Redes y Sistemas Distribuidos Tema 5 Redes de área local

(07BJ)
(05BR)
(09BM)
Redes
Redes de Computadores
Redes y Sistemas Distribuidos
Tema 5
Redes de área local (LAN)
Tema 5
Redes de área local
Índice
1. Introducción
2. Control de acceso al medio (MAC)
3. Redes de la familia Ethernet
4. Redes basadas en token
5. Redes inalámbricas
6. VLAN
7. Control de enlace lógico (LLC)
2
Tema 5
Redes de área local
Índice
1. Introducción ([STA04] Capítulo 15.1 a 15.3)
1.1. Aplicaciones de las LANs
1.2. Arquitectura LAN
1.3. Estándares IEEE
1.4. Topologías LAN
2. Control de acceso al medio (MAC)
3. Redes de la familia Ethernet
4. Redes basadas en token
5. Redes inalámbricas
6. VLAN
7. Control de enlace lógico (LLC)
3
Tema 5
Redes de área local
1.1 Aplicaciones de las LANs
LANs de ordenadores personales
•
•
•
Bajo coste de los equipos
La velocidad de transmisión NO es un requerimiento crítico
Necesidad de interconectar entre sí los PCs y los servidores
• Servicios centralizados de almacenamiento
• Servicios centralizados de procesamiento (cliente/servidor)
• Compartición de recursos
LANs de grandes equipos
•
•
•
Alto coste de los equipos
La velocidad de transmisión SÍ es un requerimiento crítico
Necesidad de interconectar servidores, supercomputadores y
dispositivos de almacenamiento masivo
• Generación, procesamiento, transmisión y almacenamiento de
•
•
grandes volúmenes de datos
Equipos con interfaces de E/S en paralelo de alta velocidad
Número limitado de equipos en un área reducida
4
Tema 5
Redes de área local
1.1 Aplicaciones de las LANs
LANs troncales (backbone)
• Necesidad de interconectar varias LANs
• Mayor velocidad de transmisión que LAN tradicionales
• Dispositivos de interconexión con capacidad de procesamiento
• Fiabilidad
• Coste
Redes de área local inalámbricas (WLAN)
• Necesidad de interconexión sin cables
• Redes inalámbricas fijas
• Dificultades o imposibilidad de instalar cables
• Redes inalámbricas móviles
• Acceso nómada
• WPAN (Wireless Personal Area Network)
5
Tema 5
Redes de área local
1.1 Aplicaciones de las LANs
LAN de
grandes
equipos
LAN troncal
WLAN
LAN de PCs
6
Tema 5
Redes de área local
1.2 Arquitectura LAN
Modelo de referencia OSI
•
•
Protocolos nivel 3 o superiores comunes para LAN, MAN y WAN
Protocolos de niveles inferiores específicos para LAN
7
Tema 5
Redes de área local
1.2 Arquitectura LAN
Modelo de referencia IEEE 802
•
Nivel de enlace
• Control de enlace lógico (LLC)
•
Protocolo similar a HDLC
• Control de acceso al medio (MAC)
•
Coordinación por contienda
• Varias subcapas MAC para LLC único
•
Nivel físico
8
Tema 5
Redes de área local
1.2 Arquitectura LAN
Funciones de la capa física IEEE 802
• Codificación / decodificación de señales
• Generación / eliminación del preámbulo
• Transmisión / recepción de bits
• Especificación del medio de transmisión y la topología
Funciones de la subcapa MAC IEEE 802
• Transmisión
• Creación de tramas de datos con campos para direccionamiento y
detección de errores
• Recepción:
• Extracción de información de las tramas para reconocimiento de
direcciones y detección de errores
• Control de acceso al medio de transmisión
• Función no presente en la capa de enlace tradicional
Funciones de la subcapa LLC IEEE 802
• Interfaz con los niveles superiores
• Control de flujo y recuperación de errores
9
Tema 5
Redes de área local
1.2 Arquitectura LAN
10
Tema 5
Redes de área local
1.3 Estándares IEEE
Estándares IEEE 802 para LANs
• 802.1: arquitectura LANs
• 802.2: describe la parte superior del nivel de enlace (protocolo LLC)
• 802.3: describe los estándares (Fast/Gig/10Gig)Ethernet
• 802.4: paso de testigo en bus en LAN (token bus) (abandonado)
• 802.5: paso de testigo en anillo en LAN (token ring)
• 802.6: redes de área metropolitana (abandonado)
• 802.11: WLAN
• 802.15: Bluetooth
• 802.16: WiMAX
11
Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
12
Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
Topología en bus y en árbol
•
Todas las estaciones están conectadas a un medio compartido
• Conexión full-dúplex entre la estación y el medio compartido
•
Cuando se transmite una trama:
• La trama se transmite por el medio compartido
• La trama es recibida por todas las estaciones
•
•
Necesidad de identificar a la estación destinataria
• Cada estación tiene una dirección única
Necesidad de regular la transmisión de tramas
• Los terminadores, en cada extremo del bus, absorben la trama
•
El control de acceso al medio regula la transmisión de tramas:
• Para evitar colisiones
• Para realizar retransmisiones cuando se producen colisiones
• Para evitar que una estación se apodere del medio
•
Tramas de datos de tamaño limitado
13
Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
Topología en bus
14
Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
Topología en anillo
• Repetidores conectados por enlaces punto a punto
• Bucle de conexión cerrado (anillo)
• Cada estación está conectada directamente a un repetidor
• Los enlaces son unidireccionales
