Fundamentos de Redes de Computadoras. Modulo V: Redes LAN de Alta Velocidad

Transcripción

1 Fundamentos de Redes de Computadoras Modulo V: Redes LAN de Alta Velocidad

2 Objetivos Importancia de las redes de alta velocidad Normas de alta velocidad Fast Ethernet Switched Ethernet Full Duplex Ethernet Gigabit 10 Gigabits Rendimiento en Redes Switches Switches Capa 2 Switches Capa 3

3 Por qué se necesitan redes LAN de Alta Velocidad? LANs de oficinas utilizadas para proveer conectividad básica Conexión de PCs a servidores que ejecutan aplicaciones corporativas. Grupos de trabajo a nivel departamental. Patrón de tráfico liviano Velocidad y potencialidad de PCs en aumento constante Aplicaciones Gráficas LAN es parte esencial de la infraestructura de IT Client/server Arquitectura dominante Transferencia de grandes volúmenes de datos

4 Aplicaciones que requieren LANs de alta velocidad Granja de Servidores Centralizada Usuario necesitan manejar enorme cantidad de datos desde varios servidores centralizados Grupos de trabajo con altos requerimientos CAD/CAM Testing and Debugging de Software Backbone de Alta Velocidad Interconexión de alta velocidad entre redes de borde.

5 Variantes de Ethernet Fast Ethernet Switched: Ethernet / Fast Ethernet / Gigabit Ethernet Full Duplex: Ethernet / Fast Ethernet / Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet 10Gbit Ethernet (XG) 40G, 100G, 400Gbit Ethernet

6 Fast Ethernet Estándar IEEE 802.3u (1995) MAC Similar a IEEE operando a 100 Mbps Topología física: Estrella con cable UTP Especificaciones para la capa física: 100 Base - Tx: UTP Cat. 5 (2 pares) 100 Base - T4: UTP Cat. 3 (4 pares) 100 Base - Fx: Fibra Optica Multimodo Ligeras diferencias en la capa física No necesita el preámbulo, lo mantiene por compatibilidad. Método de codificación diferente (MLT-3 y 4B/5B)

7 Switched Ethernet (Fast Ethernet) Shared Ethernet 10 MBPS Switched Ethernet Shared Ethernet : Ancho de banda compartido. Switched Ethernet : Ancho de banda por puerto no compartido. Ventajas: Optimización de Performance en redes Ethernet existentes Extensión de LAN 10 MBps 10 MBps LAN SWITCH 10 MBps 10 MBps 10 MBps 10 MBps

8 Operación Full Duplex (802.3x) CSMA/CD: Se deshabilita! Se pueden ampliar las longitudes de los segmentos sobre fibra 100Base Fx Half Duplex: 412mts 100Base FX Full Duplex: 2km Muy útil en conexiones Switch-to-Switch y Backbone Ambos extremos deben estar configurados como full duplex, sino se pueden presentar errores difíciles de detectar ( late collisions, colisiones excesivas). A veces hay problemas con autonegociacion en full-duplex Ejemplo: Switch 10 Mbps Full Duplex (20 Mbps) Switch 10 Mbps Full Duplex (20 Mbps) Servidor

9 Gigabit Ethernet IEEE 802.3ab (par trenzado) / 802.3z (fibra) Variantes: 1000Base-T (802.3ab 1999) UTP CAT 5: 4 pares 100 mts. 1000Base-SX Fibra Multimodo 300 mts. 850 nm 1000Base-LX Fibra Multimodo / Monomodo 550 mts / 5000 mts nm Otras (1000BaseLH 1000BaseZX: Km Monomodo)

10 Gigabit Ethernet (Distancias)

11 10Gbps Ethernet Estandar IEEE 802.3ae Variedad de interfaces ópticas estándares especificadas para Ethernet de 10 Gb Bajo costo para LAN, MAN y WAN Distancias desde 300 mts a 40 kms Enlaces Full Duplex

