Document

TEMA 4
Redes de área local
1. Introducción
2. Topologías más comunes
3. Direccionamiento
4. Control de acceso al medio
4.1 Arquitectura de las LAN
4.2 Control de acceso en buses.
4.3 Estándares. Ethernet
4.4 Control de acceso en
anillos.
4.5 Estándares. Token ring
4.6 Estándares. FDDI
5. Interconexión de redes locales
Teleinformática : Tema 4
Stallings00
Cap. 13-14
Comer99
Cap. 7-10
1
Objetivos
• Conocer y comprender los fundamentos de las redes de
área local: ámbito de aplicación, topologías y
arquitectura
• Conocer y comprender los principales problemas a
resolver en las LAN: direccionamiento y control de
acceso al medio en sus diferentes topologías
• Conocer los estándares de LAN más usuales, tanto en
topologías tipo bus como tipo anillo
• Conocer y comprender los conceptos fundamentales de la
interconexión de LANs, así como los dispositivos para su
interconexión, como puentes, conmutadores y routers
2
Teleinformática : Tema 4
1
1. Introducción
• Para conectar n computadores se puede usar una red de
enlaces punto a punto ( interconexión total)
• Ventaja:
– Canales no compartidos:
seguridad y privacidad
• Inconveniente
– Cuando n crece se requieren
muchos enlaces
Conexiones =
(n2-n)
2
• Solución utilizada en entornos geográficos reducidos
(redes LAN) para la comunicación: medio compartido
3
Teleinformática : Tema 4
1
Caracterización de una LAN
• Para conectar más de dos dispositivos
emplearemos redes de comunicación
• Las redes locales (LANs) fueron
desarrolladas para su uso en un ámbito
(geográfico) reducido:
– Alta velocidad, difusión,
difusión pocos usuarios, mayor
fiabilidad, propiedad privada, …
– Inicialmente se apoyaron en el uso de un medio
de transmisión compartido
4
Teleinformática : Tema 4
1
Otros tipos de redes de computadores
• Para largas distancias se desarrollaron otro
tipo de soluciones (WANs):
– Utilizan canales de comunicación y elementos
activos de conmutación
• Existe una solución distinta para cada
situación, y redes de computadores con
distintas características:
– Velocidad, dimensión, retardos, técnicas de
conmutación, número de usuarios, propiedad, ...
5
Teleinformática : Tema 4
2
2. Topologías LAN
•
•
•
•
Bus
Anillo
Árbol
Estrella
difusión
ANILLO
Punto a punto
IBM
ARBOL
Teleinformática : Tema 4
Compatible
Laptop
IBM
ESTRELLA
IBM
computer
Compatible
Compatible
BUS
6
2
Topología lógica/física
• La forma en cómo dibujamos una topología puede conducir
a conclusiones erróneas
• Lo que parece una estrella funciona en realidad como
un anillo
un bus
7
Teleinformática : Tema 4
2
Cableado estructurado
• Con independencia de
la topología de la red
utilizada, estos
sistemas de cableado
tienden a una
distribución en árbol
• A cada puesto de
trabajo de trabajo llega
un cable y dispone de
un conector
8
Teleinformática : Tema 4
3
3. Direccionamiento en las LAN
• Es necesario identificar de forma única a cada
una de las estaciones que desean comunicarse.
• A cada estación se le asigna un identificador
distinto, es la dirección física o dirección
MAC.
– En muchos casos se emplean identificadores de 48
bits (Norma IEEE).
• Cada trama transmitida incluye 2 campos que
indican el origen y el destino de la misma
9
Teleinformática : Tema 4
3
Adaptadores de red (I)
• Para poder conectarse a una red local, los
computadores requieren un hardware
específico, conocido como adaptador de red
(NIC: Network Interface Card)
• El adaptador se encarga de todos los aspectos
de transmisión y recepción, interfaces,
cálculos de CRC ...
