Fundamentos de Redes de Computadoras. Modulo III: Fundamentos de Redes LAN

Transcripción

1 Fundamentos de Redes de Computadoras Modulo III: Fundamentos de Redes LAN

2 Objetivos Aplicaciones de Redes LAN Topologías Medios de Transmisión Control de Acceso al Medio Modelo IEEE 802 Protocolo CSMA/CD Topologías

3 Aplicaciones de Redes LAN Redes de PC s Bajo Costo Velocidad de transmisión limitada Redes peer to peer o redes de servidores centralizados (cliente-servidor) Redes de back end y almacenamiento Interconexión de grandes sistemas (mainframes) y dispositivos de almacenamiento masivo Transferencia elevada Interfaces de Alta Velocidad Distancia limitada Número de dispositivos limitados

4 Aplicaciones de Redes LAN Redes de Respaldo: Storage Area Networks (SAN) Red independiente para el manejo del almacenamiento Independiza las tareas de almacenamiento de los servidores Almacenamiento compartido a traves de red de alta velocidad (ej Fibre channel) Red para oficinas de alta velocidad Procesamiento de imágenes Mayor capacidad de almacenamiento local Voz y video Red troncal ( Backbone ) Interconecta LANs de baja/mediana velocidad Limitaciones de una sola LAN Confiabilidad Capacidad Costo

5 Diagrama esquemático LAN & SAN

6 Elementos de una LAN Topología Medio de transmisión Disposición del cableado Control de acceso al medio (compartido)

7 Topologías Arbol Bus Anillo Estrella

8 Topologías LAN

9 Transmisión en Bus

10 Topología Anillo Conjunto de repetidores unidos por enlaces punto a punto formando un bucle cerrado. Enlaces unidireccionales Estaciones se conectan a repetidores Tramas Circulan a través de todas las estaciones Destino reconoce la dirección y copia las tramas Trama vuelve al origen luego de pasar por todas las estaciones (y es absorbida) Control de acceso al medio determina cuando una estación puede insertar una trama.

11 Transmisión en Anillo

12 Topología Estrella Cada estación se conecta a un nodo central El nodo central puede actuar como un hub (repetidor) Estrella física, bus lógico Solo una estación puede transmitir en un dado momento. El nodo central puede actuar como un switch Conmunta la trama entre el origen y el destino

13 Medio de transmisión UTP de Alta Performance Cat 5 y superior Alta velocidad de transmisión Topología estrella ( Switched ) Fibra Optica Aislamiento electromagnético Alta capacidad Alto costo de componentes y conexión y mantenimiento Precios en considerable disminución Aire (radio)

14 Arquitectura de Protocolos de LAN Capas inferiores del modelo OSI Modelo de referencia IEEE 802 Capa Física Capa de Control de Acceso al Medio ( Medium Access Control - MAC) Capa de Control de Enlace Lógico ( Logical link control - LLC) Comité IEEE 802: define estándares de LAN y MAN Ej: 802.3: Ethernet // : Wifi // 802.5: Token Ring (PAN : Bluetooth)

15 IEEE 802 vs OSI

16 Capas Física Codificación/decodificación Generación/Eliminación de preámbulos Transmisión/recepción de bits Medio de transmisión y topología

17 Capas Control de Acceso al Medio (MAC) En transmisión: Ensamblaje de datos en tramas con campos de direcciones y de detección de errores En recepción: Desensamblado de la trama Reconocimiento de dirección Detección de errores Gobierna el acceso al medio de transmisión No presente en capa 2 del modelo OSI Para el mismo LLC, pueden estar presentes varias opciones de MAC

18 Capas 802 Control de Enlace Lógico (LLC) Interfaz con niveles superiores Control de error y flujo Funciones similares a una capa de enlace del modelo OSI Servicios LLC Servicio no orientado a conexión sin confirmación Servicio en modo conexión Servicio no orientado a conexión con confirmacion.

