Unidad 1. Introducción

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1 Redes de Área Local e Interconexión de Redes Unidad 1. Introducción Facultad de Informática Curso 2008/2009 Indice Introducción a las Redes de Área Local Motivación Por qué?, Para qué? Definición de Red de Área Local Clases de Redes Criterios? Usos de las RAL Componentes de una RAL Topologías Arquitectura IEEE LAN 2 1

2 Motivación: Objetivos de las RALs Proporcionar acceso ubicuo a recursos compartidos: Dispositivos (impresoras, plotters, etc.) Potencia de cómputo Datos (bases de datos, sistemas de ficheros, etc.) Comunicar usuarios remotos (p.e., , telefonía IP, etc.) Llevar a cabo transacciones (banca-e, comercio-e, gestión de stocks) Ahorrar dinero: downsizing 3 Definición de Red de Area Local Una red de área local es una red de comunicaciones que facilita la interconexión de una amplia variedad de dispositivos de transmisión de datos, proporcionando altas velocidades d de transmisión ió y baja tasa de errores, en una área geográfica relativamente pequeña. LAN EXTENDIDA??? Red de comunicaciones fiable y de alta velocidad Variedad de dispositivos PC s, mainframes, impresoras, estaciones de trabajo, disp. móviles Propiedad y administración La RAL normalmente pertenece a una sola organización. Implica administración, rentabilidad de la inversión, etc.. Area geográfica Normalmente restringida a un solo edificio o conjunto de edificios (campus, etc.). 4 2

3 Clases de redes 5 Usos de las RAL Redes de oficina Conectan ordenadores de muy variadas prestaciones y requisitos. Compartir recursos Servidores de impresión, disco, etc. También pueden conectar dispositivos de procesamiento de imágenes: sistemas de tratamiento gráfico, scaners, plotters, etc. necesitando mucho ancho de banda (telemedicina, etc.) Interconexión de supercomputadores (Backend Networks) Conectan computadores de muy altas prestaciones y alta capacidad de almacenamiento. Procesamiento distribuido 6 3

4 Usos de las RAL (cont.) Clusters de PCs Buena relación prestaciones/precio Tolerancia a fallos 7 Usos de las RAL (cont.) Redes industriales Conectan diversos dispositivos de control: sistemas de visión, robots, sensores, controladores programables,... Redes dorsales (Backbone Local Networks) Red de alta capacidad encargada de conectar el resto de redes (LAN) de la organización, y conectar estas a redes WAN. LAN EXTENDIDAS, ESQUEMA??? 8 4

5 RAL por capas SuperComputadores Servidores Red Dorsal Cluster Ofimática 9 PVM, CLUSTERS W2000 Componentes de una RAL Cinco componentes básicos: Clientes Servidores Tarjetas de red (NIC: Network Interface Card) Cables y concentradores Sistemas operativos de red 10 5

6 Componentes de una RAL Cliente Tarjeta de red (NIC) Servidor Cable de red 11 Tarjetas de red Muchos ordenadores no se suministran con una tarjeta de red incorporada. La tarjeta de red permite al ordenador conectarse físicamente al cable de red, el cual proporciona la conexión (nivel físico) entre los ordenadores de la red. La mayoría de tarjetas de red se instalan dentro del computador. 12 6

7 Cables de red Cada ordenador debe conectarse mediante un medio de transmisión (camino físico) a los otros computadores de la red. Longitud Seguridad Instalación Coste La elección de una RAL puede verse influenciada en gran medida por el tipo de cableado ya existente. 13 Medios de Transmisión Factores relacionados con el medio de transmisión y la señal, que determinan la distancia y velocidad: Ancho de banda Al aumentar el ancho de banda -> puede incrementarse la velocidad ( ejemplo: velocidad W bps -> 2W Hz de A.banda) Atenuación En orden decreciente: par trenzado -> cable coaxial -> fibra Interferencias Pares trenzados, en mangueras Número de receptores Atenúan y distorsionan la señal -> menor distancia 14 7

