Version 03/05/17 Computer Networks I application aplicación transporte network red enlace link Capa de enlace physical físical inocente.sanchez@uclm.es
Computer Networks I 2 Sumario Introducción Control de enlace de datos Ethernet / estándares IEEE Colisiones Puentes y conmutadores Redes inalámbricas
Computer Networks I 3 Control de enlace de datos Se refiere a comunicación nodo a nodo (adyacentes) Por encima de la capa física Da servicio de interconexión a la capa de red Comunicación directa (sin intermediarios) Principales tareas de la capa de enlace: Creación de tramas Control de flujo Errores en la transmisión de datos a este nivel Protocolos software fiables Acceso al medio
Computer Networks I 4 Tramas En la capa de enlace, los datos (bits) se empaquetan en tramas (frames) Una trama tiene: Una cabecera (p.e. Dirección destino, tamaño, etc) Datos del nivel superior (red) Cola (p.e. error CRC) Delimitadores de inicio y fin (Flag: 01111110) Datos del nivel superior cabecera cola
Computer Networks I 5 Entramado El entramado es el proceso de crear tramas a partir de bits Los flujos de bits se dividen en tramas (de tamaño fijo o variable). Por ejemplo, una carta postal, sobre delimitador Normalmente las tramas incluyen detección y corrección de error (p.e. CRC) Hay dos tipos de protocolos para delimitación de tramas en el caso de tramas variables: Orientados a carácter (byte stuffing) Orientados a bit (bit stuffing)
Protocolo orientado a carácter Se empieza (antes de la cabecera) y acaba (después de la cola) con un byte delimitador llamado Flag (01111110) Puede ocurrir que dicho carácter (Flag) sea parte del mensaje y se produce una incorrecta delimitación En ese caso se hace lo siguiente: Estrategia de transparencia a nivel de byte (byte stuffing) Computer Networks I 6
Protocolo orientado a carácter Estrategia de transparencia a nivel de byte (byte stuffing) Se mete un byte extra, ESC, delante del patrón idéntico al FLAG El receptor lo elimina y entiende que lo siguiente es un dato Igual se hace si aparece ESC como dato En resumen, el receptor convierte ESC+FLAG--> FLAG y ESC+ESC-->ESC Computer Networks I 7
Ejemplo de byte stuffing Computer Networks I 8
Protocolo orientado a bit Estrategia de transparencia a nivel de bit (bit stuffing) El flag es el byte 01111110 Si aparece un dato del tipo 011111, se añade un 0 detrás del último 1 para evitar que haya seis 1 seguidos De esta manera no se confunde con el flag. Cuando el receptor vea 0111110 lo convierte en 011111 Computer Networks I 9
Ejemplo de bit stuffing Computer Networks I 10
Computer Networks I 11 Ethernet Primera tecnología LAN en la historia Diseñada por Xerox en 1976. Primera publicación por Digital, Xerox e Intel en 1980 (abierto) Estándar IEEE en 1985 (802.3) Compatibilidad hacia atrás en las siguientes evoluciones Alcanzada la cuarta generación Etherner estándar (10Mbps), Fast Ethernet (100Mbps), Ethernet Gigabit (1Gbps), Ethernet 10 Gigabit (10Gpbs)
Evolución de la Ethernet estándar Computer Networks I 12
Computer Networks I 13 Capa de enlace en LAN's 2 subcapas LLC (Control de Enlace Lógico) MAC (Control de Acceso al Medio) Capa de red paquete Capa enlace LLC MAC MAC LLC paquete LLC paquete MAC Capa física