10
Teleinformática : Tema 4
3
Adaptadores de red (II)
• Los adaptadores de red permiten:
– Independizar la velocidad de funcionamiento de
la red y la CPU central del computador
– Aislar el computador de la mayor parte de la
actividad de la red
• Son específicos para cada tecnología de
red utilizada
11
Teleinformática : Tema 4
3
Direcciones físicas IEEE
• Todas las redes IEEE comparten el mismo
esquema de direcciones de 48 bits
• Se garantiza que las direcciones son únicas
(independientemente de marcas y redes)
• Identifican a un adaptador de red
• Vienen configuradas por firmware en el adaptador
• Por ejemplo:
00:20:AF:DC:A6:12
Fabricante
00:20:AF = 3Com
Adaptador de red
• Dirección de difusión: FF:FF:FF:FF:FF:FF
Teleinformática : Tema 4
12
Redes LAN
Control de Enlace de Datos
• Realiza las funciones habituales:
– Delimitación de las tramas
– Detección de errores
– Control de flujo y de error
• Parada y espera
• Ventana deslizante
• Pero también se debe gestionar lo que se conoce
como protocolo de acceso al medio. Esto hace
que el nivel de enlace se estructure como…...
13
Teleinformática : Tema 4
Arquitectura de las LAN
La capa física:
codificación/decodificación
generación eliminación de cabeceras de sincronización
transmisisón y recepción de bits
especificación del medio a transmitir y la topología
MAC:
En tranmisión: ensamblado de datos (campos de datos, dirección y detección de
errores)
En recepción: desensamblado de tramas
Control de acceso al medio
LLC: Interfaz con las capas superiores
Razones: la lógica necesaria para la gestión de acceso al medio no se encuentra en la
capa de enlace tradicional. Además el mismo LLC puede ofrecer varias opciones
14
MAC
Teleinformática : Tema 4
4.1
Control de acceso al medio
4.1 Arquitectura de las LAN
• LLC (Logical Link Control):
– control de errores y control de de flujo
• MAC (Media Access Control):
– gestión de acceso al medio de
transmisión
– direccionamiento
– delimitación trama
– detección de errores
• Nivel físico: codificación, sincronización…..
LLC
MAC
Nivel de
enlace de
datos
Nivel
físico
15
Teleinformática : Tema 4
Arquitectura de las LAN
• En algunos casos, la alta
fiabilidad de las LAN hace
que sean menos
importantes los servicios
que presta LLC
• Por tanto se deja a los
niveles superiores la
responsabilidad del control
de flujo y de errores
E
t
h
e
r
n
e
t
802.2 LLC
8
0
2
.
3
8
0
2
.
4
8
0
2
.
5
802.x
Estándares
LAN
de IEEE
Nivel
físico
16
Teleinformática : Tema 4
Control de Acceso al medio
• Todas las LAN y MAN contiene un conjunto de dispositivos
que deben compartir la capacidad de transmisión de la red: Los
parámetros que las definen son:
• Donde: si es un control centralizado o distribuido
• Cómo: depende de la topología, y pueden ser síncronas o
asíncronas.
– Competición o contienda
– Reserva
– Rotación circular o paso de testigo
Nosotros estudiaremos las topologías de bus y anillo
17
Teleinformática : Tema 4
4.2
Control de acceso al medio en buses
• Buses (lógicos o físicos): CSMA/CD (Carrier
Sense Multiple Access with Collision
Detection):
• Antecedentes: ALOHA, ALOHA ranurada y CSMA
– Permite el acceso múltiple mediante “contienda”
contienda
• Todas las estaciones compiten, no hay control para la
asignación de turnos
– Las colisiones se producen cuando dos o más estaciones
transmiten simultáneamente,
– esta situación es detectada y corregida más tarde
18
Teleinformática : Tema 4
4.2
Algoritmo CSMA/CD
• Se comprueba el estado del canal antes de iniciar
una transmisión, si el canal está libre se transmite
de inmediato (CSMA/CD: Carrier Sense )
• Si el canal está ocupado se espera a que quede
libre
• Mientras se transmite se comprueba si se produce
una colisión (CSMA/CD: Collision Detection)
• Si se produce una colisión se interrumpe la
transmisión
19
Teleinformática : Tema 4
4.2
Algoritmo CSMA/CD
(sin colisiones)
A
B
A
C
C
B
terminador
A
C encuentra el bus libre
A
B
C
A
B ignora la trama
C transmite una trama dirigida a A
A
B
C
A
A copia la
trama
Los terminadores absoben la señal
20
Teleinformática : Tema 4
4.2
¿Por qué se producen colisiones?
t0
A
B
C
D
t1
A
B
C
D
t2
A
B
C
D
t3
A
Teleinformática : Tema 4
B
C
D
21
4.2
Tras una colisión ...
