Redes de Computadoras Ethernet conmutada

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1 Redes de Computadoras Ethernet conmutada Ing. Eduardo Interiano Ing. Faustino Montes de Oca

2 Contenido Diversos problemas de las comunicaciones LAN Segmentación de LAN Equipos de comunicaciones LAN Conmutación Protocolo STP (IEEE 802.1D) Redes virtuales de área local (VLAN) IEEE802.1Q 2

3 Qué produce la congestión? Computadores más rápidos Las aplicaciones que hacen uso intensivo de la red Aplicaciones multimedia Aumento del número de usuarios de la red Aumento del tamaño de los archivos 3

4 Qué se puede hacer para aliviar la congestión? Se necesita más ancho de banda O usar con más eficiencia el ancho de banda disponible 4

5 Cuáles problemas afectan el desempeño de las redes Ethernet? La naturaleza de broadcast para la entrega de la trama de datos de las LAN Ethernet/802.3 El. método de acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD) Las aplicaciones multimedia con mayor demanda de ancho de banda La. latencia normal de los dispositivos de capas 1, 2 y 3; y la agregada por los repetidores La extensión de las redes Ethernet/802.3 con repetidores 5

6 Desventajas de las redes Ethernet El método de acceso CSMA/CD no garantiza un tiempo de respuesta determinístico El desempeño de la red está en función del número de dispositivos que se conecten. El tráfico no debe exceder el 40% de utilización del ancho de banda. 6

7 Las desventajas de las redes Ethernet Existen colisiones No son determinísticas Son half-duplex Usa broadcast Su rendimiento baja al aumentar el número de usuarios 7

8 Qué es la latencia? La latencia, o retardo de propagación, es el tiempo que una trama o paquete de datos tarda hacer el recorrido desde la estación o nodo origen hasta su destino. 8

9 Qué factores afectan la latencia? El tamaño de la red El número dispositivos de la red El número y tipo de los equipos de comunicación de la red 9

10 Qué es el tiempo de transmisión? Es el tiempo que le lleva a una trama o paquete para desplazarse desde la capa de enlace de datos hasta la capa física A 10Mbps tenemos: 10

11 Equipos de comunicaciones LAN Repetidor (repeater) Transceptor (transceiver) Concentrador (hub) Puente (bridge) Conmutador (switch) LAN Enrutador (router) 11

12 Repetidores, concentradores, puentes, conmutadores, enrutadores y conpuertas (a) La capa de trabajo de cada dispositivo (b) Tramas, encabezados y paquetes 12

13 Repetidores, concentradores, puentes, conmutadores, enrutadores y conpuertas (2) (a) Concentrador (b) Puente. (c) Conmutador 13

14 Repetidor Es el más rápido Usado para extender la longitud física de las redes Trabaja en la capa física del modelo de referencia OSI Existe uno para cada tecnología de red 14

15 Repetidor (2) Los repetidores son equipos diseñados específicamente para amplificar o regenerar la señal que se recibe en su entrada 15

16 Repetidor (3) Repetidor 16

17 Tipos de repetidores Pasivos y activos Amplificadores y regeneradores Al amplificar, se amplifica el ruido y por lo tanto hay un límite a la cantidad de veces que se puede amplificar hasta que la relación señal ruido mínima ya no es satisfecha Al regenerar, se recuperan los datos de la señal y luego se vuelven a transmitir, tal como la primera vez 17

18 Qué desventajas tiene el uso de repetidores? Aumentan el tamaño del dominio de colisión 18

19 Transceptor Usado para cambiar el tipo de medio entre dos segmentos de red Trabaja en la capa física del modelo OSI Existe uno para cada pareja de tecnologías de red 19

20 Concentrador o hub Usado para conectar múltiples nodos a la red Trabaja en la capa física del modelo OSI Puede ser considerado como un repetidor multipuerto 20

21 La escalabilidad 21

22 Por qué segmentar la LAN? Los datos de los segmentos se transmiten a través del backbone La congestión se mantiene dentro del segmento 22

23 Los dominios de colisión Cada segmento comparte el ancho de banda. Los puentes, conmutadores LAN y enrutadores segmentan la red en dominios de colisión. 23

24 Conmutación en la capa de enlace de datos Varias LAN conectadas por un backbone manejan una carga total mayor que la capacidad de una LAN simple 24

