capa de enlace de datos

FUNDAMENTOS DE REDES
CONCEPTOS DE LA
CAPA DE ENLACE DE
DATOS
Dolly Gómez Santacruz
dollygos@univalle.edu.co
CAPA DE ENLACE DE DATOS
SUB-CAPAS
CAPAS
3 – RED
LLC – Logical Link Control
MAC – Medium Access Control
2 – ENLACE DE
DATOS
1 – FÍSICA
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Sub-Capa LLC
Estándar IEEE 802
● Formato general de la trama
●
Control Dirección
MAC
destino
MAC
Variable
16 o 48
Dirección
origen
MAC
16 o 48
DSAP SSAP
8
8
Control
LLC
16
Información
Variable
FCS
16
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Sub-Capa LLC
●
Campo de control LLC
Tramas I: Información
Tramas S: Supervisión
Tramas U: No numeradas
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Sub-Capa MAC
Es la interface entre el control lógico de un
nodo y las funciones de la capa física.
● La implementación de la sub-capa MAC es
dependiente del medio físico usado (Ethernet,
TokenRing, WLANs, etc).
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Protocolos MAC
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Sub-Capa MAC: Funciones
Delimitación y reconocimiento de cuando inicia y
termina una trama en el envío/recepción del flujo
de bits hacia/desde la capa física.
● Control de acceso al medio físico de transmisión.
(Que estación asociada al cable o al rango de
frecuencia puede trasmitir, que hacer si se realizan
transmisiones simultáneas, etc)
● Manejo de direcciones de origen y destino para
cada trama.
● Filtrado por verificación de la dirección destino de
las tramas recibidas para la estación.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Sub-Capa MAC: Funciones
●
Encapsulación, dependiente del medio en la capa
de enlace
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Control de acceso al medio (MAC)
●
En los medios de transmisión compartidos se debe
controlar quien accede al medio y durante cuanto tiempo
para lograr una comunicación con todas las estaciones.
Existen dos categorías de control de acceso al medio:
● Sincrónicos: existe un tiempo limitado durante el cual
un dispositivo puede accesar el medio de
comunicación. Una vez cumplido su plazo debe
esperar su turno nuevamente ( anillo).
● Aleatorios:
no impone limite de tiempo, es decir,
cuando un dispositivo desea transmitir, lo intenta y si
tiene éxito lo continua haciendo hasta que ya no tenga
más información que transmitir o no pueda accesar el
canal nuevamente.
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Control de acceso al medio (MAC)
Sincrónicos:
● Paso de testigo: Normalmente todos los paquetes en
un sistema token passing realizan una vuelta
completa a la red y retornan a la estación origen para
ser eliminados. Un token es un patrón de bits
diferentes a cualquier otro, con dos estados: ocupado
y libre. Una estación con información que transmitir
captura el anillo cambiando el estado del token de
libre a ocupado. Una vez que la información alcanza
su destino, la estación transmisora es responsable de
poner nuevamente en el anillo un token libre para
permitir que otras estaciones transmitan.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Control de acceso al medio (MAC)
●
Paso de testigo (El primero que llega el primero que
se sirve FCFS)
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Control de acceso al medio (MAC)
Sincrónicos:
● Paso de testigo: Un ejemplo es TokenRing que es
una tecnología LAN donde el control de acceso al
medio se realiza “pasando” un testigo (token)
entre todas las estaciones de la red.
● TokenRing es un entorno sin colisiones debido a
que sólo una estación puede transmitir a la vez.
● TokenRing se define en el estándar IEEE 802.5.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
●
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●
●
●
●
●
●
●
●
●
No Determinístico o Aleatorio:
ALOHA
Radio paquetizada
Cuando una estación tiene una trama, la envía
Las estaciones oyen por el tiempo máximo de viaje + pequeño incremento
Si hay ACK, listo, Sino retransmitir, luego de repetir varias
veces, cancelar
Frame check sequence (Secuencia de revisión de trama)
Si trama correcta y la dirección coincide, envía ACK
Trama puede ser dañada por ruido o por otra estación
transmitiendo (colisión)
Las tramas se pueden enviar en cualquier momento
Utilización máxima del canal: 18%
CAPA DE ENLACE DE DATOS
●
●
●
●
●
●
●
●
No Determinístico o Aleatorio:
CSMA (Acceso multiple con detección de portadora)
Tiempo de propagación es mucho menor al de transmisión
Todas las estaciones saben que una transmisión se inicio
casi inmediatamente
Escuchar el medio en busca de silencio (carrier sense)
● Si el medio esta libre, transmitir
Si dos estaciones comienzan en el mismo instante, colisión
Se espera un tiempo razonable (ida y vuelta + contención
ACK), Si no hay ACK, retransmitir
Utilización máxima depende de
● Tiempo de propagación (largo del medio)
● Tamaño de la trama
● Mayor trama y medio corto dan mejores rendimientos
CAPA DE ENLACE DE DATOS
●
●
●
●
●
No Determinístico o Aleatorio:
CSMA/CD (Acceso multiple con detección de portadora
y colisión)
CSMA/CD sensa el canal antes y después de transmitir un
paquete.
