Fundamentos de Redes de Computadoras

Transcripción

1 Fundamentos de Redes de Computadoras Modulo III: Fundamentos de Redes LAN Objetivos Aplicaciones de Redes LAN Topologías Medios de Transmisión Control de Acceso al Medio Modelo IEEE 802 Protocolo CSMA/CD Topologías Token Ring Topologías 1

2 Aplicaciones de Redes LAN Redes de PC s Bajo Costo Velocidad de transmisión limitada Redes peer to peer o redes de servidores centralizados Redes de Backend y almacenamiento Interconexión de grandes sistemas (mainframes y dispositivos de almacenamiento masivo) Alta velocidad (> 100 Mbps) Interfaces de Alta Velocidad Distancia limitada Número de dispositivos limitados 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 (SAN) Discos rígidos, librerías de cinta y Arreglo de CD s Redes departamentales 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 2

3 Diagrama esquemático LAN & SAN Elementos de una LAN Topología Medio de transmisión Control de acceso al medio (compartido) 3

4 Topologías Arbol Bus Anillo Estrella LAN Topologies 4

5 Transmisión en Bus 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. 5

6 Transmisión en Anillo Topología Estrella Cada estación se conecta a un nodo central El nodo central puede usar broadcast Estrella física, bus lógico Solo una estación puede transmitir en un dado momento. El nodo central puede actuar como un switch 6

7 Medio de transmisión Par trenzado sin apantallamiento unshielded twisted pair (UTP) Voice Graded Cat 3 Económico Baja tasa de transmisión (alrededor de 4 Mbps) Poco uso en la actualidad Par trenzado con apantallamiento (FTP y STP) Mayor ancho de banda Mejor inmunidad RFI y EMI Poco uso (uso para casos especiales) Coaxial Ancho de banda moderado Usado para Banda Base y Banda Ancha Buena inmunidad RFI y EMI Poco uso 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 Precios en considerable disminución 7

8 Arquitectura de Protocolos 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) IEEE 802 v OSI 8

9 Capas Física Codificación/decodificación Generación/Eliminación de preámbulos Transmisión/recepción de bits Medio de transmisión y topología Debajo del modelo OSI 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, varias opciones de MAC pueden estar presentes 9

10 Capas 802 Control de Enlace Lógico (LLC) Interface a niveles superiores Control de error y flujo Funciones similares a una capa de enlace del modelo OSI LAN: Capas 10

11 Control de Acceso al Medio Dónde Central Mayor control Evita el problema de coordinación para acceso al medio. Permite asignar prioridades y reservas Punto único de falla Cuello de botella potencial Distribuido Cómo Sincrónico Capacidad específica dedicada a la conexión Asincrónico Otorgamiento en demanda. Reserva Asincrónica Round robin (rotación circular) Apropiado si muchas estaciones tienen datos a transmitir sobre un período largo de tiempo Reserva Buena para tráfico contínuo Contención Todas las estaciones compiten por el acceso al medio Bueno para tráfico de ráfagas Distribuido Simple de implementar Eficiente bajo carga moderada Tiende a colapsar bajo gran carga Las más comunes son las de contención y round robin 11

12 Formato Genérico Trama MAC Difieren de acuerdo al protocolo de acceso al medio Genéricamente poseen Campo de Control Dirección MAC Destino Dirección MAC Origen Datos de la capa LLC (info) CRC Capa MAC detecta errores y descarta tramas. La retransmisión de tramas con errores es función de una capa superior. Ethernet (CSMA/CD) Carriers Sense Multiple Access with Collision Detection Xerox Ethernet (Bob Metcalfe & David Boggs) Año 1973 Estandar IEEE

13 IEEE802.3 MAC Acceso Aleatorio Estaciones acceden al medio en forma aleatoria Contención Estaciones compiten por el acceso al medio Primera técnica de uso de contención: ALOHA ALOHA (puro) Redes de paquete de radio ( Packet Radio Net ) Cuando una estación tiene una trama para transmitir: la 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) 13

14 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% CSMA En una red LAN (como en una red radial) 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 comienzan 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 (longitud del medio ) y long. de trama Tramas más grande y menor tiempo de propagación ofrece mayor utilización 14

15 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 esta ocupado, espere un tiempo aleatorio y repita el paso 1. Retardo aleatorio reduce la probabilidad de colisiones Capacidad de canal desperdiciada! 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 esté libre; transmita inmediatamente. Si dos o mas estaciones esperan por liberación del canal, existirá colisión (con certeza) 15

16 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? 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 16

17 CSMA: Variantes Delay (variable) Non-Persistent Canal Ocupado Ready 1-Persistent P-Persistent Tiempo CSMA/CD Con CSMA, colisión ocupa el medio por la duración de la transmission Estationes escuchan mientras transmiten El protocolo sería: 1. Si el medio esta desocupado, transmita, sino vaya a Si está ocupado, escuche hasta que se libere el canal, y entonces transmita 3. Si se detecta la colisión, emitir señal de jam y detener la transmisión 4. Después del jam, espere tiempo aleatorio y vaya a 1 17

