75.43 Introduccion a los Sistemas Distribuidos

Practica 4: Analisis de la Capa de EnlaceResumen

En esta practica estudiaremos la capa de enlace del modelo OSI. Compararemos distintosprotocolos de acceso al medio. Nos centraremos en el estudio de redes Ethernet y veremoscomo se realiza el control de acceso al medio, los tiempos involucrados en las comunicacionesy el mecanismo de backoff. Despues estudiaremos el protocolo STP (Spanning Tree Protocol,802.1d). Este protocolo garantiza la no existencia de loops entre switches (es decir, a nivelde capa 2). Mientras se construye el Spanning Tree, los puertos de los dispositivos de capa 2pasan por distintos estados, mientras que los dispositivos transmiten informacion entre ellosa traves de BPDUs. Analizaremos como funciona el algoritmo distribuido de construccion delspanning tree y los BPDUs intercambiados.

CSMA/CD, Ethernet (802.3), Stop&Wait

1. (ALOHA, Slotted ALOHA) Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas(F) y justifique:

a) La red ALOHA utilizaba CSMA/CD.

b) En Slotted ALOHA no hay colisiones.

c) La estacion central en la red ALOHA original era full-duplex.

2. (Ethernet) A partir de los siguientes bloques realice un diagrama de flujos que represente elproceso de envıo de un frame en Ethernet (802.3).

3. (Relacion trama-velocidad-distancia) Suponga que se desarrolla una variante de Fast Etherneten la que el tamano de trama maximo es diez veces mayor que el actual (es decir, 15180bytes) manteniendo la velocidad de 100Mb/s. ¿Que consecuencia tendrıa esto en la distanciamaxima entre estaciones, tambien llamada diametro de la red? Explique su respuesta.

4. (Relacion trama-velocidad-distancia) Se requiere desarrollar una LAN a 10Mb/s, optimizadapara tramas de pequeno tamano. El protocolo sera CSMA/CD, identico a Ethernet, pero lasdistancias y el numero maximo de repetidores entre estaciones se han definido de forma queel RTT (Round Trip Time) maximo es de 40µs. Calcule el tamano de trama mınimo quepodrıa utilizarse en dicha red.

5. (Ethernet) Considere dos estaciones A y B que se encuentran sobre el mismo segmento deEthernet a 10 Mbps. El tiempo de propagacion entre ambas es de 250 · tb (donde tb: bit time= 1/(10 Mbps) = 0.1 µs).

Suponga que ambas estaciones comienzan a transmitir simultaneamente un frame cuyo pay-load es de 300 bytes. Luego de la colision asuma que A elige un valor de k = 0 en el algoritmode backoff, mientras que B elige k = 1. Si se considera despreciable el tiempo de jamming eIFG, determine analıtica y graficamente:

a) Cuanto tiempo transcurre desde el inicio, para que A vuelva a retransmitir el frame.

b) Cuanto tiempo transcurre desde el inicio, para que B pueda volver a transmitir su frame.

6. (Stop&Wait) Sea una red basada en un protocolo Stop&Wait para comunicar dos nodos conuna velocidad de transmision de 128 kbps, tamano del frame 1024 bits y 10ms de propagacionde extremo a extremo. El ACK es de 16 bits. Calcule el rendimiento maximo conseguible.

7. (Rendimiento en Ethernet) Se tiene una red Fast Ethernet formada por varios hosts conec-tados con tarjetas 100BASE − TX y cables de 10m de longitud a un concentrador Clase II(bajo retardo).

El nivel de ocupacion del medio fısico medido con un analizador es del 40 %, es decir el 40 %del tiempo hay portadora en la red (la portadora indica que una o mas estaciones estantransmitiendo, si son mas de una se producira una colision). El analizador detecta tambienuna tasa de colisiones del 30 %, es decir que el 30 % de las tramas que se transmiten terminanen una colision.

a) Calcule el goodput de la red (es decir, la tasa de informacion util transferida) en Mb/s.Suponga que todas las tramas emitidas son de la longitud maxima permitida en Ether-net. Considere que la duracion de una colision es constante e igual al tiempo de ida yvuelta de la senal entre las estaciones que colisionan.

b) Indique de forma cualitativa como evolucionarıa la tasa de colisiones y el goodput si loshosts se conectan con cables de 100 metros. Intente cuantificar su respuesta.