• Cada repetidor recibe datos por un enlace y los retransmite
por el otro
• Cuando se transmite una trama:
• La trama pasa por todas las estaciones
• La estación destino reconoce su dirección y copia la trama
• La estación origen se encarga de eliminar la trama del anillo
• El control de acceso al medio determina cuando puede
insertarse una trama en el anillo igual que con un bus
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Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
Topología en anillo
16
Tema 5
Redes de área local
1.4 Topologías LAN
Topología en estrella
• Cada estación está conectada directamente a un nodo
•
central mediante un enlace punto a punto
Cuando se transmite una trama:
• El nodo central puede funcionar como un concentrador:
• La trama es retransmitida a todas las estaciones conectadas
•
(difusión)
Necesidad de regular la transmisión de tramas
• El nodo central también puede actuar como un conmutador:
• La trama es retransmitida sólo por el enlace de la estación
•
destinataria (conexión directa entre la estación origen y la
estación destino)
• Posibilidad de múltiples transmisiones de tramas en paralelo
Conlleva el aprendizaje de direcciones (nodo central)
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Tema 5
Redes de área local
Índice
1. Introducción
2. Control de acceso al medio (MAC)
2.1 Asignación del canal ([TAN03] Capítulo 4.1.1 a 4.1.2)
2.2 Métodos MAC ([TAN03] Capítulo 4.2.1 a 4.2.2)
2.2.1 ALOHA
2.2.2 CSMA
2.2.3 Paso de token
3. Redes de la familia Ethernet
4. Redes basadas en token
5. Redes inalámbricas
6. VLAN
7. Control de enlace lógico (LLC)
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Tema 5
Redes de área local
2.1 Asignación del canal
Configuración del enlace
• Punto a punto
• La estación destino de una trama está identificada
• El medio de transmisión está siempre disponible
• Multipunto o difusión
• ¿Quién utiliza el canal cuando hay competencia por él?
• Asignación estática del canal:
• FDM
• TDM
• Paso de token
• Asignación dinámica del canal:
• Protocolos Aloha, CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
• Capa de enlace más compleja que en redes punto a punto
• IEEE 802: subcapas LLC y MAC (dependiente del medio físico)
19
Tema 5
Redes de área local
2.1 Asignación del canal
Problemas de la asignación estática del canal
• FDM y TDM son ineficientes en las LANs:
• Cuando el número de transmisores es elevado y variable
• Cuando el tráfico es a ráfagas
La asignación dinámica del canal requiere
mecanismos de control para:
• Gestionar el acceso al enlace
• Determinar cuándo se accede al enlace para enviar la trama
• Resolver los problemas derivados de las colisiones
• Detectar la colisión y reintentar el envío de la trama
20
Tema 5
2.2 Métodos MAC
Redes de área local
Evolución de los métodos MAC dinámicos
CSMA/CD
Aloha
CSMA
CSMA/CA
Paso de token
A
B
A
C
B
C
D
D
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Tema 5
Redes de área local
2.2.1 ALOHA
Protocolo ALOHA puro
• Concebido en la década de los 70 en Hawai
• Características generales:
• Concebido para radioenlaces que comparten la misma
frecuencia de transmisión, pero aplicable en cualquier
sistema con un canal compartido
• Acceso múltiple sin detección de portadora
• Si dos estaciones transmiten al mismo tiempo: colisión
• Dos variantes: ALOHA puro y ALOHA ranurado
22
Tema 5
Redes de área local
2.2.1 ALOHA
Protocolo ALOHA puro
• Cada estación transmite sin consultar previamente el canal
• La estación detecta la colisión comparando la trama recibida
por el canal descendente con la trama transmitida por el
canal ascendente
• Si se produce una colisión, la estación espera un tiempo
aleatorio (back off) y retransmite la trama
• El solapamiento de un solo bit de dos tramas genera una
colisión
• Problema: efecto bola de nieve
collision
sender A
sender B
sender C
t
23
Tema 5
Redes de área local
2.2.1 ALOHA
Protocolo ALOHA ranurado
•
•
Propuesta para mejorar la eficiencia de ALOHA puro
Se divide el tiempo en intervalos (ranuras) de duración igual al
tiempo de transmisión de una trama
• Las estaciones tienen que sincronizarse (señal común de reloj)
•
•
•
Una estación sólo puede transmitir al principio de una ranura
La longitud de la trama no puede exceder la de una ranura
La probabilidad de que se produzca una colisión es menor
collision
sender A
sender B
sender C
t
24
Tema 5
Redes de área local
2.2.1 ALOHA
Rendimiento de los protocolos ALOHA (estimación tráfico de Poisson)
• ALOHA puro: 18,4% máximo con una utilización del canal del 50%
•
•
Por ejemplo, un canal de 10 Mbps daría su máxima eficiencia cuando las
estaciones estuvieran intentando transmitir a 5 Mbps (1,84 Mbps se
transmitirían correctamente y 3,16 Mbps se perderían por colisiones).
ALOHA ranurado: 36,8% máximo con utilización del canal del 100%
•
Por ejemplo, un canal de 10 Mbps daría su máxima eficiencia cuando las
estaciones estuvieran intentando transmitir a 10 Mbps (3,68 Mbps se
transmitirían correctamente y 6,32 Mbps se perderían por colisiones).