Computer Networks I 14 Dirección MAC Cada host en una red Ethernet tiene una NIC (Network Interface Card, Tarjeta de Interfaz de Red) La NIC debe tener una única dirección (en ROM) La dirección Ethernet tiene 48 bits (6 bytes) Se escribe con 12 dígitos hexadecimales Bytes separados por dos puntos Ejemplo --> 00:00:0C:23:A5:7D Cómo se envían los bits de una dirección MAC? El envío temporal para el ejemplo 47:20:1B:2E:08:EE el siguiente: Binario 01000111 00100000 00011011 00101110 00001000 11101110 Envío temporal 11100010 00000100 11011000 01110100 00010000 01110111
Dirección física (MAC) Dirección física = Dirección MAC = Dirección Ethernet Tannenbaum
Dirección lógica (IP) A IP origen P IP destino Direcciones MAC: Destino - Origen Direcciones IP Origen - Destino Las direcciones IP son números, pero por simplicidad las ponemos como letras en este ejemplo Tannenbaum
Computer Networks I 17 Formato de la trama Ethernet Preámbulo + SFD Dirección destino Dirección origen Tipo Datos encapsulados Checksum CRC Margen de tamaños de la trama completa de 64 a 1518 bytes El preámbulo no se considera parte de la trama. Capa física 64 bits, 7x(10101010) +10101011. Sincroniz. + SFD (Start Frame Delimiter) Máximo y mínimo de 1500 y 46 bytes en el campo de Datos encapsulados Cuando el campo de Datos encapsulados es demasiado corto (<46 bytes) se rellena de 0's (padding) Algunos ejemplos de Valores campo Tipo: 0x0800: IP v4 7+1 6 6 2 46-1500 4 bytes 0x0806: ARP (Address Resolution Protocol)
Computer Networks I 18 Formato de la trama Ethernet 8 6 6 2 46-1500 4 Preámbulo Dirección destino Dirección origen Tipo Datos encapsulados Checksum 0x0800 Datagrama IP v4 0x0806 ARP Request/Reply PAD 0x0835 RARP Request/Reply PAD 0x86dd Datagrama IP v6 0x8137 Datagrama IPX xxx xxxxx
DSAP SSAP 1Control tipo Computer Networks I 19 Encapsulado 802.2 8 6 6 2 Preámbulo Dirección destino Dirección origen Longitud 46-1500 Datos encapsulados 4 Checksum Cabecera MAC 802.3 1 1 43-1497 Datos encapsulados Cabecera LLC 802.2 3 2 38-1492 OUI: Organizationally Unique Id DSAP: Destination Service Access Point SSAP: Source Service Access Point OUI Cabecera SNAP 802.2 0x0800 xxx Datos encapsulados IP datagram xxxxx
Tipos de dirección MAC Unicast global Los 2 bits menos signif. del MSByte son 00??????00 : : : : : Unicast local Los 2 bits menos signif. del MSByte son 10??????10:--:--:--:--:-- Multicast (inválidas como direc. origen) El primer bit del MSByte es 1???????1:--:--:--:--:-- wikipedia Broadcast (inválidas como direc. origen) FF:FF:FF:FF:FF:FF Computer Networks I 20
Computer Networks I 21 Evolución de la trama Ethernet Trama Ethernet original Tipo: protocolo trama MAC Dirección destino Dirección origen Tipo Datos 6 6 2 46-1500 Estándar IEEE 802.3 Extensión para encapsular tramas 802.2 Dirección destino Dirección origen Longitud: número bytes campo Datos Entre 46 y 1500 Longitud Datos 6 6 2 46-1500
Computer Networks I 22 Subcapa MAC Ethernet No hay controlador para asignar el uso del medio compartido. Una estación no transmite si el medio se encuentra ocupado (detecta portadora). CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Aun así, hay riesgo de colisiones Cómo actuar? La estación escucha. Si no está ocupado, transmite. Si está ocupado: 1-persitente. En cuanto esté libre TX inmediatamente. Usada por Ethernet (IEEE 802.3). no-persistente. Espera un tiempo aleatorio prudencial p-persistente (caso intermedio) Comparación: Demasiadas colisiones, menos tiempo perdido Se pierde demasiado tiempo, menos colisiones Compromiso. detección portadora acceso múltiple colisión retardo
