Tema 26. Redes de área local: Ethernet, anell de testimoni (token ring) i les seves evolucions. Topologies i tendències actuals.

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1 Tema 26. Redes de área local: Ethernet, anell de testimoni (token ring) i les seves evolucions. Topologies i tendències actuals. ESQUEMA 1 INTRODUCIÓN Elementos físicos de una LAN Propósitos de las LAN Protocolos de las redes LAN...3 IEEE REDES ETHERNET Política de Acceso al medio Formato de trama Evolución de Ethernet IEEE TOKEN RING ANILLO CON TESTIGO Formato de trama Funcionamiento Funcionamiento normal Control de prioridades El Monitor TOPOLOGÍAS Topologías cableadas: Topologías inalámbricas: TENDENCIAS ACTUALES...12 Pág. 1 de 12

2 1 Introdución Las redes de área local (LAN) de transmisión de datos son las redes que tienen las siguientes características: Son redes de extensión reducida, como máximo 2 km. Abarcan un edificio, una oficina o un pequeño grupo de edificios. La transmisión de la información se realiza por difusión, es decir, todos los equipos están conectados a un mismo canal de comunicaciones. Excepto en las redes Ethernet conmutadas, que actualmente son las más frecuentes. Utilizan topologías de red sencillas, en comparación con las redes WAN. Topologías de bus, en estrella, en anillo. Utilizan tecnologías de conmutación de paquetes, en la que la unidad de datos transmitida se denomina trama. Suelen ser redes privadas, que sólo dan servicio a sus propietarios. 1.1 Elementos físicos de una LAN Las redes de comunicación de datos están compuestas de tres elementos: Los equipos informáticos (estaciones de usuario y servidores) que se conectan a la red para comunicarse entre sí. Los medios de comunicación: Es el medio por donde se transmiten los mensajes que intercambian las estaciones conectadas a la red. Por ejemplo: Un cable coaxial. Los equipos intermedios de soporte a la comunicación. Son los equipos electrónicos conectados a la red para que esta funcionen. Son los equipos que explicará a continuación. 1.2 Propósitos de las LAN LAN Los principales propósitos que llevan a realizar la interconexión entre los diferentes dispositivos son: 1. Compartición de programas y archivos por diferentes equipos 2. Compartición de recursos de la red (impresoras, plotters...) 3. Posibilidad de emplear aplicaciones de distribuidas (Aplicaciones de 2 niveles, de 3 niveles...) 4. Uso de servicios de comunicaciones como el correo electrónico, wold wide web, http... Pág. 2 de 12

3 1.3 Protocolos de las redes LAN Los equipos conectados a una red necesitan cumplir con una serie de protocolos para poder utilizar la red. En una red local, los equipos tienen que cumplir los protocolos de la capa de física, que establece las normas de la conexión física a la red y la forma de transmisión de las señales, y de la capa de enlace lógico de datos, las normas de comunicación dentro de la red local. Los primeros protocolos de redes utilizados en las redes LAN eran protocolos propietarios desarrollados por los mismos fabricantes del hardware de red. Por ejemplo DECnet, AppleTalk, IPX/SPX de Novell El uso de estas tecnologías propietarias provocaba la dependencia de los clientes con sus proveedores y falta de interoperabilidad de los equipos de red de diferentes fabricantes. Para evitar estos problemas, a principios de los 80 se establecieron una serie de protocolos estándares, implementables por cualquier fabricante. Los primeros protocolos estándares para LAN son: IEEE Bus CSMA/CD (Ethernet) IEEE Token bus IEEE Token Ring A los cuales se les añadió posteriormente IEEE WiredLess ATM, definido en el estándar de RDSI de banda Ancha En las redes de área local la utilización de un mismo canal para varios ordenadores puede provocar colisiones, por lo que se hace preciso controlar el acceso al canal. Este es el objetivo de la subcapa de acceso al medio (MAC, Medium Access Control). Cada interfaz de red tiene un número identificativo único de 48 bits, denominado dirección MAC (Media Access Control). Estas direcciones hardware únicas son administradas por el IEEE. Los tres primeros octetos identifican al fabricante. Este identificador es utilizado por los protocolos del nivel de enlace. Esta dirección es utilizada por la mayoría de protocolos de la capa de enlace, como Ethenet, ATM o Token Ring. Pág. 3 de 12