18 CSMA/CD Qué Algoritmo de persistencia usar? IEEE usa 1-persistent Tanto nonpersistent como p-persistent tienen problemas de performance 1-persistent (p = 1) más inestable que p-persistent Varias estaciones pueden aguardar transmitir simultáneamente Ventaja: Tiempo desperdiciado debido a colisiones pequeño (Tramas largas relativas al tiempo de propagación) Con random backoff, colisión poco probable en el próximo intento Para asegurar estabilidad, IEEE usa espera exponencial binaria ( binary exponential backoff ) 18

19 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 por 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) 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 (denominada de presencia de colisión) 19

20 Formato Trama IEEE Tamaño máximo de la trama: 1518 (excluyendo preambulo y SFD). Tamaño máximo de datos encapsulados: 1500 Bytes 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 utiliza el mismo preámbulo y SFD, salvo que denomina a estos 8 Bytes preámbulo. En Fast Ethernet se usa señalización contínua para la sincronización. 20

21 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 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. LSB (G/I)(G/L)XXXXXX 1er. octeto MSB G/I : Group/Individual Bit G/L : Global/Local Bit Direcciones MAC Group Addressing se utiliza para especificar grupos de multicast. 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 21

22 Formatos del Frame Existen dos formatos: Ethernet II: usado por IPX, TCP/IP, Appletalk Ethernet 802.3: usado por IPX Para que pueda existir comunicación entre dos nodos, los formatos deben ser idénticos. Formato y II Ethernet_802.3: Propuesto por el estándar IEEE DD DO Long Datos Pad FCS Long: Longitud del campo de datos Si Long > 0x05DC (1500), el frame es versión II 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 0x8137: IPX Hoy en día, incluye el campo Type/Long que dependiendo del valor (mayor o menor a 0x05DC) dependerá si representa al campo de longitud o tipo. 22

23 Especificación 10Mbps (Ethernet) <data rate><método señalización ><Max long Segmento> 10Base5 10Base2 10Base-T 10Base-F Medio Coaxial Coaxial UTP Fibra 850nm Señaliz. Baseband Baseband Baseband Manchester Manchester Manchester Manchester On/Off Topología Bus Bus Estrella Estrella Nodos x segmento 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 23

24 Segmento 1 (Poblado) Segmento 3 (Poblado) Segmento 5 (Poblado) Topología Bus Coaxil Fino Coaxil Grueso Distancia máxima del segmento 185 mts Distancia máxima del segmento 500 mts Topología Bus: Segmentos Rep. Segmento4 (Sin poblar) Rep. Rep. Segmento 2 (Sin poblar) Rep. 24

25 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. 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 25

26 Topología Estrella Concentrador único Concentrador Concentradores en Backbone Backbone (Coaxil - Fibra) Concentrador 1 Concentrador 2 Topología Estrella: Ventajas y Desventajas Ventajas: Alta disponibilidad integral Mayor posibilidad de expansión Apropiada para Cableado Estructurado Modular Desventajas: Mayor Costo Single point of failure (hub) 26

27 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? 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)*2 + (Retardo total de cables)*2 + (Retardo total de DTE s)*2 < 512 bits-seg Repetidor Cable Cable Estación (NIC) Estación (NIC) 27

28 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 Regla de los 5 Segmentos (Ethernet) Regla empírica Definición: Segmento: Unión o enlace entre dos dispositivos Ethernet (dos repetidores o un repetidor y un nodo). Regla de los 5 segmentos: 5 segmentos permitidos. 4 hops de repetidores. 3 segmentos pueden ser poblados por nodos. 2 segmentos no pueden ser poblados por nodos (IRL - interrepeater links ) 1 dominio de colisión con un máximo de nodos 28

29 s t Q t r 2 n d Q t r s t Q t r 1 s t Q t r 2 n d Q t r 2 n d Q t r s t Q t r 1 s t Q t r 2 n d Q t r 2 n d Q t r Token Ring (IBM) Norma desarrollada por IBM Velocidad de Transmisión de 4 o 16 MBits/seg Topología Lógica: Anillo Topología Física: Estrella Estándar IEEE Actualmente existen velocidad de 100Mbps y 1Gbps sobre Token Ring. Token Ring: Principio de Funcionamiento File Server Token libre 29