12 10Gbps Ethernet Capa Física 10GBASE-SR (short range) 850 nm sobre fibra multimodo Hasta 300 m sobre fibra multimodo 10GBASE-LR (long range) 1310 nm sobre fibra mono-mode Hasta 10 km 10GBASE-ER (extended range) 1550 nm sobre fibra monomodo Hasta 40 km 10GBASE-LX4: 1310 nm sobre fibra Mono o Multi modo Hasta 10 km (monomodo) Wavelength-division multiplexing (WDM). Multiplexa el flujo de bits sobre cuatro ondas de luz 10GBASE-T (802.3an): Sobre UTP CAT6A: 100mts

13 Distancias 10Gbps Ethernet (Escala log)

14 Evolución de Ethernet

15 Múltiples Configuraciones Ethernet soporta mezcla de configuraciones a 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps y 10G Ej: 1000-Mbps backbone LAN y usuarios de 10/100Mbps Estaciones se conectan a 10/100Mbps Estaciones y Servidores de Alta capacidad se conectan directamente a Switches 10/100/1000 Balancear correctamente Esquema de Autonegociación (nway)

16 Autonegociación Autoajuste entre: 10Base-T, 10Base-T Full Duplex, 100 Base-Tx, 100 Base-Tx Full Duplex o 100 Base-T4, 1000BaseT, 1000BaseT Full Duplex, 10GEthernet. Se realiza al inicializar la placa de red/dispositivo, antes de transmitir datos. Utiliza sistema propio de señalización Cada dispositivo informa sus capacidades y se elije la mayor común a ambos. PRECAUCIÓN: autonegociación no detecta tipo de cable. Auto MDI-X

17 Índices de utilización en Redes Ethernet Overhead Porcentaje de bits del frame que no llevan datos propiamente dicho (preámbulo, dirección, FCS, etc.) En Ethernet depende del tamaño del paquete Utilización 1518Bytes, Datos: 1500B, Overhead: 2,5% 64Bytes, Datos: 1B, Overhead: 98,7% Algún tipo de actividad en el medio (dato, jam, colisión, etc). Se mide en % de tiempo (ocupado). Utilización Pico Utilización máxima que ocurrió en un cierto período.

18 Indices de Utilización Throughput (Rendimiento) Datos por segundos (Mbps) reales que son transmitidos exitosamente por el medio. No incluye los bits de overhead, frames con errores, jam, etc. Eficiencia Esfuerzo empleado para conseguir la transmisión de la información Eficiencia: Resultado/Esfuerzo Eficiencia = Throughput/(Utilización x Velocidad) Saturación Punto a partir del cual la red ha llegado a sus límites prácticos de uso.

19 Throughput [MBPS] Saturación El punto de saturación depende del número de nodos conectados y del tráfico que generan nodos 2 nodos Teórico Utilización [%]

20 Saturación: Conclusión Shared Ethernet : Utilización Pico del orden del 40% solo puede ser mantenida por un cierto tiempo. Si es sostenida, se presentan problemas de performance, resultando en throughput de 2,5 MBPS Si la utilización es mayor se presenta inestabilidad del canal con throughput tendiendo a cero. Switched Ethernet : Se puede alcanzar utilización del 100% con un throughput de 7 MPBS Resultados similares para todas las variaciones de Ethernet que utilizan CSMA/CD

21 Puentes ( Bridges ) Dispositivo que divide el dominio de colisión 1 -> 5 Puente Nodo 1 Nodo 5 En adición al filtrado de paquetes los puentes: No realizan modificaciones al contenido de los paquetes Deben contener buffers para almacenar paquetes que serán retransmitidos Deben contener inteligencia para saber que paquete filtrar

22 Puentes Los puentes proveen una extensión de la LAN sin ningún tipo de modificación del software de comunicación Solo trabajan con las dos primeras capas del modelo IEEE (Física y MAC)

23 Puentes transparentes Norma IEEE Y X Puente Trama W Z Filtering Database MAC Address Table MAC Add. Puerto Timer 0ABB... 0AF5... 0A27... X Y Z T1 T2 T3

24 Principio de Funcionamiento Bridge Fowarding Frame recibido sin error en puerto X DD del Frame en Base de Datos? NO Transmitir Frame en todos los ports excepto X Port de Salida = X? NO SI Transmitir Frame en Port de Salida