8 Hilos de Cobre MdT: Par trenzado (I) Descripción física: Consiste en dos cables aislados y trenzados en forma espiral. Los cables son de cobre o de acero cubiertos de cobre. El trenzado minimiza la interferencia entre pares. Los cables tienen un diámetro entre y pulgadas. Conectores Aislante 15 UTP STP Trenzado, reduce las interferencias electromagnéticas MdT: Par trenzado (II) Características de transmisión: Se utilizan para transmitir tanto señales analógicas como digitales. Muy utilizado en telefonía (ancho de banda 4 KHz). Se pueden transmitir hasta 24 canales de voz mediante FDM utilizando un ancho de banda hasta 268 KHz. Redes de Area Local, a 10, 100, 1000 Mbps Tipos: UTP: Unshielded Twisted Pair (No apantallado) STP: Shielded Twisted Pair (apantallado, malla metálica) 16 8

9 MdT: Par trenzado (III) Categorías (Norma EIA-568-A): Categoría 1 = Sin criterios de prestaciones Categoría 2 = Hasta 1 MHz (cableado telefónico) Categoría 3 = Hasta 16 MHz (Ethernet 10Base-T) Categoría 4 = Hasta 20 MHz (Token-Ring, 10Base-T) Categoría 5 (y 5e) = Hasta 100 MHz (100Base-T, 10Base-T) Categoría 6 (y 6e)= Hasta 550 MHz (1-10GBase-T) Conectividad: Es más utilizado para conexiones punto a punto. Ámbito geográfico: En RAL s unos 100 m. 17 MdT: Par trenzado (y IV) Inmunidad al ruido: Es bastante susceptible a las interferencias y ruido debido a la facilidad de acoplamiento de campos electromagnéticos. Si corre paralelo a una línea de corriente eléctrica puede inducir una señal de 50 Hz Los pares adyacentes pueden producir cruce de líneas Coste: Es más barato que el coaxial y el óptico en coste por metro. Sin embargo, dadas sus limitaciones de conectividad, los costes de instalación pueden aproximarse a los de otros medios. 18 9

10 MdT: Coaxial (I) Descripción física: Consiste en dos conductores aislados de cobre o aluminio de forma que uno recubre al otro en toda su longitud. Los cables tienen un diámetro entre 0.4 y 1 pulgadas. Se utilizan dos tipos de cables de 75 Ω (CATV) y 50 Ω. Menos susceptible a interferencias que el par trenzado Es más barato que el óptico y más caro que el par trenzado en coste por metro. Aislante Vivo Malla Conectores 19 MdT: Coaxial (II) Características de transmisión: En redes de área local se utiliza tanto en transmisión en banda base, como banda ancha. El de 50Ω se utiliza exclusivamente para transmisión digital. Normalmente se emplea codificación Manchester. La velocidad de transmisión llega a los 10 Mbps. (10BASE2) El de 75Ω se utiliza tanto para transmisión digital como para analógica. (10BROAD36) Para señales analógicas son posibles frecuencias hasta 300 ó 400 MHz. Utilizando banda ancha se pueden definir un gran número de canales FDM (señal de TV = 6 MHz). Para los datos digitales se utilizan ASK, FSK o PSK. En un canal se pueden alcanzar entre 5 y 20 Mbps. Para mayores velocidades (>50 Mbps) es necesario el ancho de banda completo (Banda portadora)

11 MdT: Coaxial (y III) Conectividad: Se utiliza tanto para conexiones punto a punto como para multipunto. Es más utilizado para conexiones multipunto. El de 50Ω soporta una centena de dispositivos, mientras que el de 75Ω puede llegar a mil. Ámbito geográfico: En banda base 0.5 a 1 Km. En banda ancha unas pocas decenas de Km. En banda portadora (50 Mbps) en torno a 1 Km. 21 MdT: Fibra óptica (I) Descripción física: Consiste en tres secciones concéntricas, el núcleo (uno o más hilos de vidrio o plástico) está revestido con una envoltura de vidrio o plástico de propiedades ópticas distintas. La envoltura externa protege el conjunto. Revestimiento i t Cubierta Núcleo 22 11