30 Access Control Token Ring: Formato del Frame Starting Frame Delimiter (8 bits) Prioridad (3 bits) T 1 M 1 Reserva (3 bits) Ending Frame Delimiter (8 bits) Token Libre SD (1B) AC (1B) FC (1B) DA (6B) SA (6B) DATOS (>= 0) FCS (4B) ED (1B) FS (ED) Frame con Datos Campos de trama Token Ring Los campos del frame Token Ring son: SD ( Starting Delimiter ). 1 Byte Indica comienzo del frame JK0JK000 AC ( Access Control ) 1 Byte Patrón: PPPTMRRR PPP: Campo de Prioridad. T: Campo de Token libre (0) u ocupado (1) M: Campo de Monitor RRR: Campo de Reserva 30

31 Campos de trama Token Ring FC ( Frame Control ) 1 byte Indica si en la porción de datos, van datos o no. Si no van datos, este campo controla operación del protocolo DA y SA ( Destination y Source Address ) 6 bytes cada una Direcciones nodo destino y origen FCS ( Frame check sequence ) 4 bytes Idem que IEEE Campos de trama Token Ring ED ( Ending Delimiter ) 1 Byte Si token libre (T=0), ED igual al SD. Si token ocupado (T=1), contiene en los dos últimos bits un campo de I ( Intermediate ) y otro de E ( Error ) (JK1JK1IE) Error bit: Establecido por cualquier estación que detectó un error en el frame Intermediate bit: Indica que la trama forma parte de una serie de tramas (y no es la última) FS ( Frame Status ) 1 Byte Contiene los bits A ( Add Recognized ) y C ( Copied ) Los bits r son reservados (futuras modificaciones) Patrón: A C r r A C r r 31

32 Tramas Token Ring Tamaño Máximo de la Trama 4550 Bytes (4 Mbps) Bytes (velocidades superiores) Una estación puede transmitir tantas tramas como su Token Holding Timer se lo permita Valor por default: 4 mseg Esta característica permite poseer el medio de comunicación por un mayor tiempo, y hacer transferencias de flujo de datos (stream) en forma más rápida Concepto utilizado también en Gigabit Ethernet (Ráfaga de tramas) Principio básico de operación (Sin prioridad) Bits RRR y PPP = 000 (Sin prioridad ni reservas) Transmisión: Estación transmisora toma el token (T -> 1) SD y AC pasan a formar parte del frame con dato Se transmite uno o mas frames Depende del tamaño del paquete o del token-holding timer Cuando llega el AC del último frame al transmisor, genera un nuevo token libre. T -> 0 Agrega un ED 32

33 Principio básico de operacion Recepción: Cualquier estación que detecta un error pone E = 1 Estación receptora detecta su propio MAC A -> 1 Si copia la información a su buffer: C -> 1 El transmisor puede saber: A = 1, C = 1. Trama Recibida A = 1, C = 0. Destino existe pero no se recibió el frame A = 0, C = 0. Destino no activo (o no existe) Prioridades y reservas Usan los campos RRR y PPP del AC. Una estación que tiene una prioridad mayor que la del token, lo puede reservar (RRR) Cuando la estación genera un token libre, lo genera con el campo PPP = RRR Las estaciones intermedias (de menor prioridad) dejan pasar el token y lo toma la estación que hizo la reserva (u otra de igual o mayor prioridad) La estación que levantó la prioridad la baja finalmente. Este esquema permite el anidado de prioridades 33

34 Ejemplo: Prioridades y Reservas Ejemplo: Prioridades y Reserva 34

35 Ejemplo: Prioridades y Reserva Mantenimiento del token Problema del protocolo: El mantenimiento del token Control centralizado Una estación se designa como monitor (activo) Genera periódicamente una señal de presencia Pérdida de token: Utiliza un mecanismo de timer (tiempo máximo de duración de una trama) Si se detecta pérdida, genera un token nuevo 35

36 Mantenimiento de Token Falla de Absorción del Frame Utiliza bit M del campo AC Pone M -> 1 en cada trama que pasa por el. Si ve pasar una trama con M = 1, significa que la estación destino no absorbió la trama Emite un token nuevo con T = 0 Falla de Mecanismo de Prioridades Estrategia similar a la del bit M. No puede circular un frame con prioridad constante distinta de cero en el anillo Token Ring: Ventajas y Desventajas Ventajas: Alta Performance Apropiado para redes de gran tráfico y gran número de nodos Fácil conectividad con Mainframes/Mid-Range IBM (pasado) Desventajas: No-standard del mercado Alto costo en placas y accesorios En redes de bajo tráfico puede ser más ineficiente que Ethernet 36

37 s t Q t r 2 n d Q t r s t Q t r 2 n d Q t r Topología Física Token Ring Topología Estrella Emplea Concentradores Token Ring... Ring In..... Concentrador T.Ring Ring Out Token ring en la actualidad. Soporta mecanismos conmutados (switched Token Ring) Dedicated Token Ring Año 1997 Velocidades de 100 Mbps y 1 Gbps Año 2001 Su uso a nivel mundial, cada vez decrece siendo desplazado por Ethernet y normas derivadas de mayor velocidad. 37