Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla [DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

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1 UPAEP 2013 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla [DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

2 Capítulo 4: Fundamentos de las WANs En este capítulo será más tangible comprender cómo se realiza la disposición de los equipos físicos para lograr la conexión entre dispositivos a largas distancias. Se aprenderán qué estándares y protocolos trabajan dentro de las capas 1 y 2 del modelo OSI. Se explicará HDLC, PPP y Frame Relay. En cuanto a la implementación de una WAN, se apreciarán los aspectos que involucran al cliente así como al proveedor de servicios. Se explicará de qué forma se coordinan los routers para sincronizarse y qué equipos o acciones se requieren para lograrlo. Se hablará también de las velocidades que se encuentran disponibles para los diferentes tipos de enlaces que ofrecen las empresas proveedoras de servicios. Se explicará la importancia y utilidad de HDLC, la utilidad y origen de los enlaces punto-a-punto y también de las redes Frame Relay. 2

3 Temas Fundamentales WAN significa Wide-Area Network y su trabajo es interconectar dispositivos a larga distancia. Al igual que las LANs, implementan el modelo de OSI en sus funciones de capa 1 y 2, sólo que lo hacen con métodos distintos. Capa 1 de OSI para WANs Punto-a-Punto La capa 1 de OSI o capa física define cómo mover datos de un dispositivo a otro. Esta capa define los estándares y protocolos usados para crear la red física y para enviar los bits a través de la red. Un enlace WAN punto-a-punto actúa como el enlace principal de Ethernet entre dos switches. La diferencia entre las LANs y las WANs se refiere a qué tan lejanos están los dispositivos entre sí y aún así tener la capacidad de enviar y recibir datos. Las LANs residen en un edificio o conectan edificios usando Ethernet, pero las WANs usan mayores distancias que Ethernet y suelen atravesar ciudades, por lo que requieren diferentes especificaciones. Las MANs (Metropolitan-Area Network) no abarcan áreas tan extensas como la WAN, pero se encuentran dentro de una misma área metropolitana. Las Leased lines se refieren al cableado que pasa por debajo de la ciudad y que no es propiedad de la empresa que transfiere sus datos a través de éste. Existen empresas que se dedican a cablear utilizando permisos especiales para pasar por debajo de las calles, y son llamadas proveedoras de servicios. Algunas de estas empresas iniciaron como proveedoras telefónicas, tal como TELMEX. Los enlaces WAN punto-a-punto proveen conectividad básica entre dos puntos. Para tener un enlace WAN punto-a-punto es necesario trabajar con un proveedor de servicios que instale un circuito. Con esto se tiene una conexión permanente. Fig. 13 Visión conceptual de una Point-to-Point Leased Line Los switches Ethernet tienen diferentes tipos de interfaz y todas son alguna forma de Ethernet. Los routers proveen la capacidad de conectar diferentes tipos de tecnologías de capa 1 y 2 de OSI. Cuando se observa una LAN conectada a alguna otra LAN utilizando una WAN, siempre habrán routers presentes conectados en cada LAN. 3

4 Conexiones WAN desde el punto de vista del cliente Nos enfocaremos únicamente en la entrega de conexión entre la empresa proveedora de servicios y el site del cliente. En la figura 13 se aprecia como si entre los dos routers solamente hubiera dos cables cruzados. El resultado del funcionamiento es el mismo, aunque la tecnología es mucho más compleja que eso. TELMEX ya tiene instalaciones de cableado por toda la ciudad, y uno de esos cables es el que va desde donde se encuentra el cliente hasta tan lejos donde se encuentre el otro punto a conectar. Independientemente de lo que TELMEX haga por dentro, lo que el cliente recibe es el equivalente a un circuito de cuatro alambres entre los dos edificios. Fig. 14 Point-to-Point Leased Line: componentes y terminología Normalmente los routers se conectan a un dispositivo llamado external channel service unit/data service unit (CSU/DSU) utilizando un cable usualmente menor a 16 m, ya que este último dispositivo se suele colocar en el rack cerca del router. El cable de TELMEX es conectado al CSU/DSU. Este cable sale del edificio y está instalado de forma oculta por la ciudad hasta llegar al CO, con el cable conectado generalmente a un WAN switch. Existe la misma conectividad general física a cada lado del enlace WAN punto-a-punto. No es de nuestro interés por ahora el descubrir cómo es la WAN por dentro, tan sólo necesitamos saber que ambos routers pueden enviar información simultáneamente a través de la WAN. TELMEX usa una terminología para determinar hasta dónde llega su responsabilidad en la infraestructura tecnológica, y se llama demarc (el corto para demarcation point) o acometida, que consiste en dos twisted pairs dentro del edificio del cliente. Estándares de Cableado WAN Para cualquier enlace serial punto-a-punto o enlace Frame Relay en este capítulo, el router usa una interfaz que soporta comunicación síncrona. Las interfaces síncronas seriales en los routers de Cisco usan varios tipos de conectores físicos propietarios, como el D-shell de 60 pines que se muestra en la parte de arriba de los cables de la figura siguiente. El cable que conecta el router al CSU/DSU usa un conector que encaja en la interfaz serial del router y un conector 4

