Redes Ethernet.

Presentación del tema: "Redes Ethernet."— Transcripción de la presentación:

1 Redes Ethernet

2 Redes LAN: características

3 LAN: características Distancia de operación mucho menor a WANs
Sistemas baseband Data rate optimizado por el uso de más de dos líneas para transmisión de datos Comunicación en banda base: implica la transmisión de datos como secuencias de tensiones o pulsos de luz que representan unos y ceros lógicos Algunas codificaciones utilizadas en tecnologías de LAN: • Simple Manchester encoding (10Base-T) • Differential Manchester encoding (Token Ring) • 4B5B encoding (FDDI,100Base-TX,100Base-FX) • 8B6T encoding (100Base-T4) 8B10B (Gigabit Ethernet) La velocidad de transmisión de los datos se optimiza hasta en cables de baja calidad (como los de categoría 3) utilizando más de dos líneas para la transmisión.

4 Topologías ´80: 10Mbps Ethernet bus (IEEE 802.3), Token Ring (IEEE 802.5), FDDI ´90: aparece LAN switching, pero se siguió utilizando tecnología anterior... hasta mitad de la década Al principio de los ´90 más del 90% de las redes LAN todavía utilizaban tecnologías desarrolladas en la década anterior. Hace algunos años no era extraño encontrar redes Ethernet 10M con más de 300 nodos. Hoy en día la cantidad de hosts en redes como esa es un segmento con no más de 10 o 20 nodos, y la tendencia es un número de nodos cada vez menor. Esta tendencia cambió con la aparición de LAN switching en los ´90.

5 Topologías: broadcast
Broadcast: utilizado en Ethernet, Token Ring, FDDI Todas las estaciones de la red reciben todos los paquetes transmitidos Luego cada estación debe analizar si el paquete debe ser aceptado, rechazado o reenviado Las tecnologías utilizadas en los ´80 (como Ethernet, Token Ring y FDDI) se basan en el principio de operación por broadcast: toda estación de la red recibe cada paquete transmitido, debe analizar la dirección destino y determinar si lo acepta, lo ignora o lo reenvía. Cuanto más nodos en una red, mayor será la carga y mayor el tiempo que cada estación tarda en evaluar tramas que son para otros nodos.

6 Topologías: broadcast
En los primero años después de la introducción de las redes LAN en el mercado, esto no fue visto como un problema, ya que la cantidad de ancho de banda disponible era enorme comparada con la capacidad de transmisión de las estaciones. Más de 100 nodos podían comunicarse sobre un solo medio de transporte. Con los avances en la performance de los sistemas de computación comenzaron a aparecer cuellos de botella. Por eso hoy en día las redes LAN se segmentan, interconectando los segmentos por medio de switches.

7 Redes Ethernet

8 Topologías: Ethernet Medio compartido y ancho de banda compartido:
Cualquiera tiene derecho a transmitir, mientras que ningún otro esté transmitiendo. Cuando dos nodos transmiten a la vez, ocurre una colisión. La transmisión debe repetirse después de una pausa.

9 Ethernet: implementación Half duplex
Half duplex: no permite que se transmitan y reciban datos a la vez CSMA-CD: controla el acceso al medio en half duplex Colisión: si dos estaciones transmiten simultáneamente La transmisión half duplex en Ethernet utiliza la técnica no determinística del algoritmo Carrier-Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) para controlar el acceso al medio. En las técnicas de transmisión half duplex no es posible transmitir y recibir a la vez. Cuando un nodo está transmitiendo, todo el resto de los nodos del segmento tienen que estar en modo “recepción”. Si dos estaciones transmiten simultáneamente, sus trmas colisionan y se destruyen. Después de la colisión los nodos involucrados deben esperar un intervalo aleatorio antes de comenzar el siguiente intento de transmisión. La probabilidad de que existan colisiones aumenta con el número de nodos activos en el segmentos.