4 IEEE Redes Ethernet Las redes Ethernet fueron desarrolladas por Xerox en los 70, y estandarizadas a principios de los 80 con el código IEEE Inicialmente, eran redes con topología en bus y velocidad de 10Mbps. En estos veinte años, las redes Ethernet han evolucionado aumentando su velocidad y permitiendo otro tipo de topologías. Son las redes locales más implementadas, tanto en entornos técnicos como en oficinas. Las redes Ethernet también se denominan redes CSMA/CD, debido que a su principal característica es su política de acceso al medio común, denominada CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection -. La codificación de las señales se realiza en banda base y se emplea la codificación tipo Manchester por los siguientes motivos: Permite enviar la señal de reloj con los datos posibilitando así el sincronismo. Facilita la detección de señal dentro el canal (detección de portadora). El IEEE estandariza tanto los medios de transmisión (cables de la red y tarjetas de red ) como los protocolos del nivel de enlace. 1.4 Política de Acceso al medio El medio de transmisión en una red Ethernet tradicional es un bus común, en el que sólo un equipo puede transmitir en cada instante. Se utiliza la política CSMA/CD para controlar el acceso al bus. El acceso a la red por los equipos se realiza de forma aleatoria. Cuando un equipo quiere transmitir, espera que el canal esté libre y comienza a transmitir. Si otro equipo también comienza a transmitir en ese mismo momento, se produce una colisión de los mensajes y ambos se pierden. Los equipos cuando transmiten escuchan la red para detectar estas colisiones. Si se produce una colisión, cada equipo espera un tiempo aleatorio antes de volver a intentar de nuevo la transmisión. Poder detectar la colisión durante la transmisión es fundamental para el correcto funcionamiento de la red. La longitud mínima de las tramas (64 Bytes) y la longitud máxima del bus están relacionadas para asegurar la detección de colisiones. 1.5 Formato de trama Las tramas tienen una longitud mínima de 64 Bytes y máxima de 1500 Bytes. La longitud máxima sirve para controlar el parloteo (Si un equipo falla y envía datos de forma continua, la tarjeta Ethenet no transmite la gran trama porque sino se colapsaría la red). Formato de la trama: Preámbulo SFD Dir. Dest. Dir. Ori. Longitud Datos CRC Preámbulo: Campo para que el receptor alcance la sincronia de bit. SFD: Marca de inicio de trama. Direcciones MAC de destino y de origen (de 2 a 6 bytes) Longitud de la trama: (2 bytes) Datos: Información a transmitir (<1500 bytes) CRC. Campo de verificación de la trama (4 bytes) Pág. 4 de 12

