todas las estaciones compiten por el acceso al medio
— Bueno para tráfico de ráfagas
— Distribuído
— Simple de implementar
— Eficiente bajo carga moderada
— Tiende a colapsar bajo gran carga
• Las más comunes son las de contención y round robin
Formato Genérico Trama MAC
• Difieren de acuerdo al protocolo de acceso al
medio
• Genéricamente poseen
—Campo de Control
—Dirección MAC Destino
—Dirección MAC Origen
—LLC: Datos de la capa LLC superior (PDU LLC)
—CRC / FCS
• Capa MAC detecta errores y descarta tramas.
• La retransmisión de tramas con errores es
función de una capa superior.
Ethernet (CSMA/CD)
• Carriers Sense Multiple Access with Collision
Detection
• Xerox – Ethernet (Bob Metcalfe & David Boggs)
Año 1973
• Estándar IEEE 802.3
IEEE802.3 MAC
• Acceso Aleatorio
— Estaciones acceden al medio en forma aleatoria
• Contención
—Estaciones compiten por el acceso al medio
• Basado en Aloha: primera técnica de uso de
contención
ALOHA (puro)
• Redes de paquete de radio (“Packet Radio Net”)
• Cuando una estación tiene una trama para transmitir: envía
• Estación escucha (por un tiempo igual al máximo retardo ida
y vuelta)
• Si recibe ACK: Transmisión correcta, sino retransmite
• Si no recibe ACK después de varios intentos, desiste en la
transmisión.
• El receptor chequea el FCS.
— Si libre de errores y dirección destino correcta, envía ACK
• Tramas se pueden dañar por ruido o por colisiones.
• Utilización Máxima del Medio: 18% (aumentan mucho las
colisiones cuando aumenta la carga)
“Slotted ALOHA”
• El eje del tiempo se hace discreto: “slots”
uniformes igual al tiempo de transmisión de la
trama
• Se utiliza un reloj central
• Transmisión comienza en el inicio de una ranura
• Las tramas o se transmiten completamente o
colisionan totalmente
• Max utilización: 37%
CSMA:
CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS
• En una red LAN (red de radio también) se cumple:
— Tiempo de propagación << Tiempo de transmisión
• Todas las estaciones saben que una transmisión
comenzó casi inmediatamente.
• Primero escucha por canal sin señal (“carrier sense”)
• Si el medio está libre, transmite
• Si dos estaciones comenzaran en el mismo momento:
Colisión
• Espera un tiempo razonable (round trip más la
contención por transmitir el ACK)
• Si no se recibe ACK: Retransmitir
• Utilización Máxima depende del tiempo de propagación
y de la long. de la trama
— Tramas más grande y menor tiempo de propagación ofrece
mayor utilización
CSMA No Persistente
(“Nonpersistent”)
•
¿Qué ocurre si cuando una estación quiere transmitir el
medio esta ocupado?
— CSMA No Persistente
— CSMA p-Persistente
— CSMA 1-Persistente
CSMA No Persistente:
1. Si medio esta desocupado, transmite; sino ir a paso 2
2. Si el medio está ocupado, espere un tiempo aleatorio y repita
el paso 1.
•
•
Retardo “aleatorio” reduce la probabilidad de colisiones
Capacidad de canal desperdiciada!
CSMA 1-Persistente “1-persistent”
• Evita el tiempo libre de canal
• Estación con datos para transmitir, sigue las
siguientes reglas:
1. Si el medio está libre, transmite; sino vaya a 2.
2. Si el medio esta ocupado, sensar hasta que se
libere; luego transmita inmediatamente.
• Si dos o más estaciones esperan por liberación
del canal, existirá colisión (con certeza)
P-persistent CSMA
•
•
Intente reducir las colisiones y disminuir el tiempo
desocupado de canal.
Reglas:
1. Si medio desocupado, transmita con probabilidad p, y retarda
una unidad de tiempo con probabilidad (1 – p)
2. Si el medio está ocupado, sensa el canal hasta que se libere y
repita el paso 1
3. Si la transmisión se retarda una unidad de tiempo (con
probabilidad 1-p), repetir 1
•
¿Cuál es un valor efectivo de p?
