Fundamentos de las LANs

Transcripción

UPAEP
2016
Universidad Popular
Autónoma del Estado de
Puebla
[DIPLOMADO EN REDES]
Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1
UPAEP 2016
[Diplomado en Redes]
Capítulo 3: Fundamentos de las LANs
En este capítulo podremos comprender cómo ha ido mejorando la tecnología para la transferencia de datos.
En general, este capítulo está dedicado a la evolución de Ethernet, ya que es la tecnología más antigua
dentro de las redes y también porque es el soporte para las LANs.
Se darán a conocer los diferentes tipos de Ethernet y cómo funcionaban los primeros dispositivos que
generaban redes, así como los problemas a los que se enfrentaban estos equipos y cómo fueron resueltos.
Conoceremos cómo logra una computadora encontrar a otra computadora específica para transmitirle
información, sin error de enviarla a un destinatario incorrecto. También descubriremos la manera en que un
modelo detecta que el envío se realizó de forma correcta.
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Temas Fundamentales
La red típica de una compañía consiste en varios sites. Los dispositivos finales se conectan a una LAN que
permite la interconexión de las computadoras. Adicionalmente, cada site tiene un router que se conecta a la
LAN y a la WAN (Wide Area Network), siendo que ésta última provee de conectividad a varios sites.
Ethernet es hoy la base para las LAN’s, aunque históricamente han competido varios estándares, incluyendo
Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) y ATM (Asynchronous Transfer Mode).
Una Visión General de las Modernas LAN’s Ethernet
El término Ethernet se refiere a una familia de estándares que juntas definen las capas física y de enlace de
datos para el tipo de LAN más popular en el mundo. El cable más común y económico es el UTP (Unshielded
Twisted Pair). El más caro es la fibra óptica, que es más seguro y cubre mayores distancias.
El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) es la institución que ha definido muchos estándares
de Ethernet, como la subcapa 802.3 Media Access Control (MAC) y la subcapa 802.2 Logical Link Control
(LLC). A continuación se muestra una tabla con los tipos de Ethernet más comunes al día de hoy.
Nombre
Velocidad
Ethernet
Fast Ethernet
Gigabit Ethernet
10 Mbps
100 Mbps
1000 Mbps
Gigabit Ethernet
1000 Mbps
Nombre
alternativo
10BASE-T
100BASE-TX
1000BASE-LX,
1000BASE-SX
1000BASE-T
Nombre del
estándar IEEE
IEEE 802.3
IEEE 802.3u
IEEE 802.3z
IEEE 802.3ab
Tipo de cable,
longitud máxima
Cobre, 100 m
Cobre, 100 m
Fibra, 5 Km (LX)
550 m (SX)
100 m
El nombre alternativo para cada tipo de Ethernet se refiere a la velocidad en Mbps. La T y TX se refieren al
uso de cable UTP, siendo que la T se refiere a twisted pair o cable cruzado.
Para crear una LAN usando los tipos de Ethernet de la tabla anterior, se requieren: computadoras con una
tarjeta de red instalada (Ethernet Network Interface Card o NIC), un hub Ethernet o un switch Ethernet, y
cables UTP para conectar cada PC al hub o switch. A continuación se muestra una típica LAN moderna que
aplica a todos los tipos comunes de Ethernet. El mismo diseño y topología básicos son utilizados
independientemente de la velocidad y tipo de cableado.
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Fig. 6 LAN pequeña moderna
Casi todas las computadoras tienen una NIC instalada de fábrica, y los switches no necesitan una
configuración para reenviar el tráfico a las computadoras. Una LAN puede ser muy útil incluso fuera de una
WAN, ya que sirve para compartir archivos, compartir impresoras, transferir archivos, gaming (juegos).
La Historia del Ethernet
Los Estándares Ethernet Originales
Las especificaciones Ethernet 10BASE5 y 10BASE2 definieron los detalles de las capas física y de enlace de
datos en las primeras redes Ethernet. Dentro de estas dos especificaciones, las conexiones se realizaban con
cable coaxial, sin hub ni switch o siquiera un panel de cableado. Las series de cables generan un circuito
llamado bus que es compartido entre todos los dispositivos en la Ethernet. Los bits se envían con una señal
eléctrica que se propaga a todos los dispositivos en el Ethernet. Como la red usa un solo bus, si dos o más
señales eléctricas se enviaran al mismo tiempo, colisionarían; así que Ethernet definió una especificación
para asegurar que solamente un dispositivo a la vez envíe tráfico en la Ethernet. Este algoritmo se llama
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), y define cómo es accedido el bus.