5 1.6 Evolución de Ethernet Las primeras redes Ethernet tenían una velocidad de 10Mbps, con una topología en bus utilizando un cable coaxial. Desde esta primera versión de Ethernet han aparecido otras variedades con velocidades y cableado diferentes. El estándar Ethernet a 10Mbps establece dos tipos de cable, con longitud máxima de cable diferentes: 10base2: Cable coaxial fino. Longitud máxima de 200 metros. 10base5: Cable coaxial grueso. Longitud máxima de 500 metros. La primera variación del original fue hacia la Ethernet conmutada, gracias a la aparición de nuevos equipos de red (repetidores y conmutadores). Las diferencias con las primeras redes Ethernet son: Nueva topología en Estrella. Permite mayor flexibilidad y modularidad de la red. Permite aislar trozos de la red para reparar errores. El uso de conmutadores permite dividir la red en dominios. Lo que reduce el número de colisiones en la red, aumentando el ancho de banda útil. Nuevos medios de transmisión, como el par de cobre trenzado o la fibra óptica. o 10baseT: Cable formado por dos pares trenzados de cobre sin blindar. Longitud máxima de 100 metros. Cables de categoría 3 o 5. o 10baseF: Cable de fibra óptica multimodo, conexiones punto a punto. Longitud máxima de 2000 metros. Ethernet a 100Mbps FastEthernet-. Este estándar mantiene la arquitectura del anterior (Formato de trama, control de acceso al medio ) pero añade nuevas características como la comunicación full-duplex y alcanza una velocidad de transmisión de 100Mbps. Utiliza dos tipos de cables, principalmente: 100baseT4: Formado por cuatro cables trenzados de cable. Permite comunicación fullduplex. Utiliza cables de categoría 5 y longitud máxima de 100 metros. 100baseF: Mismas características que 10baseF. Ethernet a 1Gbps y a 10 Gbps. Especificaciones compatibles con FastEthernet que alcanza la velocidad de hasta 10Gbps tanto sobre cobre como fibra de vidrio. Primero apareció a 1 Gbps y posteriormente a 10 Gbps (máxima velocidad actual). Aumentan el tamaño mínimo de trama (510 bytes) para poder detectar las colisiones. Estándares para redes LAN, MAN y WAN. Cables: Cobre: 1GbaseT(categoría 5e ó 6) 10GbaseT(categoría 6). Una longitud máxima de 100 metros ambos. Fibra óptica: Utiliza diferentes tipos de cables de fibra óptica, de precios y alcances diferentes. Según el tipo puede alcanzar de 550 metros a 100Km. El siguiente estándar será 100Gbps. Actualmente no desarrollado. Pág. 5 de 12

6 Las ventajas de Ethernet es su sencillez, flexibilidad, alta velocidad y bajo precio. Por todo ello es la tecnología más utilizada en las redes locales. Sus inconvenientes son: La velocidad de transmisión de una trama no es determinista, por lo que no es apropiado para transmisiones en tiempo real críticas. No permite prioridades en las comunicaciones. El rendimiento de la red decrece rápidamente con utilizaciones superiores al 70%. Pág. 6 de 12

7 2 IEEE Token Ring Anillo con testigo Las redes Token Ring fueron diseñadas por IBM a principios de los 70 y se estandarizó a principios de los 80 en la norma IEEE La red Token Ring se caracteriza en que el control de acceso al medio se realiza utilizando una estructura de datos denominada testigo y con una topología de anillo. La red siempre tiene a nivel lógico la topología de anillo, en cambio, la topología física puede ser una topología en anillo o en estrella, si utilizan un concentrador. Dentro del anillo, los mensajes siempre recorren la red siguiendo la misma dirección. Sentido de las tramas La velocidad inicial establecida por el estándar es de 4Mbps, pero ha ido aumentando a 16, 100 y 1000Mbps. Aunque existe el estándar Token Ring de Banda Ancha (1Gbps) su cuota de mercado es muy reducida. Las ventajas de las redes Token Ring son: Permite accesos igualitarios al medio. Garantiza que todos los equipos conectados tienen las mismas posibilidades de transmitir independientemente de la carga de la red. Las comunicaciones son deterministas. Su puede calcular con antelación el tiempo necesario para transmitir un determinado número de tramas. Gracias a lo cual, es válido para las aplicaciones en tiempo real. Permite establecer prioridades en las comunicaciones. Aprovecha casi el 100% del ancho de banda de la red. El número máximo de estaciones que pueden formar parte de la red es de 250 con una separación entre ellas de 100 metros, si se utiliza cables de par de cobre blindado. Con cables sin blindar, el número máximo es 72 con distancias máximas de 45 metros. El estándar no especifica los detalles físicos de la red, como el tipo de cableado y las tarjetas de conexión. Por ello, las características físicas del hardware utilizado en la red pueden variar entre fabricantes, aunque cumplan todos el estándar oficial. Pág. 7 de 12