5 WAN estandarizado que empata con la interfaz del CSU/DSU precisamente al final del cable CSU/DSU. La siguiente figura muestra una conexión típica con algunas de las opciones de cableado serial. Fig. 17 Opciones de cableado serial El cable entre el CSU/DSU y el CO de TELMEX normalmente usa un conector RJ-48, mismo que tiene la misma forma y tamaño que el conector RJ-45 usado para los cables Ethernet. Varios routers de Cisco soportan interfaces seriales que tienen internamente integrado un CSU/DSU. De esa manera, el router no requiere un cable que lo conecte a un CSU/DSU externo. Así, los cables seriales de la figura anterior no son necesarios y la línea física de TELMEX es directamente conectada a un puerto del router, típicamente un puerto RJ-48 en la tarjeta de interfaz serial en el router. Ancho de banda, Sincronización, DCE y DTE Si un ingeniero en redes de una empresa desea instalar una Leased line punto-a-punto nueva entre dos routers, debe suceder lo siguiente: 1. Contactar un proveedor de servicios haciendo el pedido del circuito, dando las especificaciones de la velocidad (en Kbps) que requiere para la conexión. 2. Mientras TELMEX instala el circuito, el ingeniero en redes adquiere dos CSU/DSU e instala y configura uno en cada sitio. 3. El ingeniero en redes adquiere también dos routers y conecta cables seriales de cada router a su respectivo CSU/DSU. 4. TELMEX instalará entonces la nueva línea de acuerdo a las premisas del cliente y la línea podrá ser conectada al CSU/DSU. 5

6 Cada circuito WAN solicitado a un proveedor de servicios corre a una de tantas posibles velocidades predefinidas. A esta velocidad se le llama clock rate (velocidad del reloj), bandwidth (ancho de banda) o link speed (velocidad del enlace). Para lograr que el enlace funcione, es requerimiento que todos los dispositivos tengan sincronizados sus relojes para que corran exactamente a la misma velocidad. Ese proceso se llama sincronización. Los circuitos síncronos imponen orden en el tiempo a las terminales de enlace que envían y reciben. Ya que sería costoso desarrollar equipos que funcionen exactamente a cada velocidad de reloj, uno de los dos dispositivos escucha al otro y trata de ajustarse a su tiempo. La sincronización ocurre entre los dos CSU/DSU en una Leased line cuando el CSU/DSU esclavo ajusta su reloj para que funcione a la misma velocidad que el reloj del CSU/DSU maestro, sincronizándose varias veces por segundo. El CSU/DSU se considera el data communications equipment (DCE). Al dispositivo que recibe el clocking, y que usualmente es el router, se le llama data terminal equipment (DTE). Construyendo un enlace WAN en un laboratorio El cable debe ser elegido DCE o bien DTE dependiendo del modo en que el router esté actuando. Normalmente actúa como DTE así que se requiere un cable DTE para conectarlo al CSU/DSU. Es posible construir un enlace serial sin requerir un CSU/DSU pero para ello es necesario configurar el clocking en uno de los routers para que éste lo provea. Se pueden conseguir dos routers, un cable serial DTE para uno de ellos y un cable DCE para el otro router y después conectar uno con el otro. El router con el cable DCE se configura para proveer el clocking. Se requiere un comando de configuración adicional en uno de los routers (el comando clock rate) para tener un enlace serial punto-a-punto. Este tipo de conexión entre dos routers es llamada back-to-back serial connection. Fig. 18 Conexión entre dos routers sin el uso de un CSU/DSU Fig. 19 Funcionamiento de los cables DTE y DCE 6