Esta técnica es similar en funcionamiento que CSMA, con la
diferencia que una vez enviado la información al canal, la
estación monitorea la forma de onda transmitida, si detecta
una deformación en ésta es porque se produjo una colisión.
Esto permite conocer con anticipación la pérdida de información, y disminuir el retardo generado al esperar por una
respuesta negativa desde la estación remota.
Este algoritmo envía una señal jam de aviso al detectar una
colisión, para asegurarse que el resto de las estaciones que
conforman la red se den cuenta de la situación.
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Control de acceso al medio (MAC)
●
●
No Determinístico o Aleatorio:
CSMA/CD (Acceso multiple con detección de portadora
y colisión)
Ethernet usa el algoritmo CSMA/CD
● La estación espera la ausencia de señal en el
medio y comienza a transmitir.
● Si
dos nodos transmiten al mismo tiempo, se
genera una colisión y ningún nodo podrá transmitir
durante un tiempo determinado.
●
CSMA/CD
●
Monitorización del medio
Múltiple acceso
simultáneo
●
●
Colisión
Postergación de las
transmisiones
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Protocolos MAC
Ethernet
● Wi-Fi
● Token Ring
● PPP
● HDLC
● SLIP
● FDDI
● ATM
● Frame Relay
●
->
->
->
->
->
->
->
->
->
IEEE 802.3
IEEE 802.11
IEEE 802.5
IETF RFC 1661
ISO 13239
IETF RFC 1055
ANSI X3-T9
ITU-T
ANSI T1.618/RFC 2954
ETHERNET: Historia
●
●
Ethernet fue desarrollado como
uno de los tantos proyectos
pioneros del “XEROX Parc”, un
sistema CSMA/CD de 2,94Mbps
para conectar más de 100
estaciones de trabajo en un cable
de 1Km.
Entre 1973 y 1976 Robert
Metcalfe* diseña y desarrolla un
modelo experimental (3Mbps y
direcciones físicas de 8 bits)
* Robert Metcalfe recibe en el 2003 la “Medalla Nacional de Tecnología” por su liderazgo en la invención,
estandarización, difusión y comercialización de las redes Ethernet”
ETHERNET:
Historia
En 1979 Robert Metcalfe
deja Xerox para promover
el uso de redes de área
local y funda “3com”.
● Con
el apoyo de IBM,
Digital y Xerox, en 1980
Ethernet se estandariza. El
estándar “DIX” contempla
velocidades de 10Mbps y
direcciones físicas de 48
bits, y fue la base para el
estándar 802.3
●
IEEE 802.3 y ETHERNET
●
●
●
●
IEEE 802.3 es un protocolo CSMA/CD, cuando una
estación quiere transmitir escucha el cable
Estándar IEEE 802.3 difiere levemente del estándar
DIX original.
Cuando es necesario expandir el estándar para añadir
un nuevo medio o una capacidad, el IEEE publica un
suplemento (o adición) al estándar 802.3. Estos
suplementos reciben una designación de una o dos
letras y una descripción abreviada.
Todos las adiciones el estándar 802.3 son compatibles
entre sí.
ETHERNET: Estándarización (2)
Estándar
Fecha
Descripción
Experimental Ethernet 1972 2.94 Mbps sobre coaxial (coax) topología bus
Ethernet II (DIX v2.0) 1982 10 Mbps sobre coaxial delgado (thinnet)
IEEE 802.3
1983 10BASE5 10 Mbps sobre cable coaxial delgado
802.3a
1985 10BASE2 10 Mbps sobre cable coaxial (thinnet or cheapernet)
802.3b
1985 10BROAD36
802.3c
1985 10 Mbps repeater specs
802.3d
1987 FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link)
802.3i
1990 10BASE-T 10 Mbps sobre par de cobre
802.3j
1993 10BASE-F 10 Mbps sobre fibra óptica
802.3u
1995 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX Fast Ethernet a 100 Mbps
802.3z
1998 1000BASE-X Gbit/s Ethernet sobre fibra óptica a 1 Gbit/s
ETHERNET: Nomenclatura
●
●
●
●
La descripción abreviada de un suplemento al
estándar IEEE 802.3 se compone de:
Velocidad en Mbps
Método de señalización
Medio / (Máx distancia del segmento)
Ethernet emplea señalización banda base, la cual
utiliza todo el ancho de banda del medio de
transmisión.
