Ethernet conmutada

Ing. Eduardo InterianoIng. Faustino Montes de Oca

Redes de Computadoras

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Contenido

Diversos problemas de las comunicaciones LANSegmentación de LANEquipos de comunicaciones LANConmutaciónProtocolo STP (IEEE 802.1D)Redes virtuales de área local (VLAN) IEEE802.1Q

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¿Qué produce la congestión?

Computadores más rápidosLas aplicaciones que hacen uso intensivo de la red Aplicaciones multimediaAumento del número de usuarios de la redAumento del tamaño de los archivos

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¿Qué se puede hacer para aliviar la congestión?

Se necesita más ancho de bandaO usar con más eficiencia el ancho de banda disponible

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.

.

¿Cuáles problemas afectan el desempeño de las redes Ethernet?

La naturaleza de broadcast para la entrega de la trama de datos de las LAN Ethernet/802.3El método de acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD)Las aplicaciones multimedia con mayor demanda de ancho de bandaLa latencia normal de los dispositivos de capas 1, 2 y 3; y la agregada por los repetidoresLa extensión de las redes Ethernet/802.3 conrepetidores

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Desventajas de las redes Ethernet

El método de acceso CSMA/CD no garantiza un tiempo de respuesta determinístico

El desempeño de la red está en función del número de dispositivos que se conecten.

El tráfico no debe exceder el 40% de utilización del ancho de banda.

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Las desventajas de las redes Ethernet

Existen colisionesNo son determinísticasSon half-duplexUsa broadcastSu rendimiento baja al aumentar el número de usuarios

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¿Qué es la latencia?La latencia, o retardo depropagación, es el tiempo que una trama o paquete de datos tarda hacer el recorrido desde la estación o nodo origen hasta su destino.

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¿Qué factores afectan la latencia?

El tamaño de la redEl número dispositivos de la redEl número y tipo de los equipos de comunicación de la red

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¿Qué es el tiempo de transmisión?

Es el tiempo que le lleva a una trama o paquete para desplazarse desde la capa de enlace de datos hasta la capa físicaA 10Mbps tenemos:

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Equipos de comunicaciones LAN

Repetidor (repeater)

Transceptor (transceiver)

Concentrador (hub)

Puente (bridge)

Conmutador (switch) LAN

Enrutador (router)

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Repetidores, concentradores, puentes, conmutadores, enrutadores y conpuertas

(a) La capa de trabajo de cada dispositivo(b) Tramas, encabezados y paquetes

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Repetidores, concentradores, puentes, conmutadores, enrutadores y conpuertas (2)

(a) Concentrador (b) Puente. (c) Conmutador

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Repetidor

Es el más rápido

Usado para extender la longitud física de las redes

Trabaja en la capa física del modelo de referencia OSI

Existe uno para cada tecnología de red

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Repetidor (2)

Los repetidores son equipos diseñados específicamente para amplificar o regenerar la señal que se recibe en su entrada

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Repetidor (3)

Repetidor

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Tipos de repetidoresPasivos y activos

Amplificadores y regeneradoresAl amplificar, se amplifica el ruido y por lo tanto hay un límite a la cantidad de veces que se puede amplificar hasta que la relación señal ruido mínima ya no es satisfechaAl regenerar, se recuperan los datos de la señal y luego se vuelven a transmitir, tal como la primera vez

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¿Qué desventajas tiene el uso de repetidores?

Aumentan el tamaño del dominio de colisión

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Transceptor

Usado para cambiar el tipo de medio entre dos segmentos de red

Trabaja en la capa física del modelo OSI

Existe uno para cada pareja de tecnologías de red

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Concentrador o hub

Usado para conectar múltiples nodos a la red

Trabaja en la capa física del modelo OSI

Puede ser considerado como un repetidor multipuerto

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La escalabilidad

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La congestión semantiene dentrodel segmento

Los datos de los segmentos se transmiten a través del backbone

¿Por qué segmentar la LAN?

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Cada segmento comparte el ancho de banda.

Los puentes, conmutadores LAN y enrutadores segmentan la red en dominios de colisión.