• Cada estación espera un tiempo pseudo-aleatorio
antes de volver a intentar la transmisión
– Basado en un intérvalo básico (slot)
• Esta espera varía a cada nueva colisión
• Se utiliza un algoritmo denominado Binary
Exponential Backoff
•
Tiempo de espera= 2*slot*[0, 1,
…,2NumColisones-1]
22
Teleinformática : Tema 4
4.3
Ethernet
• Desarrollada en los años 70
• Ha tenido un gran éxito comercial
• Inicialmente empleaba cable coaxial
formando un bus
• Utiliza el método de CSMA/CD para
gestionar el acceso al medio de transmisión
• Inicialmente para 10 Mbps (IEEE 802.3)
• Codificación Manchester
23
Teleinformática : Tema 4
4.3
Formato de trama Ethernet
7
1
preámbulo I
6
6
fte
dst
2
46...1500
4
tipo/lon Datos(<= 1500 bytes) CRC F
64 -1518 bytes
• Ethernet y 802.3 difieren en el campo tipo/lon(gitud)
– tipo hace referencia al tipo de paquete de los niveles superiores (IP,
ARP…)
– longitud. El campo datos es una trama LLC
• El campo de datos tiene un tamaño mínimo de 46
bytes (se rellena, en caso necesario, hasta esa
longitud)
Teleinformática : Tema 4
24
4.3
Tamaño mínimo de trama (I)
• El protocolo Ethernet exige que la detección
de colisión se haga durante la transmisión de
la trama esto implica:
– Tamaño mínimo de trama
64 bytes = 512 bits
– En una Ethernet (10 Mbps) ⇒ tiempo mínimo
de transmisión de una trama 51.2 µs
25
Teleinformática : Tema 4
4.3
Tamaño mínimo de trama (II)
• x e y dos estaciones lo más alejadas posible
• τ es el tiempo máximo de propagación (de x a y)
ventana de colisión
colisión
(peor caso posible)
Est y
y detecta la colisión
inmediatamente
x detecta la colisión
Est x
t0
2τ < 51.2 µs
t0+τ
t0+2τ
tiempo
Para que se cumpla esta condición se define
una separación máxima de las estaciones
Teleinformática : Tema 4
26
4.3
Medios físicos en Ethernet
coaxial
• Coaxial
BUS
– 10 BASE-5
– 10 BASE-2
• Par trenzado UTP
HUB
– 10 BASE-T
• Fibra óptica
– 10 BASE-F
2 pares trenzados
27
Teleinformática : Tema 4
4.3
Fast Ethernet (802.3u)
• Compatible con Ethernet pero a 100 Mbps
• Usa el protocolo MAC y el formato de
trama IEEE 802.3
• Medios físicos posibles:
– UTP categorías 3 (4 pares) y 5
– STP
– Fibra óptica
28
Teleinformática : Tema 4
4.3
Comparación
Ethernet
Fast Ethernet
Velocidad de transmisión
10Mbps
100Mbps
Longitud máxima
2.5 km
200 m
Número de repetidores
4
2
Distancia
Repetidor- computador
500m B5
200m B2
100m BT
100m BT
29
Teleinformática : Tema 4
4.3
Gigabit Ethernet
• Transmite datos a 1 Gbps
• Medios físicos posibles:
– Fibra óptica
– STP
– UTP categorías 5 (4 pares)
• Distancia máxima entre 500m y 2.5 Km (según el
medio)
• Método de acceso CSMA/CD
• Uso principal para interconectar conmutadores de
redes Fast Ethernet
30
Teleinformática : Tema 4
4.4
Control de acceso al medio en anillos
• Se emplea el método de paso de testigo para
controlar el acceso al medio
• Permite un control de acceso equitativo y flexible
(uso de prioridades)
ANILLO
Repetidor
31
Teleinformática : Tema 4
4.4
Estados del repetidor en un anillo:
• Estado de escucha
– se "escucha" todo lo que
circula por el anillo
estación
• Estado de transmisión
– se ponen datos en el anillo
– si se reciben bits:
• pueden enviarse a la estación
como confirmación
• almacenarse para su posterior
retransmisión
estación
• Estado de cortocircuito
estación
Teleinformática : Tema 4
32
4.4
Acceso al medio
• En estado de reposo el testigo circula por el
anillo
• Cuando una estación desea transmitir espera
a recibir el testigo:
– lo modifica y lo convierte en un comienzo de
trama
– Añade los restantes campos de la trama
– La trama da la vuelta al anillo y es copiada por
las estaciones destino