10 CSMA-CD A: detecta si el medio está disponible (Carrier Sense), si no espera Medio compartido (Multiple Access), otros pueden transmitir a la vez... La estación A quiere enviar una trama. Primero chequea si el medio es disponible (Carrier Sense). Si no lo está, espera hasta que el que está enviando termine. Supongamos que la estación A cree que el medio está disponible e intenta enviar una trama. Como el medio es compartido (Multiple Access), otros pueden intentar transmitir a la vez. En este momento, la estación B intenta enviar una trama al mismo tiempo que A. Un poco después, A y B se dan cuenta de que otro dispositivo intentó enviar una trama (Collision Detect).

11 CSMA-CD B: intenta transmitir al mismo tiempo que A
Poco después, se dan cuenta de que otro dispositivo está enviando una trama (Collision Detect) Cada estación espera un tiempo aleatorio para retransmitir El tiempo después de la colisión se divide en slots, cada estación elige un slot al azar Cada estación espera un período de tiempo aleatorio antes de retransmitir. El tiempo después de la colisión se divide en time-slots; A y B eligen un slot al azar para intentar retransmitir. Si A y B intentan retransmitir en el mismo time-slot, extienden el número de time slots. Eligen uno nuevo y de esta forma disminuye la probabilidad de retransmitir en el mismo time slot.

12 Colisiones Forma de distribuir la carga de tráfico
Son parte de la operación NORMAL de Ethernet Máximo número de time slots: 1024 Máximo número de retransmisiones de la misma trama: 16 En resumen, las colisiones son la forma de distribuir la carga de tráfico en el tiempo arbitrando el acceso al medio. Las colisiones no son un mal síntoma, son esenciales para la correcta operación de las redes Ethernet. Algunos datos : Número máximo de time slots: 1024 El máximo número de retransmisiones de la misma trama es 16 veces. Si falla 16 veces consecutivas, la trama se descarta y se cuenta como “excesive collision”.

13 Slot time Otro factor importante para determinar la probabilidad de colisiones es la longitud del segmento: cuanto mayor sea la distancia entre dos nodos en un segmento, mayo será lo que se denomina “slot time”, que es un parámetro crítico del algoritmo CSMA-CD. Slot time: dos veces el tiempo que tarda la señal en viajar entre los dos nodos más alejados del segmento, por ende es el máximo tiempo que puede transcurrir hasta que un nodo que está transmitiendo detecte que hubo una colisión.

14 Formato de trama – 802.3 Los paquetes de datos de Ethernet y se denominan tramas. Tienen entre 64 y 1518 bytes de longitud y contienen seis campos: Preámbulo (7 bytes) Starting frame delimiter (1 byte) Source & destination address (6 bytes c/u) Lenght/Type (2 bytes) FCS (4 bytes) Se requiere un intervalo mínimo entre tramas de 9.6 µs (92 bits a 10Mbps). Esto se denomina interframe-gap. El tamaño mínimo de la trama es igual al número de bits que pueden ser transmitidos en el slot time máximo de 51.2 µs (que corresponde a 512 bits o 64 bytes en redes de 10Mbps). Cualquier paquete de menos de 64 bytes es considerado fragmento de colisión y descartado. Todos los paquetes más largos que 1518 bytes también son considerados inválidos y descartados.

15 Formato de trama – Ethernet
Notar que en las tramas Ethernet v.2 el campo Lenght se denomina Type e indica el protocolo que se encapsula dentro de la trama Ethernet. Length

16 802.3 – Ethernet

17 Formato de trama Preámbulo Delimitador de trama
Utilizado para sincronización 56 bits, unos y ceros alternados Delimitador de trama Marca el comienzo del frame Ethernet 8 bits:

18 Formato de trama MACs: Type (length)
2 campos con MAC address: fuente y destino 48 bits (6 bytes) de longitud Type (length) 2 bytes de longitud Número de bytes de datos LLC (excluyendo padding)

