Redes LAN

1. Introducción

Existen varios tipos de Redes, la clasificación depende en principio del contexto geográfico.

• WAN = Wide Area Network
• LAN = Local Area Network
• PAN = Personal Area Networks
  
• MAN = Metropolitan Area Network
• CAN = Campus Area Network
• DAN = Desk Area Network
• GAN = Global Area Network

2. Topologías

BUS

Cuando hablamos de la topología de una red de área local (LAN) podemos hacerlo en función de su estructura física, atendiendo al cableado y los elementos físicos, y a su forma de interconexión.

El medio usado es un cable coaxial y la topología y la explotación del medio es como la de un Bus.

No hay in nodo central, todos son iguales. La información circula por el medio en ambas direcciones. Todos pueden escuchar lo que una estación transmite.

Ventajas de red en bus

•  Facilidad de implementación y crecimiento.
•  Simplicidad en la arquitectura.
•  Es una red que no ocupa mucho espacio.

Desventajas

• Hay un límite de equipos dependiendo de la calidad de la señal.
• Puede producirse degradación de la señal.
• Complejidad de re-configuración y aislamiento de fallos.
•  Limitación de las longitudes físicas del canal.
• Un problema en el canal usualmente degrada toda la red.
• El desempeño se disminuye a medida que la red crece.
• El canal requiere ser correctamente cerrado (caminos cerrados).
• Altas pérdidas en la transmisión debido a colisiones entre mensajes.
• Los extremos del cable se terminan con una resistencia de acople denominada terminador, que además de indicar que no existen más ordenadores en el extremo, permiten cerrar el bus por medio de un acople de impedancias.

Era la topología principal en los primeros momentos de las Redes LAN.

Las estaciones están conectadas por un único segmento de cable. A diferencia de una red en anillo, el bus es pasivo, no se produce generación de señales en cada nodo o router.

Esta topología de red dispone los equipos terminales en forma de árbol.

Desde un punto de vista físico, la conexión en árbol es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas. Las ramas de la red parten de un nodo principal hacia concentradores de niveles inferiores, considerándose cada una de estas ramas como un bus de información. Los equipos terminales se conectan a un concentrador en forma de "hoja".

Este tipo de topología es la evolución natural de una red en estrella, permitiendo su extensión o posterior ampliación a distintas zonas del edificio.

Las principales características, ventajas e inconvenientes de este sistema son una fusión de las de la topología en bus y en estrella, dependiendo de la sección de red afectada.

Anillo

En esta topología cada equipo tiene un receptor y un transmisor que hace la función de repetidor, pasando la información al siguiente equipo del anillo. Así, si algún nodo de la red queda fuera de servicio por avería o cualquier otra causa, la comunicación en todo el anillo se pierde.

Las características más importantes de esta topología:

• La transmisión de información circula en una sola dirección.
• Cada nodo transmite o recibe información.
• No hay principio ni final.
• No hay ningún nodo central que controle la red.

A nivel físico, esta estructura no cuenta con ventajas destacadas respecto al resto de topologías. Sin embargo, aunque relativo a nuestro módulo no nos afecte, a nivel lógico cuenta con algunas ventajas como las siguientes:

• Facilidad en la localización de errores.
• Sencillez en el software de gestión.

Por el contrario, la topología en anillo cuenta con serios inconvenientes que la hacen des-aconsejable, por lo que actualmente prácticamente no se usa. Esos son:

• El fallo de un enlace provoca el fallo de todo el anillo.
• Difícil adición de nodos.
• El repetidor de cada nodo ralentiza la velocidad de transmisión.
• Complejidad en el cableado.

Estrella / Estrella jerárquica.

Esta estructura es la más común y la que más flexibilidad proporciona a la hora de realizar modificaciones y ampliaciones. En ella cada uno de los nodos está conectado mediante un enlace directo a un centro de comunicaciones, concentrador, repetidor "hub" o nodo central, no existiendo enlaces directos entre ellos.

Un repetidor o "hub" es un equipo que repite por TODOS los puertos lo que ingresa por uno de ellos. Notar que lógicamente se comporta como una topología BUS y pueden existir colisiones.

En las redes actuales existe en el centro de la estrella un "switch"  que es un equipo distinto de un hub. En un la información enviada por el ordenador de origen va directamente de manera puntual SOLO al ordenador de destino sin replicarse en el resto de equipos que estén conectados, es decir se genera una conexión punto a punto entre dos equipos. Podría pasar que un equipo esté ocupado, en ese escenario el Switch almacena la trama y la transmite cuando se desocupa el equipo. Podemos ver que la electrónica de un Switch es mucho mas compleja que la de un hub o repetidor.

 

De esta forma se facilita la supervisión y control de la información al obligar a pasar los mensajes por el concentrador, el cual gestiona la redistribución de la información a los demás nodos.

La fiabilidad de este tipo de red se ve aumentada pues la puesta fuera de servicio de uno de los terminales no interfiere en el funcionamiento del resto de la red, puesto que cada ordenar se conecta independientemente del hub.