Valor de p
•
•
•
•
•
Evitar inestabilidad bajo alta carga
n estaciones esperando para transmitir
Fin de transmisión actual: Número esperado de
estaciones intentando transmitir es np
Si np > 1, existirá en gral. una colisión
Intentos repetidos de transmitir garantizan más
colisiones
— Colisiones contínuas: “thoughput” nulo
•
•
•
np debe ser < 1 para picos esperados de n
Si se espera alta carga, p debe ser pequeño (n alto)
Problema: si p es pequeño, las estaciones esperan mas
tiempo en condiciones normales de carga
CSMA: Variantes
Delay (variable)
Non-Persistent
Canal
Ocupado
Tiempo
Ready
1-Persistent
P-Persistent
CSMA/CD
•
•
•
Con CSMA, colisión ocupa el medio por la duración de
la transmission
CD: Collision Detect!: Estationes escuchan mientras
transmiten
El protocolo sería:
1.
2.
3.
4.
Si el medio está desocupado, transmita, sino vaya a 2.
Si está ocupado, escuche hasta que se libere el canal, y
entonces transmita
Si durante la transmisión se detecta una colisión, emitir señal
de “jam” y detener la transmisión
Después del jam, espere tiempo aleatorio y vaya a 1
• Ethernet  CSMA/CD
CSMA/CD
Detección de Colisión
• En banda base: colisión produce una
sobretensión mayor que la normal.
• Problema de atenuación de la sobretensión con
la distancia (una de las razones para limitación
de distancia de Ethernet con cable coaxial)
• Para el caso de topología estrella (con UTP)
actividad en uno o mas puertos, denota una
colisión.
• Se genera una señal especial “JAM”
(denominada de presencia de colisión)
Espera Exponencial Binaria
(“Binary Exponential Backoff”)
• Utilizado para el caso de colisiones sucesivas
• Primero 10 intentos: se duplica el valor medio del
retardo aleatorio
• El valor luego permanece constante por los siguientes 6
reintentos (“truncated binary exponential backoff”).
• Despues de 16 intentos sucesivos, la estación reporta
error.
• Cuando la congestión aumenta, las estaciones esperan
una mayor cantidad de tiempo para reducir la
probabilidad de colision.
• Eficiente bajo un gran rango de cargas:
— Baja carga
— Alta Carga (por lo menos estable)
Formato Trama IEEE 802.3
• Tamaño máximo de la trama: 1518 (excluyendo
preambulo y SFD).
• Tamaño máximo de datos encapsulados: 1500 Bytes
Frame Ethernet
• El frame Ethernet posee dos campos en el
encabezamiento:
— Preámbulo
• 7 Bytes
• Utilizado para la sincronización electrónica entre los receptores
• El patrón es: 101010 ... 10
— SFD - “Starting Frame Delimiter”
• Utilizado para indicar el comienzo del frame
• 1 Byte
• El patrón es: 10101011
— Ethernet_II (DIX) utiliza el mismo preámbulo y SFD, salvo que
denomina a estos 8 Bytes Preámbulo.
• En Fast Ethernet se usa señalización “contínua” para la
sincronización.
Direcciones MAC
• Compuesta por 6 Octetos (Bytes)
• 2^48 direcciones distintas (número astronómico)
• Los 3 Primeros Bytes se denominan OUI (Organizationally Unique
Identifier) o también “Vendor Code”:
— Valor fijo otorgado por IEEE a fabricantes de Hardware MAC (NIC’s,
Switches, Router, etc.)
— El lsb del primer octeto se denomina: G/I Bit (Group / Individual Bit). Si
G/I es 0: la dirección es la de una estación en particular (UNICAST)
— Si G/I es 1: Grupo lógico de estaciones (Usado en Multidifusión).
— El 2do. lsb se denomina G/L bit. Si es 0 significa que el fabricante
compró un bloque de direcciones de la autoridad (IEEE).
— Si es 1, se puede utilizar cualquier dirección, teniendo precaución que
no exista colisión de direcciones (Prácticamente no se usa).
LSB
MSB
(G/I)(G/L)XXXXXX
1er. octeto
G/I : Group/Individual Bit
G/L : Global/Local Administered Bit
Direcciones MAC - Destino
• Group Addressing se utiliza para especificar grupos de
“multicast”.
Ej: IANA MULTICAST OUI: 01:00:5E:XX:XX:XX
• La dirección compuesta por todos 1’s
(FF:FF:FF:FF:FF:FF) se denomina de Broadcast.
Esta dirección destino, es procesada por todos los
dispositivos de la LAN.