25
Tema 5
Redes de área local
2.2.1 ALOHA
Problema 1. Dada una red formada por un grupo
de estaciones que transmiten en conjunto 500
Mbits en 100 segundos, ¿cuál es el rendimiento
obtenido si utilizan el protocolo Aloha puro en un
canal de 10 Mbps?
• 500 Mbits/100s = 5 Mbps
• La utilización del canal es del 50% y, por tanto,
el rendimiento es del 18,4%
• 184 Mbits se transmiten correctamente
• 316 Mbits se pierden debido a las colisiones
26
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
•
Acceso múltiple con detección de portadora
• Cada estación escucha el canal antes de transmitir
•
Si dos estaciones transmiten al mismo tiempo: colisión
• Cada estación espera un tiempo aleatorio (back off) y vuelve a
intentarlo
27
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
Estrategias CSMA en función del estado del canal cuando una
estación intenta transmitir una trama:
• CSMA no persistente
• Si el canal está libre, la estación comienza a transmitir la trama
• Si el canal está ocupado, espera un tiempo aleatorio y vuelve a
intentarlo
28
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
• CSMA p-persistente (canales ranurados)
• La estación escucha el canal continuamente
• Si el canal está libre, la estación transmite trama con probabilidad p,
•
•
o espera hasta la siguiente ranura con probabilidad 1-p
Si el canal está ocupado, espera a que quede libre y vuelve a
intentarlo
Caso especial: CSMA 1-persistente
29
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
Rendimiento de CSMA (estimación tráfico de Poisson)
•
CSMA 1-persistente: 55% máximo con una utilización del canal
del 100%
• Por ejemplo, un canal de 10 Mbps daría su máxima eficiencia
cuando las estaciones estuvieran intentando transmitir a 10 Mbps
(5,5 Mbps se transmitirían correctamente y 4,5 Mbps se perderían
por colisiones).
30
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA 1-persistente proporciona el peor rendimiento
de todos los métodos CSMA cuando la utilización del
canal supera el 100%
• Efecto cola de espera
CSMA 1-persistente proporciona el menor retardo de
todos los métodos CSMA
• CSMA no persistente introduce retardos cuando el
•
canal está siendo usado
CSMA p-persistente introduce retardos cuando con
probabilidad 1-p se espera al siguiente intervalo
31
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
Problema 2. La estación E usa un mecanismo de
control de acceso al medio CSMA. En el instante
t0 desea empezar a transmitir pero el canal está
ocupado. Determinar cuando empezará E a
transmitir si el canal queda libre tres unidades de
tiempo después, en función de la estrategia de
persistencia:
• 1-persistente
• p-persistente (el tiempo de ranura es igual a seis
•
unidades de tiempo)
no-persistente (el período aleatorio es igual a dos
veces el tiempo de ranura)
32
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Detection)
• Acceso múltiple con detección de portadora y de
•
•
colisiones
Con ALOHA y CSMA, las tramas se transmiten por
completo incluso cuando se produce una colisión
Con CSMA/CD, se escucha el medio mientras se
transmite para detectar si se ha producido una colisión
• Detener la transmisión de la trama al detectar la colisión
• Transmitir un señal de perturbación (jam), para asegurar que
todas las estaciones detectan la colisión
• Esperar un tiempo aleatorio (back off) y volver a intentarlo
33
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA/CD con detección de colisiones
•
CSMA/CD se utiliza ampliamente en la subcapa MAC de LAN
34
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA/CD con detección de colisiones
•
•
Alternancia de períodos de contención (posible colisión),
transmisión e inactividad
Período de contención por el canal dividido en ranuras
•
•
El tiempo de ranura es el del peor caso para detectar una colisión, es decir,
dos veces el tiempo de propagación
El rendimiento de CSMA/CD depende de:
•
Tamaño de la trama, tamaño de la red (tprop) y tráfico de la misma
35
Tema 5
Redes de área local
2.2.2 CSMA
CSMA/CA (Carrier Sense
Multiple Access/Collision
Avoidance)
•
•
•
Acceso múltiple con
prevención de colisiones
Espera un tiempo aleatorio
para intentar evitar colisiones
Con CSMA/CA, cuando se
transmite NO se puede
escuchar el medio para
detectar las colisiones
•
•
•
Después de transmitir cada trama,
se activa un temporizador y
se espera la recepción de un ACK
Si no se recibe un ACK antes
de que expire el temporizador,
se actúa como si se hubiese
producido una colisión
CSMA/CA se utiliza en la
subcapa MAC de WLAN
36
Tema 5
Redes de área local
•
•
•
•
•
2.2.3 Paso de token
Un testigo (token) controla el
acceso al medio físico (anillo)
El testigo circula por todas las
estaciones que forman el anillo
La estación poseedora del
testigo puede transmitir datos
durante un tiempo determinado
a cualquier estación del anillo
El método alterna períodos
de transmisión de datos y
de transferencia del testigo
El mantenimiento del anillo lo
realizan las propias estaciones
de forma distribuida
•
•
•
Iniciación del anillo
Adición/eliminación de
estaciones del anillo
Recuperación del testigo
37
Tema 5
Redes de área local
Comparativa entre CSMA/CD y paso de token
