Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla [DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

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1 UPAEP 2014 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla [DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

2 Parte II: LAN SWITCHING Capítulo 7: Conceptos de Ethernet LAN Switching Este capítulo explica algunos conceptos de Ethernet que no fueron cubiertos en el Capítulo 3. Contiene información más detallada acerca del funcionamiento de los switches, el diseño de las LANs y las implicaciones de usar hubs, bridges, switches y routers. 2

3 Conceptos de LAN Switching Progreso Histórico: Hubs, Bridges y Switches Con el uso de hubs se tienen los siguientes problemas: Cualquier dispositivo que envíe un frame puede tener un frame colisionado con otro frame enviado por otro dispositivo conectado al mismo segmento de LAN. Solo un dispositivo puede enviar un frame a la vez, los dispositivos comparten el ancho de banda. Los broadcasts enviados por un dispositivo pueden ser escuchados y procesados por todos los dispositivos en la LAN. Cuando los Ethernet bridges fueron creados resolvieron algunos de estos problemas en dos formas: Los bridges reducen el número de colisiones que ocurren en la red. Los bridges agregan ancho de banda a la red. En la figura 7-1 se muestra un ejemplo respecto a los bridges. Fig. 7-1 Bridge creando dos dominios de colisión El bridge separa a la red en dos dominios de colisión. En la figura 7-1 los frames de PC1 pueden colisionar con los de PC2, pero no pueden colisionar con los de PC3 o PC4. Si un segmento de LAN está ocupado, y el bridge necesita enviar un frame por el segmento ocupado, el bridge guarda el frame en un búfer hasta que el segmento se desocupe. Los switches realzan la misma función que los bridges, pero con características mejoradas. Como los brigdes, los switches segmentan la LAN en partes separadas, cada parte es un dominio de colisión separado. Los switches tienen un gran número de interfaces, si un solo dispositivo está conectado a un puerto del switch, el segmento de Ethernet puede usar la lógica full-duplex, que incrementará al doble la velocidad en ese segmento. En la figura 7-2 se muestran los mismos hosts que en la figura 7-1, pero ahora interconectados con un switch. 3

4 Fig. 7-2 Switch creando cuatro dominios de colisión Lógica de Switching El switch o bridge para enviar frames, utiliza una lógica basada en la dirección MAC origen y destino, el switch/bridge realiza las siguientes acciones: Decide cuando enviar o filtrar (no enviar) un frame, basado en la dirección MAC destino. Aprende direcciones MAC examinando la dirección MAC origen de cada frame recibido. Crea (Capa 2) un ambiente de libre de ciclos con otros switches o bridges utilizando Spanning Tree Protocol (STP). La Decisión de Enviar Contra la de Filtrar El switch para decidir si debe enviar un frame, utiliza una tabla (llamada tabla de direcciones MAC) construida dinámicamente que lista las direcciones MAC y las interfaces de salidas. El switch compara la dirección MAC destino del frame con esta tabla para decidir si el frame debe enviarse y por donde, o simplemente debe ignorarse. Por ejemplo, en la figura 7-1 si PC1 quiere enviar un frame a PC4, el switch debe tener la siguiente entrada en su tabla de direcciones MAC: Fa0/4 La cual corresponde a la dirección MAC de PC4 (dirección MAC destino del frame) y la interfaz por donde se debe enviar el frame. Cómo Aprenden los Switches Direcciones MAC Los switches construyen la tabla de direcciones escuchando los frames que llegan y examinando la dirección MAC origen en esos frames. Si un frame entra al switch y su dirección MAC origen no está en la tabla de direcciones MAC del switch, el switch crea una entrada en la tabla. La dirección MAC es agregada en la tabla, junto con la interfaz por donde llegó ese frame. Flooding Frames Cuando el switch no encuentra ninguna entrada que corresponda al frame que se quiere enviar, el switch envía el frame por todas las interfaces (excepto por la que llegó), este proceso es llamado flooding. Los switches envían estos frames unicast desconocidos (frames que sus dirección MAC destino no están en la tabla de direcciones MAC) por todas las interfaces, con la esperanza que un dispositivo desconocido que esté en otro segmento Ethernet responda, permitiendo al switch construir la entrada correcta en la tabla de direcciones. Los switches guardan un contador para cada entrada en la tabla de direcciones MAC, llamado contador de inactividad. El switch asigna un 0 al contador de nuevas entradas, cada vez que el switch recibe otro 4