19 Formato de trama Datos FCS De 46 a 1500 bytes de datos
Si hay menos de 46 bytes de datos, se agrega padding FCS 4 bytes, CRC Incluye MACs, type y datos

20 Topologías redes Ethernet
Estrella, con hubs (multiport repeaters) Estrella, con switches Full duplex Alta velocidad, conexión punto a punto Tx y Rx a la vez: duplica el BW Switches full duplex + nodos full duplex En las variantes Fast Ethernet y Gigabit las topologías de bus lineales no son una opción posible. Las redes Ethernet de alta velocidad requieren topologías tipo estrella con cables UTP de alta performance o cableados de fibra óptica. Para aumentar la eficiencia de las redes Ethernet los segmentos que tienen alta carga de tráfico se diseñan usando switches, no utilizando hubs que envían el tráfico a todos los ports.

21 10/100/1000 Mbit/s Ethernet Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet
100 Mbit/s: 802.3u Gigabit Ethernet 1000 Mbit/s: 802.3z

22 LAN switching Diferencias con WAN Switching: Menores distancias
Mayores velocidades El componente central de una red switcheada es el switch que reenvía las tramas entrantes al puerto de salida apropiado.

23 LAN switching Segmentos de LAN: conectados por switch
Impide que los datos con destino en el segmento origen pasen a otros segmentos Permite múltiples conexiones entre segmentos Aumenta el ancho de banda disponible Segment Switching (LAN Switching) Es una implementación especial del principio de switching que se utiliza para unir topologías tradicionales de LAN en una red de alta performance. Los segmentos de la red LAN se conectan por medio de switches que reenvían las tramas a sus segmentos de destino. Como los bridges, los switches de LAN evitan que las tramas con destino en un segmento sean reenviadas a otros segmentos. Esto permite múltiples conexiones simultáneas entre segmentos. Esta habilidad de procesar comunicaciones en paralelo es la principal ventaja de las redes LAN switcheadas.

24 LAN switching Un LAN switch aumenta el ancho de banda disponible, cómo lo hace? Un switch de seis puertos por ejemplo puede crear hasta tres caminos de comunicación en paralelo. Si la estación A accede al server 1, la estación B al server 2 y la estación C al server 3 al mismo tiempo, el LAN switch otorga tres conexiones de 100Mbps con un ancho de banda total de 300Mbps. Los datos se transmiten a muy altas velocidades por medio de circuitos diseñados específicamente para esta aplicación (ASICs). Los paquetes permanecen en un buffer solamente hasta que se recibe completa la dirección destino. Luego se analiza la dirección destino y se reenvía el paquete de inmediato. En el ejemplo anterior se llega al ancho de banda acumulado de 300Mbps porque existen tres caminos independientes de comunicación. Si las tres estaciones quieren acceder el server 1, deberán compartir el ancho de banda de 100Mbps aunque esté el switch. El server 1 no puede utilizar más de 100Mbps que es el ancho de banda teóricamente disponible en este segmento.

25 Half vs. Full duplex Por definición, Ethernet, Token Ring y FDDI son half duplex: Una estación sólo puede transmitir o recibir No puede realizar las dos operaciones a la vez Switches full duplex: Permite transmitir y recibir a la vez, Duplican la velocidad Implica conexión a través de dispositivos activos Algunos switches permiten comunicación full duplex, en particular se utiliza full duplex para conectar servidores a LAN switches y para aumentar el throughput en en conexiones entre switches. El modo full duplex permite transmisión y recepción simultánea, lo que duplica el ancho de banda disponible. La técnica full duplex sólo puede utilizarse en conexiones punto a punto, donde el medio no necesita ser regulado por el algoritmo CSMA-CD

26 Ethernet: consideraciones físicas
Tipos de interfaces: MDI: MAC address (estación) MDI-X: switch/hub Cableado: Cable UTP

