capa de enlace de datos

FUNDAMENTOS DE REDES
CONCEPTOS DE LA
CAPA DE ENLACE DE
DATOS
Dolly Gómez Santacruz
dolly.gomez@gmail.com
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
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
->
->
->
IEEE 802.3
IEEE 802.11
IEEE 802.5
PPP
HDLC
FDDI
ATM
Frame Relay
->
->
->
->
->
IETF RFC 1661
ISO 13239
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
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
6 Bytes
Dir Origen
6 Bytes
Tipo
2
Datos (Relleno)
46 a 1500 Bytes
FCS
4 Bytes
Datos (Relleno)
46 a 1500 Bytes
FCS
4 Bytes
a) Ethernet
Preámbulo
7 Bytes
In
1
Dir. Destino
6 Bytes
Dir Origen
6 Bytes
b) 802.3
Largo
2
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
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.
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
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
Qué es una VLAN?
Es la abreviatura de virtual local Area
Network o Red de Area Local Virtual
Para limitar los dominios de difusión
a nivel de LAN se ha creado el
concepto de VLAN. La implementación
de las VLANs se realiza a nivel de capa
2, por lo que pueden ser implementadas
en un switch.
Qué es una VLAN?
Separar el switch en varios switches
virtuales
Cada VLAN es un dominio de broadcast
Una tabla de reenvio por VLAN
Comunicación entre VLAN se realiza por
medio de router
Se pueden enlazar dos o mas switches
que comparten VLAN’s (VLAN trunking)
Qué es una VLAN?
La comunicación entre dispositivos de una
misma VLAN (LAN) se realiza a nivel de capa 2
(direcciones MAC), pero la comunicación entre
dispositivos de
distintas VLANs (LANs) se
realiza a nivel de capa 3 (direcciones IP).
Los dispositivos capa 3 separan los dominios
de broadcast: El dominio de Broadcast es
el conjunto de dispositivos que reciben
una trama de difusión
Qué es una VLAN?
VLAN
Una 'VLAN' consiste en una red de computadores que se
comportan como si estuviesen conectados al mismo switch,
aunque pueden estar en realidad conectados físicamente a
diferentes segmentos de una red de área local.
Una de las mayores ventajas de las VLANs surge cuando se
traslada físicamente algún computador a otra ubicación: puede
permanecer en la misma VLAN sin necesidad de cambiar la
configuración IP de la máquina.
La membresía a una VLAN puede definirse de varias formas, sin
embargo, cuatro clases de VLAN pueden ser consideradas:
–
Por grupo de puertos
–
Por dirección MAC
–
Por protocolo
–
Por IP
–
Por nombre de usuario
–
VLAN dinámicas
Membresia por dirección MAC
Los dispositivos son asignados a una VLAN en base
a su dirección MAC.
Inicialmente
todos
los
nodos
deben
ser
configurados para pertenecer a una VLAN.
Provee un alto grado de seguridad.
Por IP, protocolo y usuario
La VLAN basada en la dirección de red conecta
subredes según la dirección IP de origen de los
datagramas. Este tipo de solución brinda gran flexibilidad,
en la medida en que la configuración de los conmutadores
cambia automáticamente cuando se mueve una estación.
En contrapartida, puede haber una ligera disminución del
rendimiento, ya que la información contenida en los
paquetes debe analizarse detenidamente.
La VLAN basada en protocolo permite crear una red
virtual por tipo de protocolo (por ejemplo, TCP/IP, IPX,
AppleTalk, etc.). Por lo tanto, se pueden agrupar todos los
equipos que utilizan el mismo protocolo en la misma red.
Se basan en la autenticación del usuario y no por las
direcciones MAC de los dispositivos.
VLAN Dinámicas
Las VLAN dinámicas son puertos del switch que
automáticamente determinan a que VLAN pertenece cada
puesto de trabajo. El funcionamiento de estas VLANs se basa en
las direcciones MAC, direcciones lógicas o protocolos utilizados.
Cuando un puesto de trabajo pide autorización para conectarse
a la VLAN el switch chequea la dirección MAC ingresada
previamente por el administrador en la base de datos de las
mismas y automáticamente se configura el puerto al cual
corresponde por la configuración de la VLAN. El mayor beneficio
de las DVLAN es el menor trabajo de administración dentro del
armario de comunicaciones cuando se cambian de lugar las
estaciones de trabajo o se agregan y también notificación
centralizada cuando un usuario desconocido pretende ingresar
en la red.