TEMA 4 Tecnologías de redes LAN Técnicas de contienda ... · – Estándar IEEE 802.5 (“token ring”) ... – Cualquier protocolo que estandarice QCapa física QAcceso al medio

TEMA 4Tecnologías de redes LAN

Miguel Ángel Gómez Hernández

Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios

Curso 2007/2008

ARITT/ITT-IT CURSO 07/08 TEMA 4 (2)

Índice generalRedes locales y el estándar IEEE 802Capa física

– Codificación– Topologías de redes locales

Capa de enlace lógicoCapa de control de acceso al medio

– Técnicas de contienda– Técnicas de rotación (ordenación)– Técnicas de reserva

Estándares de IEEE 802– Estándar IEEE 802.3 y “ethernet”– Estandar IEEE 802.4 (“token bus”)– Estándar IEEE 802.5 (“token ring”)– Estándar IEEE 802.6 (“DQDB”)– Estándar IEEE 802.11 para LAN inalámbricas

Puentes


Redes locales

Características– No muchas máquinas– Bajas o altas velocidades de transmisión– Distancias limitadas– Bajo coste

Usos– Ordenadores personales– Respaldo y almacenamiento– Redes ofimáticas– …


Arquitecturas LAN

Varias posibilidades– Capas bajas de modelo OSI– Estándar 802 de IEEE– Cualquier protocolo que estandarice

Capa físicaAcceso al medioNivel de enlace lógico


IEEE 802 vs OSI







Puentes


Capa física IEEE 802

Codificación y decodificación– Bits en señal y viceversa

Generación de preámbulos

Transmisión y recepción de los bits

Topología y medio de transmisión


Codificaciones de capa física IEEE 802


Topologías

ÁrbolBusAnilloEstrella


Topologías


Bus

Multipunto– Lo que transmite uno lo escuchan todos

Hace falta identificar al destinatario– Dirección

El terminador absorbe la trama al finalHace falta regular la transmisión– Para evitar colisiones

También árbol como bus lógico– Un solo medio


Ejemplo


Problemas de los buses

Balanceado de la señal– La potencia de señal debe ser

Suficiente para recibir bien (atenuación, ruido…)No excesiva para no saturar

– Fácil en punto a punto– Difícil en multipunto

– División de bus en segmentosRepetidores pasivos


Ejemplo de uso de repetidores


Medios en los buses

Casi sólo coaxial– Coaxial negro o amarillo– Base de Ethernet– Distancias pequeñas

Hoy en día par trenzado en estrella– Bus lógico


Anillo

Los repetidores son unidireccionales– Toman tramas por un extremo, las copian por otro– Las estaciones se conectan a los repetidores

Las tramas– Pasan por todas las estaciones– La estación destinataria la copia

Puede modificarla– La estación origen la retira cuando le vuelve

Control de acceso al medio– Qué estación transmite en cada momento


Repetidores del anillo

Estado de escucha– Pasa los bits a la

estación, y los reenvía

Estado de transmisión– Inserta bits– Si llegan bits los retira

Estado de corto– No hay retardo


Ejemplo


Problemas en el anillo

El reloj se incluye en la trama– Variaciones “alto-bajo-alto” a la frecuencia

adecuada– Los repetidores se sincronizan con esto

Problemas de variaciones– Son ampliadas de repetidor a repetidor

– Varias solucionesPero número de repetidores se ve limitado


Problemas del anillo

¿Por qué retira la trama el transmisor?– Varios destinatarios (multicast)– Asentimiento en la misma trama

¿Qué pasa si falla una estación o segmento?– Se rompe el anillo

Fallo total

¿Cómo se añade una nueva estación?– Parada del sistema


Anillo lógico en estrella


Medios en el anillo

Par trenzadoCoaxial– negro o amarillo

Fibra óptica


Topología en estrella

Cada estación conectada a una central– Normalmente con enlace duplex

El nodo central puede– Difundir

Sólo una estación puede transmitir a la vezEquivalente a bus (“bus lógico”)

– ConmutarCopia la trama en la salida adecuadaVarias estaciones pueden transmitir a la vez


Medios en la estrella

Par trenzado no apantallado– El del teléfono

No muy bueno, pero ya instalado– Distancias muy cortas

Par trenzado apantalladoFibra óptica– Multimodo– Monomodo


Estrellas de varios niveles


Hubs o switches

Hub– Traducción como “centro” o “concentrador”– Retransmite la señal a todas las salidas

Switch– Traducción como “conmutador”– El conmutador interpreta la dirección

Sólo manda por la salida adecuada– Mayores prestaciones– Paso de hub a switch sin cambios en estaciones– Dos tipos: “Store and forward” vs. “Cut-throug”.