ETHERNET: Nomenclatura
CAPA DE ENLACE DE DATOS
TRAMAS
Un conjunto de campos forman una trama.
● El
proceso de encapsulación de la capa 2 es
conocido como entramado y una trama es la PDU de
esta capa.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
●
En la capa de enlace de datos, la estructura de la
trama es casi idéntica para todas las velocidades
de Ethernet desde los 10Mbps hasta los
10.000Mbps
El tamaño de una trama debe estar entre 64 y 1518
Bytes (sin contar el preambulo). Si la longitud de los
datos a transferir es menor a 46 Bytes, se debe
adicionar un relleno (Padding)
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
IEEE 802.3
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
Ethernet
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
Preámbulo
8 Bytes
Dir. Destino Dir Origen Tipo
6 Bytes
6 Bytes
2
Datos (Relleno)
46 a 1500 Bytes
FCS
4 Bytes
Datos (Relleno)
46 a 1500 Bytes
FCS
4 Bytes
a) Ethernet
Preámbulo In Dir. Destino Dir Origen Largo
2
7 Bytes
1 6 Bytes
6 Bytes
b) 802.3
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
El preámbulo anuncia la trama y permite que
todos los receptores en la red se sincronicen
con la trama que llega
● Asegura que existe el tiempo suficiente entre
tramas para la operación de detección y
recuperación de errores
● El preámbulo tiene una longitud de 8 bytes para
Ethernet, y 7 para IEEE 802.3 donde el octavo
byte es el delimitador de comienzo de trama
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
ETHERNET: Direccionamiento
En capa 2 se habla de direcciones físicas, una forma
de identificar los dispositivos o interfaces de manera
exclusiva, es un direccionamiento no jerarquico.
● Ethernet
utiliza direcciones MAC de 48 bits,
expresadas como doce caracteres hexadecimales.
● Estas
direcciones son grabadas físicamente en la
memoria de sólo lectura (ROM) del dispositivo.
● Los primeros seis caracteres son administrados por el
IEEE e identifican al fabricante o vendedor del
dispositivo (Identificador Exclusivo Organizacional OUI)
● Los siguientes seis caracteres representan un número
de serie administrado por el fabricante.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
ETHERNET: Direccionamiento
Los dispositivos utilizan la dirección MAC destino para
identificar si la trama debe se procesada y enviada a
las capas superiores o si ésta debe ser descartada.
● Existe una dirección especial que difunde una trama
en todo el segmento conectado. Esta dirección es
conocida por cada dispositivo y en caso de recibir una
trama con esta dirección, es procesada.
● Una trama con dirección destino igual a la Dirección de
difusión (Broadcast address) está destinada a cada
nodo de la red y cada nodo recibirá y procesará esta
trama.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
ETHERNET: Direccionamiento
00000000.00000110.10001100.10111001.01000010.00001101
00-06-8C-B9-42-1D
00:06:8C:B9:42:1D
0006.8CB9.421D
OUI -> 00-06-8C : 3COM Corporation
OUI Identificador organizacional único
CAPA DE ENLACE DE DATOS
ETHERNET: Direccionamiento
Dirección “Broadcast”
11111111.11111111.11111111.11111111.11111111.11111111
FF-FF-FF-FF-FF-FF
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
El campo type es usado para especificar el
protocolo que esta siendo portado en la trama
● En
el 802.3 fue reemplazado por el campo
“longitud” el cual es usado para indicar el número
de bytes en el campo de información
● El formato predominante actualmente es el IEEE
802.3, pero la tecnología de red continua
haciendo referencia a él como Ethernet.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Trama Ethernet e IEEE 802.3
El campo FCS (Secuencia de chequeo de la
trama) esta formado por 32 bits, si alguno de los
datos se reciben erróneamente (debido a ruido
en el cable), la suma de comprobación casi con
certeza estará mal, y se detectara el error.
● El FCS se calcula incluyendo desde la dirección
destino hasta los datos.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
ETHERNET: Auto-negociación
Es necesario contar con inter-compatibilidad entre
las diferentes versiones (velocidades) de las
tecnologías Ethernet que salían al mercado.
● Con la llegada de FastEthernet se introdujo la autonegociación de velocidad y modo de transmisión
(Half-Duplex, Full-Duplex).
● Por medio de ráfagas de pulsos, se indican las
capacidades de cada interfaz y automáticamente
se configura buscando el mayor rendimiento.
● Posibilidad de configurar manualmente (forzar) el
modo y la velocidad de funcionamiento de una
interfaz.
●
Dominios de Colisión
●
Entornos en
donde se
comparte la capa
física.