CSMA/CD
• Ventajas:
•
•
•
•
El algoritmo de acceso al medio es muy sencillo
El retardo con carga baja es mínimo
Fácil instalación, modificación y ampliación
Desventajas:
•
•
•
La longitud mínima de la trama depende de las dimensiones de la red
Mal comportamiento con cargas elevadas
No es determinista, es decir, no garantiza un tiempo máximo de retardo
Paso de token
• Ventajas:
•
•
•
•
Admite tramas de cualquier longitud
Muy eficiente con cargas elevadas
Garantiza un tiempo máximo de retardo
Desventajas:
•
•
•
Necesidad de mantenimiento del anillo
Tiene grandes retardos con carga baja
Costoso de implantar
38
Tema 5
Redes de área local
Índice
1. Introducción
2. Control de acceso al medio (MAC)
3. Redes de la familia Ethernet ([TAN03] Capítulo 4.3)
3.1. Ethernet
3.2. Fast Ethernet
3.3. GigabitEthernet
4. Redes basadas en token
5. Redes inalámbricas
6. VLAN
7. Control de enlace lógico (LLC)
39
Tema 5
Redes de área local
3. Redes de la familia Ethernet
En 1976 Metcalfe y Boggs publican el artículo:
• “Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local
Computer Networks”
40
Tema 5
Redes de área local
3. Redes de la familia Ethernet
Historia del estándar IEEE 802.3
• 1980. Digital, Intel y Xerox lanzan Ethernet I
• 1982. Digital, Intel y Xerox lanzan Ethernet II (DIX)
• 1983. IEEE 802.3 10Base5
• 1985. IEEE 802.3[a,b] 10Base2 y 10Broad36 Ethernet
• 1990. IEEE 802.3i 10Base-T
• 1993. IEEE 802.3j 10Base-F
• 1995. IEEE 802.3u 100Base-[TX,FX,T4]
FastE
• 1998. IEEE 802.3z 1000Base-X
GigE
• 1999. IEEE 802.3ab 1000Base-T
10 GigE
• 2004. IEEE 802.3ae 10GBase-[S,L,E,LX4]
Formatos trama DIX y 802.3 difieren en tipo/longitud
41
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Características generales:
•
•
Nivel físico
• Topología en bus y en estrella
• Velocidad de transmisión de 10 Mbps
• Diferentes tipos de cableado
• Codificación Manchester
Nivel de enlace
• Formato de la trama Ethernet
•
•
Direccionamiento
Relleno en la trama para detección de colisiones
•
•
No gestiona asignación de prioridades ni reserva de recursos
Algoritmo para la retransmisión de tramas
• Control de acceso al medio mediante CSMA/CD 1-persistente
•
•
•
Rendimiento de Ethernet
Dispositivos de interconexión
Estándar más popular para LANs
42
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Cableado
Nombre
Cable
Long. Máx. Seg.
Nodos/Seg.
Comentarios
10Base5
Coaxial grueso
500 m
100
Cable original. Obsoleto.
10Base2
Coaxial fino
185 m
30
No necesita hub. Obsoleto.
10Base-T
Par trenzado
100 m
2
Requiere hub. Barato.
10Base-F
Fibra óptica
2000 m
2
Requiere hub. Entre edificios.
43
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
• Preámbulo
• 7 bytes con el patrón 10101010 para sincronización de bit
• Con codificación Manchester, genera una onda cuadrada de 10 MHz
(duración de 5,6 µs)
• Guión de inicio (SFD, Start Frame Delimiter)
• 1 byte con el patrón 10101011 para indicar el inicio de la trama
(duración de 0,8 µs)
• Direcciones MAC de destino y origen
• Longitud / Tipo
• Relleno (padding): evita tramas menores de 64 bytes
• Suma de comprobación: CRC-32
+-----------+------+--------+--------+----------+---------------+------+
| Preámbulo | SFD | Dst
| Src
| Lon/Tipo | Datos/Relleno | CRC |
+-----------+------+--------+--------+----------+---------------+------+
<---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><-- 46-1500 ---><- 4 ->
44
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
•
Direcciones IEEE 802.3 (direcciones MAC)
• Direcciones de 6 bytes (48 bits)
•
•
•
Formato: 2 bits ámbito + 22 bits del fabricante + 24 bits variables
Cada tarjeta de red tiene una dirección única inalterable de 48 bits
Cada fabricante adquiere un rango de direcciones de 24 bits asignado
por IEEE (hasta 224 interfaces de red)
• El primer bit de la dirección indica el ámbito:
•
•
•
Trama broadcast: la dirección es una secuencia de 48 unos
Trama multicast: el primer bit es 1 y el resto la dirección del grupo
Trama unicast: el primer bit es 0 y el resto la dirección de la estación
• El segundo bit de la dirección indica:
•
•
Si se trata de una dirección global asignada por el fabricante (0)
Si se trata de una dirección local asignada por software (1)
• Direcciones MAC siempre en notación hexadecimal
•
Ejemplo: 00-00-1D-00-26-A3
45
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
• Longitud < 1536 (IEEE 802.3)
• Nº de bytes presentes en el campo de datos (entre 0 y 1500)
• Trama LLC
+-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+
| Preámbulo | SFD | Dst
| Src
| Longitud |
Trama LLC
| CRC |
+-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+
<---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><--- 46-1500 ---><- 4 ->
• Tipo ≥ 1536 (Ethernet II)
• Protocolo del paquete encapsulado en el campo de datos:
•
•
•
Paquete IP (0x0800)
Paquete ARP (0x0806)
Paquete RARP (0x0835)
+-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+
| Preámbulo | SFD | Dst
| Src
| 0x0800
| Paquete IP
| CRC |
+-----------+------+--------+--------+-----------+---------------+------+
<---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><--- 46-1500 ---><- 4 ->
46