Por el contrario, tienen como punto débil, precisamente, el concentrador ya que es el que sostiene la red, tanto en rendimiento como en la circulación de información. Un concentrador lento hará lenta la red y una avería en este dispositivo dejará fuera de servicio todo el sistema.

Además cuenta con el condicionante del coste del cableado, que puede llegar a ser muy alto.

A modo de resumen, podemos decir que las ventajas de esta topología son:

• Facilidad de administración.
• Agilidad y facilidad en la modificación y ampliación.
• Sencillez en el mantenimiento.
• Optimización de los recursos de transmisión.

Como principales desventajas cuenta con las siguientes:

• Si se avería el nodo central la red queda fuera de servicio.
• Necesidad de una línea para cada nodo.
• El concentrador central puede convertirse en un cuello de botella.

3. Redes de Área Local (LAN)

Las Redes las fueron detalladas por la IEEE en las especificaciones del Estandar 802.

En particular el 802.3 trata de estandarizar las redes basadas en Ethernet.

Ver que 802.3 y Ethernet NO son lo mismo!

IEEE 802.3cp define las especificaciones de la capa física de la red y los parámetros de administración para que en la parte Física puedan permitir el funcionamiento bidireccional simétrico a velocidades de datos de 10 Gb/s, 25 Gb/s y 50 Gb/s sobre una sola hebra de fibra óptica monomodo al menos 10 km de largo.

Ethernet en cambio  es un estándar de redes de área local para computadoras, por sus siglas en español Acceso Múltiple con Escucha de Portadora y Detección de Colisiones (CSMA/CD).

Las tramas Ethernet modernas se utilizaron por primera vez en la llamada estructura Ethernet II antes de que el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) desarrollara Ethernet en 1983 en el protocolo estándar IEEE 802.3. Hoy hacermos referencia a Ethenet pero debería ser Ethernet II para ser precisos.

Ethernet se tomó como base para la redacción del estándar internacional IEEE 802.3, siendo usualmente tomados como sinónimos. Se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Sin embargo, las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma zona.

Podemos ver en el siguiente dibujo la correspondencia entre Ethernet y 802.3

donde las capas 1 y 2 del Modelo OSI definido por la IEEE en el Estandara 802, se combinan y están definidas por IEEE 802.3 , son equivalentes ( pero NO iguales) a  Ethernet del modelo TCP/IP.

Notar que la diferencia mas importante esta en los campos : Tipo (Ethernet) y Longitud ( (802.3)

El campo EtherType de Ethernet, son dos bytes precedido por las direcciones MAC de destino y origen, que identifica un protocolo de capa superior encapsulado, esto es viola la independecia  entre capas propuestas por el modelo OSI, es por eso que en el modelo OSI este campo representa la longitud de la trama. Dado el valor de cada uno de los campos NUNCA podrán ser iguales, por lo que no hay posibilidades de confusión.

En cada capa del modelo de comunicaciones lo datos de la capa superior se encapsulan en la capa inferior, veamos de manera gráfica esto:

Esto sucede tanto para el modelo OSI como para el TCP/IP, mas allá de la pequeña gran diferencia que en este último no hay independencias entre capas.

4. Capa 1 : Física Modelo OSI

Funciones

1. Codificación y Decodificación de Señales.
2. Agregar y quitar el preámbulo para sincronización.
3. Transmisión y recepción de bit.
4. Incluye la especificación del medio de transmisión y la topología de la LAN

5. Capa 2: Control de Enlace de Datos Modelo OSI

Esta capa posee una división en dos subcapas.

Logical Link Control

• Provee una interfaz para las capas superiores independizandose del medio
  

Medium Access Control

• Ensambla los datos en frames.
  Maneja el direccionamiento y el control de error
  Gobierna el acceso al medio de transmisión.

5.1. LLC Sub Capa 2

5.2. MAC Sub Capa 2

Como se realiza el control de acceso al medio ?  ( How)

El como está condicionada  por la topología y es un intercambio  entre factores que compiten, incluidos el costo, el rendimiento y la complejidad. En general, podemos categorizar las técnicas de control de acceso como síncronas o asíncrono.

Con las técnicas síncronas, se dedica una capacidad específica a un conexión.

Este es el mismo enfoque utilizado en la conmutación de circuitos, división de frecuencia multiplexación (FDM) y multiplexación síncrona por división de tiempo (TDM).

Semejante Las técnicas generalmente no son óptimas en LAN y MAN porque las necesidades de las estaciones son impredecibles.

Es preferible poder asignar capacidad en un moda asíncrona (dinámica), más o menos en respuesta a la demanda inmediata.
Las técnicas de control de acceso al medio se pueden dividir:

Vamos a concentrarnos en las Descentralizada.

Protocolo Aloha Puro:

• Originario de la Universidad de Hawai (Radiotransmisiones).
• Transmisión Radial ( Aire)
  
• Detecta colisiones (trama destruida).
• Si existe una colisión espera un tiempo aleatorio tras el cual retransmite la trama.
• Logra un 18% de efectividad.

