FUNDAMENTOS DE REDES CONCEPTOS DE LA CAPA DE ENLACE DE DATOS Dolly Gómez Santacruz dollygos@univalle.edu.co
SUB-CAPAS CAPAS 3 RED LLC Logical Link Control MAC Medium Access Control 2 ENLACE DE DATOS 1 FÍSICA
Sub-Capa LLC Estándar IEEE 802 Formato general de la trama Control Dirección Dirección Control MAC destino origen DSAP SSAP LLC Información FCS MAC MAC Variable 16 o 48 16 o 48 8 8 16 Variable 16
Sub-Capa LLC Campo de control LLC Tramas I: Información Tramas S: Supervisión Tramas U: No numeradas
Sub-Capa MAC Es la interface entre el control lógico de un nodo y las funciones de la capa física. La implementación de la sub-capa MAC es dependiente del medio físico usado (Ethernet, TokenRing, WLANs, etc).
Protocolos MAC
Sub-Capa MAC: Funciones Delimitación y reconocimiento de cuando inicia y termina una trama en el envío/recepción del flujo de bits hacia/desde la capa física. Control de acceso al medio físico de transmisión. (Que estación asociada al cable o al rango de frecuencia puede trasmitir, que hacer si se realizan transmisiones simultáneas, etc) Manejo de direcciones de origen y destino para cada trama. Filtrado por verificación de la dirección destino de las tramas recibidas para la estación.
Sub-Capa MAC: Funciones Encapsulación, dependiente del medio en la capa de enlace
Control de acceso al medio (MAC) En los medios de transmisión compartidos se debe controlar quien accede al medio y durante cuanto tiempo para lograr una comunicación con todas las estaciones. Existen dos categorías de control de acceso al medio: Sincrónicos: existe un tiempo limitado durante el cual un dispositivo puede accesar el medio de comunicación. Una vez cumplido su plazo debe esperar su turno nuevamente ( anillo). Aleatorios: no impone limite de tiempo, es decir, cuando un dispositivo desea transmitir, lo intenta y si tiene éxito lo continua haciendo hasta que ya no tenga más información que transmitir o no pueda accesar el canal nuevamente.
Control de acceso al medio (MAC) Sincrónicos: Paso de testigo: Normalmente todos los paquetes en un sistema token passing realizan una vuelta completa a la red y retornan a la estación origen para ser eliminados. Un token es un patrón de bits diferentes a cualquier otro, con dos estados: ocupado y libre. Una estación con información que transmitir captura el anillo cambiando el estado del token de libre a ocupado. Una vez que la información alcanza su destino, la estación transmisora es responsable de poner nuevamente en el anillo un token libre para permitir que otras estaciones transmitan.
Control de acceso al medio (MAC) Paso de testigo (El primero que llega el primero que se sirve FCFS)
Control de acceso al medio (MAC) Sincrónicos: Paso de testigo: Un ejemplo es TokenRing que es una tecnología LAN donde el control de acceso al medio se realiza pasando un testigo (token) entre todas las estaciones de la red. TokenRing es un entorno sin colisiones debido a que sólo una estación puede transmitir a la vez. TokenRing se define en el estándar IEEE 802.5.
No Determinístico o Aleatorio: ALOHA Radio paquetizada Cuando una estación tiene una trama, la envía Las estaciones oyen por el tiempo máximo de viaje + pequeño incremento Si hay ACK, listo, Sino retransmitir, luego de repetir varias veces, cancelar Frame check sequence (Secuencia de revisión de trama) Si trama correcta y la dirección coincide, envía ACK Trama puede ser dañada por ruido o por otra estación transmitiendo (colisión) Las tramas se pueden enviar en cualquier momento Utilización máxima del canal: 18%
No Determinístico o Aleatorio: CSMA (Acceso multiple con detección de portadora) Tiempo de propagación es mucho menor al de transmisión Todas las estaciones saben que una transmisión se inicio casi inmediatamente Escuchar el medio en busca de silencio (carrier sense) Si el medio esta libre, transmitir Si dos estaciones comienzan en el mismo instante, colisión Se espera un tiempo razonable (ida y vuelta + contención ACK), Si no hay ACK, retransmitir Utilización máxima depende de Tiempo de propagación (largo del medio) Tamaño de la trama Mayor trama y medio corto dan mejores rendimientos
No Determinístico o Aleatorio: CSMA/CD (Acceso multiple con detección de portadora y colisión) CSMA/CD sensa el canal antes y después de transmitir un paquete. Esta técnica es similar en funcionamiento que CSMA, con la diferencia que una vez enviado la información al canal, la estación monitorea la forma de onda transmitida, si detecta una deformación en ésta es porque se produjo una colisión. Esto permite conocer con anticipación la pérdida de información, y disminuir el retardo generado al esperar por una respuesta negativa desde la estación remota. Este algoritmo envía una señal jam de aviso al detectar una colisión, para asegurarse que el resto de las estaciones que conforman la red se den cuenta de la situación.