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
• Relleno (padding)
• Asegura tramas de tamaño mínimo de 64 bytes (de dirección
destino a CRC)
• Las tramas válidas tienen como mínimo 64 bytes de longitud
• Presente si el campo datos es menor de 46 bytes
• Si se detecta una colisión, se truncan las tramas que se están
transmitiendo
• El relleno evita que una colisión pueda pasar inadvertida
• Si una estación termina de transmitir una trama sin detectar
•
una colisión, no se puede producir una colisión
El relleno permite distinguir tramas válidas de tramas truncadas
• Si una estación recibe una trama de menos de 64 bytes,
se trata de una trama truncada, en otro caso, se trata de
una trama transmitida correctamente
47
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
• Relleno (padding)
• El tiempo mínimo para detectar una colisión es 2 x tprop (2τ)
• El tiempo de ranura es de 51,2 µs que es el tiempo que se tarda
•
•
en transmitir 64 bytes
Una colisión se produce cuando dos estaciones transmiten una
trama con una separación menor que 51,2 µs
Pasados 51,2 µs todas las estaciones de la red sabrían que una
estación está transmitiendo una trama
48
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Problema 3. Considera la construcción de una red
que usa CSMA/CD a 1 Gbps sobre un cable de 1
Km de longitud sin repetidores. La velocidad de
propagación de la señal en el cable es de 200.000
Kms/s. ¿Cuál es el tamaño de trama mínimo?
• Sol.: 1250 bytes
49
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Formato de la trama Ethernet
• Espacio entre tramas (IFG, InterFrame Gap): 9,6 µs (ó
12 bytes)
• Separación mínima entre la transmisión de dos tramas
• Actúa como delimitador final de trama
• Transmisión de la señal de jam: 3,2 µs (ó 32 bits)
• Señal de perturbación transmitida en caso de colisión
• Asegura que todas las estaciones detectan la colisión
50
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Problema 4. Dada una red cableada de área local a 10 Mbps basada en
CSMA/CD 1-persistente, con topología de bus, dos estaciones de
dicha red desean llevar a cabo la transmisión de una trama. Se
conocen los siguientes datos:
• Las estaciones están separadas entre sí 1000 metros.
• La red tiene una longitud máxima de 2000 metros.
• El IFG (espacio entre tramas) es de 96 bits.
• El JAM es de 300 bits.
• La estación 2 comienza a emitir en el mismo instante en el que
recibe el primer bit de la estación 1 provocando una colisión.
• El tiempo de espera aplicado a las estaciones (back off) es de 200
y 400 µs respectivamente.
En los siguientes casos, dibuja el diagrama temporal que muestre la
colisión entre las dos tramas. Dibuja desde el momento en el que se
transmite el primer bit de la primera trama hasta que se recibe
correctamente el último bit de la última trama. Calcula además cuál es
el tiempo transcurrido entre dichos instantes.
a) Tramas de 512 bytes
b) Tramas de 64 bytes
51
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Algoritmo de retroceso exponencial binario
•
•
•
Cuando se detecta la colisión, el tiempo se divide en ranuras de 51,2 µs
El algoritmo intenta resolver la colisión:
•
•
Pasos del algoritmo
•
•
•
•
•
•
•
Adaptándose dinámicamente al número de estaciones que desean transmitir
una trama
Minimizando el retardo asociado a los periodos de contienda
Tras la primera colisión, se espera 0 ó 1 veces el tiempo de ranura para
reintentarlo
Tras la segunda colisión, se espera 0, 1, 2 ó 3 veces el tiempo de ranura
para reintentarlo
En general, tras la i-ésima colisión se espera entre 0 y 2i-1 veces el tiempo
de ranura para reintentarlo
Tras la décima colisión, el límite superior se fija en 1023
Tras 16 colisiones consecutivas, la subcapa MAC aborta la transmisión
Cuando una estación consigue transmitir la trama, su contador de intentos
(colisiones) se pone a cero
El algoritmo se adapta al número de transmisiones pendientes
modificando el intervalo de ranuras
52
Tema 5
3.1 Ethernet
Redes de área local
Algoritmo de retroceso exponencial binario
Nº del
Intento
Nº de
Intervalos
Rango de
tiempo (µs)
Retardo medio
por intento (µs)
Retardo acumulado
medio (µs)
0
0
0
0
0
1
0-1
0-51,2
25,6
25,6
2
0-3
0-153,6
76,8
102,4
3
0-7
0-358,4
179,2
281,6
4
0-15
0-768,0
384,0
665,6
5
0-31
0-1.587,2
793,6
1.459,2
6
0-63
0-3.225,6
1.612,8
3.072,0
7
0-127
0-6.502,4
3.251,2
6.323,2
8
0-255
0-13.056,0
6.528,0
12.851,2
9
0-511
0-26.163,2
13.081,6
25.932,8
10
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
52.121,6
11
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
78.310,4
12
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
104.499,2
13
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
130.688,0
14
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
156.876,8
15
0-1023
0-52.377,6
26.188,8
183.065,6
16
La subcapa MAC aborta la transmisión
53
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Algoritmo de retroceso exponencial binario
•
Efecto captura
• Cuando una estación consigue transmitir una trama, su contador de
intentos se pone a cero
•
•
No existe memoria entre tramas
Favorece a la estación afortunada que acaba de transmitir, ¿por qué?