19 LAN: Capas

20 Control de Acceso al Medio Dónde? Centralizado (+) Mayor control, permite asignar prioridades y reservas (+) Evita el problema de coordinación para acceso al medio. (+) Lógica sencilla en cada estación (-) Punto único de falla (-) Cuello de botella potencial Distribuido Cómo? Sincrónico Capacidad específica dedicada a la conexión Asincrónico Otorgamiento en demanda. Más dinámico. Se adapta mejor a necesidad de tráfico de LAN.

21 MAC Técnicas asincrónicas Round robin (rotación circular) Apropiado si muchas estaciones tienen datos a transmitir sobre un período largo de tiempo Reserva Buena para tráfico contínuo Contención ( de contienda) Todas las estaciones compiten por el acceso al medio Bueno para tráfico de ráfagas Distribuído Simple de implementar Eficiente bajo carga moderada Tiende a colapsar bajo gran carga Las más comunes son las de contención y round robin

22 Formato Genérico Trama MAC Difieren de acuerdo al protocolo de acceso al medio Genéricamente poseen Campo de Control Dirección MAC Destino Dirección MAC Origen LLC: Datos de la capa LLC superior (PDU LLC) CRC / FCS Capa MAC detecta errores y descarta tramas. La retransmisión de tramas con errores es función de una capa superior.

23 Ethernet (CSMA/CD) Carriers Sense Multiple Access with Collision Detection Xerox Ethernet (Bob Metcalfe & David Boggs) Año 1973 Estándar IEEE 802.3

24 IEEE802.3 MAC Acceso Aleatorio Estaciones acceden al medio en forma aleatoria Contención Estaciones compiten por el acceso al medio Basado en Aloha: primera técnica de uso de contención

25 ALOHA (puro) Redes de paquete de radio ( Packet Radio Net ) Cuando una estación tiene una trama para transmitir: envía Estación escucha (por un tiempo igual al máximo retardo ida y vuelta) Si recibe ACK: Transmisión correcta, sino retransmite Si no recibe ACK después de varios intentos, desiste en la transmisión. El receptor chequea el FCS. Si libre de errores y dirección destino correcta, envía ACK Tramas se pueden dañar por ruido o por colisiones. Utilización Máxima del Medio: 18% (aumentan mucho las colisiones cuando aumenta la carga)

26 Slotted ALOHA El eje del tiempo se hace discreto: slots uniformes igual al tiempo de transmisión de la trama Se utiliza un reloj central Transmisión comienza en el inicio de una ranura Las tramas o se transmiten completamente o colisionan totalmente Max utilización: 37%

27 CSMA: CARRIER SENSE MULTIPLE ACCESS En una red LAN (red de radio también) se cumple: Tiempo de propagación << Tiempo de transmisión Todas las estaciones saben que una transmisión comenzó casi inmediatamente. Primero escucha por canal sin señal ( carrier sense ) Si el medio está libre, transmite Si dos estaciones comenzaran en el mismo momento: Colisión Espera un tiempo razonable (round trip más la contención por transmitir el ACK) Si no se recibe ACK: Retransmitir Utilización Máxima depende del tiempo de propagación y de la long. de la trama Tramas más grande y menor tiempo de propagación ofrece mayor utilización

28 CSMA No Persistente ( Nonpersistent ) Qué ocurre si cuando una estación quiere transmitir el medio esta ocupado? CSMA No Persistente CSMA p-persistente CSMA 1-Persistente CSMA No Persistente: 1. Si medio esta desocupado, transmite; sino ir a paso 2 2. Si el medio está ocupado, espere un tiempo aleatorio y repita el paso 1. Retardo aleatorio reduce la probabilidad de colisiones Capacidad de canal desperdiciada!

29 CSMA 1-Persistente 1-persistent Evita el tiempo libre de canal Estación con datos para transmitir, sigue las siguientes reglas: 1. Si el medio está libre, transmite; sino vaya a Si el medio esta ocupado, sensar hasta que se libere; luego transmita inmediatamente. Si dos o más estaciones esperan por liberación del canal, existirá colisión (con certeza)

30 P-persistent CSMA Intente reducir las colisiones y disminuir el tiempo desocupado de canal. Reglas: 1. Si medio desocupado, transmita con probabilidad p, y retarda una unidad de tiempo con probabilidad (1 p) 2. Si el medio está ocupado, sensa el canal hasta que se libere y repita el paso 1 3. Si la transmisión se retarda una unidad de tiempo (con probabilidad 1-p), repetir 1 Cuál es un valor efectivo de p?

