redes locales apuntes

Teleinformática : Tema 4 1

Stallings00 Cap. 13-14Comer99 Cap. 7-10

Redes de área local1. Introducción2. Topologías más comunes 3. Direccionamiento4. Control de acceso al medio

4.1 Arquitectura de las LAN4.2 Control de acceso en buses.4.3 Estándares. Ethernet4.4 Control de acceso en anillos. 4.5 Estándares. Token ring4.6 Estándares. FDDI

5. Interconexión de redes locales

TEMA 4

Teleinformática : Tema 42

Objetivos• Conocer y comprender los fundamentos de las redes de

área local: ámbito de aplicación, topologías y arquitectura

• Conocer y comprender los principales problemas a resolver en las LAN: direccionamiento y control de acceso al medio en sus diferentes topologías

• Conocer los estándares de LAN más usuales, tanto en topologías tipo bus como tipo anillo

• Conocer y comprender los conceptos fundamentales de la interconexión de LANs, así como los dispositivos para su interconexión, como puentes, conmutadores y routers


1. Introducción

• Ventaja:– Canales no compartidos:

seguridad y privacidad

• Inconveniente– Cuando n crece se requieren

muchos enlaces

• Solución utilizada en entornos geográficos reducidos (redes LAN) para la comunicación: medio compartido

• Para conectar n computadores se puede usar una red de enlaces punto a punto ( interconexión total)

Conexiones = 2

(n2-n)

1


1Caracterización de una LAN

• Para conectar más de dos dispositivos emplearemos redes de comunicación

• Las redes locales (LANs) fueron desarrolladas para su uso en un ámbito (geográfico) reducido:– Alta velocidad, difusióndifusión, pocos usuarios, mayor

fiabilidad, propiedad privada, …– Inicialmente se apoyaron en el uso de un medio

de transmisión compartido


Otros tipos de redes de computadores

• Para largas distancias se desarrollaron otro tipo de soluciones (WANs):– Utilizan canales de comunicación y elementos

activos de conmutación• Existe una solución distinta para cada

situación, y redes de computadores con distintas características:– Velocidad, dimensión, retardos, técnicas de

conmutación, número de usuarios, propiedad, ...

1


2

• Bus• Anillo• Árbol• Estrella

difusión

Punto a punto ANILLO

ARBOL

2. Topologías LAN

�IBM Compatible

�IBM Compatible �Laptop computer

�IBM Compatible

BUSESTRELLA


2Topología lógica/física

• La forma en cómo dibujamos una topología puede conducir a conclusiones erróneas

• Lo que parece una estrella funciona en realidad comoun anillo un bus


2Cableado estructurado• Con independencia de

la topología de la red utilizada, estos sistemas de cableado tienden a una distribución en árbol

• A cada puesto de trabajo de trabajo llega un cable y dispone de un conector


33. Direccionamiento en las LAN

• Es necesario identificar de forma única a cada una de las estaciones que desean comunicarse.

• A cada estación se le asigna un identificador distinto, es la dirección física o dirección MAC. – En muchos casos se emplean identificadores de 48

bits (Norma IEEE).• Cada trama transmitida incluye 2 campos que

indican el origen y el destino de la misma


Adaptadores de red (I)• Para poder conectarse a una red local, los

computadores requieren un hardware específico, conocido como adaptador de red (NIC: Network Interface Card)

• El adaptador se encarga de todos los aspectos de transmisión y recepción, interfaces, cálculos de CRC ...

3


3Adaptadores de red (II)

• Los adaptadores de red permiten:– Independizar la velocidad de funcionamiento de

la red y la CPU central del computador– Aislar el computador de la mayor parte de la

actividad de la red• Son específicos para cada tecnología de

red utilizada


3Direcciones físicas IEEE

• Todas las redes IEEE comparten el mismo esquema de direcciones de 48 bits

• Se garantiza que las direcciones son únicas (independientemente de marcas y redes)

• Identifican a un adaptador de red• Vienen configuradas por firmware en el adaptador• Por ejemplo:

• Dirección de difusión: FF:FF:FF:FF:FF:FF

00:20:AF:DC:A6:12Fabricante

00:20:AF = 3ComAdaptador de red


Redes LANControl de Enlace de Datos

• Realiza las funciones habituales:– Delimitación de las tramas– Detección de errores– Control de flujo y de error

• Parada y espera• Ventana deslizante

• Pero también se debe gestionar lo que se conoce como protocolo de acceso al medio. Esto hace que el nivel de enlace se estructure como…...


