Capa física y de enlace

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1 Redes - Capa_física_y_de_enlace - # 41 Capa física y de enlace Capa física Esta capa se encarga de las funciones relacionadas con el tratamiento, identificación y propagación de señales a través de un medio físico capaz de intercambiar información. Existen múltiples tecnologías de telecomunicaciones que sirven como base para el intercambio de información, desde señales electromagnéticas enviadas a través de cables, sistemas de comunicación inalámbrica o sofisticados sistemas de señalización óptica que pueden enviar Terabyte de datos por segundo, como es el caso de la fibra óptica. Señales e información Una señal es un concepto físico ligado al propio medio. Por ejemplo un cable de cobre puede transmitir señales electromagnéticas en un determinado rango de frecuencias, un cable de fibra óptica puede transmitir pulsos de luz en determinadas longitudes de onda o una antena que puede recibir ondas en determinados rangos de frecuencias en función de los parámetros físicos de la misma. La información es un concepto puramente teórico dependiente del contexto. Por tanto, para intercambiar información a través de un medio físico es necesario representar ésta mediante señales que se propagarán a través de los medios de transmisión. En informática, la información transmitida se representa mediante un sistema de representación binario, el cual está directamente relacionado con ámbitos de transmisión digital. Ahora bien, no todos los medios de transmisión manejan señales digitales, por tanto es necesario idear sistemas de representación que permitan transmitir información digital a través de señales de naturaleza analógica, como ondas de radio o señales electromagnéticas a través de cables. También existen medios adecuados para enviar información a través de señales digitales, como por ejemplo la fibra óptica. Transmisión de información digital Según lo anterior la información manejada directamente por una computadora es de naturaleza digital, por tanto será necesario utilizar las propiedades físicas de las señales para poder representarla. Si la señal es analógica pueden modularse parámetros como la amplitud, la frecuencia o la fase de una onda para representar la información. Si la señal es digital sería factible convertir directamente la información para adaptarla a la señal. Al procedimiento de alterar los parámetros físicos de una señal analógica para transmitir información digital se le denomina modulación, y al proceso inverso, esto es extraer información digital modulada en una señal analógica, demodulación. Un ejemplo del uso de estas técnicas lo constituyen las conocidas líneas ADSL (Asynchronous Digital Suscriptor Line, línea digital asíncrona de suscriptor) de nuestros hogares y empresas, las cuales envían información digital a través de medios analógicos, las líneas de par de cobre de la telefonía fija tradicional. Transmisión de información analógica Hay ciertos tipos de información manejados por una computadora que son de naturaleza analógica, por ejemplo las señales de control enviadas a un monitor, impresora o información de audio y vídeo. Para ser tratada por la computadora esta información debe ser convertida a binario. Al proceso de convertir información analógica a digital se le conoce como codificación y al proceso inverso decodificación. A su vez la información puede ser transmitida una vez codificada, siendo este un caso de transmisión de información digital, o bien transmitida sin ser codificada, en cuyo caso se trataría de transmisión analógica. En informática lo habitual es realizar el proceso de codificación y descodificación en la computadora, siendo la información transmitida de naturaleza puramente digital, aún cuando las señales de los medios de transmisión a través de la cual se envían, como se vió anteriormente, podrían ser tanto analógicas como digitales, en función del medio. Medios de transmisión Medios guiados Los medios de transmisión guiados son aquellos que utilizan algún tipo de soporte físico en el que las señales van guiadas. También se conocen como medios de transmisión cableados. En las redes de área local modernas el medio de transmisión predominante es el cable de pares trenzado de cobre. Este medio, utilizado durante años en el sistema telefónico tiene como ventajas su bajo coste, facilidad de instalación, carácter estándar y amplia difusión. Otro medio que en los últimos tiempos se ha extendido y popularizado es la fibra óptica. La fibra óptica posee interesantes características para su uso como medio de transmisión para el envío de datos, como por ejemplo 1/6

