Redes de área local TEMA 4

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1 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 Stallings00 Cap Comer99 Cap

2 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

3 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 Solución utilizada en entornos geográficos reducidos (redes LAN) para la comunicación: medio compartido Conexiones = (n 2 -n) 2 3

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, pocos usuarios, mayor fiabilidad, propiedad privada, Inicialmente se apoyaron en el uso de un medio de transmisión compartido 4

5 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

6 2 2. Topologías LAN Bus Anillo Árbol Estrella difusión Punto a punto ANILLO IBM Compatible Laptop computer ARBOL ESTRELLA IBM Compatible BUS IBM Compatible 6

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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 Dirección de difusión: FF:FF:FF:FF:FF:FF Fabricante Adaptador de red 00:20:AF = 3Com 12

13 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

14 La capa física: MAC: Arquitectura de las LAN codificación/decodificación generación eliminación de cabeceras de sincronización transmisisón y recepción de bits especificación del medio a transmitir y la topología 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 MAC 14

15 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 físico Nivel de enlace de datos 15

16 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 LLC Nivel físico x Estándares LAN de IEEE 16

17 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

18 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 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

19 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

20 4.2 Algoritmo CSMA/CD (sin colisiones) A B C A B C terminador C encuentra el bus libre C transmite una trama dirigida a A A A B C A B C A B ignora la trama A A copia la trama Los terminadores absoben la señal 20

21 4.2 Por qué se producen colisiones? A B C D t0 A B C D t1 A B C D t2 A B C D t3 21

22 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,,2 NumColisones -1] 22

23 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

24 4.3 Formato de trama Ethernet preámbulo I fte dst tipo/lon Datos(<= 1500 bytes) CRC F Ethernet y 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) bytes 24

25 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

26 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) Est y ventana de colisión colisión (peor caso posible) y detecta la colisión inmediatamente Est x t 0 t 0 t 0 +τ t 0 +2τ x detecta la colisión tiempo 2τ < 51.2 µs Para que se cumpla esta condición se define una separación máxima de las estaciones 26

27 4.3 Medios físicos en Ethernet Coaxial 10 BASE-5 10 BASE-2 Par trenzado UTP 10 BASE-T Fibra óptica 10 BASE-F coaxial HUB BUS 2 pares trenzados 27

28 4.3 Fast Ethernet (802.3u) Compatible con Ethernet pero a 100 Mbps Usa el protocolo MAC y el formato de trama IEEE Medios físicos posibles: UTP categorías 3 (4 pares) y 5 STP Fibra óptica 28

29 4.3 Comparación Velocidad de transmisión Longitud máxima Ethernet 10Mbps 2.5 km Fast Ethernet 100Mbps 200 m Número de repetidores 4 2 Distancia Repetidor- computador 500m B5 200m B2 100m BT 100m BT 29

30 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

31 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

32 4.4 Estados del repetidor en un anillo: Estado de escucha se "escucha" todo lo que circula por el anillo 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 Estado de cortocircuito estación estación estación 32

33 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 33

34 4.4 Funcionamiento de una red IEEE B B B A C A C A C D D D A B C A D B D C NOTA: Una estación sólo puede retener el testigo por un tiempo limitado 34

35 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

36 4.5 IEEE (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

37 4.5 Formatos de trama (IEEE 802.5) > = I acceso tipo 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

38 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

39 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 Soporta tráfico de datos (asíncrono) y tráfico multimedia (síncrono: video, audio, etc) 39

40 Estándares - Resumen ATM ATM FDDI FDDI Wireless Token Ring Ethernet u 802.3z 10Mbps 100Mbps 1Gbps 40

41 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

42 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

43 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 43

44 5 Concentradores Un concentrador (hub) es un repetidor multi-puerto hub hub hub 44

45 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 e f g 45

46 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

47 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

48 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

49 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

50 5 50

51 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

52 5 Combinación switch/hub switch Dept. A Dept. B Dept. C hub hub hub 52

53 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

54 5 Ejemplo: LAN pequeña 54

55 5 Ejemplo: LAN mediana Internet Service Provider 55

56 5 Ejemplo: WAN pequeña 56

57 5 Ejemplo: WAN de altas prestaciones T1 Line: 1.5 Mbps 57

58 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

59 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

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