Los dominios de colisión

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Conmutación en la capa de enlace de datos

Varias LAN conectadas por un backbonemanejan una carga total mayor que la capacidad de una LAN simple

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PuenteTrabaja en la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI

Utiliza las direcciones físicas para intercambiar información entre nodos

Divide una red grande en segmentos pequeños ayudando a reducir el tráfico y aumentando el rendimiento de la red

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Puente

Los puentes sirven para unir dos tipos de redes diferentes

Los puentes no toman en cuenta los protocolos de los niveles altos

Su función está localizada en el subnivel MAC del nivel de datos del modelo OSI

Típicamente trabajan en software

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Puente

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Añaden más latencia (10% a 30%), por trabajar en software.

Utilizan las direcciones MAC para crear tablas de puenteo.

Filtran las tramas.

Aumentan el ancho de banda al existir menos usuarios por segmento.

Segmentación con puentes

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Segmentación con puentes (2)

La segmentación hace que hayan menos usuarios por segmentoLos puentes almacenan y luego envían tramas basándose en direcciones de capa de enlace de datosSon independientes de los protocolos de capa de redAumentan la latencia

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Interconexión local de redes

Los puentes tienen tablas con las direcciones MAC de los clientes conectados a cada puertoPara B2 el cliente A se encuentra en LAN2

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El algoritmo backwardlearning

Usado por los puentes transparentes para administrar las tablas de mapas entre direcciones MACAl inicio, cuando las tablas están vacías, el puente usa flooding y envía las tramas por todos los puertos Las interfaces del puente funcionan en modo promiscuo y analizan las direcciones MAC de todas las tramas que recibenLas direcciones MAC así aprendidas son marcadas con la hora y sufren de envejecimiento

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Tablas de puenteo

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El algoritmo usado por los puentes para transmitir

Si la trama entra por el mismo puerto en el cual está el destino; entonces, ignórelaSi la trama entra por un puerto diferente al destino; entonces, envíela por el puerto destinoSi no conoce el puerto destino de la trama; entonces, envíela por todos los puertos (flooding)

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Puenteo desde 802.x a 802.y

Operación de un puente LAN desde 802.11 hacia 802.3 (Access Point)

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Puenteo desde 802.x a 802.y (2)

Debido a las diferencias en los formatos de tramas IEEE 802, el puente debe reformatear las tramas al cambiarlas de un puerto a otroEl puente debe ser transparente

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Puentes remotos

Los puentes remotos pueden ser usados para interconectar LAN distantes.Pueden usar protocolos como PPP

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Enrutador

Trabaja en la capa de red del modelo de referencia OSI

Traslada datos de una red a otra utilizando direcciones lógicas o direcciones de red

Determina la mejor ruta para enviar los datos basado en una tabla de rutas que construye

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Enrutador

Enrutador

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Enrutador

Los enrutadores si toman en cuenta los protocolos de los niveles superiores.

Están diseñados para soportar ciertos tipos de protocolos como son TCP/IP, SPX/IPX, DEC, XNS, etc.

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Provocan pérdida de rendimiento de los protocolos (20% a 30% y 30% a 40%).

Basan sus decisiones de envío de paquetes en la capa de red.

Segmentación con enrutadores

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Segmentación con enrutadores (2)

Más configurableMayor funcionalidadMúltiples rutas activasDominios de colisión y broadcast más pequeñosOperan en las capas 3 y 4 del modelo OSI

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Enrutador

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.2

.1

.1

.1

.2

.2

208.3.7.0

215.4.1.0205.5.6.0

A C

B

Topología de una red ejemplo

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Conmutador LAN

Trabaja en la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI

Trabajan en hardware y se pueden considerar como puentes multipuerto

Proveen enlace dedicado de alta velocidad entre segmentos de redes

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Conmutador LAN

Divide una red grande en segmentos pequeños ayudando a reducir el tráfico y aumentando el rendimiento de la red

Reducen el tamaño de los dominios de colisión, aumentando el número de dominios de colisión; esto es llamado microsegmentación

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Conmutador LANFiltran tramas basados en las direcciones de la capa de enlace o direcciones MAC

Crean rutas o canales virtuales de comunicación entre pares de puertos de tal forma que la comunicación entre un par de puertos no se ve afectada por otra comunicación entre cualquier otro par de puertos

En el caso de tener un único host por puerto del conmutador, permite la comunicación full-duplex, duplicando efectivamente el ancho de banda

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Conmutador

Conmutador

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Por lo demás tienen las mismas ventajas que los puentes.

Utilizan diferentes estrategias para la conmutación de las tramas.