27 Diseño de redes 10Base-T Distancia máxima: 90 + 10 m Parámetro Límite
Máxima longitud del segmento Atenuación máxima Máximo delay de tx por segmento NEXT (4 MHz – 15 MHz) 100 m <11.5 dB 1000 ns >30.5 dB En las redes 10Base-T la máxima distancia entre un hub y una roseta es de 90 m, con otros 10 m para el cable hasta la estación (patchcord)

28 Ethernet: Standards http://grouper.ieee.org/groups/802/3/index.html
802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications 802.3c Repeater Unit for 10 Mb/s Baseband Networks 802.3x&y Specification for Full-Duplex Operation and Physical Layer Specification for 100 Mb/s Operation on Two Pairs of Category 3 or Better Balanced Twisted Pair Cable (100BASE-T2) 802.3z Physical Layers, Repeater, and Management Parameters for 1000 Mb/s Operation 802.3.ab Physical Layer Parameters and Specifications for 1000 Mb/s Operation Over 4-Pair Category 5 Balanced Copper Cabling, Type 1000BASE-T

29 Redes LAN switcheadas

30 Bridges y switches Conectan los segmentos a nivel 2 OSI (capa MAC)
Guardan, filtran y retransmiten tramas Ethernet Funciones principales: Evitar que el tráfico de un segmento a los otros segmentos Descarte de paquetes defectuosos Mejorar limitaciones de topología: Máximo número de nodos Límites de distancia Delay La función principal de un bridge de nivel MAC es evitar que el tráfico local se reenvíe a los segmentos vecinos. El filtrado de paquetes se realiza en función de una tabla de direcciones MAC (forwarding table). Otra función importante de los bridges es chequear las tramas Ethernet. A diferencia de los hubs y repetidores, los bridges descartan las tramas defectuosas, como las que tienen longitud inválida o FCS inválido.

31 Forwarding table Filtrado: en función de tabla de direcciones MAC (forwarding table) Tabla: Generada por el bridge en modo learning: Transparent bridging (802.1) Actua como repetidor, pero la dirección fuente de cada paquete se guarda en una tabla Cargada manualmente por administrador Forwarding table Puede ser generada por el bridge en modo aprendizaje o definida manualmente por el operador. En el modo aprendizaje el bridge actúa como un repetidor (o hub) con excepción de que la dirección origen de cada trama es guardada en la tabla de forwarding con la correspondencia al puerto de entrada. Este modo de operación se conoce como “transparent bridging” y debe estar implementada de acuerdo a al especificación de la IEEE Después de un corto período de tiempo el bridge conoce que nodo está ubicado en cada segmento y puede comenzar a funcionar en modo bridging. A partir de ahí, las tramas se reenvían selectivamente. Cada trama se reenvía al segmento en el que se encuentra el nodo destino. Para limitar el tamaño de la tabla de forwarding y tomar en cuenta los cambios en la topología de la red, todas las direcciones se mantienen de acuerdo a un proceso de envejecimiento. Si no se detecta actividad desde una determinada dirección, después de cierto período de tiempo se da de baja de la tabla automáticamente.

32 Broadcasts en LAN switcheada
Cuando los switches de LAN están en topología redundante, pueden ocasionarse problemas con los broadcasts. Esto se problema ocurre si no se encuentra habilitado el protocolo spanning tree. Los broadcasts de un segmento de un segmento se reenvían en un switch, de ahí a otro switch y así formando un loop.

33 Spanning tree Si dos subredes pueden ser alcanzadas por más de un camino, es preciso un mecanismo para seleccionar la ruta óptima Debe evitarse la generación de loops: si una trama circula contínuamente en la red y se reproduce a sí misma, generando tráfico innecesario