Protocolo Aloha Ranurado:

Divide el tiempo en intervalos discretos llamados ranuras (existe sincronización basada en el tiempo de transmisión de una trama).
Deben transmitir al comienzo de una ranura (permite finalizar las tramas que se transmiten en ese instante.

Las limitaciones de Aloha en cualquiera de sus dos versiones se pueden dejar de lado en el caso en que el medio permita una velocidad de propagación mayor,como la que existe en un cable UTP por ejemplo.

CSMA

El  CSMA se utiliza para detectar si los medios transportan una señal.  Con CSMA, una estación que desea transmitir primero escucha el
medio para determinar si hay otra transmisión en curso (sentido de portadora).

Si se detecta una señal portadora en el medio desde otro nodo, quiere decir que otro dispositivo está transmitiendo.

Es posible que el proceso CSMA falle si dos dispositivos transmiten al mismo tiempo. A esto se le denomina colisión de datos.

Si esto ocurre, los datos enviados por ambos dispositivos se dañarán y deberán enviarse nuevamente.

Si sucede una colisión; los datos de ambas transmisiones serán distorsionado y no recibido con éxito.

Para dar cuenta de esto, una estación espera una cantidad de tiempo posible después de transmitir para un acuse de recibo, teniendo en cuenta

Con CSMA, se necesita un algoritmo para especificar qué debe hacer una estación si el el medio se encuentra ocupado. En la figura se representan tres enfoques.

Un algoritmo es el nonpersistent CSMA , para este hay que seguir las siguientes reglas
1. Si el medio está inactivo, transmitir; de lo contrario, vaya al paso 2.
2. Si el medio está ocupado, espere una cantidad de tiempo extraída de una distribución de probabilidad (el retraso de retransmisión) y repita el paso 1

6. LAN vs WAN

7. Redes de Amplia WAN

.

8. Bridges

.

8.1. Arquitectura

.

8.2. OSI vs. IEEE 802

.

8.3. Capa Física

.

8.4. Capa de Enlace LAN

.

9. Hub / Switch

.

10. Control de Acceso al Medio

.

11. Control de enlace lógico (LLC)

.

12. Virtual Lan

.

13. Ethernet

Es frecuente pensar que son lo mismo, pero no es así. Presentamos a cada una:

Ethernet:

• Es una tecnología de red de área local (LAN) que permite la interconexión de dispositivos en una red de manera eficiente.
• Fue desarrollada originalmente por Xerox en la década de 1970 y luego se estandarizó.
• Ethernet es conocido por su capacidad de transmitir datos a alta velocidad y es ampliamente utilizado en redes domésticas, empresariales e industriales.

IEEE 802.3:

• Es un conjunto de estándares técnicos desarrollados por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).
• Define las características físicas y de enlace de datos de las redes Ethernet.
• Incluye especificaciones para el cableado, la velocidad de transmisión de datos, los conectores y los procedimientos de acceso al medio.

Coexistencia en una misma red LAN

13.1. CSMA/CD

Introducción.

CSMA/CD es el mecanismo que usa Ethernet o 802.3 para acceder al medio y poder transmitir.

Este mecanismo deriva de ALOHA y ALOHA Ranurado que se originaron y probaron en Hawai, para interconectar los distintos campus universitarios.

Tenemos que aclarar que esos vínculos eran inalámbricos, y eso genera algunas cuestiones distintas a lo que sucede en un medio guiado.

En un medio no guiado, es posible que cuando una estación transmite, es posible que no todas escuchen esa transmisión, o por que están mas lejos o no les llega la señal. En ese escenario tenemos que asumir que el panorama que tienen todas las estaciones puede ser muy distinto.

La máxima utilización de Aloha fue del 18% y de Aloha Ranurado 36%, valores muy por debajo de lo esperado.

CSMA/CD

Las observaciones anteriores condujeron al desarrollo de sistemas otros mecanismos para conrtrola el acceso al medio para poder transmitir. Este se conoce como Acceso múltiple por detección de portadoras  (CSMA). 

El mecanismo de  CSMA/CD es:

1) una estación que desea transmitir escucha primero el medio para determinar si hay otra transmisión en progreso (detección de portadora). 

2) Si el medio está en uso, la estación debe esperar. Si el medio está inactivo, la estación puede transmitir.

3)Puede suceder que dos o más estaciones intenten transmitir aproximadamente al mismo tiempo. Si esto sucede, habrá una colisión; los datos de ambas transmisiones interfieren uno con otro no se puede determinar que se transmitió. Si esto sucede, una estación espera un tiempo e intenta nuevamente. Cada estación espera tiempos aleatorios.

El tiempo que se tarda en detectar una colisión no es mayor que el doble del tiempo que se tarda en detectar una colisión, por el retardo de propagación. Esto impone dos limitaciones

1. Largo del Cable (tiene relación  =>tiempo de propagación en el cable)
2. Largo mínimo de la trama ( tiene relación  =>tiempo de transmisión de la trama)

Debe existir una relación entre ambos para asegurar que se detecte la colisión y en consecuencia que funcione el mecanismo de CSMA/CD.