25 Puente Trabaja en la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI Utiliza las direcciones físicas para intercambiar información entre nodos Divide una red grande en segmentos pequeños ayudando a reducir el tráfico y aumentando el rendimiento de la red 25

26 Puente Los puentes sirven para unir dos tipos de redes diferentes Los puentes no toman en cuenta los protocolos de los niveles altos Su función está localizada en el subnivel MAC del nivel de datos del modelo OSI Típicamente trabajan en software 26

27 Puente 27

28 Segmentación con puentes Filtran las tramas. Añaden más latencia (10% a 30%), por trabajar en software. Aumentan el ancho de banda al existir menos usuarios por segmento. Utilizan las direcciones MAC para crear tablas de puenteo. 28

29 Segmentación con puentes (2) La segmentación hace que hayan menos usuarios por segmento Los puentes almacenan y luego envían tramas basándose en direcciones de capa de enlace de datos Son independientes de los protocolos de capa de red Aumentan la latencia 29

30 Interconexión local de redes Los puentes tienen tablas con las direcciones MAC de los clientes conectados a cada puerto Para B2 el cliente A se encuentra en LAN2 30

31 El algoritmo backward learning Usado por los puentes transparentes para administrar las tablas de mapas entre direcciones MAC Al inicio, cuando las tablas están vacías, el puente usa flooding y envía las tramas por todos los puertos Las interfaces del puente funcionan en modo promiscuo y analizan las direcciones MAC de todas las tramas que reciben Las direcciones MAC así aprendidas son marcadas con la hora y sufren de envejecimiento 31

32 Tablas de puenteo 32

33 El algoritmo usado por los puentes para transmitir Si la trama entra por el mismo puerto en el cual está el destino; entonces, ignórela Si la trama entra por un puerto diferente al destino; entonces, envíela por el puerto destino Si no conoce el puerto destino de la trama; entonces, envíela por todos los puertos (flooding) 33

34 Puenteo desde 802.x a 802.y Operación de un puente LAN desde hacia (Access Point) 34

35 Puenteo desde 802.x a 802.y (2) Debido a las diferencias en los formatos de tramas IEEE 802, el puente debe reformatear las tramas al cambiarlas de un puerto a otro El puente debe ser transparente 35

36 Puentes remotos Los puentes remotos pueden ser usados para interconectar LAN distantes. Pueden usar protocolos como PPP 36

37 Enrutador Trabaja en la capa de red del modelo de referencia OSI Traslada datos de una red a otra utilizando direcciones lógicas o direcciones de red Determina la mejor ruta para enviar los datos basado en una tabla de rutas que construye 37

38 Enrutador Enrutador 38

39 Enrutador Los enrutadores si toman en cuenta los protocolos de los niveles superiores. Están diseñados para soportar ciertos tipos de protocolos como son TCP/IP, SPX/IPX, DEC, XNS, etc. 39

40 Segmentación con enrutadores Provocan pérdida de rendimiento de los protocolos (20% a 30% y 30% a 40%). Basan sus decisiones de envío de paquetes en la capa de red. 40

41 Segmentación con enrutadores (2) Más configurable Mayor funcionalidad Múltiples rutas activas Dominios de colisión y broadcast más pequeños Operan en las capas 3 y 4 del modelo OSI 41

42 Enrutador 42

43 Topología de una red ejemplo A C B

44 Conmutador LAN Trabaja en la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI Trabajan en hardware y se pueden considerar como puentes multipuerto Proveen enlace dedicado de alta velocidad entre segmentos de redes 44

45 Conmutador LAN Divide una red grande en segmentos pequeños ayudando a reducir el tráfico y aumentando el rendimiento de la red Reducen el tamaño de los dominios de colisión, aumentando el número de dominios de colisión; esto es llamado microsegmentación 45

46 Conmutador LAN Filtran tramas basados en las direcciones de la capa de enlace o direcciones MAC Crean rutas o canales virtuales de comunicación entre pares de puertos de tal forma que la comunicación entre un par de puertos no se ve afectada por otra comunicación entre cualquier otro par de puertos En el caso de tener un único host por puerto del conmutador, permite la comunicación full-duplex, duplicando efectivamente el ancho de banda 46

47 Conmutador Conmutador 47

48 Segmentación con conmutadores LAN Aumentan la latencia; pero menos que los puentes por trabajar en hardware Por lo demás tienen las mismas ventajas que los puentes. Utilizan diferentes estrategias para la conmutación de las tramas. 48