25 Principio de Funcionamiento Bridge Learning DO encontrado en Base de Dato? Poner DO en base de datos con Dirección y Nuevo Timer SI Actualizar Dirección y Timer FIN

26 Switches Un switch es similar a un bridge multipuerto. Al igual que los puentes, los switches mantienen una tabla de direcciones y puertos. Utilizan un concepto llamado conexión virtual para conectar temporalmente el nodo origen con el destino. De esta forma pueden existir varias conexiones virtuales en forma simultáneas. Ancho de banda agregado teórico: ( Número de Puertos x Velocidad ) / 2

27 Componentes de un Switch 4 Componentes Básicos Mecanismo de Retransmisión del Paquete Backplane Buffering Tipo y Número de Puertos

28 Tipos de Puertos La mayoría de los switches que se comercializan hoy en día son Ethernet/Fast Ethernet. También existen Gigabit Ethernet, pensados para el Backbone En muchos casos ofrecen puertos adicionales para Gigabit Ethernet sobre diferentes Interfaces Físicas. Ejemplos: Cisco Catalyst TT 24 10/100-Mbps puertos con dos uplinks UTP 10/100/1000 Cisco Catalyst TC-L 24 10/100-Mbps puertos con dos uplinks UTP o SFP s (doble propósito)

29 Tipos de Puertos Algunos modelos ofrecen slots para ampliación y conexión a nuevas interfaces. SFP (Small Factor Pluggable) Interface para Fast Ethernet Gigabit -10Gigabit con diversos tipos de interfaces físicas. Gbics Interface mas antígua. Mayor tamaño Ejemplos de SFP: SFP para Gigabit 1000BaseSX 1000BaseLX/LH 1000BaseZX 1000BaseTX (UTP) SFP para Fast Ethernet 100BaseTX 100BaseFX Tb. existen para 10Gigabit (lo debe soportar el switch)

30 Buffering Los buffers almacenan los paquetes temporalmente hasta que son retransmitidos al puerto específico. Estos buffers juegan un rol muy importante en Switches que poseen puertos de 10 o de 100 MBPS (o 10/100 autosensing) Pueden ser por puertos y/o compartidos Ejemplo: 32 KB por puerto (RX) 2752 KB compartido (TX) En Cisco 2960 especifica un total de 64 MB de RAM

31 Mecanismo de Retransmisión Tres tipos: Store-and-Forward Almacenan completamente el paquete recibido antes de enviarlo por los otros puertos. Latencia del Switch igual al tamaño del paquete (alto) Proveen excelente chequeo de errores Cut-Through Solo examinan el paquete hasta la dirección destino Muy baja latencia. No ofrece chequeos de error. Modified Cut-through Examina los 64 primeros bytes del paquete Si existe colisión ya se evidencia en esos 64 bytes y además se detectan los runt paquetes.

32 Mecanismos de Retransmisión Store and Forward Pream DA SA Tipo Datos CRC Cut-Through Pream DA SA Tipo Datos CRC Modified Cut-Through Pream DA SA Tipo Datos CRC

33 Mecanismo de Retransmisión Conclusión: Si se necesita alta velocidad y baja latencia utilizar cut-through o modified cut-through Si se necesita estabilidad y eficiencia: Store and Forward La mayoría de los switches permiten ser configurados bajo cualquiera de estos mecanismos de retransmisión.