– La estación emisora retira la trama del anillo y
emite un nuevo testigo
Teleinformática : Tema 4
33
4.4
Funcionamiento de una red IEEE 802.5
B
A
B
C
A
C
D
D
B
B
A
C
A
D
Teleinformática : Tema 4
B
C
D
C
D
A
NOTA: Una estación
sólo puede retener el
testigo por un tiempo
limitado
34
4.4
Mantenimiento del anillo
• Para controlar los posibles problemas con el
testigo una estación actúa como "monitora",
por ejemplo:
– Pérdida del testigo: Transcurrido un cierto
tiempo sin detectar la presencia del testigo en el
anillo, la estación monitora emite un nuevo
testigo
– Trama de datos no retirada por la estación
emisora: se detecta mediante el bit monitor
35
Teleinformática : Tema 4
4.5
IEEE 802.5 (Token Ring)
• Emplea el método de paso de testigo para controlar el
acceso al medio
• Se utiliza en redes con topología en anillo
• Emplea par trenzado (UTP o STP) o fibra
• Velocidades de transmisión: 4, 16 o 100 Mbps
• Algo ineficiente para cargas bajas (espera de testigo)
• Para cargas altas es más equitativo
• Permite el uso de prioridades
36
Teleinformática : Tema 4
4.5
Formatos de trama (IEEE 802.5)
1
I
1
1
acceso tipo
6
6
>=0
4
1
1
fuente
dst
Datos
C.error
F
est
Formato general de trama
PPP
T M RRR
A C rr A C rr
Campo de acceso
Campo de estado
I
acceso
F
Formato del testigo
37
Teleinformática : Tema 4
4.6
FDDI (Fiber Distributed Data Interface)
• Esquema de paso de testigo en anillo a
100 Mbps
• Hasta 200 Km de longitud del anillo y hasta
1000 estaciones
• Aunque pueden conectarse estaciones
directamente al anillo se utiliza habitualmente
como backbone para interconexión de LANs
de menor velocidad
38
Teleinformática : Tema 4
4.6
Características de FDDI
• Esquema de funcionamiento y formato de trama
similar al de 802.5, pero :
– la estación que quiere transmitir cancela el testigo y transmite una
o más tramas
– en cuanto finaliza la transmisión de las tramas la estación libera un
nuevo testigo (sin esperar a recibir las tramas enviadas)
• También permite el uso de prioridades, aunque
con un método totalmente diferente al de 802.5
• Soporta tráfico de datos (asíncrono) y tráfico
multimedia (síncrono: video, audio, etc)
39
Teleinformática : Tema 4
Estándares - Resumen
ATM
ATM
FDDI
FDDI
Wireless
Token Ring
802.11
802.5
802.5
Ethernet
802.3
802.3u
802.3z
10Mbps
100Mbps
1Gbps
40
Teleinformática : Tema 4
5
Interconexión de redes locales
• Dispositivos para interconectar dos LAN:
– Un repetidor
– Un puente
– Un router
• Según la distancia entre las redes, existen
distintas posibilidades de interconexión
41
Teleinformática : Tema 4
5
Conceptos previos
• Dominio de colisión: conjunto de
estaciones que se ven afectadas por una
colisión (tanto si participan en ella como si
no)
• Dominio de difusión: conjunto de
estaciones que recibe una difusión efectuada
por alguna de ellas
42
Teleinformática : Tema 4
5
Repetidores
• La señal transmitida se atenúa con la distancia
• Un repetidor es un dispositivo electrónico que
regenera la señal para que llegue más lejos
• Conecta varios segmentos de red
• El repetidor no entiende el formato de la trama,
ni las direcciones físicas: copia cualquier señal
eléctrica (colisiones también)
• Mantiene un único dominio de colisión
Segmento de red
Segmento de red
R
Teleinformática : Tema 4
43
5
Concentradores
• Un concentrador (hub) es un repetidor
multi-puerto
hub
hub
hub
44
Teleinformática : Tema 4
5
Puentes (Bridges)
• Permiten conectar segmentos de red, que pueden
tener diferente MAC
• El puente almacena la trama que recibe por un
segmento y la retransmite a los otro(s), cuando es
necesario (difusión, destino en otro segmento, dtno.