49 Ethernet conmutada 10/100 49

50 FastEthernet conmutada 50

51 Segmentación con conmutadores LAN (2) Un conmutador elimina el impacto de las colisiones mediante la microsegmentación Baja latencia a velocidades elevadas de envío de tramas en cada puerto de interfaz Funciona con las tarjetas de interfaz de red y cableado existentes que cumplan con IEEE (CSMA/CD) 51

52 Conmutación LAN Existen dos tipos: Conmutación simétrica: conexiones conmutadas entre puertos de la misma velocidad. Ejemplo entre puertos de 10Mbps o entre puertos de 100Mbps Conmutación asimétrica: conexiones conmutadas entre puertos con velocidades diferentes. Ejemplo 1 puerto de 100Mbps y varios de 10Mbps 52

53 Estrategias de conmutación LAN Estrategias de conmutación LAN, cuáles tipos existen? Existen al menos dos grandes tipos: Almacenamiento y envío (Store and Forward) Fast switching Corte (cut-through) Libre de fragmentos (Fragment free) 53

54 Estrategias de conmutación: Corte Recibe los primeros 14 bytes de la trama hasta leer la dirección MAC del destino y luego retransmite Es el más rápido de los métodos de conmutación 54

55 Estrategias de conmutación: Libre de fragmentos Recibe los primeros 64 bytes y verifica que no haya habido colisiones antes de retransmitir Introduce una latencia o retardo medio correspondiente a 64 bytes 55

56 Estrategias de conmutación: Almacena y transmite Recibe toda la trama hasta verificar con el FCS que aquella no tiene errores y luego retransmite Es el más lento de los métodos, introduce un retardo por latencia que depende del tamaño de la trama (64 a1518 bytes) 56

57 Estrategias de conmutación: comparación de la latencia A A B Cut-through B 64 bytes Fragment-free Store and forward t 57

58 Puentes Spanning Tree Dos puentes trasparentes en paralelo pueden tener una tormenta de broadcast 58

59 El protocolo spanning tree El STP permite que existan caminos redundantes a prueba de fallas en la red; sin que existan lazos en la red Usa unas tramas especiales llamadas BPDU (Bridge Protocol Data Units) para establecer la topología de la red El STP detecta y desactiva los lazos en la red, deshabilitando algunas interfaces de los conmutadores, que son activadas en el caso de falla de una conexión activa 59

60 Puentes Spanning Tree (2) El spanning tree crea una topología libre de lazos (a) LAN interconectadas (b) Un spanning tree cubriendo las LAN 60

61 Los estados del STP Blocking: No transmite; escucha BPDU Listening: No transmite; escucha tramas Learning: No transmite; escucha direcciones Forwarding: transmite tramas; escucha direcciones Disabled: No transmite ni escucha BPDU 61

62 Virtual LANs Un edificio con cableado centralizado que usa concentradores (hubs) y conmutadores (switches) 62

63 LAN virtuales (VLAN) Una VLAN es un grupo lógico de dispositivos de red que no están limitados a estar físicamente conectados a un único segmento físico Los dispositivos o usuarios de las VLAN pueden ser agrupados por función, departamento o aplicación independientemente de en cual segmento físico se encuentren Las VLAN crean un dominio de broadcast que no está restringido a un mismo segmento físico y son tratadas como una subred 63

64 Redes virtuales de área local VLAN (a) Cuatro LAN físicas organizadas por dos puentes en dos VLAN, gris y blanca. (b) Las mismas 15 máquinas organizadas en VLAN por conmutadores LAN (switches) 64

65 Asignación de VLAN Cada puerto es asignado a una VLAN Cada dirección MAC es asignada a una VLAN Cada protocolo de capa 3, dirección IP o subred es asignada a una VLAN 65

66 El estándar IEEE 802.1Q Conmutadores con conocimientos de 802.1q Los símbolos sombreados son conocen acerca de VLAN; los vacíos no. 66

67 El estándar IEEE 802.1Q (2) La trama y nuevo formato 802.1Q Pri 3 bits: para priorizar tráfico. Tiempo real duro, suave e independiente del tiempo CFI 1 bit: indica que viaja una trama Identificador de VLAN: 12 bits 67

68 Referencias Tanenbaum, Andrew S.. Redes de Computadoras 3ª Ed. Pearson, México,

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