Sumario Puentes: concepto y tipos Funcionamiento de los puentes transparentes. Spanning Tree Conmutadores LAN Transmisión full dúplex, control de flujo, autonegociación, agregación de enlaces Puentes remotos Planificación Redes locales virtuales (VLANs)
Puentes Separan redes a nivel MAC Objetivos: Rendimiento (separan tráfico local) Seguridad (separan medio broadcast) Fiabilidad (un problema no afecta a toda la red) Interoperabilidad (Ethernet-Token Ring) Distancia (en Fast Ethernet 412 m) Número de estaciones (1024 en Ethernet)
Red Backbone con puentes Fac. Física Fac. Química Fac. Biología Serv. Informática Red local de un campus universitario en los años 80 10 Mb/s 10 Mb/s 10 Mb/s 10 Mb/s 10 Mb/s
Puentes. Clasificación Por su funcionamiento: Transparentes (802.1): actúan de forma transparente. No se requiere modificación alguna en las estaciones. Con encaminamiento desde el origen (802.5): las estaciones deben indicar el camino que seguirá la trama. Solo existen en redes Token Ring. Por su interoperabilidad Homogéneos: solo interconectan LANs con el mismo formato de trama (p. ej. 802.3-802.3, o bien 802.5-802.5) Heterogéneos o Traductores: interconectan LANs con diferente formato de trama (ej. 802.3-802.5) Por su alcance. Locales: interconectan LANs directamente. Remotos: enlazan LANs a través de conexiones WAN (líneas dedicadas, enlaces X.25, Frame Relay, ATM, RDSI, etc.).
Los puentes transparentes en la arquitectura IEEE 802 802.3: CSMA/CD (Ethernet) 802.12: Demand Priority 802.9: Iso– Ethernet 802.6: DQDB 802.5: Token Ring 802.4: Token Bus 802.11: LANs Inalám- bricas 802.14: CATV 802.1: Puentes Transparentes 802.2: LLC (Logical Link Control) Capa Física Subcapa LLC Subcapa MAC (Media Access Control) 802.1: Gestión 802.1: Perspectiva y Arquitectura 802.10: Seguridad Homogéneo Heterogéneo
Funcionamiento de un puente transparente Arquitectura Encapsulado LAN LAN Ordenador Puente Ordenador El puente transparente homogéneo no modifica la trama MAC. El heterogéneo cambia la MAC pero no la LLC
LAN 1 LAN 2 Puente Interfaces en modo promiscuo ? ? Funcionamiento de un puente transparente Tablas de interfaces- MACs A B A genera una trama con destino B que el puente recibe por ? A B El puente busca a B en la tabla de direcciones de ?; si le encuentra descarta la trama, si no la reenvía por ? El puente incluye A en su lista de direcciones de la interfaz ? Cuando B envía una trama de respuesta el puente le incluirá en la lista de la interfaz ? Las tablas solo se actualizan con direcciones de origen. Si una estación nunca emite una trama (o no pone la dir. de origen) su dirección no estará en las tablas. (Gp:) A?B (Gp:) B?A C D
Formato de una trama MAC 802.x (x=3,4,5,…) 6 6 4 En muchos casos (802.3 p. ej.) el protocolo MAC no usa la MAC de origen para nada La principal (y en la mayoría de los casos la única) utilidad de la dirección MAC de origen es permitir el funcionamiento de los puentes transparentes
Puentes transparentes (IEEE 802.1D) Se pueden utilizar en todo tipo de LANs Funcionan en modo ‘promiscuo’ (lo oyen todo) El puente averigua que estaciones (direcciones MAC) tiene a cada lado, y solo reenvía las tramas que: Van dirigidas a una estación al otro lado, o Tienen un destino desconocido para el puente, o Tienen una dirección de grupo (broadcast o multicast). Estas no figuran nunca como direcciones de origen y por tanto no están nunca en la tabla MAC La trama reenviada es idéntica a la original (la dirección MAC de origen no se cambia por la de la interfaz de salida). Aunque cada interfaz del puente tiene una dirección MAC distinta, estas direcciones no aparecen nunca en las tramas reenviadas por el puente.