Segmentación con conmutadores LAN

Aumentan la latencia; pero menos que los puentes por trabajar en hardware

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Ethernet conmutada 10/100

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FastEthernet conmutada

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Segmentación con conmutadores LAN (2)

Un conmutador elimina el impacto de las colisiones mediante la microsegmentaciónBaja latencia a velocidades elevadas de envío de tramas en cada puerto de interfazFunciona con las tarjetas de interfaz de red y cableado existentes que cumplan con IEEE 802.3 (CSMA/CD)

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Conmutación LANExisten dos tipos:

Conmutación simétrica: conexiones conmutadas entre puertos de la misma velocidad. Ejemplo entre puertos de 10Mbps o entre puertos de 100Mbps

Conmutación asimétrica: conexiones conmutadas entre puertos con velocidades diferentes. Ejemplo 1 puerto de 100Mbps y varios de 10Mbps

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Estrategias de conmutación LAN

Estrategias de conmutación LAN, ¿cuáles tipos existen?Existen al menos dos grandes tipos:

Almacenamiento y envío (Store and Forward)Fast switching

Corte (cut-through)Libre de fragmentos (Fragment free)

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Estrategias de conmutación: Corte

Recibe los primeros 14 bytes de la trama hasta leer la dirección MAC del destino y luego retransmite

Es el más rápido de los métodos de conmutación

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Estrategias de conmutación: Libre de fragmentos

Recibe los primeros 64 bytes y verifica que no haya habido colisiones antes de retransmitir

Introduce una latencia o retardo medio correspondiente a 64 bytes

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Estrategias de conmutación: Almacena y transmite

Recibe toda la trama hasta verificar con el FCS que aquella no tiene errores y luego retransmite

Es el más lento de los métodos, introduce un retardo por latencia que depende del tamaño de la trama (64 a1518 bytes)

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Estrategias de conmutación: comparación de la latencia

A

B

t

14 50

Cut-through

Fragment-free

Store andforward

A B

64 bytes

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Puentes Spanning Tree

Dos puentes trasparentes en paralelo pueden tener una tormenta de broadcast

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El protocolo spanning treeEl STP permite que existan caminos redundantes a prueba de fallas en la red; sin que existan lazos en la redUsa unas tramas especiales llamadas BPDU (Bridge Protocol Data Units) para establecer la topología de la redEl STP detecta y desactiva los lazos en la red, deshabilitando algunas interfaces de los conmutadores, que son activadas en el caso de falla de una conexión activa

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Puentes Spanning Tree (2)El spanning tree crea una topología libre de lazos

(a) LAN interconectadas (b) Un spanning tree cubriendo las LAN

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Los estados del STP

Blocking: No transmite; escucha BPDUListening: No transmite; escucha tramasLearning: No transmite; escucha direccionesForwarding: transmite tramas; escucha direccionesDisabled: No transmite ni escucha BPDU

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Virtual LANsUn edificio con cableado centralizado que usa concentradores (hubs) y conmutadores (switches)

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LAN virtuales (VLAN)Una VLAN es un grupo lógico de dispositivos de red que no están limitados a estar físicamente conectados a un único segmento físicoLos dispositivos o usuarios de las VLAN pueden ser agrupados por función, departamento o aplicación independientemente de en cual segmento físico se encuentrenLas VLAN crean un dominio de broadcast que no está restringido a un mismo segmento físico y son tratadas como una subred

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Redes virtuales de área local VLAN

(a) Cuatro LAN físicas organizadas por dos puentes en dos VLAN, gris y blanca. (b) Las mismas 15 máquinas organizadas en VLAN por conmutadores LAN (switches)

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Asignación de VLAN

Cada puerto es asignado a una VLANCada dirección MAC es asignada a una VLANCada protocolo de capa 3, dirección IP o subred es asignada a una VLAN

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El estándar IEEE 802.1Q

Conmutadores con conocimientos de 802.1q Los símbolos sombreados son conocen acerca de VLAN; los vacíos no.

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El estándar IEEE 802.1Q (2)

La trama 802.3 y nuevo formato 802.1QPri 3 bits: para priorizar tráfico. Tiempo real duro, suave e independiente del tiempoCFI 1 bit: indica que viaja una trama 802.5Identificador de VLAN: 12 bits

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Referencias

Tanenbaum, Andrew S.. Redes de Computadoras 3ª Ed. Pearson, México, 1997