desconocido)
– Los puentes no analizan el contenido de las tramas (sólo
las direcciones físicas)
Segmento 1
Segmento 2
Puente
a
b
c
Teleinformática : Tema 4
e
f
g
45
5
Tipos de puente
• La estrategia utilizada en la retransmisión
varía según el tipo de encaminamiento:
– transparente
– encaminamiento fuente (source routing)*
* Para conectar segmentos Token ring
• Establecen varios dominios de colisión
independientes (mejor rendimiento que un
repetidor) pero mantienen un único dominio
de difusión
46
Teleinformática : Tema 4
5
Puentes transparentes
• Su funcionamiento es transparente a las estaciones
que se comunican
• Detectan en qué red está presente cada dirección
física
• Construyen una tabla de encaminamiento
• Consultan esa tabla para decidir cuándo procede
retransmitir una trama (y hacia dónde)
• Son los que más se utilizan
47
Teleinformática : Tema 4
5
Puentes source routing
• Requieren asignar identificadores a los puentes y a
los segmentos de red
• Cada trama lleva un campo donde se indica qué
puente(s) debe(n) retransmitirla
• Ese campo detalla la ruta que debe seguir la trama
(por qué puentes y segmentos debe pasar)
• En este método los computadores deben
"colaborar" indicando esa ruta al transmitir la
trama
• Hay métodos para averiguarla previamente
48
Teleinformática : Tema 4
5
Conmutadores (Switches)
• Básicamente, es un puente multi-puerto (con
mayores prestaciones)
• El tráfico deja de ser por difusión y sólo se envía al
destino (analizando la dirección física)
• Mejora las prestaciones respecto a un hub
– Permite varias comunicaciones simultáneas
switch
10 Mbps
10 Mbps
49
Teleinformática : Tema 4
5
50
Teleinformática : Tema 4
5
Diferencias conmutadores/puentes
• Los conmutadores son apreciablemente más
rápidos
– Realizan conmutación hardware frente a la
conmutación software de los puentes
• Pueden conectar segmentos de red con distinto
ancho de banda
• Permiten más puertos que los puentes
– Y el coste por puerto es más barato
• En la actualidad los conmutadores están
reemplazando a los puentes en la mayoría de
instalaciones (redes homogéneas)
51
Teleinformática : Tema 4
5
Combinación switch/hub
switch
Dept. A
hub
Dept. B
hub
Dept. C
hub
52
Teleinformática : Tema 4
5
Routers
• Permiten la interconexión de redes con igual o
distinta tecnología (p. Ej. WANs y LANs)
• Requieren esquemas de direccionamiento
adicionales
– Analizan las direcciones de red (por ejemplo IP) para
retransmitir los paquetes por la ruta apropiada
• Mantienen dominios de difusión separados (uno
por cada red interconectada)
53
Teleinformática : Tema 4
5
Ejemplo: LAN pequeña
54
Teleinformática : Tema 4
5
Ejemplo: LAN mediana
Internet Service Provider
55
Teleinformática : Tema 4
5
Ejemplo: WAN pequeña
56
Teleinformática : Tema 4
5
Ejemplo: WAN de altas prestaciones
T1 Line: 1.5 Mbps
57
Teleinformática : Tema 4
Problemas
• Una oficina tiene dos departamentos y una
LAN. Proponga opciones para mejorar el
rendimiento de la red local.
• Se desea enviar varios flujos de video por
una red local. ¿Qué tipo(s) de red(es)
local(es) será(n) adecuada(s) para esta
tarea?
58
Teleinformática : Tema 4
Problemas
• Se dispone de una red Ethernet a 10 Mbps
con diez usuarios. Si todos utilizan las
mismas aplicaciones
– ¿Qué capacidad tiene disponible cada uno?
– ¿Qué cambios se puede hacer para mejorar esa
capacidad por usuario?
59
Teleinformática : Tema 4