• Concluyendo:
—Unicast: Dirección Individual (única)
—Multicast: Dirección a un Grupo de Nodos de la LAN
—Broadcast: Dirección a todos los Nodos de la LAN
Formato 802.3 y Ethernet II
• Ethernet_802.3:
DD
DO
Long / Type
Datos
Pad FCS
— Long: Longitud del campo de datos
— Si Long > 0x05DC (1500), entonces el campo representa Type
— Como todos los “Types” de Ethernet_II son mayores a este valor, los
frames pueden coexistir en una LAN.
• Ethernet_II
DD
DO
Type
Datos
Pad FCS
• Type: Representa tipo de paquete encapsulado
• 0x0800: IP v4
• 0x86DD: IP v6
• 0x0806: ARP
Especificación 10Mbps
(Ethernet)
•
•
•
•
•
•
<data rate><método señalización ><Max long Segmento/Medio Físico>
Medio
Señaliz.
Codific.
Topología
Nodos x
segmento
10Base5
10Base2
10Base-T
10Base-F
Coaxial
Baseband
Manchester
Bus
100
Coaxial
Baseband
Manchester
Bus
30
UTP
Baseband
Manchester
Estrella
Fibra 850nm
Manchester
On/Off
Estrella
Topologías Ethernet
• Topología Lógica (operación del protocolo)
—Bus (Difusión)
• Topología Física (distribución física de nodos)
—Topología Bus
• Cable coaxil fino: 10Base2
• Cable coaxil grueso: 10Base5
—Topología Estrella
• Cable par trenzado (UTP) y concentradores. 10BaseT
• Fibra óptica. 10BaseF
Topología Bus
Coaxil Fino
Distancia máxima del segmento 185 mts
Coaxil Grueso
Distancia máxima del segmento 500 mts
Topología Bus: Ventajas y
Desventajas
• Ventajas:
—Bajo costo
—Instalación simple
• Desventajas:
—Falla en cualquier parte del cableado ocasiona
interrupción de la comunicación en todo el
segmento
—Es difícil ubicar la falla en el conexionado.
—Toda tarea de prolongación o modificación de la
red produce interrupción en las comunicaciones.
Topología Estrella
• Adoptada por IEEE en 1.990 (10BaseT)
• Utiliza 2 pares de cable tipo UTP y un
concentrador o hub
• Longitud máxima de segmento: 100 mts
• Incorpora una señal de “Link integrity”
—Cada 16 ms se envía un pulso (hub y nic’s) para
denotar la conexión física establecida.
• La mayor cantidad de redes Ethernet actuales
utilizan esta especificación de capa física
Topología Estrella
 Concentrador único
Concentrador
 Concentradores en Backbone
Backbone ( Fibra / UTP)
Concentrador 1
Concentrador 2
Topología Estrella: Ventajas y
Desventajas
• Ventajas:
—Alta disponibilidad integral
—Mayor posibilidad de expansión
—Apropiada para Cableado Estructurado
—Modular
• Desventajas:
—Único punto de fallo (hub)
Dominio de Colisión
• Los repetidores propagan todo el tráfico (y colisiones)
que ocurre en un segmento a los otros segmentos.
• Un nodo debe saber - independientemente de su
ubicación - si el paquete transmitido colisionó con otro
antes de terminar la transmisión (sino degenera en
CSMA):
— El diámetro máximo de una red que implementa CSMA/CD es
igual al tamaño mínimo de paquete: 512 bits
• Ethernet (10 Mbps): 51,2 µseg
— Observar que para:
• Fast Ethernet (100 Mbps): 5,12 µseg
• Y para Gigabit Ethernet?: 0,512 µseg?
Dominio de Colisión
• El diámetro de colisión (en segundos) debe contemplar los
retardos introducidos por NIC’s, repetidores y cables.
• En general se debería cumplir que:
(Retardo total de repetidores + Retardo total de cables + Retardo total
de NIC) *2 < 512 bits-seg
Repetidor
Cable
Estación (NIC)
Cable
Estación (NIC)
Valores típicos de retardos
• Ethernet:
—Repetidor 10 Base T: 2 µseg
—NIC Ethernet: 2 µseg
—100 mts cable UTP: 0,55 µseg
• Fast Ethernet:
—Repetidor Clase I: 0,7 µseg
—Repetidor Clase II: 0,46 µseg
—NIC Fast Ethernet: 0,25 µseg
—100 mts. Cable UTP: 0,55 µseg