2 Ancho de banda prácticamente ilimitado Baja atenuación Inmunidad a las interferencias electromagnéticas Gran ligereza y tamaño contenido Los aspectos negativos se reducen a su coste relativamente elevado, su dificultad de instalación y ciertas limitaciones técnicas de tipo estructural Medios no guiados Los medios de transmisión no guiados son aquellos que utilizan ondas no confinadas a un medio guiado. También se conocen como medios de transmisión inalámbricos Capa de enlace Esta capa es la responsable de gestionar las transferencias de información entre equipos conectados directamente a través de un medio físico. Existen múltiples formas de conectar los equipos de comunicación a través de los medios. A los distintos esquemas de interconexión se les conoce con el nombre de topologías de red. Si bien el concepto de topología de red es transversal y rige a distintos niveles en la arquitectura de la red, es a nivel de capa de enlace donde esta correspondencia está relacionada con los dispositivos físicos interconectados. A las topologías de red relacionadas con los dispositivos hardware las denominaremos topologías físicas. A las topologías de red relacionadas con conceptos abstractos relacionados con el software se las denomina topologías lógicas En función de la topología física los protocolos de gestión de la transmisión de capa de enlace deberán acometer diversas funciones atribuibles a esta capa. Control de acceso al medio e interfaz con la capa superior En función de la topología física de la red se determina el protocolo que es necesario gestionar para que las estaciones puedan comunicarse a través del medio. Imaginemos una topología en forma de bus, en el que varios hosts podrían intercambiar 2/6

3 información con cualquiera de los que están físicamente conectados a ella: Si el host A quiere comunicarse con el host E necesitará en primer lugar determinar su identidad. La identidad de un host en una red a nivel de capa de enlace se establece mediante una dirección de enlace, que todos los hosts directamente conectados deben conocer para identificar a sus vecinos. Por tanto el primer cometido de la capa de enlace es la identificación de los hosts con los que se puede iniciar una comunicación inmediata. La información de direccionamiento, así como la información de control específica del protocolo de capa de enlace se incluye, como vimos en la introducción, en un encabezado y cola HE que se adjunta al paquete recibido desde la capa superior, es decir desde la capa de red. Un aspecto clave en todas las topologías físicas, y en particular en topologías de tipo bus, es establecer el modo en que un hosts ocupa el medio de transmisión. Este aspecto se conoce con el nombre de MAC (Media Access Control, control de acceso al medio) y es uno de los aspectos clave que deben controlar los protocolos de capa de enlace. Es por esta importancia, que depende en gran medida de la topología de la red, que la capa de enlace se subdivide en dos subcapas, la subcapa inferior, o subcapa MAC, y la subcapa superior, o subcapa LLC (Link Logical Control, control lógico de enlace) que es la responsable de ofrecer los servicios de capa de enlace a la capa de red, según el modelo en capas visto en la introducción. Volvamos al ejemplo de la imagen. El host A se quiere comunicar con el host E, del cual conoce su dirección de enlace (generalmente conocido como dirección MAC), por tanto introduce una trama, nombre que recibe la unidad de datos a nivel de capa de enlace, en el bus (el tubo en la imagen, correspondiente al medio de transmisión compartido). Por la propia naturaleza del medio todas las estaciones conectadas al bus reciben la trama, pero solo una de ellas está interesada en ella, el host E, por tanto todas las demás deberían descartar esa trama al comprobar que no son los receptores originales de la misma. Si todo va bien, todos los hosts, menos