Control de acceso al medio (MAC) No Determinístico o Aleatorio: CSMA/CD (Acceso multiple con detección de portadora y colisión) Ethernet usa el algoritmo CSMA/CD La estación espera la ausencia de señal en el medio y comienza a transmitir. Si dos nodos transmiten al mismo tiempo, se genera una colisión y ningún nodo podrá transmitir durante un tiempo determinado.
CSMA/CD Monitorización del medio Múltiple acceso simultáneo Colisión Postergación de las transmisiones
Protocolos MAC Ethernet -> IEEE 802.3 Wi-Fi -> IEEE 802.11 Token Ring -> IEEE 802.5 PPP -> IETF RFC 1661 HDLC -> ISO 13239 SLIP -> IETF RFC 1055 FDDI -> ANSI X3-T9 ATM -> ITU-T Frame Relay -> ANSI T1.618/RFC 2954
ETHERNET: Historia Ethernet fue desarrollado como uno de los tantos proyectos pioneros del XEROX Parc, un sistema CSMA/CD de 2,94Mbps para conectar más de 100 estaciones de trabajo en un cable de 1Km. Entre 1973 y 1976 Robert Metcalfe* diseña y desarrolla un modelo experimental (3Mbps y direcciones físicas de 8 bits) * Robert Metcalfe recibe en el 2003 la Medalla Nacional de Tecnología por su liderazgo en la invención, estandarización, difusión y comercialización de las redes Ethernet
ETHERNET: Historia En 1979 Robert Metcalfe deja Xerox para promover el uso de redes de área local y funda 3com. Con el apoyo de IBM, Digital y Xerox, en 1980 Ethernet se estandariza. El estándar DIX contempla velocidades de 10Mbps y direcciones físicas de 48 bits, y fue la base para el estándar 802.3
IEEE 802.3 y ETHERNET IEEE 802.3 es un protocolo CSMA/CD, cuando una estación quiere transmitir escucha el cable Estándar IEEE 802.3 difiere levemente del estándar DIX original. Cuando es necesario expandir el estándar para añadir un nuevo medio o una capacidad, el IEEE publica un suplemento (o adición) al estándar 802.3. Estos suplementos reciben una designación de una o dos letras y una descripción abreviada. Todos las adiciones el estándar 802.3 son compatibles entre sí.
ETHERNET: Estándarización (2) Estándar Fecha Descripción Experimental Ethernet 1972 2.94 Mbps sobre coaxial (coax) topología bus Ethernet II (DIX v2.0) 1982 10 Mbps sobre coaxial delgado (thinnet) IEEE 802.3 1983 10BASE5 10 Mbps sobre cable coaxial delgado 802.3a 1985 10BASE2 10 Mbps sobre cable coaxial (thinnet or cheapernet) 802.3b 1985 10BROAD36 802.3c 1985 10 Mbps repeater specs 802.3d 1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) 802.3i 1990 10BASE-T 10 Mbps sobre par de cobre 802.3j 1993 10BASE-F 10 Mbps sobre fibra óptica 802.3u 1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbps 802.3z 1998 1000BASE-X Gbit/s Ethernet sobre fibra óptica a 1 Gbit/s
ETHERNET: Nomenclatura La descripción abreviada de un suplemento al estándar IEEE 802.3 se compone de: Velocidad en Mbps Método de señalización Medio / (Máx distancia del segmento) Ethernet emplea señalización banda base, la cual utiliza todo el ancho de banda del medio de transmisión.
ETHERNET: Nomenclatura
TRAMAS Un conjunto de campos forman una trama. El proceso de encapsulación de la capa 2 es conocido como entramado y una trama es la PDU de esta capa.