7 Velocidades de Enlace que ofrecen los Proveedores de Servicios El mecanismo original usado para convertir voz analógica a señal digital es llamado PCM (Pulse Code Modulation), el cual define que una señal de voz analógica entrante debe ser reproducida 8000 veces por segundo y cada reproducción debe representarse por un código de 8 bits. El término digital signal level 0 (DS0) se refiere al estándar para una sola línea de 64 kbps. Hoy en día los proveedores de servicios dan la opción de contratar mayores velocidades. A continuación se muestra una tabla con algunos de los estándares para las velocidades WAN. Nombre de la línea Bit Rate Igual a DS0 64 kbps DS1 (T1) Mbps 24 DS0s más 8 kbps DS3 (T3) Mbps 28 DS1s más administración E Mbps 32 DS0s E Mbps 16 E1s más administración J1 (Y1) Mbps 32 DS0s (estándar japonés) El término time-division multiplexing (TDM) se refiere a la combinación de diferentes velocidades en las líneas y canales para crear una línea o canal más rápido. Capa 2 de OSI para WANs punto-a-punto Los protocolos WAN usados en enlaces seriales punto-a-punto proveen la función básica de la entrega de datos a través de un enlace. Los dos protocolos más populares de la capa de enlace de datos usados en enlaces punto-a-punto son HDLC (control de enlace de datos de alto nivel o High-Level Data Link Control) y el PPP (protocolo punto-a-punto o Point-to-Point Protocol). HDLC HDLC requiere determinar si los datos pasaron el enlace sin error alguno. Si ocurrieron errores, el frame es descartado. Además, el HDLC necesita identificar el tipo de paquete dentro del HDLC frame para que el dispositivo receptor sepa de qué tipo de paquete se trata. El header de HDLC incluye un campo Dirección (con tamaño de 1 byte, aunque en conexiones punto-a-punto no es necesario) y otro campo de Tipo de Protocolo, con el trailer que contiene un campo FCS (frame Check sequence). 7

8 Fig. 20 Framing en HDLC El campo dirección es importante, ya que desde hace años TELMEX vende circuitos que incluyen más de dos equipos. HDLC realiza la detección de error igual que Ethernet y de la misma forma, NO realiza recuperación de datos. Cisco agregó el campo tipo y con ello se creó la versión propietaria de HDLC de esta empresa y debido a la diferencia entre headers, no es posible implementar HDLC conectando un router Cisco a alguno de otra marca. Protocolo Punto-a-Punto La International Telecommunications Union (ITU) fue primera en definir HDLC y en el RFC 1661 (1994) la Internet Engineering Task Force (IETF) creó el Protocolo Punto-a-Punto (PPP). El PPP trabaja muy parecido a HDLC e incluso el framing se ve idéntico. Hay un campo de dirección que no importa y los frames con error en el FCS son descartados. Adicionalmente, el PPP usa un campo de 2 bytes para el tipo de protocolo. Como éste último campo pertenece al estándar de PPP, es posible que se comuniquen un router Cisco y uno de alguna otra marca en un enlace serial punto-a-punto. Siendo el PPP una creación más reciente que HDLC, el PPP es más popular debido a que contiene muchas mejoras. Terminología WAN Término Síncrono Definición Es la imposición de los tiempos en un flujo de bits en que un dispositivo trata de usar la misma velocidad que el dispositivo al otro lado del enlace serial. Examinando las transiciones entre los estados de voltaje en el enlace, el dispositivo puede notar leves variaciones en la velocidad de cada terminación y puede ajustar su velocidad. 8

9 Reloj origen CSU/DSU Telco ó TELMEX Circuito de cuatro alambres Es el dispositivo para el cual los otros dispositivos en el enlace ajustan su velocidad cuando usan enlaces síncronos. Es la Channel Service Unit/Data Service Unit. Se usa en enlaces digitales como una interfaz para la compañía de teléfonos en México. Los routers típicamente usan un cable corto desde una interfaz serial a un CSU/DSU, el cual se conecta a la línea de TELMEX con una configuración similar al otro router en el otro extremo del enlace. Compañía de teléfonos. Una línea desde TELMEX con cuatro alambres, compuesta de dos pares de alambres entrecruzados. Cada par se usa para enviar en una dirección, así un circuito de cuatro alambres permite comunicación en full-duplex. T1 Una línea desde TELMEX que permite la transmisión de datos a Mbps. E1 Similar a un T1 pero usado en Europa. Usa una tasa de transferencia de Mbps y 32 canales a 64 Kbps. Servicios Frame Relay y Packet-Switching Las empresas proveedoras de servicios ofrecen una clase de servicios WAN -diferente a las Leased lines- que se puede categorizar como packet-switching services, en los cuales existe conectividad física WAN de forma parecida a una Leased line. Una compañía puede conectar muchos routers al packet-switching service usando un enlace serial desde cada router dentro del mismo packet-switching service. Existen dos tipos populares de packet-switching services hoy en día: Frame Relay es el más común- y Asynchronous Transfer Mode (ATM). Los beneficios en escalamiento del Packet Switching Las WANs punto-a-punto son muy útiles para conectar dos routers remotos, pero cuando hay que conectar muchos de éstos como en el ejemplo de una gran empresa transnacional que tenga muchas sucursales en diferentes partes del mundo- se vuelve poco viable conseguir un CSU/DSU para cada uno de los sitios, así como una nueva interfaz serial para el router principal. De esta manera se requerirían demasiados routers con demasiadas interfaces en cada uno. Bajo el escenario anterior, es posible instalar Frame Relay en lugar de punto-a-punto. Para ello solamente se requiere una interfaz serial en el router principal y un solo CSU/DSU. Para escalar a unos 100 sitios 9