Hubs o switches







Puentes


Control del enlace lógico (LLC)Semejantes funciones a la capa 2 de OSIAlgunas funciones las asume la capa MAC

– Entramado– Detección de errores

Direcciones– Identifican al usuario de servicio LLC en origen y destino

Referidas como SAP– Típicamente protocolo de nivel superior

Fundamentalmente– Interfaz con capas superiores– Control de errores y flujo


Servicios de LLC

LLC es el protocolo de nivel de enlace lógico de IEEE 802– Basado en HDLC

Tres tipos de servicios– No orientado a conexión sin confirmación– Orientado a conexión con confirmación– No orientado a conexión con confirmación


Protocolo LLC

Operación tipo 1– Servicio no orientado a conexión no confirmado

Tramas UITramas XID y TEST

Operación tipo 2– Servicio orientado a conexión confirmado

Modo ABM con cabecera extendidaTramas de datos, control, y SABME, DISC, UA

Operación tipo 3– Servicio no orientado a conexión confirmado

Tramas no existentes en HDLCARITT/ITT-IT CURSO 07/08 TEMA 4 (32)

Ejemplo: TCP/IP sobre IEEE 802


Trama MAC y LLC en IEEE 802







Puentes


El problema del acceso al medio

Varias estaciones transmiten de forma independiente

El medio de transmisión es el mismo

Si dos transmiten a la vez se produce colisión

El tiempo puede ser continuo o ranurado

Las estaciones pueden o no detectar la portadora


Acceso al medio IEEE 802

Entramado– Datos en tramas con dirección y campo de

detección de erroresDesentramado– Reconocimiento de dirección– Detección de errores

Gobierno del acceso al medio compartido– No presente en capa 2 tradicional (OSI)

Para un protocolo LLC– Muchos protocolos MAC son posibles


Acceso al medio IEEE 802

Transporta datos del nivel de enlace lógico (LLC)Gestiona el acceso al medioDirecciona en el medio compartido– Dirección MAC de destino– Dirección MAC de origen

Detecta errores y descarta tramas– El nivel LLC detecta faltas y retransmite (opcional)


Dónde controlar el acceso al medio

Central– Más control– Lógica de acceso sencilla– Evita problemas de coordinación– Punto muy sensible a fallos– Cuello de botella

Distribuido


Cómo controlar el acceso al medio

De forma síncrona– Capacidad reservada para cada conexión

Multiplexación, conmutación de circuitos…No óptimo en LAN

– Necesidades de estaciones impredecibles

De forma asíncrona– Para cada transmisión de una trama se

consigue una capacidad


Control asíncronoRotación circular (round robin)– Bueno si muchas tienen mucho que transmitir– Centralizado (ej. sondeo) o distribuido (ej. paso de

testigo)Reserva– Buena si pocas tienen mucho que transmitir

Contienda– Buena si pocas tienen poco que transmitir

(ráfagas)– Distribuido, simple– Muy malo si la carga es alta







Puentes


Protocolos de contienda

Las estaciones transmiten– Se pueden producir colisiones

Hace falta– Darse cuenta de si hay colisión– Decidir cuándo retransmitir


Modelado del tráfico

Red

retransmisiones

I G S

Tráfico fuente (I)Tráfico en la red (G)Tráfico cursado (S)– Fracciones de la capacidad de canal (C)


Modelado de tráfico

Si no se pierde– S=I

Si hay retransmisiones– G>I– S<G

S es el caudal– Rendimiento, cadencia eficaz, throughput– S=G·Probéxito


ALOHASolución más simpleSe transmite cuando se tienen datosSi hay colisión (no se recibe confirmación)

– Se espera un tiempo aleatorio– Se vuelve a transmitir


Rendimiento de ALOHA

Suposiciones– Infinitas fuentes– Generación de tramas según proceso de Poisson

Media 0<λ<1

Éxito si se transmite una trama y– No hay ya una trama a medio transmitir– No se transmite otra trama

Durante dos tiempos de trama no se debe transmitir otraProbéxito=e-2G

Rendimiento de ALOHA– S=G·e-2G


Rendimiento de ALOHA


ALOHA ranurado

El tiempo es ranurado– Sólo se puede transmitir trama al comienzo

de la ranuraProbabilidad de colisión más baja– Sólo si otra transmisión en la misma ranura

Rendimiento– S=G·e-G


Rendimiento de ALOHA ranurado


Carrier Sense Multiple Access

Las estaciones detectan la portadora– Saben si otra ya está transmitiendo

Entonces esperan

CSMA persistente-1CSMA no persistenteCSMA persistente-p


Carrier Sense Multiple Access

Diferencias entre variantes CSMA:– ¿Qué hacen cuando encuentran el medio

libre?– ¿Cómo se detecta una colisión?– ¿Qué se hace cuando se detecta una

colisión?¡¡Diferencias entre libros!!