12 MdT: Fibra óptica (II) Características de transmisión: Monomodo ( 100 Gbps -> 1 Km ) Multimodo ( 100 Mbps -> 300 m ) 23 Futuro: Multimodo índice graduado ( 100 Mbps -> 4 Km ) WDM (Wavelength Division Multiplexing). 1 Tbps MdT: Fibra óptica (III) Conectividad: Se utiliza tanto para enlaces punto a punto como para multipunto. Los emisores pueden ser LED (ligth-emiting diode) o ILD (injection laser diode) y los receptores son dispositivos de estado sólido PIN (silicio intrínseco entre niveles P y N de un diodo) o APD (fotodiodo de avalancha). Ambito geográfico: Con la tecnología actual se pueden conseguir distancias de 300 Km

13 MdT: Fibra óptica (y IV) Inmunidad al ruido: No le afectan las interferencias magnéticas ni eléctricas, lo que permite altas velocidades sobre grandes distancias y una alta seguridad. Coste: Es más caro que el coaxial y el par trenzado en coste por metro, componentes requeridos e instalación. 25 MdT: Valoración cualitativa Comparación de los diferentes tipos de medios de transmisión: 26 13

14 Concentradores Los concentradores de red toman varios nombres según el tipo de red y el fabricante. Concentrador (hub), Multistation access unit, Transceiver, Repetidor Funciones principales: Proporcionan una forma sencilla de conectar concentrar- los cables de red Actúan como repetidores o amplificadores para contrarestar la atenuación. Algunos concentradores son inteligentes, dado que pueden detectar y responder ante problemas en la red. 27 S.O de red Software que controla la red y permite la conexión lógica de estaciones y otros dispositivos a la misma. Posibilita que los usuarios de la red se comuniquen y compartan recursos Tipos de sistemas operativos: Genéricos 28 Windows UNIX/LINUX Específicos Novell Netware IOS (dispositivos CISCO) 14

15 S.O. de red Cada S.O de red proporciona dos conjuntos de software: Uno que se ejecuta el servidor(es) Uno que ejecutan los clientes. Servicios de red ofrecidos transferencia de ficheros, compartición de recursos (SAMBA,..), acceso remoto (TELNET, SSH, Xmanager), etc. Integrados en los propios sistemas operativos o como programas independientes. 29 Topologías Topologías punto a punto Estrella Anillo Irregular Topologías multipunto Anillo Bus 1) Complejidad Instalación 2) Tolerancia a fallos 3) Gestión de averías 4) Capacidad de expansión 5) Coste 6) Topología -> MAC Estrella 30 15

16 T. en Bus / Arbol. (I) Topología en Bus / Arbol. 1) Repetidor?? 2) MAC?? R Transceiver (TAP) R Repetidor Terminador R R Cable de Transceiver (50 m) R R 31 T. en Bus / Arbol. (II) Operación: Todos los dispositivos comparten el mismo medio físico. Las estaciones transmiten los datos en forma de paquetes que contienen la dirección del destino. El paquete se propaga a través del medio. Todas las estaciones reciben el paquete. La estación destino copia el paquete. Medio dividido idid en segmentos -> adecuar potencia señal. Señal absorbida por el terminador

17 T. en Bus / Arbol. (III) Normalmente la transmisión es bidireccional y utiliza banda base: Banda base Bidireccional Minoritariamente existen redes en las que la transmisión es unidireccional y utiliza banda ancha: f1 f2 Banda (ancha) partida 33 Banda ancha cable dual T. en Bus / Arbol. (IV) Banda Ancha / Configuración Dual y Partida A diferencia de los sistemas de banda base, las tomas (taps) utilizadas permiten que las señales se propaguen en una sola dirección. Esto significa que solamente las estaciones que se hallen aguas abajo recibirán esas señales. Se necesitan dos caminos de datos. Estos dos caminos se juntan en un punto que se denomina cabecera (headend). En el caso de un bus la cabecera es un extremo del bus, en el caso de un árbol la cabecera es la raíz del árbol. Configuración Física 34 Cable Dual: Entrada y salida en cables separados, la cabecera es un conector. Frecuencia Partida: Frecuencia Partida: Entrada y salida en bandas de frecuencia distintas, la cabecera puede ser un conversor de frecuencia (analógico) o un remodulador (digital) 17