31 Valor de p Evitar inestabilidad bajo alta carga n estaciones esperando para transmitir Fin de transmisión actual: Número esperado de estaciones intentando transmitir es np Si np > 1, existirá en gral. una colisión Intentos repetidos de transmitir garantizan más colisiones Colisiones contínuas: thoughput nulo np debe ser < 1 para picos esperados de n Si se espera alta carga, p debe ser pequeño (n alto) Problema: si p es pequeño, las estaciones esperan mas tiempo en condiciones normales de carga

32 CSMA: Variantes Delay (variable) Non-Persistent Canal Ocupado Ready 1-Persistent P-Persistent Tiempo

33 CSMA/CD Con CSMA, colisión ocupa el medio por la duración de la transmission CD: Collision Detect!: Estationes escuchan mientras transmiten El protocolo sería: 1. Si el medio está desocupado, transmita, sino vaya a Si está ocupado, escuche hasta que se libere el canal, y entonces transmita 3. Si durante la transmisión se detecta una colisión, emitir señal de jam y detener la transmisión 4. Después del jam, espere tiempo aleatorio y vaya a 1 Ethernet CSMA/CD

34 CSMA/CD

35 Detección de Colisión En banda base: colisión produce una sobretensión mayor que la normal. Problema de atenuación de la sobretensión con la distancia (una de las razones para limitación de distancia de Ethernet con cable coaxial) Para el caso de topología estrella (con UTP) actividad en uno o mas puertos, denota una colisión. Se genera una señal especial JAM (denominada de presencia de colisión)

36 Espera Exponencial Binaria ( Binary Exponential Backoff ) Utilizado para el caso de colisiones sucesivas Primero 10 intentos: se duplica el valor medio del retardo aleatorio El valor luego permanece constante por los siguientes 6 reintentos ( truncated binary exponential backoff ). Despues de 16 intentos sucesivos, la estación reporta error. Cuando la congestión aumenta, las estaciones esperan una mayor cantidad de tiempo para reducir la probabilidad de colision. Eficiente bajo un gran rango de cargas: Baja carga Alta Carga (por lo menos estable)

37 Formato Trama IEEE Tamaño máximo de la trama: 1518 (excluyendo preambulo y SFD). Tamaño máximo de datos encapsulados: 1500 Bytes

38 Frame Ethernet El frame Ethernet posee dos campos en el encabezamiento: Preámbulo 7 Bytes Utilizado para la sincronización electrónica entre los receptores El patrón es: SFD - Starting Frame Delimiter Utilizado para indicar el comienzo del frame 1 Byte El patrón es: Ethernet_II (DIX) utiliza el mismo preámbulo y SFD, salvo que denomina a estos 8 Bytes Preámbulo. En Fast Ethernet se usa señalización contínua para la sincronización.

39 Direcciones MAC Compuesta por 6 Octetos (Bytes) 2^48 direcciones distintas (número astronómico) Los 3 Primeros Bytes se denominan OUI (Organizationally Unique Identifier) o también Vendor Code : Valor fijo otorgado por IEEE a fabricantes de Hardware MAC (NIC s, Switches, Router, etc.) El lsb del primer octeto se denomina: G/I Bit (Group / Individual Bit). Si G/I es 0: la dirección es la de una estación en particular (UNICAST) Si G/I es 1: Grupo lógico de estaciones (Usado en Multidifusión). El 2do. lsb se denomina G/L bit. Si es 0 significa que el fabricante compró un bloque de direcciones de la autoridad (IEEE). Si es 1, se puede utilizar cualquier dirección, teniendo precaución que no exista colisión de direcciones (Prácticamente no se usa). LSB (G/I)(G/L)XXXXXX 1er. octeto MSB G/I : Group/Individual Bit G/L : Global/Local Administered Bit