Arquitectura de las LANLa capa física:

codificación/decodificacióngeneración eliminación de cabeceras de sincronizacióntransmisisón y recepción de bitsespecificación del medio a transmitir y la topología

MAC:En tranmisión: ensamblado de datos (campos de datos, dirección y detección de

errores)En recepción: desensamblado de tramasControl de acceso al medio

LLC: Interfaz con las capas superioresRazones: la lógica necesaria para la gestión de acceso al medio no se encuentra en la

capa de enlace tradicional. Además el mismo LLC puede ofrecer varias opciones MAC


4.1Control de acceso al medio

4.1 Arquitectura de las LAN• LLC (Logical Link Control):

– control de errores y control de de flujo

• MAC (Media Access Control): – gestión de acceso al medio de acceso al medio de

transmisióntransmisión– direccionamiento– delimitación trama– detección de errores

• Nivel físico: codificación, sincronización…..

LLCMACNivelfísico

Nivel de enlace de datos


Arquitectura de las LAN

• En algunos casos, la alta fiabilidad de las LAN hace que sean menos importantes los servicios que presta LLC

• Por tanto se deja a los niveles superiores la responsabilidad del control de flujo y de errores

Ethernet

802.3

802.4

802.5

802.2 LLC

Nivelfísico

802.xEstándaresLAN de IEEE


Control de Acceso al medio

• Todas las LAN y MAN contiene un conjunto de dispositivos que deben compartir la capacidad de transmisión de la red: Los parámetros que las definen son:

• Donde: si es un control centralizado o distribuido• Cómo: depende de la topología, y pueden ser síncronas o

asíncronas. – Competición o contienda – Reserva – Rotación circular o paso de testigo

Nosotros estudiaremos las topologías de bus y anillo


4.2Control de acceso al medio en buses• Buses (lógicos o físicos): CSMA/CD (Carrier

Sense Multiple Access with Collision Detection):

• Antecedentes: ALOHA, ALOHA ranurada y CSMA– Permite el acceso múltiple mediante “contiendacontienda”

• Todas las estaciones compiten, no hay control para la asignación de turnos

– Las colisiones se producen cuando dos o más estaciones transmiten simultáneamente,

– esta situación es detectada y corregida más tarde


4.2Algoritmo CSMA/CD

• Se comprueba el estado del canal antes de iniciar una transmisión, si el canal está libre se transmite de inmediato (CSMA/CD: Carrier Sense )

• Si el canal está ocupado se espera a que quede libre

• Mientras se transmite se comprueba si se produce una colisión (CSMA/CD: Collision Detection)

• Si se produce una colisión se interrumpe la transmisión


A B C A B C

A B C A B C

A

A

C encuentra el bus libre C transmite una trama dirigida a A

B ignora la trama A copia la trama A

Los terminadores absoben la señal

terminador

Algoritmo CSMA/CD(sin colisiones)

4.2


A B C D

A B C D

A B C D

A B C D

t0

t1

t2

t3

4.2¿Por qué se producen colisiones?


4.2Tras una colisión ...

• Cada estación espera un tiempo pseudo-aleatorio antes de volver a intentar la transmisión– Basado en un intérvalo básico (slot)

• Esta espera varía a cada nueva colisión• Se utiliza un algoritmo denominado Binary

Exponential Backoff• Tiempo de espera= 2*slot*[0, 1,

…,2NumColisones-1]


4.3Ethernet

• Desarrollada en los años 70• Ha tenido un gran éxito comercial• Inicialmente empleaba cable coaxial

formando un bus• Utiliza el método de CSMA/CD para

gestionar el acceso al medio de transmisión• Inicialmente para 10 Mbps (IEEE 802.3)• Codificación Manchester


preámbulo fte dst tipo/lon CRCDatos(<= 1500 bytes) FI

7 6 6 2 46...1500 41

4.3Formato de trama Ethernet

• Ethernet y 802.3 difieren en el campo tipo/lon(gitud)– tipo hace referencia al tipo de paquete de los niveles superiores (IP,

ARP…)– longitud. El campo datos es una trama LLC

• El campo de datos tiene un tamaño mínimo de 46 bytes (se rellena, en caso necesario, hasta esa longitud)

64 -1518 bytes


Tamaño mínimo de trama (I)

• El protocolo Ethernet exige que la detección detección de colisión se haga durante la transmisión de de colisión se haga durante la transmisión de la trama esto implica:la trama esto implica:– Tamaño mínimo de trama