5 frame con la misma dirección MAC origen, al contador nuevamente se le asigna 0. El contador se va incrementando, entonces el switch puede decir que entradas llevan más tiempo sin recibir un frame. Si el switch se queda sin espacio para agregar entradas en la tabla de direcciones MAC, el switch puede borrar las entradas con los contadores de inactividad más grandes. Previniendo Ciclos Usando Spanning Tree Protocol Sin STP, los frames pueden ciclarse por un periodo de tiempo indeterminado en la redes Ethernet con links redundantes. Para prevenir los ciclos, STP bloquea algunos puertos de enviar frames entonces solo un camino activo existe entre cada par de segmentos (dominios de colisión). Para prevenir los ciclos de capa 2, todos los switches necesitan usar STP. STP causa que cada interfaz en el switch se encuentre en un estado de bloqueando (la interfaz no puede enviar ni recibir frames) o de enviando (la interfaz puede recibir y enviar frames). Proceso Interno en los Cisco Switches Tan pronto como un switch decida enviar un frame, el switch puede usar distintos tipos de procesos internos, la mayoría de los switches utilizan el proceso de store-and-forward. En la siguiente tabla se muestran estos procesos: Método de Switching Store-and-forward Cut-through Fragment-free Descripción El switch recibe todos los bits del frame (los guarda) antes de enviar el frame. Esto permite al switch revisar el campo FCS antes de enviar el frame. El switch envía el frame lo más pronto posible que pueda. Esto reduce la latencia pero no permite al switch descartar frames que fallen en la revisión del campo FCS. El switch envía al frame después de recibir los primeros 64 bytes del frame, esto evita enviar frames colisionados, ya que la detección de colisiones con el algoritmo CSMA/CD se realiza en los primeros 64 bytes del frame. Tabla. 7-1 Procesos internos del switch Consideraciones en el Diseño de una LAN Dominios de Colisión y Dominios de Broadcast Los términos de dominio de colisión y dominio de broadcast definen dos efectos importantes del proceso de segmentación de la LAN usando varios dispositivos. Dominios de Colisión Un dominio de colisión es un conjunto de interfaces de LAN que sus frames pueden colisionar uno con otro, pero no con frames enviados por otros dispositivos en la red. En la figura 7-2 se muestran los dominios de colisión. 5

6 Fig. 7-3 Dominios de colisión En la figura 7-3 se muestran 5 dominios de colisión. El switch de la derecha por cada puerto separa la LAN en diferentes dominios de colisión. Así como también el bridge y el router separan la LAN en diferentes dominios de colisión. Dominios de Broadcast Un dominio de broadcast indica donde deben ser enviados los broadcasts. Un dominio de broadcast agrupa a un conjunto de dispositivos para los cuales, cuando uno de los dispositivos manda un broadcast, todos los demás dispositivos recibirán una copia del broadcast. Solo los routers pueden detener el flujo de los broadcasts, cuando un dispositivo envía un broadcast en un dominio de broadcast, el broadcast no es enviado a los dispositivos que se encuentran en otro domino. En la figura 7-4 se muestran los dominios de broadcast de la misma red mostrada en la figura 7-3. Fig. 7-4 Dominios de broadcast El Impacto de Dominios de Colisión y de Broadcast en el Diseño de una LAN Cuando se diseña una LAN se debe tener en mente el número de dispositivos en cada dominio de colisión y en cada dominio de broadcast. En la tabla 7-2 se muestran los beneficios al usar hubs, switches y routers entre los dispositivos Ethernet. 6

7 Característica Hub Switch Router Mayores distancias de cable son permitidas Sí Sí Sí Crea múltiples dominios de colisión No Sí Sí Incrementa ancho de banda No Sí Sí Crea múltiples dominios de broadcast No No Sí Tabla. 7-2 Beneficios de segmentar los dispositivos Ethernet usando hubs, switches y routers LANs Virtuales (VLAN) Para entender que es una LAN Virtual es importante conocer la definición de una LAN. Una LAN incluye a todos los dispositivos en el mismo dominio de broadcast. El dominio de broadcast va a incluir a todos los dispositivos conectados en la misma LAN, cuando cualquiera de estos dispositivos mande un broadcast frame, los demás dispositivos conectados van a recibir una copia del frame. Entonces se puede pensar que una LAN y un dominio broadcast son básicamente lo mismo. Sin VLANs, un switch considera todas sus interfaces en el mismo dominio de broadcast; en otras palabras todos los dispositivos conectados están en la misma LAN. Con VLANs, un switch puede poner algunas de sus interfaces en un dominio de broadcast y algunas otras en otro dominio de broadcast, de esta forma se crean múltiples dominios de broadcast. Estos dominios de broadcast individuales creados por el switch son llamados LANs virtuales. En la figura 7-5 se muestra un ejemplo con dos VLAN s conectadas y dos dispositivos en cada una. Fig. 7-5 Ejemplo de una red con dos VLANs usando un switch Algunas de las razones de separar los hosts en diferentes VLANs se resumen a continuación: Para crear diseños flexibles que agrupan a los usuarios por departamento o para agrupar a un conjunto de personas que trabajan juntas, en lugar de agruparlos por los que se encuentran en una misma ubicación física. Para tener LANs más pequeñas y así reducir la sobrecarga causada por cada host en la VLAN. Para reducir el trabajo realizado por STP limitando la VLAN un solo switch de acceso. 7