18 T. en Bus / Arbol. (V) Técnicas de transmisión: Banda base: Par trenzado o coaxial. Banda ancha: Coaxial. Banda Base Señalización digital (Manchester o Manchester diferecial) La señal consume el ancho de banda completo Bidireccional Bus Unos pocos Km Banda Ancha Señalización Analógica (requiere módem) Posible FDM (datos, vídeo, audio) Unidireccional Bus o árbol Decenas de Km 35 T. en Bus / Arbol. (y VI) Comparación Banda Base / Banda Ancha Ventajas Banda Base - Barato (sin módem) - Tecnología más simple - Facilidad de instalación Banda Ancha - Alta Capacidad - Múltiples tipos de tráfico - Configuraciones más flexibles - Cobertura grandes distancias - Tecnología CATV Desventajas - Canal único - Capacidad limitada - Distancia limitada - Coste de los módems - Complejidad de instalación y mantenimiento - Retardos de propagación dobles

19 T. en Bus de f. óptica (I) Medio óptico: Topología en Bus Acceso a un bus de fibra óptica se realiza mediante acopladores que pueden ser activos o pasivos Estación Estación Fibra Optica Detector Óptico Decodi ficador Codifi cador Trans. Óptico Fibra Optica Fibra Optica Fibra Optica Receptor Transmisor O->E E->O 37 Acoplador Activo 1) Coste?? 2) Retardo?? 3) Distancia?? Bypass Acoplador Pasivo T. en Bus de f. óptica (II) Configuraciones Bus unidireccional A Bus unidireccional A Bus unidireccional A Bus con bucle DQDB Bus unidireccional B Doble bus 38 19

20 T. en Anillo (I) Topología en Anillo Transmisión Escucha Bypass 39 T. en Anillo (II) Estados: Transmisión: 40 Cada estación es responsable de retirar de la red el paquete que están emitiendo (no hay terminadores). Escucha: Cada bit recibido es retransmitido con un retardo de un bit necesario para: Analizar la dirección de destino de la trama Copiar el bit correspondiente en el caso de que la estación sea la destinataria de la trama. Modificar determinados bits (reconocimiento, reserva de prioridad, etc.) a medida que la trama pasa por la estación. Bypass Cuando las estaciones no están activas (apagadas) o ha sucedido algún fallo 20

21 T. en Anillo (III) Ventajas: Posee las ventajas de cualquier otra topología multiacceso (las tramas llegan a toda la red simultáneamente ). Las conexiones punto a punto permiten cubrir mayores distancias. El mantenimiento del cableado es más fácil. La electrónica emisión/recepción ió ió es más simple. 41 T. en Anillo de f. óptica (I) Medio óptico: Topología en Anillo La forma de operación es idéntica a la del anillo con medio metálico, pero se pueden lograr mayores distancias debido a la utilización de fibra óptica. FDDI 42 Anillo Doble Reconfiguración fallo de enlace Reconfiguración fallo de estación 21

22 T. en Estrella (I) Topología en Estrella (Bus lógico) Dos pares trenzados HUB de Cabecera HUB Intermedio HUB Intermedio HUB de Cabecera HUB Intermedio HUB Intermedio 43 Hubs: 1ª, 2ª, 3ª y 4ª Generación??? T. en Estrella (II) Características: Utiliza principalmente par trenzado, uno par para emisión y otro para recepción. Pueden utilizarse los cables telefónicos existentes. Distancias entre el HUB y la estación de hasta 100 m. Problemas: El cableado existente puede no ser adecuado para transmisión de datos. El par trenzado no siempre está trenzado. Los cables de pares corren muy próximos unos a otros y pueden haber problemas de interferencias. La versión inicial (StarLAN) empleaba 1 Mbps, versiones actuales funcionan a 100Mbps o Gbps