34 Arquitectura del Backplane La arquitectura del backplane define como los paquetes son transmitidos de un puerto al otro a través de la electrónica interna del switch El throughput del backplane puede alcanzar a valores de varios Gbps dependiendo del tipo de switch Ejemplo: Cisco 3750G-24T 10/100/ Gbps El forwarding rate (característica de performance) se expresa en paquetes por seg que puede transmitir un switch sin pérdida de un paquete. Esta es una característica global de la performance del Switch Ejemplo: Cisco 3750G-24T 35.7 Millones de pps

35 Otras características de los Switches Número de direcciones MAC por puerto Switches del tipo workgroup : 1 MAC Address Backbone Switches: Miles de direcciones Administración RMON Control de tormenta de broadcast ( Broadcast Storm ) Desconecta puertos con gran cantidad de broadcast Posibilidad de Spanning Tree (links redundantes) Apilamiento de Switches

36 El problema de lazos cerrados Considere el siguiente escenario: LAN Y Nodo B T1 T2 Bridge a Bridge b T0 T0 LAN X Nodo A

37 El problema de lazos cerrados Considerando el escenario se tiene: T0: A transmite una trama a B Puentes a y b, ingresan dirección de A en red X Se retransmite la trama a Y B recibe dos tramas iguales Puente a y b, vuelven a actualizar sus tablas (nodo A LAN Y) Los puentes ahora no pueden retransmitir paquetes al nodo A (desde la LAN Y)!

38 El problema de lazos cerrados El problema es más serio: Si los puentes no saben la ubicación del nodo B A transmite trama para B Cada puente retransmite la trama para LAN Y La trama transmitida por a es tomada por B y por b Como b no sabe donde está B, transmite a LAN X Similarmente con el otro puente (a) Ahora hay dos tramas en LAN X que serán retransmitidas a LAN Y Este proceso se repite indefinidamente. Saturación de la RED

39 Algoritmo Spanning Tree (árbol de expansión) Resuelve el problema de los lazos cerrados Se utiliza el algoritmo de spanning tree de la teoría de grafos: Para cualquier grafo conectado (consistente de nodos y vértices), existe un spanning tree (árbol) de vértices que conecta todos los nodos pero que no contiene ningún lazo. En este caso, cada LAN representa un nodo del grafo y cada puente a un vértice: Y a b X

40 Algoritmo Spanning Tree Estándar 802.1D (STP) Para la implementación del algoritmo, los puentes intercambian información para obtener el árbol en forma automática y dinámica El tráfico impuesto por el protocolo es mínimo La recuperación de la caída de un vínculo demora aproximadamente unos 10 a 30 seg Existe un standard de menor tiempo de convergencia: Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP): IEEE 802.1w con un tiempo de convergencia de 2 a 3 segundos.

41 Problemas con Switches Capa 2 Broadcast, Broadcast, Broadcast. Conjunto de dispositivos y Redes LANs conectadas por switches Layer 2 tienen un espacio de direcciones plano (MAC Add) Si un dispositivo cualquiera envía una trama de broadcast, dicha trama es entregada a todos los dispositivos conectados a la red por switches layer 2 En redes grandes, las tramas de broadcast pueden crear gran sobrecarga y disminución de performance. Dispositivos que funcionan mal, pueden crear tormenta de broadcast

42 Problemas con Switches Capa 2 No es posible establecer lazos cerrados (activos) en sistemas con Switches (Existe una alternativa que se denomina Link Aggregation que permite esto: Standar IEEE 802.3ad) Limita performance y balance de carga Solución: dividir la red en subredes conectadas por routers. Broadcast de tramas MAC limitado a dispositivos y switches contenidos en una sola subred. Se puede implementar balance de carga y lazos redundantes activos.

43 Problemas con Routers Routers convencionales procesan los algoritmos de ruteo a nivel de software Redes LAN s y Switches Layer 2 envían millones de paquetes por segundo Routers rebalsan sus buffers internos, por baja tasa de reenvío. Solución: Switches Capa 3 Implementa la lógica de retransmisión de paquetes del router en Hardware Poseen caracteristicas de configuración mas limitada que los routers tradicionales.

44 Switches Layer 3 Permiten rutear paquetes a velocidad de un Switch (ruteo por hardware). Ejemplo: Cisco Catalyst 3750 Ruteo de IP ( RIP, OSPF, EIGRP) Soporte de QoS, Rate-Limiting y ACL s. Además este switch es apilable: Soporte de Stacking hasta 9 U. Tecnología Stack Wise 32 Gbps velocidad de transferencia en el stack Los switches Layer 3 se utilizan principalmente para el ruteo entre LAN s individuales (VLAN s)