8 Para tener mayor seguridad, teniendo los equipos con información confidencial en una VLAN separada. Para separar el tráfico enviado por un teléfono IP del tráfico enviado por las PCs conectadas a los teléfonos. Terminología del Diseño de un Campus LAN El término campus LAN se refiere a la LAN creada para soportar edificios grandes, o varios edificios cerca uno del otro. Cuando se planea y se diseña un campus LAN, se deben considerar los tipos disponibles de Ethernet y la longitud de los cables soportada por cada tipo. También se debe elegir la velocidad requerida por cada segmento de Ethernet. Cisco usa tres términos para describir el rol de cada switch en el diseño de un campus LAN: acceso, distribución y núcleo. Los switches de acceso se conectan directamente a los usuarios finales, de esta forma se les provee acceso a la LAN. Los switches de acceso no deben ser diseñados para enviar tráfico a otros switches. Los switches de acceso tienden a ser los menos caros y más pequeños. Los switches de distribución proveen un camino por el cual los switches de acceso pueden enviar tráfico entre ellos. Por lo menos un switch de acceso se conecta a un switch de distribución. Se pueden conectar a más de un switch de distribución diferentes para redundancia. Los switches de núcleo proveen altas velocidades de envío, la razón de su uso es la misma que la de los switches de distribución. En redes pequeñas o medianas no se utiliza este concepto, su uso es más común en redes muy grandes. En la figura 7-6 se muestra un ejemplo de estos conceptos. Fig. 7-6 Diseño de campus LAN 8

9 Medios LAN Ethernet y Longitud de Cable Cuando se diseña un campus LAN, se debe considerar la longitud de cada cable y encontrar el mejor tipo de Ethernet y el cable que soporte esa longitud. Actualmente existen tres tipos comunes de Ethernet (10BASE-T, 100BASE-TX y 1000BASE-T) los tres tienen la misma restricción de 100 metros, pero usan distintos tipos de cable. La EIA/TIA define los estándares de cableado Ethernet, incluyendo la calidad del cable. Cada estándar de Ethernet que utiliza cable UTP lista la categoría de la mínima calidad de cable soportada por el estándar. Por ejemplo, 10BASE-T permite una categoría 3 (CAT3) o superior, 100BASE-TX necesita una categoría mínima de 5 (CAT5) y 1000BASE-T requiere una CAT5e o CAT6. Diferentes tipos de Ethernet son definidos para usar cables de fibra óptica. Los cables UTP están formados por cables de cobre a través de los cuales pasan las señales eléctricas, mientras que los cables ópticos están formados por hilos de vidrio ultra delgados a través de los cuales puede pasar luz. Para enviar bits, los switches pueden alternar entre enviar luz brillante o poca luz para representar 0s y 1s en el cable. Los cables ópticos soportan distancias mayores que las soportadas por los cables UTP. Los cables ópticos experimentan menor interferencia del exterior a comparación de los cables de cobre. Los switches pueden usar láser para generar la luz, así como también diodos que emiten luz (LED). El láser permite distancias mayores hasta 100 km a un costo mayor, los LEDs son menos caros y pueden soportar las distancias necesarias en un campus LAN. Existen dos tipos de fibra óptica, un tipo es la fibra multimodo, que soporta distancias menores, pero es más barata y funciona con LEDs. El segundo tipo es la fibra monomodo, que soporta distancias mayores pero es más cara, ésta utiliza láser. En la tabla 7-3 se muestran los tipos de medios más comunes de Ethernet, sus tipos de cable y sus limitaciones en longitud. Tipo de Ethernet Medio Máxima longitud de segmento 10BASE-T TIA/EIA CAT3 o mejor, dos pares 100 m (328 pies) 100BASE-TX TIA/EIA UTP CAT5 o mejor, dos pares 100 m (328 pies) 100BASE-FX 62.5/125-micrón fibra multimodo 400 m ( pies) 1000BASE-CX STP 25 m (82 pies) 1000BASE-T TIA/EIA UTP CAT5e o mejor, cuatro pares 100 m (328 pies) 1000BASE-SX Fibra multimodo 275 m (853 pies) para fibra de 62.5 micrones 550 m ( pies) para fibra de 50 micrones 1000BASE-LX Fibra multimodo 550 m ( pies) para fibra de 62.5 y 50 micrones 1000BASE-LX Fibra monomodo de 9 micrones 10 km (6.2 millas) Tabla. 7-3 Tipos de Ethernet, medio, y longitud de segmentos 9