23 T. en Estrella en f. óptica (I) La topología en estrella es la primera topología que surgió para este tipo de medio físico. Estrella pasiva Un conector pasivo múltiple Una estación se conecta al conector mediante dos fibras una para transmitir y otra para recibir. El número de estaciones puede ser de varias decenas. El radio máximo llega a 2,5 Km. Es una topología en estrella con comportamiento de bus lógico (con colisiones, etc.) 45 T. en Estrella en f. óptica (II) Estrella activa El acoplador central es un repetidor activo en lugar de un dispositivo pasivo El número de estaciones puede llegar a varias centenas. El radio máximo puede superar los 2,5 Km (depende de la fibra empleada) Es más cara que la estrella pasiva 46 23

24 Arquitectura IEEE LAN En 1985 el IEEE inicia el proyecto 802 destinado a proponer estándares para arquitecturas de red de área local que describan diversas soluciones de implementación de las funciones de las capas bajas del modelo OSI El proyecto 802 ha fructificado en la elaboración de varios documentos: Documentos generales: Arquitectura IEEE LAN 47 Describe un modelo de 3 capas: Física, MAC y Enlace LLC (Control de Enlace Lógico) Descripción de sistemas de red de área local LAN Ethernet LAN en bus con paso de testigo (Token Bus) LAN en anillo con paso de testigo (Token Ring) LAN inalámbricas, etc. Arquitectura IEEE LAN Niveles Superiores (o) (o) (o)... (o) Control de Enlace Lógico (LLC) Control de Acceso al Medio (MAC) Nivel Físico IEEE 802 ISO Punto de acceso al servicio de nivel LLC (LSAP) Estándares IEEE 802 Nivel de Aplicación Nivel de Presentación Nivel de Sesión Nivel de Transporte Nivel de Red Nivel de Enlace Nivel Físico 48 Para un mismo LLC hay muchas opciones MAC disponibles 24

25 Estándar IEEE Niveles Superiores Control de Enlace Lógico (LLC) Control de Acceso al Medio (MAC) Nivel de Enlace CSMA/CD Token Bus Token Ring MANs Nivel Físico Medio de transmisión 49 Estándar IEEE 802 IEEE ol de e lógico Contro enlace (LLC) Servicio no orientado a conexión no confirmado Servicio en modo de conexión Servicio no orientado a conexión confirmado Control de acceso al medio (MAC) CSMA/CD Bus con paso de testigo Rotación circular con prioridad Anillo con paso de testigo Anillo con paso de testigo DQDB CSMA sondeo Fisica 50 IEEE E Cable coaxial de banda base 10 Mbps Par trenzado no apantallado 10, 100 Mbps Cable coaxial de banda ancha 10 Mbps Fibra Óptica 10 Mbps IEEE E Cable coaxial banda ancha 1, 5, 10 Mbps Cable coaxial banda portadora 1, 5, 10 Mbps Fibra óptica 5, 10, 20 Mbps IEEE Par trenzado no apantalla do 100 Mbps IEEE E Par trenzado apantallado 4, 16 Mbps Par trenzado no apantallado 4 Mbps FD DDI Fibra óptica 100 Mbps Par trenzado no apantallad o 100 Mbps IEEE E Fibra óptica 100 Mbps IEEE Infrarrojos 1, 2 Mbps Espectro expandido 1, 2, Mbps 25

26 Funciones de los niveles Nivel físico Generación y eliminación del preámbulo de las trama para sincronización. i ió Codificación/emisión y recepción/decodificación de las señales. Especificaciones eléctricas y mecánicas de la red. Nivel de enlace Ofrece un interfaz común a los niveles superiores Provee uno o más puntos de acceso al servicio (SAP). LLC Proporciona servicios de comunicación sin conexión y orientados a conexión Control de errores y de flujo Ensamblado de los datos, direcciones y el campo de detección de errores en una trama. MAC Desensamblado de la trama, reconocimiento de la dirección y detección de errores. 51 Control de acceso al medio de transmisión de la RAL. Direcciones físicas IEEE Estándar IEEE Std , pg. 25 Identifican a un adaptador de red Todas las redes IEEE comparten el mismo esquema de direcciones de 48 bits Se garantiza que todas las direcciones son únicas (independientemente de marcas y redes) Vienen configuradas por firmware en el adaptador Por ejemplo: 00:20:AF:DC:A5:12 52 Fabricante 00:20:AF Adaptador de red Dirección de difusión: FF:FF:FF:FF:FF:FF 26