• Cuando se diseñó Ethernet, no se pensó en estaciones que pudieran
ocupar continuamente el canal transmitiendo a 10 Mbps
•
Reparto no equilibrado de recursos
• Una estación que emita tramas grandes conseguirá más ancho de
banda que una que envíe tramas pequeñas
•
•
Paquetes grandes se emiten con FTP, HTTP o flujos de vídeo MPEG
Paquetes pequeños se emiten con telnet o voz sobre IP (VoIP)
• El rendimiento global de la red es el mismo, pero el ancho de banda
no se reparte de forma equitativa entre todas las estaciones
54
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
El rendimiento de Ethernet depende fundamentalmente de tres factores:
• El tamaño de trama: a mayor tamaño de trama mayor rendimiento
• La distancia máxima (tprop): a menor distancia mayor rendimiento
• El número de estaciones: a menor número de estaciones mayor
rendimiento
55
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Dispositivos de interconexión
• Nivel físico:
• Repetidor: regenera la señal (copia bits entre segmentos de cable)
•
•
El dominio de colisión es único
El dominio de broadcast (o difusión) es único
• Concentrador (hub): retransmite la señal entrante por todas las
líneas de salida
•
•
El dominio de colisión es único
El dominio de broadcast es único
• Nivel de enlace:
• Conmutador (switch): retransmite la trama entrante por la línea de
salida apropiada
•
•
Hay un dominio de colisión por puerto
El dominio de broadcast es único
• Conmutador (switch) VLAN: conmutador con capacidad de crear
LAN virtuales (VLAN)
•
•
Hay un dominio de colisión por puerto
Hay un dominio de broadcast por VLAN
56
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Ethernet conmutada
•
•
•
•
•
Basada en el uso de par
trenzado y conmutadores
El uso de conmutadores
reduce los problemas del
efecto captura (división del
dominio de colisión)
No aumenta la velocidad,
sólo proporciona paralelismo
Los conmutadores pueden
tener puertos con diferentes
capacidades y velocidades
de transmisión
•
Autonegociación
Los enlaces pueden ser fulldúplex
•
•
No se producen colisiones
Control de flujo
57
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Ethernet conmutada
• Autonegociación
• Los dispositivos conectados al enlace intercambian información
•
sobre sus velocidades de transmisión, modos de operación (semidúplex y full-dúplex) y estándares soportados
A continuación, los dispositivos eligen la mejor opción común a
ambos conforme a la siguiente lista (de mayor a menor prioridad):
• 1000BASE-T full duplex
• 1000BASE-T half duplex
• 100BASE-T2 full duplex
• 100BASE-TX full duplex
• 100BASE-T2 half duplex
• 100BASE-T4
• 100BASE-TX half duplex
• 10BASE-T full duplex
• 10BASE-T half duplex
58
Tema 5
Redes de área local
3.1 Ethernet
Ethernet conmutada
•
Control de flujo
•
•
•
El modo full-dúplex incorpora un mecanismo de control de flujo opcional
El soporte para dicho mecanismo se establece durante autonegociación
Algoritmo de control de flujo:
•
•
El campo Tipo de la trama indica MAC Control (0x8808)
El campo de datos/relleno se sustituye por tres campos:
• MAC Control Opcode (MCO) de 2 bytes: 0x0001 para PAUSE
• MAC Control Parameters (MCP) de 2 bytes: valor de 0x0000 a 0xFFFF que
especifica la duración del período de inhibición de transmisión de tramas de
datos en unidades equivalentes a 512 veces el tiempo de bit
• Reserved (R) de 42 bytes: secuencia de 0s
+-----------+------+--------+--------+----------+----------------+------+
| Preámbulo | SFD | Dst
| Src
| 0x8808 | MCO | MCP | R | CRC |
+-----------+------+--------+--------+----------+----------------+------+
<---- 7 ----><- 1 -><-- 6 --><-- 6 --><--- 2 ---><----- 46 ------><- 4 ->
59
Tema 5
Redes de área local
3.2 Fast Ethernet
Características generales:
•
•
•
•
Nivel físico
•
•
•
•
Topología en estrella con concentrador o conmutador
•
No contempla la posibilidad de usar un medio compartido
Velocidad de transmisión de 100 Mbps
Diferentes tipos de cableado similares a 10Base-T y 10Base-F
Codificaciones especiales para conseguir 100 Mbps
Nivel de enlace
•
Formato de la trama y control de acceso al medio idéntico a Ethernet
Idea clave: reducción del tiempo de bit de 100 a 10 ns
Está sustituyendo progresivamente a Ethernet
60
Tema 5
Redes de área local
3.2 Fast Ethernet
Cableado 100Base-T4
•
•
•
Long. Máx. Seg. de 100 m
Uso de 4xUTP de categoría 3/5
• 2 pares conmutables en dirección
• Un par siempre al concentrador y
otro siempre del concentrador
Codificación 8B/6T(25 Mbaudios/par)
Cableado 100Base-TX
•
•
•
Long. Máx. Seg. de 100 m
Uso de 2xUTP categoría 5 ó 2xSTP:
• Un par para transmitir y otro para
recibir y detectar colisiones
Codificación 4B/5B-MLT-3
•
125 Mbaudios/par
Cableado 100Base-FX
•
•
•
Long. Máx. Seg. de 2000 m
Uso de 2 fibras multimodo de 62,5 µm,
con 100 Mbps para cada dirección
Codificación 4B/5B-NRZ-I con
modulación en intensidad
•
125 Mbaudios/fibra
61
Tema 5
Redes de área local
3. Redes de la familia Ethernet
Problema 5. Sabiendo que cada una de las tarjetas
de red introduce un retardo de ida y vuelta de 2 µs,
y cada concentrador un retardo de ida y vuelta de
5 µs, y que la velocidad de propagación en un
cable UTP es de 2x108 m/s, razonar si la topología
es válida para 10Base-T y para 100Base-TX.