64 bytes = 512 bits – En una Ethernet (10 Mbps) ⇒ tiempo mínimo

de transmisión de una trama 51.2 µs

4.3


Tamaño mínimo de trama (II)• x e y dos estaciones lo más alejadas posible• τ es el tiempo máximo de propagación (de x a y)

Est x

Est y

t0 t0+τ t0+2τ

colisión(peor caso posible)

x detecta la colisión

ventana de colisión

2τ < 51.2 µs Para que se cumpla esta condición se define una separación máxima de las estaciones

y detecta la colisión inmediatamente

tiempot0t0

4.3


• Coaxial– 10 BASE-5– 10 BASE-2

• Par trenzado UTP– 10 BASE-T

• Fibra óptica– 10 BASE-F

BUS

4.3Medios físicos en Ethernet

HUB

2 pares trenzados

coaxial


4.3Fast Ethernet (802.3u)

• Compatible con Ethernet pero a 100 Mbps• Usa el protocolo MAC y el formato de

trama IEEE 802.3• Medios físicos posibles:

– UTP categorías 3 (4 pares) y 5– STP– Fibra óptica


4.3Comparación

Ethernet Fast Ethernet

2.5 kmLongitud máxima 200 m

4Número de repetidores 2500m B5200m B2100m BT

DistanciaRepetidor- computador 100m BT

10MbpsVelocidad de transmisión 100Mbps


4.3Gigabit Ethernet

• Transmite datos a 1 Gbps• Medios físicos posibles:

– Fibra óptica – STP– UTP categorías 5 (4 pares)

• Distancia máxima entre 500m y 2.5 Km (según el medio)

• Método de acceso CSMA/CD• Uso principal para interconectar conmutadores de

redes Fast Ethernet


4.4Control de acceso al medio en anillos

• Se emplea el método de paso de testigo para controlar el acceso al medio

• Permite un control de acceso equitativo y flexible (uso de prioridades)

ANILLO

Repetidor


4.4Estados del repetidor en un anillo:

• Estado de escucha– se "escucha" todo lo que

circula por el anillo• Estado de transmisión

– se ponen datos en el anillo– si se reciben bits:

• pueden enviarse a la estación como confirmación

• almacenarse para su posterior retransmisión

• Estado de cortocircuito

estación

estación

estación


4.4Acceso al medio

• En estado de reposo el testigo circula por el anillo

• Cuando una estación desea transmitir espera a recibir el testigo:– lo modifica y lo convierte en un comienzo de

trama– Añade los restantes campos de la trama– La trama da la vuelta al anillo y es copiada por

las estaciones destino– La estación emisora retira la trama del anillo y

emite un nuevo testigo


4.4

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

D

A

NOTA: Una estaciónsólo puede retener eltestigo por un tiempolimitado

Funcionamiento de una red IEEE 802.5


4.4Mantenimiento del anillo

• Para controlar los posibles problemas con el testigo una estación actúa como "monitora", por ejemplo:– Pérdida del testigo: Transcurrido un cierto

tiempo sin detectar la presencia del testigo en el anillo, la estación monitora emite un nuevo testigo

– Trama de datos no retirada por la estación emisora: se detecta mediante el bit monitor


4.5IEEE 802.5 (Token Ring)

• Emplea el método de paso de testigo para controlar el acceso al medio

• Se utiliza en redes con topología en anillo• Emplea par trenzado (UTP o STP) o fibra• Velocidades de transmisión: 4, 16 o 100 Mbps• Algo ineficiente para cargas bajas (espera de testigo) • Para cargas altas es más equitativo • Permite el uso de prioridades


acceso fuente dsttipo C.errorDatos FI est

Formato general de trama

Formato del testigo

acceso F

Campo de acceso

PPP RRRT M

I

1 6 61 4> = 0 11 1

4.5Formatos de trama (IEEE 802.5)

rrA C rrA C

Campo de estado


4.6FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

• Esquema de paso de testigo en anillo a 100 Mbps

• Hasta 200 Km de longitud del anillo y hasta 1000 estaciones

• Aunque pueden conectarse estaciones directamente al anillo se utiliza habitualmente como backbone para interconexión de LANsde menor velocidad


4.6Características de FDDI

• Esquema de funcionamiento y formato de trama similar al de 802.5, pero :– la estación que quiere transmitir cancela el testigo y transmite una

o más tramas– en cuanto finaliza la transmisión de las tramas la estación libera un

nuevo testigo (sin esperar a recibir las tramas enviadas)

• También permite el uso de prioridades, aunque con un método totalmente diferente al de 802.5

• Soporta tráfico de datos (asíncrono) y tráfico multimedia (síncrono: video, audio, etc)