CSMA persistente-11. Las estaciones escuchan el canal2. Si está ocupado, esperan hasta que quede

libre3. Si está vacío, transmiten4. Si hay colisión

– Se espera un tiempo aleatorio– Se vuelve al paso 1Causas de colisión

– Dos estaban esperando que otra acabase– Retardo del canal oculta que ya hay portadora


CSMA no persistente

1. Las estaciones escuchan el canal2. Si está ocupado

– Se espera un tiempo aleatorio– Se vuelve al paso 1

3. Si está vacío, transmiten4. Si hay colisión

– Se espera un tiempo aleatorio– Se vuelve al paso 1


CSMA persistente-p

En tiempo ranurado1. Las estaciones escuchan el canal2. Si está ocupado, esperan3. Si está vacío

– Transmiten con probabilidad p– Se vuelve al paso 1 con probabilidad (1-p)

4. Si hay colisión– Se espera un tiempo aleatorio– Se vuelve al paso 1


Rendimiento de CSMA

Fuente: Kleinrock, L. and F. Tobagi, "Packet Switching in Radio Channels: Part I--Carrier Sense Multiple-Access Modes and their Throughput-Delay Characteristics", IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-23, No. 12, pp. 1400-1416, December 1975.

a=tprop/ttrama

Con poca carga, mejor más “persistente”


CSMA/CD

CD: Collision DetectionEs un CSMA pero– La estación escucha mientras transmite– Si detecta colisión, aborta la transmisión

Restricción– El tiempo de trama debe ser mayor que dos veces

el retardo de propagación máximo– Limitación de longitud de medio para detección de

colisión por aumento de tensión:500 m para coaxial de 75 Ω200 m para coaxial de 50 Ω


CSMA/CD


CSMA/CD

Pasos:1. Si el medio se encuentra libre, transmite2. Si el medio se encuentra ocupado, escucha hasta

que se libere → transmite inmediatamente3. Si se detecta colisión durante transmisión, se

transmite una señal de interferencia para que el resto de estaciones se entere. A continuación, se deja de transmitir (¡menos tiempo desaprovechado!)

4. Posteriormente se espera un tiempo aleatorio (backoff) y se vuelve al paso 1


CSMA/CD

1-persistente– ¿Peor rendimiento?Clave: espera aleatoria tras colisión

– Binary exponential backoffEficacia frente a amplio rango de condiciones de carga:

– Baja carga:Se usa el canal en cuanto queda libre

– Alta carga:No se realimentan colisiones debido a la elección del tiempo de espera







Puentes


Protocolos de ordenación

Protocolos de contienda inadecuados– Si tráfico muy alto

Muchas colisiones

– Si recuperación de colisión difícilAlto retardo en redes por satéliteTiempo de trama pequeño en redes de alto ancho de banda

Protocolos de ordenación– Las máquinas transmiten en orden

No hay colisiones


Paso de testigo

Existe una trama que hace de testigo– Quien la tiene transmite– Al acabar sus datos o su tiempo asignado

Pasa el testigo

Todas las estaciones de igual jerarquía


Token bus

Paso de testigo en bus– Las estaciones forman un anillo lógico

Cada cual conoce a su sucesor


Token ring

Paso de testigo en anillo– Las estaciones se disponen en un anillo físico


Token ring

La estación emisora debe retirar la tramaTiempo gastado en pasar el testigoRendimiento– Si todas las estaciones tienen una trama

que transmitir– Tras hacerlo pasan el testigo

Ejercicio


Técnicas de sondeo

Una estación de mayor jerarquía– Va dando turnos a las estaciones– Al acabar sus datos o su tiempo asignado

Informan a la estación primaria

Ejemplo– HDLC en modo no balanceado







Puentes


Mapa de bitsEl tiempo se divide en

– Ranuras de reservaPor TDM, cada estación tiene una ranuraSi tiene datos pone un 1

– Ranuras de transmisiónTantos tiempos de trama como fueron reservados


DQDB

Distributed Queue Dual Bus– Bus doble de colas distribuidas

Un bus para el tráfico en cada sentido– El bus del sentido opuesto se utiliza para

hacer reservas







Puentes


Estándares IEEE 802 (y FDDI)