8 2.1 Formato de trama Las redes Token Ring utilizan dos tipos de tramas: La trama testigo : Delimitador inicio Control de acceso Delimitador de fin La trama de datos/control: Formada de 9 campos: Delimitador de inicio: Sirve para detectar el inicio de trama y coger el sincronismo (1byte) Control de acceso: Formado de 5 partes: - 3 bits que indican la prioridad de la trama - 1 bit que distingue entre las tramas testigo de las de datos - 1 bit que indica al monitor si la trama circula constantemente - 3 bits de la próxima prioridad del testigo Control de trama: Indica si la trama normal es de datos o de control Direcciones de origen y destino de la trama. Datos: Contiene la información a transmitir o datos adicionales en una trama de control. No tiene tamaño máximo, pero tiene como la limitación el tiempo asignado al emisor para transmitir. CRC: Campo de verificación de la trama Delimitador de fin: Señala el fin de la trama Estado de la trama: Indica si el equipo receptor está operativo y ha leído la trama enviada. 2.2 Funcionamiento Funcionamiento normal. El control de acceso al medio se realiza utilizando una estructura de datos denominada testigo. El testigo tiene una prioridad asociada. Cuando una estación recibe el testigo, si tiene mensajes con prioridad igual o mayor que el testigo, se apropia de él y comienza a enviar los mensajes. El tiempo durante el cual una estación puede retener el testigo es limitado. Las tramas circulan por el anillo de estación en estación. Cuando la estación receptora recibe la trama, la copia y la vuelve a enviar, modificando el campo de Estado de trama para indicar que ha sido leída. La trama termina por regresar a la estación emisora que sabe si la trama ha sido recibida por el receptor y puede retirarla de circulación. En una red Token Ring sólo hay un testigo circulando (salvo errores), por lo que no puede haber más de una estación emitiendo, por lo cual no hay colisiones. Una estación termina de emitir cuando no le quedan mensajes con prioridad suficiente o ha agotado el tiempo asignado. Entonces transmite el token a la siguiente estación de anillo. Si una estación recibe el token y no tiene nada que transmitir, se lo envía a la siguiente estación. Pág. 8 de 12

9 2.2.2 Control de prioridades El testigo tiene una prioridad asignada. Cuando lo recibe una estación, esta sólo puede transmitir mensajes con prioridad igual o mayor a la del testigo. Dentro de las tramas de información, existe unos bits de reserva de prioridad dentro del campo de Control de acceso en el que se le indica a la estación emisora cual debe ser la prioridad del testigo cuando lo envíe. Cuando un equipo recibe una trama, aunque no sea suya, y tiene mensajes que emitir, lee los bits de reserva de prioridad para saber que prioridad tendrá el próximo testigo, si sus mensajes son de mayor prioridad, cambia el valor la reserva de prioridad. De esta forma, se asegura que los mensajes de mayor prioridad serán las primeras en emitirse El Monitor Hay una estación dentro de la red denominada Monitor. Ésta es la encargada de supervisar el funcionamiento de la red. Si una trama circula por la red sin que nadie la recoja, el monitor la retira para que se puedan seguir enviando tramas. Si el testigo deja de circular, por ejemplo se cae la estación que lo tenía, el monitor purga la red para asegurarse que no hay otras tramas o testigos circulando y emite un nuevo testigo En la red sólo hay un monitor activo, aunque puede haber varios en espera, por si el activo falla. Pág. 9 de 12