• 2 tarjetas de red
• 2 concentadores
• 2 x 200m = 400m
• Total (10Base-T)
• Total (100Base-TX)
4 µs
10 µs
2 µs
= 16 µs<51,2 µs ¡Válida!
= 16 µs>5,12 µs ¡No válida! 62
Tema 5
Redes de área local
3.3 Gigabit Ethernet
Características generales:
•
•
•
•
Nivel físico
•
•
•
•
Topología en estrella con concentrador o conmutador
•
No contempla la posibilidad de usar un medio compartido
Velocidad de transmisión de 1000 Mbps
Diferentes tipos de cableado: par trenzado (802.3ab) y fibra óptica (802.3z)
Codificaciones especiales para conseguir 1000 Mbps
Nivel de enlace
•
•
Formato de la trama Ethernet con extensión de portadora
Control de acceso al medio similar a Ethernet: ráfagas de tramas
Idea clave: reducción del tiempo de bit de 10 a 1 ns
Alternativa popular como LAN troncal (backbone)
63
Tema 5
Redes de área local
3.3 Gigabit Ethernet
Cableado 1000Base-T
• Long. Máx. Seg. de 100 m
•
•
Uso de 4xUTP categoría 5E
Codificación PAM 5x5
•
125 Mbaudios/par
Cableado 1000Base-CX
•
Long. Máx. Seg. de 25 m
•
Uso de 2xSTP (de mayor calidad
que el 5E, pero más caro)
• Un par para transmitir y
otro para recibir y detectar
colisiones
Codificación 8B/10B-NRZ
•
•
1,25 Gbaudios/par
Cableado 1000Base-SX/LX
• Long. Máx. Seg. 275/550/5000m
• Uso 2 de fibras monomodo de
10µm (sólo LX) o multimodo de
50/62,5 µm (SX y LX), con 1Gbps
para cada dirección
• Codificación 8B/10B-NRZ
•
1,25 Gbaudios/fibra
64
Tema 5
Redes de área local
3.3 Gigabit Ethernet
Extensión de portadora
•
•
Mismo formato de trama que Ethernet y Fast Ethernet
No obstante, si se mantiene el tamaño mínimo de trama de 64
bytes:
• Long. Máx. Seg. se reduce considerablemente
• Se incorpora un segundo campo de relleno al final de la trama:
•
•
•
•
Extensión de portadora: su tamaño oscila entre 0 y 448 bytes
Tamaño mínimo de trama de 512 bytes (4096 bits)
Tiempo de ranura de 4,096 µs
La extensión de portadora no forma parte de la trama Ethernet
• Se elimina al entrar a redes (Fast) Ethernet
Ráfaga de tramas
•
•
•
La extensión de portadora es muy ineficiente con tramas
pequeñas
Mecanismo de envío a ráfagas de tramas pequeñas sin liberar el
canal
Sólo si el tamaño de toda la ráfaga no llega a 512 bytes se añade
la extensión de portadora
65
Tema 5
Redes de área local
3. Redes de la familia Ethernet
Problema 6. ¿Cuál es el número máximo de
tramas por segundo que puede enviar un host a
través de una interfaz de red Gigabit Ethernet?
Enumera y explica todos los casos relevantes.