Trama recibida sin error en puerto x ¿Puerto de salida = x? Reenviar trama por puerto de salida Reenviar trama por todos los puertos excepto x ¿Dirección de origen encontrada en base de datos? Actualizar dirección y contador de tiempo Terminar Añadir a base de datos dirección de origen (con número de puerto y contador de tiempo) ¿Dirección de destino encontrada en base de datos? Reenvío Aprendizaje Sí No Sí No No Sí Funcionamiento de los puentes transparentes
A F E B C P 1 ? ? ? ? Red con dos puentes D P 2 Desde el punto de vista de P1 las estaciones C, D, E y F están todas en la misma LAN, ya que cuando P2 reenvía por ? las tramas de E y F la copia es idéntica al original (la dirección MAC de origen no se cambia)
B D C A E F P ? ? ? Puente con tres interfaces (de diferente velocidad) LAN 1 LAN 2 LAN 3 Una vez el puente ha conseguido las direcciones de todos los ordenadores las tramas solo viajan por las LANs que es preciso. Una trama de A hacia C solo sale por ?, no por ? A B C D E F 100 Mb/s 10 Mb/s 10 Mb/s La velocidad puede no ser la misma en todas las interfaces. El puente procesa tramas enteras y puede adaptar velocidades diferentes.
Tabla MAC de un conmutador LAN (Catalyst 1900) Puertos Ethernet 0/1 a Ethernet 0/24 (10BASE-T) Puerto FastEthernet 0/26 (100BASE-FX) Puerto FastEthernet 0/27 (100BASE-TX) Un conmutador LAN es un puente con muchas interfaces # show mac-address-table 0004.75EF.4BEB Ethernet 0/1 0004.75EF.4B1C Ethernet 0/2 0004.75EF.2DA6 Ethernet 0/3 0004.75EF.4AD9 Ethernet 0/4 0004.75EF.49D6 Ethernet 0/5 0004.75EF.49D2 Ethernet 0/7 0004.75EF.4B0C Ethernet 0/8 0004.75EF.49D3 Ethernet 0/9 0004.75EF.472B Ethernet 0/10 0004.75EF.4952 Ethernet 0/11 0004.75EF.4BF8 Ethernet 0/12 0004.75EF.4B19 Ethernet 0/13 0004.75EF.41DB Ethernet 0/16 0004.75EF.49CF Ethernet 0/17 0004.75EF.494F Ethernet 0/18 0004.75EF.4AD8 Ethernet 0/19 0004.75EF.4B30 Ethernet 0/20 0004.75EF.3D67 Ethernet 0/21 0004.75EF.4753 Ethernet 0/22 0004.75EF.49D8 Ethernet 0/23 0001.E654.0FF9 Ethernet 0/24 0040.3394.95CD FastEthernet 0/27 00C0.DF0F.C9E0 FastEthernet 0/27 000C.6E1D.126E FastEthernet 0/27 0060.0811.9114 FastEthernet 0/27 0000.B458.D92B FastEthernet 0/27 00D0.BABF.B200 FastEthernet 0/27 0000.48B5.246F FastEthernet 0/27 0004.0018.C74B FastEthernet 0/27 0040.F479.6773 FastEthernet 0/27 0004.769F.7ABC FastEthernet 0/27 0001.020B.F581 FastEthernet 0/27 0001.E68E.7273 FastEthernet 0/27 000B.5FF8.8900 FastEthernet 0/27 00D0.BABF.B218 FastEthernet 0/27 0000.E87B.9E9B FastEthernet 0/27
Puentes y direcciones MAC Cada interfaz del puente tiene una dirección MAC diferente. A menudo hay una dirección adicional que no se corresponde con ninguna interfaz y que se usa para identificar el puente mismo. Es la que llamamos dirección ‘canónica’. Las direcciones propias del puente no aparecen nunca en las tramas que reenvía, pero él las usa como direcciones de origen cuando tiene que enviar tramas propias. En unos casos utiliza la dirección canónica y en otros la de la interfaz por la que envía la trama. Puertos Ethernet 0/1 a Ethernet 0/24 Dir. 0030.9432.0C01 a 0030.9432.0C18 Puerto FastEthernet 0/26 Dir. 0030.9432.0C1A Puerto FastEthernet 0/27 Dir. 0030.9432.0C1B Dir. Canónica: 0030.9432.0C00 Puerto Ethernet 0/25 Dir. 0030.9432.0C19
Aprendizaje de direcciones Al cabo de un rato las tablas incluyen las direcciones de la mayoría de las estaciones activas de todas las LANs conectadas directa o indirectamente. Las entradas de las tabla MAC tienen un tiempo de expiración (típico 5 min.) para permitir la movilidad. Las tablas se mantienen en memoria RAM, y tienen un tamaño limitado (típico 1000-8000 direcciones máx.) Las tablas son exhaustivas. No existe un mecanismo de sumarización o agrupación de direcciones por rangos ya que normalmente no guardan ninguna relación.