AnilloBus dualAnilloBus/árbol/estrella

Fibra óptica100Mbps

Fibra óptica, coax44.736/155Mbps

UTP4Mbps

STP16Mbps

Coax1/5/10Mbps

Fibra óptica5/10/20Mpbs

Coax10Mbps

UTP1/10/100 Mpbs

Fibra óptica1000 Mbps

Física

Token ringDQBDToken ringToken busCSMA/CDMAC

IEEE 802.2Control del enlace de datos (independiente de la topología, medio o técnica MAC)

LLC

IEE

E 8

02.3

IEE

E 8

02.4

IEE

E 8

02.5

IEE

E 8

02.6

FDD

I







Puentes


IEEE 802.3 y Ethernet

Ethernet– “Red de éter”– Producto original de Xerox– IEEE 802.3 casi idéntico

Características– Red en bus lógico

Bus físico de coaxialEstrella de par trenzado o fibra con hub

– Acceso CSMA/CDRetroceso exponencial binario


Especificaciones físicas del 802.3

1000m(host a hub)

100m(host a hub)

185m

500m

Distancia

33EstrellaOn/offFibra óptica

10baseFP(tb FB y FL)

-EstrellaManchesterUTP10baseT

30BusManchesterCoax10base2

100BusManchesterCoax10base5

Estaciones por segmento

TopologíaCodificaciónMedioDenominación


Protocolo MAC en IEEE 802.3

Un CSMA/CD en el que– Tras k colisiones (k≤10)

Se espera n·tprop– Con n entre 0 y 2k-1

– Tras k colisiones (10<k≤16)Se espera n·tprop

– Con n entre 0 y 1023

– Si hay más de 16 colisionesSe desiste


Fast Ethernet (IEEE 802.3 100 Mbps)

1000m

100m

285m

200m

Distancia

Estrella8B6T NRZ4 pares UTP Cat3,4 o 5

100baseT4

Estrella4B5B NRZIFibra100baseFX

EstrellaMLT-32 pares UTP Cat5

EstrellaMLT-32 pares STP

100baseTX

TopologíaCodificaciónMedioDenominación


Fast Ethernet

Generalmente 100 Mbps half-duplex– ¡100 Mbps full-duplex con conmutadores!– CSMA/CD no necesario (no colisiones)

Se mantiene el formato de trama para “compatibilidad hacia atrás”


Gigabit Ethernet


Formato de trama IEEE 802.3

Diferencias con Ethernet (de Xerox)– El campo Longitud

Especifica tipo de trama– El campo de datos

Encapsula datos del nivel de red directamente– El campo Preámbulo

Son 8 octetos, no existe campo SFD


Campos de la trama IEEE 802.3

Preámbulo– Siete veces 10101010

Reloj de 10MHz (a 10Mbps, con Manchester)– Permite sincronización

SFD– Marca el comienzo de la trama (10101011)

FCS– Bits para detección de errores


Campos de la trama IEEE 802.3

Direcciones– Válidas en la LAN (“direcciones MAC”)– Del origen (SA) y del destino (DA)

Longitud– El número de bytes del campo Datos LLC

Datos LLC– Los datos transportados a la capa LLC

Al menos 46 bytes (para que la trama tenga 64)Si no se introduce un relleno


¿Por qué trama de 64 bytes?

Con CSMA/CD– Transmisor debe estar transmitiendo

cuando ocurre colisiónttrama > 2· tprop

Hacer las tramas más largasHacer los cables más cortos

A 10Mbps, con las longitudes fijadas– Trama de al menos 64 bytes


Ethernet conmutada

En una Ethernet– Sólo una estación transmite a la vez– Sólo una estación recibe a la vez

Salvo multicast o difusión

En Ethernet conmutada– Varias estaciones transmiten a la vez

Si los medios son duplex, no hay colisiones







Puentes


IEEE 802.4 (“Token bus”)

De General Motors y otrosCaracterísiticas– Bus físico

Pero las estaciones se organizan en anillo– Conocen su antecesor y sucesor

– Cable coaxial de 75Ω (como el de TV)– Gestión de prioridades– Muy complicado

Especialmente por mantenimiento del anillo







Puentes


IEEE 802.5 (“Token ring”)

Producto original de IBM– Pensado para entornos industriales

Características– Red en anillo físico– Acceso al medio mediante token ring

Con estación monitora– Gestión de prioridades


Especificaciones físicas del 802.5

Anillo de par trenzado– STP a 1, 4 o 16 Mbps– UTP a 4 Mbps

Codificación– Manchester diferencial

Anillo en estrella– Cada estación unida con dos cables al

centro


Protocolo MAC en IEEE 802.5

Token ring con estación monitora– Todas las estaciones iguales para transmitir– Una estación es el monitor