34 Spanning tree protocol
Provee redundancia Evita loops Sólo debe existir un camino activo entre dos nodos Si no, se pueden duplicar los mensajes STP: define un árbol con todos los switches de la red La información se intercambia por medio de paquetes denominados BPDU Spanning-Tree Protocol Es un protocolo de link management, que provee redundancia de caminos evitando loops. Para que una red Ethernet funcione correctamente sólo debe existir un camino activo entre dos estaciones. Múltiples caminos en redes Ethernet pueden causar loops no deseados en la topología y existe la posibilidad de duplicación de mensajes. Cuando se produce un loop algunas estaciones aparecen en dos lugares diferentes en el mismo switch. Esto confunde al algoritmo de forwarding y permite la creación de tramas duplicadas. Para proveer redundancia de caminos el protocolo spanning tree define un árbol que fuerza ciertos caminos a un estado “standby” o bloqueado. Ante un cambio en la topología, estos caminos de backup pasan a activarse. BPDU: BRIDGE PROTOCOL DATA UNIT

35 LANs switcheadas Switches de LAN:
Conectan segmentos o nodos para transmisión directa Reenvían cada trama al puerto donde está el dispositivo destino Permite flujos en paralelo Los switches de LAN conectan segmentos o nodos y utilizan una técnica de forwarding directo para transmitir. El switch reenvía cada trama entrante directamente al puerto en el que está conectado el dispositivo destino. Los múltiples puertos de un switch pueden operar simultáneamente (mientras que los caminos de transmisión no se superpongan) lo que puede disminuir la congestión en una red. El procesamiento en hardware de alta performance que hace posible el forwarding en paralelo es la principal diferencia entre un LAN switch y un router o un bridge multipuerto.

36 LAN switching

37 Métodos de switcheo: Cut-through
Decide adonde reenviar la trama después de recibir los 6 primeros bytes de la trama (MAC destino) Ventajas: Permite reenviar tramas a altas velocidades Baja latencia: alrededor de 40 μs Desventajas: El switch comienza a reenviar la trama sin chequear si tiene errores Puede propagar tramas defectuosas Al utilizar el método de switcheo cut-through el switch toma la decisión de reenviar cada trama entrante apenas recibe los primeros 6 bytes de la trama (que contienen la dirección destino). El beneficio de esta técnica es que el switch reenvía las tramas a una tasa alta; la latencia se reduce a aproximadamente 40 µs. La desventaja es que el switch comienza a reenviar la trama antes de determinar si tiene o no errores, lo que puede resultar en la propagación de tramas defectuosas.

38 Métodos de switcheo: Store-and-forward
Switch: no toma decisiones hasta no recibir la trama completa Ventaja: No propaga tramas defectuosas Desventajas: Alta latencia, dependiente del tamaño de trama Si la trama atraviesa varios switches que operan con este método, los retardos son importantes En contraste, en la técnica store-and-forward, que se utiliza cada vez más en los switches actuales, el switch no realiza ninguna decisión de forwarding hasta que no recibe la trama completa. Esto tiene la ventaja de no propagar tramas defectuosas. La desventaja, sin embargo, es la latencia alta que depende del tamaño de las tramas. La latencia de una trama de 1000 bytes con este método en 10 Base T es de aproximadamente 800 µs. Si en el camino de transmisión existen varios switches con este método, el delay de transmisión puede resultar significativo para las capas superiores.

39 Soluciones a métodos de switcheo
Fragment free cut-through Se toma decisión después de recibir los primeros 64 bytes Elimina la mayoría de las tramas defectuosas (runts) Menor latencia que store-and-forward Adaptative forwarding Permite que un puerto del switch alterne entre cut-through y store-and-forward en función del número de tramas erradas. La búsqueda de una solución para este problema llevó al desarrolló del método “fragment-free ”cut-through. En este método la decisión de reenviar una trama se toma después de recibir los 64 primero bytes. Esto permite eliminar la mayoría de las tramas defectuosas. Además, la latencia de este método es no es tan prolongada como en el método store-and-forward. Algunos switches permiten configuración en modo “adaptive forwarding ” , lo que permite que el puerto cambie entre modo store-and-forward y cut-through basándose en el número de tramas defectuosas detectadas en el puerto.