Trama Ethernet e IEEE 802.3 En la capa de enlace de datos, la estructura de la trama es casi idéntica para todas las velocidades de Ethernet desde los 10Mbps hasta los 10.000Mbps El tamaño de una trama debe estar entre 64 y 1518 Bytes (sin contar el preambulo). Si la longitud de los datos a transferir es menor a 46 Bytes, se debe adicionar un relleno (Padding)
Trama Ethernet e IEEE 802.3 IEEE 802.3
Trama Ethernet e IEEE 802.3 Ethernet
Trama Ethernet e IEEE 802.3 Preámbulo 8 Bytes Dir. Destino 6 Bytes Dir Origen 6 Bytes Tipo 2 Datos (Relleno) 46 a 1500 Bytes FCS 4 Bytes a) Ethernet Preámbulo 7 Bytes In 1 Dir. Destino 6 Bytes Dir Origen 6 Bytes Largo 2 Datos (Relleno) 46 a 1500 Bytes FCS 4 Bytes b) 802.3
Trama Ethernet e IEEE 802.3 El preámbulo anuncia la trama y permite que todos los receptores en la red se sincronicen con la trama que llega Asegura que existe el tiempo suficiente entre tramas para la operación de detección y recuperación de errores El preámbulo tiene una longitud de 8 bytes para Ethernet, y 7 para IEEE 802.3 donde el octavo byte es el delimitador de comienzo de trama
ETHERNET: Direccionamiento En capa 2 se habla de direcciones físicas, una forma de identificar los dispositivos o interfaces de manera exclusiva, es un direccionamiento no jerarquico. Ethernet utiliza direcciones MAC de 48 bits, expresadas como doce caracteres hexadecimales. Estas direcciones son grabadas físicamente en la memoria de sólo lectura (ROM) del dispositivo. Los primeros seis caracteres son administrados por el IEEE e identifican al fabricante o vendedor del dispositivo (Identificador Exclusivo Organizacional - OUI) Los siguientes seis caracteres representan un número de serie administrado por el fabricante.
ETHERNET: Direccionamiento Los dispositivos utilizan la dirección MAC destino para identificar si la trama debe se procesada y enviada a las capas superiores o si ésta debe ser descartada. Existe una dirección especial que difunde una trama en todo el segmento conectado. Esta dirección es conocida por cada dispositivo y en caso de recibir una trama con esta dirección, es procesada. Una trama con dirección destino igual a la Dirección de difusión (Broadcast address) está destinada a cada nodo de la red y cada nodo recibirá y procesará esta trama.
ETHERNET: Direccionamiento 00000000.00000110.10001100.10111001.01000010.00001101 00-06-8C-B9-42-1D 00:06:8C:B9:42:1D 0006.8CB9.421D OUI -> 00-06-8C : 3COM Corporation OUI Identificador organizacional único
ETHERNET: Direccionamiento Dirección Broadcast 11111111.11111111.11111111.11111111.11111111.11111111 FF-FF-FF-FF-FF-FF
Trama Ethernet e IEEE 802.3 El campo type es usado para especificar el protocolo que esta siendo portado en la trama En el 802.3 fue reemplazado por el campo longitud el cual es usado para indicar el número de bytes en el campo de información El formato predominante actualmente es el IEEE 802.3, pero la tecnología de red continua haciendo referencia a él como Ethernet.
Trama Ethernet e IEEE 802.3 El campo FCS (Secuencia de chequeo de la trama) esta formado por 32 bits, si alguno de los datos se reciben erróneamente (debido a ruido en el cable), la suma de comprobación casi con certeza estará mal, y se detectara el error. El FCS se calcula incluyendo desde la dirección destino hasta los datos.
ETHERNET: Auto-negociación Es necesario contar con inter-compatibilidad entre las diferentes versiones (velocidades) de las tecnologías Ethernet que salían al mercado. Con la llegada de FastEthernet se introdujo la autonegociación de velocidad y modo de transmisión (Half-Duplex, Full-Duplex). Por medio de ráfagas de pulsos, se indican las capacidades de cada interfaz y automáticamente se configura buscando el mayor rendimiento. Posibilidad de configurar manualmente (forzar) el modo y la velocidad de funcionamiento de una interfaz.