Funciones del monitor– Garantizar que hay un (y sólo) un testigo– Retirar tramas huérfanas– Añadir retardo artificial cuando proceda


Estándar FDDI (ANSI)

También para anillo, con token ringDiferencias– A 100 Mbps– Sin prioridades ni reservas







Puentes


IEEE 802.6 (“DQDB”)

Para redes MANCaracterísticas– Doble bus de fibra o coaxial de 75Ω

Cada bus para transmisión en un sentido– Acceso al medio mediante reserva

En el bus opuesto al que se usa para transmitir







Puentes


IEEE 802.11

Redes inalámbricas– LAN inalámbricas– Interconexión de LAN– Acceso nómada– Redes ad hoc

Muchas complicaciones– Radio e infrarrojos muy afectados por ruido– Potencia recibida depende de distancia, geografía…– Fácil interceptación– Espectro finito, que debe ser compartido, y es regulado

Difícil estandarizar


Arquitectura de IEEE 802.11


Arquitectura de IEEE 802.11Un conjunto básico de servicios (BSS)

– Estaciones que comparten el mismo medio– La asociación de una estación al BSS es dinámica– Es una “celda”

Puede unirse a un sistema de distribución (DS)– Que hace de backbone– Mediante un punto de acceso (AP)

Parte de la estación que implementa la conectividad al backbone

– Puede ser inalámbrico o cableadoEn total forman un conjunto de servicios extendido(ESS)


Arquitectura de IEEE 802.11Se definen nueve tipos de servicios

– Asociación (entre estación y AP)– Reasociación (transferencia a otro AP)– Disociación– Autentificación (identificarse para ganar acceso)– Deautentificación (termina el proceso de autentificación)– Privacidad (para que sólo lea el receptor)– Entrega de MSDU (para comunicar a otro en el mismo BSS)– Distribución (para llegar a otro BSS)– Integración (para llegar a otra red IEEE 802.x)

Pueden ofrecerse– De forma distribuida (en cada estación)– En el DS (en los AP o en máquinas centrales específicas)






Acceso al medio en IEEE 802.11

Técnica CSMA/CA (CSMA withCollision Avoidance)– Espera de tiempo aleatorio tras

detectar el medio libreDepende de la prioridad

– Short InterFrame Space (SIFS)– Point Coordination Function IFS (PIFS)– Distributed Coordination Function IFS (DIFS)


Acceso al medio en IEEE 802.11El acceso al medio consiste en

– Ver el medio libre– Esperar DIFS– Si el medio sigue libre

En el primer intento transmiteEn los sucesivos intentos, espera un tiempo aleatorio

El SIFS se utiliza para– Contestar a un Request To Send (RTS) con un Clear To Send

(CTS)– Contestar a una trama con ACK

Como no hay detección de colisiones, esto ayuda

El PIFS se utiliza para– Hacer sondeos (control centralizado de acceso)


CSMA/CA


CSMA/CA


CSMA/CAPCF (Point Coordination Function)

– Función de coordinación puntual– Sondeos realizados por elemento central– PIFS para sondeos– Para evitar “acaparar” el medio, se usan “supertramas”


Tipos de tramas 802.11

Tramas de control– ACKs

Datos– Piggybacking– Sondeos

Tramas de gestión de asociaciones







Puentes


Puentes

Necesidad de conectar varias LAN– Normalmente se hace a nivel de red (tema

5)– Otra solución es usar puentes (bridges)

Sólo niveles físico y de enlace

Puentes– Conectan redes de protocolos similares

Más simplesMás rápidos


Funciones de un puente

Escuchar todas las tramas de una LAN

– No hacer nada con las que son para esa LAN

– Utilizando el protocolo MAC que corresponda

Enviar a la otra LAN las tramas destinadas a ella

Hacer lo mismo en el otro sentido


Arquitectura de un puente

Si conecta dos redes iguales

Si conecta dos redes distintas

UsuarioLLCMACFísica


MACFísica Física



MACFísica Física

MACLLC


Problemas de los puentes


Encaminamiento en puentes

¡¡¡Sólo direcciones MAC!!!Hace falta saber– Qué estaciones están en qué LAN– Por qué salida enviar las tramas

Soluciones– Puentes estáticos

Correspondencia dirección/salida programada

– Puentes transparentesDescubren dinámicamente las correspondencias


Puentes transparentes

A priori mandan las tramas por todas las salidasCuando les llega una trama de MACxpor el puerto Px– Aprenden que a MACx se llega por Px

Las tablas de direccionamiento caducan


Bucle de puentes

Solución: algoritmo de árbol de expansión de 802.1

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