el host E descartan la trama y el host E la acepta al detectar que es el receptor legítimo. Pero, qué ocurre si al mismo tiempo que el host A inicia la transmisión de la trama en el medio otro host, distinto de host E, hace lo mismo?. La respuesta se conoce con el nombre de colisión. Una colisión es una situación en la que dos tramas ocupan el medio de transmisión de modo simultáneo. La posibilidad de que ocurran colisiones determinan las características del protocolo de subcapa MAC, ya que es a este nivel donde se deben solucionar ese tipo de problemas. Existen múltiples técnicas y algoritmos que permiten solucionar el problema de acceso a un medio compartido potencialmente problemático. En la reina de las redes de área local (LAN), conocida como Ethernet, la cual utilizaba inicialmente una topología física en forma de bus, el problema de las colisiones determinaba enormemente el desempeño de la red, y para aquellos casos en los que había muchas estaciones conectadas, era muy difícil garantizar un nivel de eficiencia superior a un 10 o 20% de éxito a la hora de que una estación pudiese ocupar el canal para enviar una trama. La solución al problema viene dada por el cambio de topología física a un esquema de topología en forma de estrella A la vista de la figura puede observarse que ahora los hosts se conectan al medio a través de un dispositivo en el centro de la estrella. Este dispositivo, conocido como conmutador o switch, funciona estableciendo enlaces punto a punto, es decir de extremo a extremo, entre un origen y un destino, de modo que ninguna otra estación en la red se vea afectada durante la transmisión entre 3/6

4 dos hosts cualesquiera. En el caso de Ethernet a este tipo de tecnología, basada en la utilizacion de topologías físicas de tipo estrella, se la conoce como Ethernet conmutada y sirve para aumentar el rendimiento al reducir a 0 el número de colisiones entre tramas. Existen muchas más tecnologías de control de acceso al medio que utilizan distintas topologías físicas y medios de transmisión, pero Ethernet es con diferencia la más popular y difundida. Otra tecnología muy relacionada con las Ethernet, Wi-Fi, que es un tipo de red de área local sobre medios inalámbricos es compatible con Ethernet a nivel de subcapa LLC, aún cuando dispone de su propia subcapa MAC al utilizar un medio de transmisión, el inalámbrico, que no tiene nada que ver con los medios guiados que utiliza Ethernet. Esta compatibilidad a partir de la subcapa LLC de la capa de enlace permite que Wi-Fi pueda manejar los mismos protocolos superiores, es decir, desde la capa de red hacia arriba, que Ethernet. Este principio de compatibilidad a partir del nivel de capa de red es el elemento clave que permite que distintos dispositivos y tipos de red que operan con tecnologías y medios de transmisión diversos puedan comunicarse entre sí. Esta magia la obra la pila de protocolos de la arquitectura de red que rige en Internet, conocida como TCP/IP Redes Ethernet Las redes de área local más extendidas en la actualidad son las redes basadas en el estándar Ethernet (802.3). Este estándar, desarrollado en origen por el consorcio DIX (DEC, Intel, Xerox), ha ido evolucionando desde velocidades de 10Mbps sobre topología física en estrella, con concentradores o hubs, y topología lógica en bus, hasta las modernas redes de topología lógica en estrella, también conocidas como redes conmutadas. En estas redes se utiliza actualmente cableado de categoría 5E, que está siendo reemplazado por cableado de categoría superior (6 o 7), lo que permitirá velocidades de transmisión en la LAN de 10Gbps. Con cableado de categoría 5E se pueden alcanzar velocidades de transmisión de 1Gpbs y tender segmentos de cable de hasta 100 metros hasta el dispositivo de interconexión que forma el núcleo central de la topología física en estrella. Este elemento central, switch, es un elemento de interconexión estándar desde la aparición de las redes Ethernet conmutadas a 100 Mbps (Fast Ethernet). Redes conmutadas El uso de switches, o conmutadores, permite un aprovechamiento efectivo de todo el ancho de banda y por tanto de la capacidad de transmisión del medio, de forma libre de colisiones. Las colisiones eran un fenómeno tipo de las redes interconectadas mediante