10 3 Topologías La topología de una red describe la estructura física de la misma, como se conectan los equipos entre sí. Se usan diferentes tipos de topologías, según el uso que quiera darse a la red. 3.1 Topologías cableadas: Las redes clásicas utilizan como medio de transmisión un cable que puede ser de diferentes materiales (cobre o fibra óptica). La topología en red: Es la topología más compleja. Tiene una estructura irregular y las conexiones entre los equipos son punto a punto. Es la topología que adoptan las redes extensas (WAN). Las redes locales son rede más sencillas, por ello utilizan topologías más simples. Como topologías puras tenemos tres tipos: La topología en bus: Todos los equipos están conectados a un cable de red único. Presenta la ventaja que tiene pocos problemas logísticos, pero tiene la desventaja que un error en una parte del cableado afecta a toda la red. Además los problemas son difíciles de detectar y diagnosticar. La red en bus puede ampliarse conectando varios buses utilizando extensores del bus. La topología en anillo. El cable de red pasa de un equipo a otro hasta que todos están interconectados en forma de anillo. La información se transmite en un solo sentido, de un equipo a otro. Presenta la ventaja sobre la topología de bus de poder aislar trozos de la red para detectar y reparar errores sin detener el resto de la red y la desventaja de que si un equipo de la red cae, la red deja de funcionar. Pág. 10 de 12

11 Topología en estrella: En esta redes, todos los equipos se conectan a un nodo central que distribuye las señales. El nodo puede funcionar como concentrador o conmutador. La ventaja de esta topología es la modularidad y flexibilidad de la misma. Permite aislar los equipos y solucionar los errores, y facilita su mantenimiento y su ampliación. Su vulnerabilidad es el nodo central, si este falla, falla toda la red. Nodo central Normalmente, la topología de una red local es una topología híbrida, derivada de la unión de las topologías puras. Actualmente, se usan mayoritariamente redes en estrella encadenadas. Hay que distinguir la topología física, de la topología lógica de una red. La topología lógica es como ve la capa de enlace la red, y la física es cómo realmente se distribuyen los elementos de la red. Por ejemplo, las redes Ethernet, inicialmente estas redes tenían topologías de bus, pero actualmente se implementan en forma de estrella o de red conmutada. Estos cambios en la topología física son transparentes a la capa de enlace. 3.2 Topologías inalámbricas: Además de las topologías de las redes clásicas cableadas también hay que mencionar las topologías de las redes inalámbricas. Existen 2 topologías básicas: Infraestructura: La red cableada se amplía utilizando medios inalámbricos. En la red cableada se conecta un punto de acceso que sirve de puente entre ambas redes y de conmutador entre los equipos inalámbricos. Punto de Redes Ad hoc : Todos los equipos se comunican acceso directamente entre ellos, sin necesidad de un nodo central. Es válido para montar redes de pocos equipos. Pág. 11 de 12

12 4 Tendencias actuales El estado actual del desarrollo tecnológico de las redes locales es el siguiente: La tecnología Token Bus ha quedado obsoleta y quedan muy pocas redes en funcionamiento. El desarrollo de nuevas actualizaciones del estándar ha sido abandonado. La tecnología Token Ring sigue viva aunque se use de forma minoritaria. El principal fabricante de sus productos es IBM. Es utilizada en entornos donde existe la necesidad de prioridades de comunicaciones deterministas. Por ejemplo: Redes con aplicaciones en tiempo real. Existen las redes FDDI que son parecidas a Token Ring en su topología y en el uso de testigos, aunque no son compatibles. Las redes FDDI están orientadas a crear redes metropolitanas. La tecnología ATM no ha conseguido fructificar dentro del ámbito de las redes locales, aunque sí en las redes extensas. Es utilizada en redes locales donde la garantía de calidad de servicio sea necesaria. Las redes Ethernet y sus evoluciones son las redes locales más usadas, con más de un 80% del mercado. Se implementan utilizando redes en estrella conmutadas. Su éxito radica en tener la mejor relación prestaciones/costes del mercado. Las redes inalámbricas se están expandiendo a gran velocidad tanto en entornos domésticos como de oficina. Su ventaja es permitir la movilidad y no tener costes de instalación del cableado de la red y su inconveniente es la seguridad. El estándar de redes inalámbricas es ISO Pág. 12 de 12