10 probablemente se requieran tres o más interfaces seriales en el router principal para acrecentar el ancho de banda. Si la Leased line corre a 128 Kbps, se podrá enviar y recibir a esa misma velocidad en cada site. Se incrementará el ancho de banda del router principal, convirtiéndolo en un T1 (1.544 Mbps). Cuando hay más tráfico que 128 Kpbs en un sitio, simplemente se envía y sin costar más. Frame Relay es más económico que las Leased lines. Puntos Básicos del Frame Relay El Frame Relay ofrece más beneficios que los enlaces WAN punto-a-punto, y por lo mismo se entiende que sus protocolos son más detallados. Las redes Frame Relay son redes multiacceso, lo cual quiere decir que más de dos dispositivos pueden conectarse a la red. El Frame Relay tiene las mismas características que la capa 1 en una Leased line punto-a-punto. En un servicio Frame Relay, una Leased line es instalada entre cada router y un switch Frame Relay cercano. Estos enlaces son llamados Access links o enlaces de acceso. Los enlaces de acceso corren a la misma velocidad y usan los mismos estándares de señales que las Leased lines punto-a-punto. De esta manera, en lugar de extenderse de un router a otro, cada Leased line corre simplemente de un router al frame relay switch. Fig. 21 Componentes del Frame Relay La diferencia entre los enlaces punto-a-punto y Frame Relay es que el equipo en TELMEX examina los frames de datos enviados por el router. El Frame Relay define su propio header y trailer de data-link. Cada header de Frame Relay lleva un campo de dirección llamado data-link connection identifier (DLCI). El switch WAN reenvía el frame basándose en el DLCI, enviándolo a través de la red del proveedor hasta que llega al router en el sitio remoto del otro lado de la nube de Frame Relay. El header y trailer del Frame Relay se definen por un protocolo llamado Link Access Procedure-Frame (LAPF). El Frame Relay se considera una forma de packet switching y es un protocolo de la capa 2 del modelo OSI. Siendo que los datos enviados por la capa 2 se llaman frames, Frame Relay es también llamado frameswitching service. Al camino lógico que un frame viaja entre routers es llamado Frame Relay VC. La ventaja principal que Frame Relay tiene sobre un enlace punto-a-punto tiene que ver precisamente con los VCs: Frame Relay crea un camino lógico (un VC) entre dos dispositivos DTE Frame Relay. Un VC actúa como un circuito punto-apunto aunque físicamente no lo sea, ya que es virtual. 10

11 Fig. 22 Red Frame Relay típica con tres sitios Dado el ejemplo de la figura anterior, el Router0 examina dos VCs: uno para cuyo endpoint es el Router1 y otro para cuyo endpoint es el Router2. El Router0 puede enviar tráfico directamente a cualquiera de los otros dos routers enviándolo a través del VC apropiado, a pesar de que el Router0 tiene únicamente un enlace de acceso físico a la red Frame Relay. Los VCs comparten el enlace de acceso y la red Frame Relay. Con redes grandes que contienen varios sitios WAN que requieren ser conectados a algún sitio central, solamente se requiere un enlace de acceso físico desde el sitio principal hacia la red Frame Relay. Así, en lugar de usar un circuito físico por separado, un CSU/DSU por separado y una interfaz física en el router para cada enlace punto-a-punto, existe la posibilidad de expandir la WAN agregando menos hardware para conseguirlo. De esta manera, muchos clientes de la empresa proveedora de servicios estarán compartiendo la misma red Frame Relay de su proveedor. Usando un diseño punto-a-punto para conectar 100 sitios requeriría 4950 leased lines más 99 interfaces seriales por cada router. Con un diseño de Frame Relay es posible tener 100 enlaces de acceso a un switch Frame Relay local (1 por router) con 4950 VCs corriendo a través de los enlaces de acceso, y para ello se necesitaría únicamente una sola interfaz serial en cada router. Así, la topología es más fácil de implementar, es menos costosa y utiliza mejor el core del proveedor de servicios. 11

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