40 Direcciones MAC - Destino Group Addressing se utiliza para especificar grupos de multicast. Ej: IANA MULTICAST OUI: 01:00:5E:XX:XX:XX La dirección compuesta por todos 1 s (FF:FF:FF:FF:FF:FF) se denomina de Broadcast. Esta dirección destino, es procesada por todos los dispositivos de la LAN. Concluyendo: Unicast: Dirección Individual (única) Multicast: Dirección a un Grupo de Nodos de la LAN Broadcast: Dirección a todos los Nodos de la LAN

41 Formato y Ethernet II Ethernet_802.3: DD DO Long / Type Datos Pad FCS Long: Longitud del campo de datos Si Long > 0x05DC (1500), entonces el campo representa Type Como todos los Types de Ethernet_II son mayores a este valor, los frames pueden coexistir en una LAN. Ethernet_II DD DO Type Datos Pad FCS Type: Representa tipo de paquete encapsulado 0x0800: IP v4 0x86DD: IP v6 0x0806: ARP

42 Especificación 10Mbps (Ethernet) <data rate><método señalización ><Max long Segmento/Medio Físico> 10Base5 10Base2 10Base-T 10Base-F Medio Coaxial Coaxial UTP Fibra 850nm Señaliz. Baseband Baseband Baseband Manchester Codific. Manchester Manchester Manchester On/Off Topología Bus Bus Estrella Estrella Nodos x segmento

43 Topologías Ethernet Topología Lógica (operación del protocolo) Bus (Difusión) Topología Física (distribución física de nodos) Topología Bus Cable coaxil fino: 10Base2 Cable coaxil grueso: 10Base5 Topología Estrella Cable par trenzado (UTP) y concentradores. 10BaseT Fibra óptica. 10BaseF

44 Topología Bus Coaxil Fino Coaxil Grueso Distancia máxima del segmento 185 mts Distancia máxima del segmento 500 mts

45 Topología Bus: Ventajas y Desventajas Ventajas: Bajo costo Instalación simple Desventajas: Falla en cualquier parte del cableado ocasiona interrupción de la comunicación en todo el segmento Es difícil ubicar la falla en el conexionado. Toda tarea de prolongación o modificación de la red produce interrupción en las comunicaciones.

46 Topología Estrella Adoptada por IEEE en (10BaseT) Utiliza 2 pares de cable tipo UTP y un concentrador o hub Longitud máxima de segmento: 100 mts Incorpora una señal de Link integrity Cada 16 ms se envía un pulso (hub y nic s) para denotar la conexión física establecida. La mayor cantidad de redes Ethernet actuales utilizan esta especificación de capa física

47 Topología Estrella Concentrador único Concentrador Concentradores en Backbone Backbone ( Fibra / UTP) Concentrador 1 Concentrador 2

48 Topología Estrella: Ventajas y Desventajas Ventajas: Alta disponibilidad integral Mayor posibilidad de expansión Apropiada para Cableado Estructurado Modular Desventajas: Único punto de fallo (hub)

49 Dominio de Colisión Los repetidores propagan todo el tráfico (y colisiones) que ocurre en un segmento a los otros segmentos. Un nodo debe saber - independientemente de su ubicación - si el paquete transmitido colisionó con otro antes de terminar la transmisión (sino degenera en CSMA): El diámetro máximo de una red que implementa CSMA/CD es igual al tamaño mínimo de paquete: 512 bits Ethernet (10 Mbps): 51,2 µseg Observar que para: Fast Ethernet (100 Mbps): 5,12 µseg Y para Gigabit Ethernet?: 0,512 µseg?

50 Dominio de Colisión El diámetro de colisión (en segundos) debe contemplar los retardos introducidos por NIC s, repetidores y cables. En general se debería cumplir que: (Retardo total de repetidores + Retardo total de cables + Retardo total de NIC) *2 < 512 bits-seg Repetidor Cable Cable Estación (NIC) Estación (NIC)

51 Valores típicos de retardos Ethernet: Repetidor 10 Base T: 2 µseg NIC Ethernet: 2 µseg 100 mts cable UTP: 0,55 µseg Fast Ethernet: Repetidor Clase I: 0,7 µseg Repetidor Clase II: 0,46 µseg NIC Fast Ethernet: 0,25 µseg 100 mts. Cable UTP: 0,55 µseg