Dominios de Colisión
Dado que todos los dispositivos de una LAN que
operan en la capa física no realizan ningún
control ni filtrado sobre lo que transportan
(corrientes de bits), éstos también distribuyen las
colisiones que se generen.
● Una
colisión afecta a todos los dispositivos,
estaciones e interfaces que estén conectados a
un mismo medio compartido (segmento Ethernet
o dominio de colisión).
● “Los dominios de colisión son los segmentos de
red física conectados, donde pueden ocurrir
colisiones.”
●
Dominios de Colisión
(8 Estaciones, 1 servidor, 1 impresora) 1 concentrador
1 Dominio de colisión
Dominios de Colisión
(43 Estaciones, 5 servidores, 5 impresoras) 7 concentradores
1 Dominio de colisión
Dominios de Colisión
Los tipos de dispositivos que interconectan los
segmentos de medios definen los dominios de
colisión (específicamente la capa del modelo OSI
en que operan estos dispositivos).
● Los
dispositivos de Capa 1 NO dividen los
dominios de colisión.
● Los dispositivos de Capa 2 (y superiores) SI
dividen los dominios de colisión.
● La división o aumento de dominios de colisión se
conoce como segmentación.
●
Dominios de Colisión
Los dispositivos capa 1 “extienden” el cable
de una LAN permitiendo alcanzar mayores
distancias o conectar más estaciones.
(Amplían pero no controlan los dominios de
colisión).
● Cada estación agregada aumenta la cantidad
de tráfico potencial en la red.
●
Dominios de Colisión
5 segmentos de medios de red, 4 repetidores o hubs, 3
segmentos de host de red, 2 secciones de enlace (sin hosts), 1
sólo dominio de colisión grande
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Dispositivos Capa 2
Los dispositivos capa 2 dividen y controlan los
dominios de colisión: Puente (Bridge) y Switch
● Un switch de n puertos tiene n segmentos, n
dominios de colisión.
● Conociendo las direcciones MAC de los paquetes,
y las direcciones MAC de los dispositivos
conectados, un dispositivo de capa 2 sólo re-envía
el paquete al puerto necesario.
● Los switches son más veloces porque realizan la
conmutación por hardware, mientras que los
puentes lo hacen por software y pueden
interconectar las LAN de distintos anchos de
banda.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Segmentación
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Bridge o Puente Capa 2
Un puente conecta los segmentos de red y
debe tomar decisiones inteligentes con
respecto a si debe transferir señales al
siguiente segmento.
● El puente divide el tráfico en segmentos y filtra
el tráfico basándose en la estación o en la
dirección MAC.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Switch Capa 2
Los switches son dispositivos de enlace de
datos que, al igual que los puentes, permiten
que múltiples segmentos físicos de LAN se
interconecten para formar una sola red de
mayor tamaño.
● Dado que la conmutación se ejecuta en el
hardware en lugar del software, es
significativamente más veloz.
● Cada
puerto de switch funciona como un
puente individual y otorga el ancho de banda
total del medio a cada host.
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Switch Capa 2
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Switch Capa 2
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Switch Capa 2
Tareas
● Aprendizaje:
aprende las direcciones MAC
examinando la dirección fuente de cada trama,
si la trama entra al switch y la MAC no esta en
la tabla agrega una entrada.
● El switch decide cuando dejar o bloquear una
trama con base a la dirección MAC destino,
revisa las direcciones MAC aprendidas en la
tabla.
● Crea un ambiente de prevención de loop o
lazos, para evitar que las tramas queden en la
red indefinidamente
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Switch Capa 2
Funcionamiento de un switch
● La trama es recibida
● Si el destino es una dirección broadcast, envía la
trama por todos los puertos excepto por el que la
recibió
● Si
el destino es una dirección unicast, y la
dirección no esta en la tabla, envía la trama por
todos los puertos excepto por el que la recibió
● Si la dirección de destino es unicast y esta en la
tabla, y si la interface no es la interface en la cual
recibió la trama, envía la trama por el puerto
correcto.
● En cualquier otro caso filtra la trama.
CAPA DE ENLACE DE DATOS
Tipos de Switch
●
Almacena y envía (Store-and-forward)
Acepta la trama
● La almacena brevemente
● La envía por el puerto correspondiente
● Crea mayor latencia y mejora la integridad de la red
Conmutador rápido (Cut-through)
● Toma ventaja que la dirección MAC esta al principio
de la trama
● Empieza a repetir la trama tan pronto reconoce el
puerto a donde va
● Máximo desempeño
● Riesgo de propagar tramas con error
● No se puede chequear CRC pues ya empezó a salir
●
●
CAPA DE ENLACE DE DATOS