27 Control de enlace Lógico (LLC) Servicios Sin conexión Sin conexión lógica, ni control de flujo ni de errores. Se deja a las capas superiores. Orientado a conexión Existe una conexión lógica entre los usuarios del servicio, con control de flujo y de errores. Multiplexación Se debe permitir compartir la única conexión con la RAL, entre múltiples puntos de acceso. Multicast y Broadcast Aprovecha el medio de transmisión compartido para realizar envíos a múltiples destinos. 53 Control de acceso al medio (MAC) Está encargado de controlar el acceso al medio de transmisión compartido para conseguir un uso ordenado y eficiente de la capacidad disponible. En medios compartidos dos o más nodos transmitiendo simultáneamente colisión! 54 Características Control distribuido (DONDE) La decisión de qué dispositivo obtiene el acceso al medio se realiza entre todos los dispositivos conectados. Acceso asíncrono (COMO) La capacidad del medio se otorga de forma asíncrona en respuesta a una petición de acceso concreta. Síncrono en RALs??? 27

28 Técnicas MAC 55 Partición de canal Se divide el canal en ranuras (slots de tiempo, frecuencia) Se asigna cada ranura para uso exclusivo de un nodo Competición (acceso aleatorio) Pueden suceder colisiones mecanismos de recuperación Se intenta obtener el medio sin ningún tipo de control. Round Robin (turnos) Acceso compartido coordinado para evitar colisiones A cada estación se le da la oportunidad de transmitir por turnos. La estación puede rechazar dicha oportunidad, o transmitir hasta un máximo establecido. Protocolos MAC de partición del canal - TDMA TDMA: Time Division Multiple Access Acceso al canal en rondas Cada estación tiene prefijado una ranura de tiempo en cada ronda Las ranuras no utilizadas quedan vacías Ejemplo: 6 nodos, sólo el 1, 3 y 4 tienen paquetes, (los slots 2,5,6 quedan vacíos) 56 28

29 Protocolos MAC de partición del canal - FDMA FDMA: frequency division multiple access El espectro del canal se divide en bandas de frecuencia Cada estación tiene asignada una banda Ejemplo: 6 nodos, 1, 3 y 4 tienen paquetes para enviar, (las bandas de frecuencia 2, 5, y 6 quedan sin usar) frequency band ds 57 Protocolos MAC de competición Cuando un nodo tiene un paquete que enviar Transmite (usando todo el canal) a) no hay a priori coordinación entre nodos Si dos o más nodos transmiten a la vez colisión Los protocolos MAC de competición especifican: Cómo detectar colisiones Cómo recuperarse de colisiones (p.e, via retransmisiones) Ejemplos: ALOHA ALOHA ranurado CSMA y CSMA/CD 58 29

30 Protocolos MAC Round Robin (turnos) Protocolos de partición de canal: Comparten el canal eficientemente con alta carga ineficiente en condiciones de baja carga: retardo para acceder al canal, solo se asigna el 1/N del ancho de banda disponible (incluso si solo hay un nodo activo!) Protocolos de competición: Eficiente en baja carga: un nodo puede disponer del canal l( (entero) cuando lo requiere En alta carga: sobrecarga debida a colisiones Protocolos Round Robin (turnos) Buscan lo mejor de las otras dos aproximaciones 59 Protocolos MAC Round Robin (turnos) Polling: El nodo maestro invita a los nodos esclavos a transmitir en orden. Considerar: Sobrecarga de la encuesta (polling) Latencias Nodo maestro: punto simple de fallo Token passing: Una trama de control (token) se va pasando de un nodo a otro secuencialmente. Considerar: Latencias Token: punto simple de fallo 60 30