ARP (Address Resolution Protocol) Protocolo de Resolución de Direcciones RFC 826 ARP es un protocolo de descubrimiento de los vecinos. Abstrae la dirección física de la dirección lógica, que depende de la tecnología de red subyacente Cada host mantiene una memoria caché ARP. Contiene pares (dirección física, dirección lógica). 23
ARP Protocolo de Resolución de Direcciones Cuando un host necesita la dirección física de un vecino: Envía una solicitud ARP (broadcast) indicando la dirección IP del host destino. Este host responde con una respuesta ARP (unicast) indicando su dirección física. 24
ARP Formato del mensaje Formato del mensaje 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 0 1 tipo hardware: Ethernet tipo protocolo: IP (0x0800) longitud hard long protocolo Operac. (0001 pet, 0002 resp) Encapsulado Ethernet dirección hard origen (6 bytes para Ethernet) dirección protocolo origen (4 bytes para IP) dirección hard destino (vacío en petición) dirección protocolo destino preámbulo MAC destino MAC tipo origen (0x0806) ARP (petic o respuesta) relleno checksum 25
ARP Ejemplo A 161.67.38.12 B1:34:56:23:AD:1E 161.67.38.95 46:57:92:AF:FC:21 B Solicitud ARP (de A a todos) CRC preámbulo 0x06 0x0002 0x04 Respuesta ARP (de B to A) B1:34:56:23:AD:1E 0x0001 B1:34:56:23:AD:1E 161.67.38.12 00:00:00:00:00:00 161.67.38.95 0x0800 46:57:92:AF:FC:21 tipo (0x0806) tipo (0x0806) B1:34:56:23:AD:1E 0x06 0x0002 0x04 FF:FF:FF:FF:FF:FF 0x0002 46:57:92:AF:FC:21 161.67.38.95 B1:34:56:23:AD:1E 161.67.38.12 0x0800 preámbulo CRC 26
Ejemplo de encapsulado UDP Enviar el texto Redes~1 en ASCII con protocolo de transporte UDP desde la dirección IP 161.67.27.124 hasta la dirección IP 161.67.48.57, sabiendo que la MAC del host origen es 00:21:5D:E9:7F:80 y la MAC de la puerta de enlace (gateway) o router es 00:64:40:3A:C9:40. Todos los valores están en hexadecimal. aplicación transporte red física <...... 64 Bytes...> <.. 7 Bytes..> <... 14 Bytes...> Cabecera enlace: <... 20 Bytes...> Cabecera red: 4500...7C Cabecera transporte: DE...E9 Datos de usuario: Relleno: 52...49 00...00 <... 8 Bytes.> 52...49 00...00 DE...E9 52...4900...00 Datagrama de usuario UDP Datagrama IP <... 46 Bytes...> <.. 4 Bytes..> Cola: 0064...0800 4500...7C DE...E952...4900...00 XXXXXXXX Trama Ethernet bits aplicación transporte red enlace física
Cabecera y datos capa de transporte (UDP)
Cabecera y datos capa de red (IP) Internet, the IP protocol 29
Cabecera y datos capa de enlace (Ethernet) Preámbulo + SFD Dirección destino Dirección origen Tipo Datos encapsulados Checksum CRC 7+1 6 6 2 46-1500 4 bytes
Resumen
Computer Networks I 32 Puentes y conmutadores La Ethernet original también ha evolucionado para proporcionar tasas de datos más altas y de mayor eficiencia: Usando puentes en una primera etapa Extendiendo la idea de los conmutadores
Puentes División de la red en dos o más redes El ancho de banda de la red original no se divide, sino que se mantiene en cada nueva red Separación de dominios de colisión, menor probabilidad de colisión Se pueden enviar tramas a otros dominios de colisión a través de puente de forma transparente No cambian las direcciones MAC puente Computer Networks I 33
Computer Networks I 34 Puentes Sea una LAN con 6 equipos sin puente a 10 Mbps. La velocidad para cada equipo sería de 10/6 Mpbs < 2 Mbps Sea la misma LAN anterior y 1 puente con 2 puertos: habrá 2 dominios de colisión de 3 equipos cada uno a 10 Mbps, es decir, 10/(3+1) Mpbs = 2,5 Mbps para cada uno, incluido el puente En el límite podría haber 1 equipo por dominio a la máxima velocidad posible: es lo que se llama conmutador de nivel 2