Bucles entre Puentes A veces al conectar LANs con varios puentes se producen bucles, es decir hay más de un camino posible entre dos redes. Estos bucles pueden hacerse por error o porque se quiere disponer de varios caminos para tener mayor fiabilidad y tolerancia a fallos. Con el funcionamiento normal de los puentes transparentes cuando se produce un bucle la red se bloquea. Para evitarlo se ha creado el protocolo denominado Spanning Tree.
A envía trama t0 a LAN X Bucle entre dos LANs: el problema A B P 1 P 2 LAN X LAN Y ? ? ? ? t0 t1 t2 P1 retransmite t2 en LAN X como t4 P2 retransmite t1 en LAN X como t3 P1 retransmite t0 en LAN Y como t1 … y así sucesivamente. Transmitiendo una sola trama la red se satura eternamente P2 retransmite t0 en LAN Y como t2 t3 t4
Spanning Tree Un Spanning Tree, o árbol de expansión, es un grafo en el que solo hay un camino posible entre dos nodos (un árbol sin bucles). Si podemos pintar una red de puentes transparentes como un spanning tree, entonces el problema del bucle no puede darse. El objetivo del protocolo Spanning Tree es evitar que la red tenga bucles Raíz
Protocolo spanning tree Los puentes intercambian información sobre sus conexiones. La información se envía regularmente siguiendo un protocolo denominado Bridge Protocol. Los mensajes se denominan BPDUs (Bridge Protocol Data Units). Las BPDUs emplean un Ethertype propio y se envían a una dirección multicast reservada, la 01-80-C2-00-00-00. Así se asegura que se identifican fácilmente y que llegan a toda la red. Cada puente se identifica por su dirección MAC ‘canónica’. Cada puerto recibe un identificador y tiene asociado un costo que por defecto es inversamente proporcional a su velocidad (ej.: 10 Mb/s costo 100,100 Mb/s costo 10). Cada puente calcula el grafo de la red y observa si existe algún bucle; en ese caso se van desactivando interfaces hasta cortar todos los bucles y construir un árbol sin bucles o ‘spanning tree’.
Protocolo spanning tree Los puentes eligen como raíz del árbol al que tiene el ID más bajo. Todos eligen al mismo Cada puente envía por sus interfaces BPDUs indicando su ID, el ID de su puente raíz y el costo de llegar a él; los mensajes se van propagando por toda la red; cada puente al reenviar los mensajes de otros les suma el costo de la interfaz por la que los emite. Cada puente calcula por que puerto llega al raíz al mínimo costo. Ese es el puerto raíz de ese puente. En caso de empate se elige el puerto de ID más bajo. Para cada LAN hay un puerto designado, que es aquel por el que esa LAN accede al puente raíz al mínimo costo. Los puertos que no son ni raíz ni designados se bloquean. Esos puertos son innecesarios para la comunicación y si se les deja funcionar provocan bucles
ID 42 ID 97 ID 83 ID 44 LAN 2 (100 Mb/s) LAN 1 (100 Mb/s) LAN 4 (10 Mb/s) LAN 3 (10 Mb/s) Coste 10 Coste 100 Coste 10 Coste 10 Coste 100 Coste 100 Coste 10 Coste 100 Coste 100 Coste 10 Coste 10 Ejemplo de red con bucles Interfaz bloqueada por Spanning Tree Puente raíz Puente con dos caminos al raíz Camino de costo 110 Camino de costo 10 Este ya no bloquea nada pues ya no hay bucles P1 P2 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P1 P2 P3 ID 45 LAN 5 (10 Mb/s) Puente sin bucles, no ha de bloquear nada Puente con dos caminos al raíz. Bolquea P2 (mayor coste)
LAN 3 LAN 4 LAN 5 LAN 1 LAN 2 (Gp:) Bridge ID 97 Costo a raíz 10 (Gp:) Port ID 2 Costo 10 (Gp:) Port ID 1 Costo 100 (Gp:) Port ID 3 Costo 100 (Gp:) Bridge ID 45 Costo a raíz 10 (Gp:) Port ID 1 Costo 10 (Gp:) Port ID 2 Costo 100 (Gp:) Bridge ID 44 Costo a raíz 10 (Gp:) Port ID 1 Costo 10 (Gp:) Port ID 2 Costo100 (Gp:) Bridge ID 83 Costo a raíz 10 (Gp:) Port ID 1 Costo 10 (Gp:) Port ID 2 Costo 100 (Gp:) Port ID 1 Costo 10 (Gp:) Port ID 2 Costo 10 (Gp:) Bridge ID 42 Costo a raíz 0 Puerto raíz Puerto raíz Puerto raíz Puerto raíz Puerto designado Puerto designado Puerto designado Spanning tree de la red anterior Puerto designado Puerto designado Puertos bloqueados por Spanning Tree
Estado de los puertos Spanning Tree Cuando un puerto de un puente se conecta se pone inicialmente en estado ‘blocking’. En este estado no reencamina tramas; solo capta y procesa las BPDUs que le llegan. Si no detecta bucle el puerto pasa al estado ‘listening’. Ahora además de procesar las BPDUs recibidas genera y envía las calculadas por él. Si todo va bien pasa a estado ‘learning’. Ahora además de procesar y generar BPDUs aprende las direcciones MAC de origen que hay en las tramas que le llegan, pero no reenvía nada (salvo BPDUs). Si todo sigue bien pasa a estado ‘forwarding’ en el que además reenvía las tramas (siguiendo el algoritmo de los puentes transparentes). Este procedimiento evita bloquear la red de entrada si existe algún bucle. Cada vez que se conecta una interfaz se realiza el proceso desde el principio, por eso cuando se conecta una interfaz de un puente tarda unos 10-20 segundos en empezar a funcionar.