Dominios de Colisión Entornos en donde se comparte la capa física.
Dominios de Colisión Dado que todos los dispositivos de una LAN que operan en la capa física no realizan ningún control ni filtrado sobre lo que transportan (corrientes de bits), éstos también distribuyen las colisiones que se generen. Una colisión afecta a todos los dispositivos, estaciones e interfaces que estén conectados a un mismo medio compartido (segmento Ethernet o dominio de colisión). Los dominios de colisión son los segmentos de red física conectados, donde pueden ocurrir colisiones.
Dominios de Colisión (8 Estaciones, 1 servidor, 1 impresora) 1 concentrador 1 Dominio de colisión
Dominios de Colisión (43 Estaciones, 5 servidores, 5 impresoras) 7 concentradores 1 Dominio de colisión
Dominios de Colisión Los tipos de dispositivos que interconectan los segmentos de medios definen los dominios de colisión (específicamente la capa del modelo OSI en que operan estos dispositivos). Los dispositivos de Capa 1 NO dividen los dominios de colisión. Los dispositivos de Capa 2 (y superiores) SI dividen los dominios de colisión. La división o aumento de dominios de colisión se conoce como segmentación.
Dominios de Colisión Los dispositivos capa 1 extienden el cable de una LAN permitiendo alcanzar mayores distancias o conectar más estaciones. (Amplían pero no controlan los dominios de colisión). Cada estación agregada aumenta la cantidad de tráfico potencial en la red.
Dominios de Colisión 5 segmentos de medios de red, 4 repetidores o hubs, 3 segmentos de host de red, 2 secciones de enlace (sin hosts), 1 sólo dominio de colisión grande
Dispositivos Capa 2 Los dispositivos capa 2 dividen y controlan los dominios de colisión: Puente (Bridge) y Switch Un switch de n puertos tiene n segmentos, n dominios de colisión. Conociendo las direcciones MAC de los paquetes, y las direcciones MAC de los dispositivos conectados, un dispositivo de capa 2 sólo re-envía el paquete al puerto necesario. Los switches son más veloces porque realizan la conmutación por hardware, mientras que los puentes lo hacen por software y pueden interconectar las LAN de distintos anchos de banda.
Segmentación
Bridge o Puente Capa 2 Un puente conecta los segmentos de red y debe tomar decisiones inteligentes con respecto a si debe transferir señales al siguiente segmento. El puente divide el tráfico en segmentos y filtra el tráfico basándose en la estación o en la dirección MAC.
Switch Capa 2 Los switches son dispositivos de enlace de datos que, al igual que los puentes, permiten que múltiples segmentos físicos de LAN se interconecten para formar una sola red de mayor tamaño. Dado que la conmutación se ejecuta en el hardware en lugar del software, es significativamente más veloz. Cada puerto de switch funciona como un puente individual y otorga el ancho de banda total del medio a cada host.
Switch Capa 2
Switch Capa 2
Switch Capa 2 Tareas Aprendizaje: aprende las direcciones MAC examinando la dirección fuente de cada trama, si la trama entra al switch y la MAC no esta en la tabla agrega una entrada. El switch decide cuando dejar o bloquear una trama con base a la dirección MAC destino, revisa las direcciones MAC aprendidas en la tabla. Crea un ambiente de prevención de loop o lazos, para evitar que las tramas queden en la red indefinidamente
Switch Capa 2 Funcionamiento de un switch La trama es recibida Si el destino es una dirección broadcast, envía la trama por todos los puertos excepto por el que la recibió Si el destino es una dirección unicast, y la dirección no esta en la tabla, envía la trama por todos los puertos excepto por el que la recibió Si la dirección de destino es unicast y esta en la tabla, y si la interface no es la interface en la cual recibió la trama, envía la trama por el puerto correcto. En cualquier otro caso filtra la trama.
Tipos de Switch Almacena y envía (Store-and-forward) Acepta la trama La almacena brevemente La envía por el puerto correspondiente Crea mayor latencia y mejora la integridad de la red Conmutador rápido (Cut-through) Toma ventaja que la dirección MAC esta al principio de la trama Empieza a repetir la trama tan pronto reconoce el puerto a donde va Máximo desempeño Riesgo de propagar tramas con error No se puede chequear CRC pues ya empezó a salir