hubs, los cuales eran meros dispositivos de interconexión física, sin ningún tipo de operativa a nivel de capa de enlace, actuando simplemente como repetidores de una señal entrante, la cual era regenerada y enviada por todos los demás puertos del dispositivo. De este modo, una transmisión con origen la estación A llegaría a todos los demás hosts, aún cuando no fueran el destino de dicha transmisión. Este modo de operar genera colisiones y por tanto ineficiencia en el uso del canal. Además, exigía que el protocolo de red de nivel de enlace tuviese que gestionar el aspecto de las colisiones ejecutando protocolos de prevención y detección de las mismas, como el conocido CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access, Collision Detection, Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones). En el siguente gráfico se ilustra el funcionamiento de una Ethernet con hub como dispositivo de interconexión de las estaciones 4/6

5 La solicitud de ping, si bien se realiza hacia un destino concreto en la red, es recibida por todos los hosts conectados al hub. Esto se debe a que el hub actúa de modo pasivo, reenviando lo que recibe por un puerto de conexión a todos los demás. Con el uso de switches como dispositivo de interconexión de los hosts, ocupando el centro de la estrella topológica a nivel físico, se consigue, además, un funcionamiento lógico de estrella topológica, de modo que cuando un hosts origen, A, quiere comunicarse con un host destino, B, el propio switch se encarga de encaminar las tramas de datos de nivel de enlace por el puerto correspondiente, es decir, estableciendo un enlace punto a punto entre el origen y el destino para el envío de datos. Este resultado se consigue gracias a que el switch es un dispositivo que opera a nivel de enlace de datos, y por tanto puede manejar información de esa capa para la gestión de envío de las tramas involucradas en las transmisiones. Es la propia electrónica del switch, que puede manejar simultáneamente varios envíos (mediante el empleo de búfers de memoria), la que facilita la capacidad de uso del canal al 100% de su capacidad de modo libre de colisiones. Mediante el uso de software especializado en el tratamiento de las tramas de nivel de enlace de datos se construyen tablas de conmutación en el switch para el envío de tramas. De este modo el switch "sabe" en todo momento que puertos de conexión utilizar para enviar una trama en función de la dirección MAC de la estación a la que va dirigida. En resumen, en presencia de switches la red opera en modo punto a punto, habilitando un canal lógico dedicado para cada transferencia entre un origen y un destino dentro de la propia red, de ahí que se hable de una topología lógica en estrella. A continuación se ilustra el funcionamiento de una Ethernet conmutada: En este caso la solicitud del ping se envía única y exclusivamente, utilizando la tabla de conmutacion del switch, al host correspondiente a la dirección indicada en la MAC de destino. Para terminar, se muestra a continuación el formato de trama de tipo Ethernet II, la más utilizada en la actualidad en la capa de enlace de datos de las redes Ethernet 5/6

6 El campo preámbulo sigue un patrón repetitivo específico cuyo fin es poder identificar el principio de la trama por parte de los hosts Las direcciones MAC origen y MAC destino identifican el emisor y el receptor de la transmisión a nivel de enlace El campo tipo identifica el protocolo de la capa superior (capa de red) de los datos encapsulados en la misma El campo datos contiene los datos de la PDU (Protocol Data Unit) del nivel superior (capa de red) que transporta la trama. Habitualmente ese campo de datos contendrá un paquete IP, o cualquier unidad de datos de un protocolo de capa de red Por último el campo FCS (Frame Check Sequence) es un código de verificación de integridad de la trama que permite determinar si ha ocurrido algún error de transmisión o alteración de los datos originales de la misma. El FCS se calcula a partir de los campos de la trama a excepción del preámbulo y del propio FCS. Ficheros topologias.jpg 26,8 KB topologiasfislog.jpg 63,4 KB bus.jpg 9,57 KB star.jpg 11,4 KB internetcon.jpg 32,9 KB switch.png 73,6 KB hub.png 100 KB trama.png 20,9 KB /6 Powered by TCPDF (