Posibles estados de un puerto S.T. Learning Aprende direcciones. Recibe, procesa y transmite BPDUs Forwarding Reenvía tramas, aprende direcciones. Recibe, procesa y transmite BPDUs Disabled Recibe BPDUs Listening Recibe, procesa y transmite BPDUs Blocking Recibe y procesa BPDUs Apagado o desconectado No hace nada Encender o conectar Cambio de topología
Elección del puente raíz Dada una red y una topología el puente raíz es siempre el mismo, independientemente del orden como se enciendan los equipos El criterio del ID más bajo puede resultar en la elección como raíz de un puente periférico o poco importante. Esto normalmente no es problema porque el criterio de costos más bajos suele elegir rutas buenas. El problema se da cuando el puente raíz es inestable (por ejempo si se apaga a menudo) ya que esto obliga a recalcular todo el árbol. Esto gasta CPU y provoca inestabilidades. La elección del puente raíz se puede alterar con el parámetro prioridad. Si a un puente le damos menor prioridad ese será raíz sea cual sea su ID. La prioridad puede valer de 0 a 65535. Por defecto es 32768. Dentro de un puente los puertos también se eligen por identificador, el más bajo primero, es decir se bloquea el más alto (suponiendo el mismo costo). También hay una prioridad por puerto que permite modificar el orden por defecto (rango 0-255 por defecto 128).
Protocolo spanning tree El protocolo Spanning Tree permite crear topologías redundantes, para mejorar la tolerancia a fallos. Spanning Tree es parte de la especificación de puentes transparentes (802.1D), pero los equipos de gama baja no lo implementan El tiempo de reacción ante fallos es lento (minutos) y no es fácil reducirlo en redes grandes. Por tanto no es adecuado como mecanismo de protección para redes de alta disponibilidad En 2001 se estandarizó el Rapid Spanning Tree (802.1w). Con el RST la red converge en pocos segundos. No todos los equipos soportan RST.
(Gp:) C 10 (Gp:) Y (Gp:) ID 29 (Gp:) C 100 (Gp:) W (Gp:) ID 37 LAN X 10 Mb/s LAN W 10 Mb/s LAN Y 100 Mb/s LAN Z 10 Mb/s ID 23 ID 37 ID 41 ID 29 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 100 (Gp:) Costo 10 (Gp:) Costo 10 Raíz (Gp:) C 100 (Gp:) Z (Gp:) C 100 (Gp:) X (Gp:) ID 41 Ejemplo de Spanning Tree R: Puerto raíz (uno por puente) R R R D: Puerto designado (uno por LAN) (Gp:) D (Gp:) D (Gp:) D (Gp:) D B: Puerto bloqueado B (Gp:) ID 23
LAN X 100 Mb/s LAN W 10 Mb/s LAN Y 100 Mb/s LAN Z 10 Mb/s ID 23 ID 37 ID 41 ID 29 C 10 C 10 C 100 C 100 C 100 C 100 C 10 C 10 D D D D R R R B Raíz C 10 C 100 C 10 C 100 X W Z Y ID 23 ID 37 ID 29 ID 41 Pasando la LAN X a 100 Mb/s nada cambia…
LAN X 100 Mb/s LAN W 10 Mb/s LAN Y 100 Mb/s LAN Z 100 Mb/s ID 23 ID 37 ID 41 ID 29 C 10 C 10 C 100 C 100 C 10 C 10 C 10 C 10 D D R D R R B D Raíz C 10 C 100 C 10 C 10 X W Z Y ID 23 ID 37 ID 29 ID 41 Pero si ademas pasamos la LAN Z a 100 Mb/s si cambia algo:
Conmutadores LAN Son equipos en los que el algoritmo de los puentes transparentes se ha implementado en ASICs (Application Specific Integrated Circuit), en hardware. Tienen un rendimiento muchísimo mayor que los puentes, que realizan el algoritmo por software. Pueden funcionar a ‘wire speed’, es decir a la velocidad nominal de la interfaz. Tienen muchas interfaces, normalmente 12 o mas. Hay modelos que pueden llegar a tener más de 500.