Computer Networks I 35 Conmutadores Puentes Multipuerto Comunicación Full-duplex a través de pares dedicados No se necesita CSMA/CD Dominio Full Duplex Recepción Dominio Transmisión Conmutador Dominio Dominio
Computer Networks I 36 Puentes: conexión dominios Cómo sabe un puente, unido a varias LANs, unir unas con otras? Tiene una tabla (estática o dinámica) con la información
Computer Networks I 37 Puentes: algoritmo de aprendizaje En caso de tablas dinámicas, los puentes aprenden la ubicación de los hosts Cuando comienzan, la tabla de enrutado está vacía. Varios casos: A -->D, E-->A, B-->C Cuando llega una trama Recuerda y anota la estación origen Si se conoce la estación destino, la redirecciona. En caso contrario, inunda la red (sale por todos los puertos) Las entradas de la tabla que no se usan un cierto tiempo acaban borrándose
Redes LAN inalámbricas Estándar IEEE 802.11 Capas de enlace de datos y física Con o sin AP (Punto de Acceso): BSS BSS: Conjunto de servicios básicos AP Red con Infraestructura BSS con AP Red Ad-hoc BSS sin AP Computer Networks I 38
Computer Networks I 39 IEEE 802.11: Conjunto de servicios ampliados. ESS: Conjunto de servicios ampliados: dos o más BSS Sistema de distribución LAN cableada Servidor o pasarela AP AP AP (BSS con AP) (BSS con AP) (BSS con AP)
Computer Networks I Redes LAN inalámbricas Distinta problemática que la LAN cableada Estación oculta: A no sabe que B está ocupado por C Estación expuesta: B piensa que no puede mandar a C y sí puede
Computer Networks I Redes LAN inalámbricas Dos modos de funcionamiento en 802.11: DCF: no hay control central (similar a Ethernet). Se usa CSMA/CA PCF: estación central que controla la actividad de la celda
Computer Networks I 42 CSMA/CA (I) Acceso múltiple por detección de portadora con evitación de colisiones Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Significado de las siglas: DCF: Función de Coordinación Distribuida PCF: Función de Coordinación Puntual DIFS: Espaciado entre tramas DCF PIFS: Espaciado entre tramas PCF EIFS: Espaciado entre trama extendido RTS: Solicitud de envío SIFS: Espaciado Corto entre tramas CTS: Listo para enviar NAV: Vector de Asignación de Red
Computer Networks I 43 CSMA/CA (II) Acceso múltiple por detección de portadora con evitación de colisiones Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Origen Destino Resto de hosts NAV (sin detección de portadora) Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo
CSMA/CA (III)
CSMA/CA (IV) A decide enviar a B. Solicita permiso enviando RTS Cuando B recibe la solicitud, si decide darle permiso responde con CTS Cuando A recibe el permiso empieza a transmitir su trama y pone en marcha el temporizador Cuando B ha acabado de recibir la trama le responde con ACK Si el temporizador de A expira, vuelve a repetir el proceso C, que está en el radio de cobertura de A, se percata de la transmisión y renuncia a transmitir C puede estimar el tiempo que dura y se impone para sí un canal virtual ocupado, indicado por el NAV D, que no está en el radio de cobertura de A, no escucha RTS, pero si está en el radio de cobertura de B, sí escucha CTS y se abstiene de transmitir Las señales NAV no se transmiten, son sólo recordatorios
Computer Networks I 46 Referencias B.F. Transmisión de datos y redes de comunicaciones, 4º edición 2007. Capítulos 11, 13 y 14