66
Tema 5
Redes de área local
3.3 Gigabit Ethernet
Topología de una red Gigabit Ethernet
67
Tema 5
Redes de área local
3. Ethernet
Parámetros (IEEE 802.3)
• Ethernet
• Tiempo de bit: 100 ns
• Fast Ethernet
• Tiempo de bit: 10 ns
• Gigabit Ethernet
• Tiempo de bit: 1 ns
68
Tema 5
Redes de área local
Índice
1. Introducción
2. Control de acceso al medio (MAC)
3. Redes de la familia Ethernet
4. Redes basadas en token ([FOR02] Capítulo 12.5/6 y
[STA04] Capítulo 16.3)
4.1. Token Ring
4.2. FDDI
5. Redes inalámbricas
6. VLAN
7. Control de enlace lógico (LLC)
69
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
1985. IEEE 802.5
Características generales:
• Nivel físico
•
Topología en anillo
•
•
•
•
•
•
Repetidores conectados en anillo
Estrella con un MSAU (MultiStation Access Unit)
Velocidad de transmisión 4 ó 16 Mbps (Manchester Diferencial/STP)
Velocidad de transmisión 100 Mbps (nivel físico de 100Base-TX/FX)
Velocidad de transmisión 1 Gbps (nivel físico de 1000BaseSX/LX)
Nivel de enlace
•
Formato de la trama Token Ring
•
•
Tamaño máximo del campo de datos de 4550/18200 bytes (4/16 Mbps)
Control de acceso al medio mediante paso de token
•
•
Mantenimiento del anillo centralizado (estación Monitor)
Gestión de prioridades
70
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
Modos de operación de los repetidores
•
Escucha: cada bit recibido se retransmite con un pequeño retardo
• Identificación de patrones de bits y modificación de bits
•
Transmisión:
• Inserción de bits en el anillo
• Eliminación de bits del anillo (confirmación)
•
Bypass o cortocircuito: cada bit recibido se retransmite sin retardo
alguno
71
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
Formato de la trama token ring
•
•
•
•
•
Delimitador inicial y final basados en violaciones de la codificación
Control de acceso
• Gestión de prioridades
• Identifica tipo de trama (token o datos)
Control de trama
• Identifica tipo de trama de datos (mantenimiento anillo o LLC)
FCS (Frame Check Sequence): CRC-32
Estado de trama: confirmación de recepción de trama implícita
72
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
Control de acceso al medio mediante paso de token
•
•
•
El token o testigo circula por el anillo constantemente con una cierta
prioridad
Todas las estaciones están en modo escucha
Si una estación quiere transmitir una trama, la estación
•
•
•
•
Espera a recibir el token
Pasa a modo transmisión
Transmite una o más tramas de datos
•
Regenera el token mientras elimina del anillo la última trama de datos que
transmitió
•
•
•
•
•
Tiempo máximo de posesión de token: 10 ms
• Tiempo máximo para acceder al medio conocido (fairness)
• Posibilidad de garantizar QoS (ancho de banda)
La estación debe esperar hasta que regrese la última trama que transmitió antes
de insertar de nuevo el token en el anillo
Pasa a modo escucha
Cuando una estación está transmitiendo, el testigo no circula por el anillo y,
por tanto, el resto de estaciones deben esperar a recibirlo para poder
transmitir
Una vez se inserta de nuevo el testigo en el anillo, la siguiente estación del
anillo con tramas pendientes de transmisión podrá capturar el testigo y
transmitir
¿Rendimiento con carga baja? ¿Y con carga alta?
73
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
Control de acceso al medio
•
Ejemplo:
1. A espera el testigo
2. A captura el testigo y transmite una
trama de datos para C
3. D deja pasar la trama de datos para
C
4. C copia la trama de datos
5. A elimina la trama de datos del anillo
y regenera el testigo
6. C captura el testigo y transmite dos
tramas de datos para A y para D
7. A copia su trama de datos y deja
pasar la trama de datos para D
8. D deja pasar la trama de datos para
A y copia su trama de datos
9. C elimina del anillo ambas tramas de
datos y regenera el testigo.
74
Tema 5
Redes de área local
4.1 Token Ring
Problema 7. Dada una red Token Ring a 10 Mbps
con 15 hosts conectados, un host H1 desea
transferir un fichero de 1 MByte a otro host H2.
Los 15 hosts se encuentran distribuidos
uniformemente a lo largo del anillo y el tiempo
máximo de retención del token es de 10,24 ms.
Calcula el número de veces que H1, con tramas de
1024 bits y un token de 40 bits, deberá recuperar
el token para transmitir el fichero. Considera
ausencia de cualquier otro tipo de tráfico e ignora
la sobrecarga introducida por el protocolo de nivel
de enlace. Notas: Inicialmente el host H1 posee el
token. 1 MByte = 220 Bytes.
75
Tema 5
Redes de área local
4.2 FDDI
FDDI (Fiber-Distributed Data Interface)
• Anillo con paso de testigo similar en IEEE 802.5 pero con fibra óptica y
una velocidad de transmisión más alta
Características generales:
• Nivel físico
•
•
•
•
•
Dos anillos transmitiendo en sentidos opuestos (tolerancia a fallos)
Velocidad de transmisión 100 Mbps (nivel físico de 100Base-TX/FX)
Nivel de enlace
•
•
Formato de la trama similar a Token Ring
Control de acceso al medio mediante paso de token similar a Token Ring
Diferencias con IEEE 802.5:
•
•
•
Topología en anillo (hasta 100 Km y 500 estaciones)
El token se regenera tan pronto como finaliza la transmisión de la última
trama
•
No se espera a eliminar las tramas del anillo dadas sus dimensiones
Gestión de prioridades mediante un sistema de reserva de capacidad
basado en la gestión del tiempo dedicado a transmitir en cada estación
Alternativa popular como LAN troncal (backbone) que ha caído en
desuso
76
Tema 5
Redes de área local
4.2 FDDI
Control de acceso al medio
•
•
•
•
•
El testigo se captura eliminándolo del anillo
completamente
• Cambiar un bit para convertir el testigo
en una trama de datos no es viable
debido a la velocidad de transmisión
Se envían una o más tramas de datos
(tiempo limitado)
Se inserta el testigo en el anillo
• El testigo se transmite inmediatamente
después de la última trama de datos,
aunque no se haya empezado a
eliminar la última trama de datos
Se eliminan todas las tramas de datos del
anillo
Ejemplo:
1. A espera el testigo
2. A captura el testigo y transmite F1 para C
3. A regenera el testigo tras la última trama
de datos
4. C copia la trama F1
5. C copia la trama F1, B captura el testigo y
transmite F2 para D
6. B regenera el testigo, D copia la trama F2
y A elimina la trama F1 del anillo
7. A deja pasar la trama F2 y el testigo, y B
elimina la trama F2 del anillo
8. B deja pasar el testigo.
77