Conmutador con cuatro interfaces 10BASE-T Hub o Concentrador Dominios de Colisión Conmutador
100BASE-TX 100BASE-FX 10BASE-T Conmutador ‘híbrido’, interfaces Ethernet de 10 y 100 Mb/s
Un conmutador LAN típico 24 Puertos 10/100 BASE-T 2 Puertos 10/100/1000 BASE-T Matriz de conmutación de 8,8 Gb/s y 6,6 Mpps (millones de paquetes por segundo) Matriz ‘non-blocking’: (2 x 1000 Mb/s + 24 x 100 Mb/s) x 2 = 8.800 Mb/s 24 x 148,8 Kpps + 2 x 1.488 Kpps = 6,54 Mpps (Con paquetes de 64 bytes una Ethernet de 100 Mb/s equivale a 148,8 Kpps) Precio: $1.295 (aprox. 800 €) Cisco Catalyst modelo WS-C2950T-24
Microsegmentación Si en una red se tienen muchos puertos de conmutador LAN se puede dedicar uno a cada ordenador. Esto se llama microsegmentación. La microsegmentación mejora el rendimiento pues la trama va del origen al destino pasando solo por los sitios precisos. También mejora la seguridad, pues los sniffers no pueden capturar tráfico que no les incumbe. El costo de la microsegmentación se ve favorecido porque el costo por puerto de los conmutadores es cada vez más parecido a los de los hubs.
Evolución de las redes locales Ethernet Fase 1 (1988): Medio compartido (10 Mb/s) con cable coaxial en topología de bus Fase 2 (1992): Medio compartido (10 Mb/s) con cable de pares (cableado estructurado) y concentradores (hubs) en topología de estrella Fase 3 (1996): Medio dedicado (10 Mb/s) con cable de pares y conmutadores en topología de estrella (microsegmentación) Cable coaxial Cable de pares Cable de pares Concentrador Conmutador
Conmutadores LAN: Formas de conmutación de tramas Almacenamiento y reenvío: El conmutador recibe la trama en su totalidad, comprueba el CRC y la retransmite si es correcta (si no la descarta). Cut-through: El conmutador empieza retransmitir la trama tan pronto ha leído la dirección de destino (6 primeros bytes). Aunque el CRC sea erróneo la trama se retransmite. Menor latencia que almac./reenvío. Cut-through libre de fragmentos: es igual que Cut-through pero en vez de empezar enseguida espera a haber recibido 64 bytes. Así se asegura que no es un fragmento de colisión. Híbrido: usa cut-through inicialmente, pero si detecta que una estación genera tramas erróneas pasa a modo almacenamiento/reenvío para las tramas que vienen de esa dirección MAC.
Tx Rx Conexión de ordenadores mediante un hub El hub se encarga de cruzar el Tx de cada ordenador con el Rx de los demás. Los cables son paralelos. Si mientras un ordenador transmite (por Tx) recibe algo (por Rx) entiende que se ha producido una colisión. En ese caso deja de transmitir y recibir y envía la señal de colisión Tx Rx Hub Tx Rx A B C
Tx Rx Rx Tx Conexión directa de dos ordenadores Cuando solo se conectan dos ordenadores no es necesario hub. Basta usar un cable cruzado que conecte el Tx de uno con el Rx del otro. Aunque en este caso en principio ambos ordenadores podrían transmitir a la vez, el protocolo CSMA/CD obliga a funcionar igual que si hubiera un hub. Si mientras un ordenador transmite recibe algo entonces deja de transmitir y recibir y envía la señal de colisión. En este caso el protocolo CSMA/CD es una limitación innecesaria pues obliga a la comunicación half duplex cuando el medio físico permitiría funcionar en full duplex A B
TD+ TD- TD- RD+ TD+ RD- RD+ RD- 1 1 2 3 2 3 6 6 Pin Señal Señal Pin Ordenador Ordenador Cable con cruce (crossover) TD+ TD- TD- RD+ TD+ RD- RD+ RD- 1 1 2 3 2 3 6 6 Pin Señal Señal Pin Ordenador Concentrador (Hub) Cable paralelo (normal) Cableado normal y cruzado de un latiguillo
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