802.3u 802.3z802.3

802.5 802.5

802.11

FDDI

ATMATM

FDDI

Wireless

Token Ring

Ethernet

Estándares - Resumen

10Mbps 100Mbps 1Gbps


5Interconexión de redes locales

• Dispositivos para interconectar dos LAN:– Un repetidor– Un puente– Un router

• Según la distancia entre las redes, existen distintas posibilidades de interconexión


5Conceptos previos

• Dominio de colisión: conjunto de estaciones que se ven afectadas por una colisión (tanto si participan en ella como si no)

• Dominio de difusión: conjunto de estaciones que recibe una difusión efectuada por alguna de ellas


5Repetidores

• La señal transmitida se atenúa con la distancia• Un repetidor es un dispositivo electrónico que

regenera la señal para que llegue más lejos • Conecta varios segmentos de red• El repetidor no entiende el formato de la trama,

ni las direcciones físicas: copia cualquier señal eléctrica (colisiones también)

• Mantiene un único dominio de colisión

R

Segmento de red Segmento de red


Concentradores

• Un concentrador (hub) es un repetidormulti-puerto hub

hubhub

5


5Puentes (Bridges)

• Permiten conectar segmentos de red, que pueden tener diferente MAC

• El puente almacena la trama que recibe por un segmento y la retransmite a los otro(s), cuando es necesario (difusión, destino en otro segmento, dtno. desconocido)– Los puentes no analizan el contenido de las tramas (sólo

las direcciones físicas)

Segmento 1 Segmento 2

Puentea b c e f g


5Tipos de puente

• La estrategia utilizada en la retransmisión varía según el tipo de encaminamiento:– transparente– encaminamiento fuente (source routing)** Para conectar segmentos Token ring

• Establecen varios dominios de colisiónindependientes (mejor rendimiento que un repetidor) pero mantienen un único dominio de difusión


5Puentes transparentes

• Su funcionamiento es transparente a las estaciones que se comunican

• Detectan en qué red está presente cada dirección física

• Construyen una tabla de encaminamiento• Consultan esa tabla para decidir cuándo procede

retransmitir una trama (y hacia dónde)• Son los que más se utilizan


5Puentes source routing• Requieren asignar identificadores a los puentes y a

los segmentos de red• Cada trama lleva un campo donde se indica qué

puente(s) debe(n) retransmitirla• Ese campo detalla la ruta que debe seguir la trama

(por qué puentes y segmentos debe pasar)• En este método los computadores deben

"colaborar" indicando esa ruta al transmitir la trama

• Hay métodos para averiguarla previamente


5Conmutadores (Switches)

• Básicamente, es un puente multi-puerto (con mayores prestaciones)

• El tráfico deja de ser por difusión y sólo se envía al destino (analizando la dirección física)

• Mejora las prestaciones respecto a un hub– Permite varias comunicaciones simultáneas

switch

10 Mbps 10 Mbps


5


Diferencias conmutadores/puentes• Los conmutadores son apreciablemente más

rápidos– Realizan conmutación hardware frente a la

conmutación software de los puentes• Pueden conectar segmentos de red con distinto

ancho de banda• Permiten más puertos que los puentes

– Y el coste por puerto es más barato • En la actualidad los conmutadores están

reemplazando a los puentes en la mayoría de instalaciones (redes homogéneas)

5


Combinación switch/hub

hub hub hub

switch

Dept. A Dept. B Dept. C

5


5Routers

• Permiten la interconexión de redes con igual o distinta tecnología (p. Ej. WANs y LANs)

• Requieren esquemas de direccionamiento adicionales– Analizan las direcciones de red (por ejemplo IP) para

retransmitir los paquetes por la ruta apropiada

• Mantienen dominios de difusión separados (uno por cada red interconectada)


Ejemplo: LAN pequeña5


Ejemplo: LAN mediana5

Internet Service Provider


Ejemplo: WAN pequeña5


Ejemplo: WAN de altas prestaciones

T1 Line: 1.5 Mbps

5


Problemas

• Una oficina tiene dos departamentos y una LAN. Proponga opciones para mejorar el rendimiento de la red local.

• Se desea enviar varios flujos de video por una red local. ¿Qué tipo(s) de red(es) local(es) será(n) adecuada(s) para esta tarea?


Problemas

• Se dispone de una red Ethernet a 10 Mbpscon diez usuarios. Si todos utilizan las mismas aplicaciones – ¿Qué capacidad tiene disponible cada uno?– ¿Qué cambios se puede hacer para mejorar esa

capacidad por usuario?

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