Informacion adicional: La tasa de colisiones se define como:

Tasa de colisiones =Numero de colisiones

Numero de tramas transmitidas correctamente + numero de colisiones

Por ejemplo, una tasa de colisiones del 10 % significa que de cada diez intentos, en nueve seha transmitido correctamente la trama y en uno se ha producido una colision.

STP Spanning Tree Protocol

Parte 1: Ejercicios

1. (Estados en STP) Complete el siguiente diagrama de estado de STP correspondiente a unpuerto de un switch, agregando las transiciones existentes y los eventos que las disparan.

2. (Priority Vector) Complete el siguiente recuadro con el contenido del Priority Vector de STP.

3. Complete las siguientes afirmaciones:

a) El Bridge ID esta formado por y .

b) Si un puerto que es root port deja de recibir BPDUs, despues de un tiempo pasara alestado .

c) Cuando un puerto pasa al estado Learning ya puede aprender delos frames que recibe.

d) Un switch recibe BPDUs a traves de dos puertos distintos, contieniendo el mismo BridgeID. Entonces, el puerto con menor se convertira en el .

e) Cada segmento de red debe tener un unico .

4. (Root port y Designated port) Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas yjustifique

a) Si un bridge recibe un frame de broadcast a traves de su root port entonces debe enviarlosolo a traves de los designated ports.

b) Si un bridge recibe un frame de broadcast a traves de un designated port, debe reenviarlosolo a traves del root port.

c) Si un bridge recibe un frame de unicast a traves de un designated port, debe reenviarlosolo a traves del root port.

d) Dado un conjunto de bridges sobre un mismo segmento de red, de entre los puertos deesos bridges en el segmento, solo puede haber un root port.

e) Un mismo bridge no puede tener mas de un root port.

f ) Cuando un switch elije su root port considera, entre otros parametros, los numeros depuerto locales.

5. En la siguiente red, los switches aplican el algoritmo STP para obtener un spanning-tree.Considere que las MAC de los switches son de la forma 00:5f:03:20:ac:0X, en donde X

representa el numero de switch, segun el diagrama. Todas las prioridades toman el valordefault de 32768. Toda la red funciona a 10Mbps (costo 100), excepto el segmento A, quefunciona a 100Mbps (costo 19).

SW1 1

23

SW2

1

2 SW31

23

SW41

2

34

PC2Hub_Segmento_C

1 2

3

PC1

Hub_Segmento_B

12

3

Hub_Segmento_A

12 3

PC3

PC4

PC5

a) Indique si las siguientes afirmaciones despues de converger el algoritmo STP son ver-daderas o falsas y justifique:

1) El puerto 3 del SW4 quedara en estado Forwarding.

2) El puerto del SW4 con interfaz en el segmento C quedara en modo Blocking, porquetiene menor capacidad que el puerto con interfaz en el segmento A.

3) El puerto 1 del SW4 queda como Designated Port para el segmento A.

4) El SW4 nunca redireccionara un frame Ethernet enviado por PC1.

b) Dibuje los Priority Vectors contenidos en los BPDUs que envıan SW3 y SW4 al segmentoC. Muestre como se elije al Designated Port del segmento, y explique por que ningunode los dos se elige como root port.

c) PC5 debe enviar un frame a PC1. ¿Es necesario que sepa quien es el Designated Port delsegmento C? En caso afirmativo, explique como hace para conocerlo. En caso negativo,justifique por que no es necesario.

d) ¿Que cambiarıa en el Spanning Tree si se elimina el enlace entre SW1 y SW3?

6. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y justifique

a) Despues de converger el protocolo de Spanning Tree, todos los puertos de switches ybridges seran root ports o designated ports.

b) Despues de converger el protocolo de Spanning Tree, todos los puertos de switches ybridges estaran en forwarding o blocking.

c) El protocolo de Spanning Tree permite a los switches aprender la ubicacion de lasdirecciones MAC en la red y ası evitar el envıo de las tramas Ethernet a traves de todoslos puertos innecesariamente.

d) El protocolo de Spanning Tree puede generar caminos suboptimos entre hosts y subuti-lizar recursos de la red.

e) El algoritmo de STP es un algoritmo centralizado, porque esta coordinado por el rootbridge.

7. Dada la siguiente topologıa de red a nivel de capa 2, indique segun el estandar IEEE 802.1dcual sera el estado de cada uno de los puertos intervinientes y justifique su respuesta. Con-sidere que todos los switches tienen la misma prioridad.

Parte 2: Simulacion

1. Abra la topologıa y encienda los equipos.

2. Identifique en cada equipo cada interfaz, nominandola por su dıgito final para mayor claridad.

3. Ejecute en los switches SW1 a SW6 el comando show spanning-tree brief.

4. En base a los datos del comando anterior, dibuje la topologıa de la red con el estado de lospuertos en STP e indique quien es el root bridge.

5. Para cada switch observe que enlace se elige para llegar al root bridge y explique por que seelige ese enlace en lugar de los otros. Anote la prioridad de cada switch.

6. Active la captura de trafico en:

Enlace SW2-SW5

Enlace SW4-SW6

7. Explique cual es la diferencia entre las tramas Ethernet capturadas en estos puertos y enque casos se da cada una de ellas.

8. Ejecute el comando debug spanning-tree event en todos los switches.

9. Ejecute los siguientes comandos en SW5: conf t

spanning-tree vlan 1 root primary

exit

10. Verificar los mensajes de debug en cada switch y las capturas de trafico e interpretelos.

11. Ejecute en los switches SW1 a SW6 el comando show spanning-tree brief y dibuje latopologıa con el estado de los puertos en STP. Indique quien es el root bridge y que prioridadtiene.

12. Ejecute los siguientes comandos en SW3: conf t

spanning-tree vlan 1 root secondary

exit

13. Verificar los mensajes de debug en cada switch y las capturas de trafico e interpretelas.

14. Ejecute en los switches SW1 a SW6 el comando show spanning-tree brief y dibuje latopologıa con el estado de los puertos en STP. ¿Que prioridad tiene SW3?

15. ¿Que pasarıa si se apaga SW5? ¿Quien se convertirıa en root bridge? Justifique.

16. ¿En que forma modificarıa el comando spanning-tree vlan 1 root primary/secondary

las prioridades del switch? ¿Que utilidad les ve a estos comandos? ¿Para que los utilizarıa?

17. El comando spanning-tree vlan 1 priority xx modifica la prioridad al valor xx. ¿Cuales la finalidad de este comando? Describa una situacion en donde deberıa utilizarlo.

18. Capture algunos paquetes de trafico STP. Muestre y analice la estructura de un mensajeBPDU. Explique brevemente la funcion del root bridge en STP y muestre a traves de undiagrama de flujo el proceso de eleccion del mismo.

Anexo

1. Listado de comandos

Se detallan a continuacion algunos comandos que pueden ser de utilidad para completar elTP.

show running-config Permite ver la configuracion completa del equipo.

show interfaces description Muestra las interfaces del equipo, estado de Capa Fısicay Capa de Enlace y descripcion.

show interfaces status Switches. Muestra las interfaces del equipo, descripcion, es-tado, VLAN, duplex, velocidad, tipo.

show mac-address-table Switches. Muestra la tabla de direcciones MAC que usa elswitch para la conmutacion de tramas.

show arp Router. Muestra la tabla de resolucion ARP.

show spanning-tree brief Switches. Muestra informacion de STP, tanto de configu-racion como operativa (prioridad del equipo, timers, estado de los puertos).

Referencias

[1] “Data and Computer Communications”, W. Stallings, 8va Edicion, Capıtulos 16 y 17.[2] “Redes de Computadoras”, A. S. Tanenbaum, 4ta Edicion, Cap.4 - “Control de Acceso al

Medio”.