El funcionamiento de CSMA/CD se resume de la siguiente manera:
Un dispositivo que desea enviar un frame espera hasta que la LAN esté en silencio (no hay frames
enviándose en ese momento) antes de tratar de enviar una señal eléctrica.
Si una colisión ocurre, los dispositivos que causaron la colisión esperan un cierto tiempo aleatorio e
intentan nuevamente.
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Repetidores
Cuando el máximo permitido para el estándar de cableado debía ser superado, la señal se atenuaba
demasiado (debilitación), así que se desarrollaba un repetidor (repeater). Los repetidores se conectan a
múltiples segmentos de cable, reciben la señal eléctrica en un cable, interpretan los bits como 1s y 0s y
generan una nueva señal limpia y fuerte por el otro lado del cable. Un repetidor no amplifica la señal, así
que no recoge ruido en el camino. El repetidor es un dispositivo de capa 1, ya que no interpreta los bits; sólo
examina y genera señales eléctricas.
Construyendo redes 10BASE-T con Hubs
Las redes 10BASE-T (1990) mejoraron la industria, eliminando la complejidad de instalación del cable coaxial
y sustituyéndolo por un cable telefónico UTP así como cableando cada dispositivo a un punto de conexión
centralizada (hub) generando una topología de estrella, haciendo las implementaciones más económicas.
Los hubs en esencia son repetidores con múltiples puertos físicos, así que aún existía el problema de la
posible colisión.
Fig. 7 Símbolo del Hub
Los switches tienen un mejor desempeño que los hubs, soportan más funciones y cuestan casi lo mismo.
Más adelante se explicará su funcionamiento a detalle.
Fig. 8 Símbolo del Switch
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Cableado Ethernet UTP
Los estándares Ethernet más comunes en estos días (Ethernet 10BASE-T, Fast Ethernet 100BASE-TX y Gigabit
Ethernet 1000BASE-T) usan cableado UTP.
Cables UTP y conectores RJ-45
El cableado UTP usado por los estándares populares de Ethernet incluye dos o cuatro pares de alambres
envueltos en una cubierta plástica como protección a la ruptura. Al final del cable típicamente se tiene un
conector adjunto (normalmente es un RJ-45) y las finalizaciones de los alambres se encuentran insertadas
dentro del conector, el cual tiene ocho zonas llamadas pins donde se insertan los alambres. El sitio donde es
insertado el conector RJ-45 se llama puerto RJ-45 y es ligeramente más amplio que el de telefonía llamado
RJ-11.
Algunos switches marca Cisco tienen algunas interfaces que usan Gigabit Interface Converters (GBIC) o
Small-Form Pluggables (SFP).
Transmisión de Datos Usando Pares Cruzados
El cable UTP consiste en pares de alambres que se encuentran cruzados. Los dispositivos al final de cada
cable pueden crear un circuito eléctrico usando un par de alambres, enviando corriente a través de los
alambres en direcciones opuestas. Cuando hay corriente que atraviesa cualquier cable, esa corriente
provoca un campo magnético fuera del cable, por lo que puede convertirse en ruido eléctrico en otros
alambres dentro del cable. Cuando se tuercen los alambres del mismo par, con la corriente circulando en
direcciones opuestas en cada cable, el campo magnético creado por un alambre cancela la mayoría del
campo magnético creado por el otro cable. Es por esto que la mayoría de los cables de red usan alambres de
cobre y la electricidad usa alambres de pares cruzados para enviar los datos.
Para enviar datos a través del circuito eléctrico creado con un par de alambres, los dispositivos usan un
encoding scheme o esquema de codificado que define cómo la señal eléctrica debe variar en el tiempo para
significar un 0 ó 1 binario.
Pinouts de Cableado UTP para 10BASE-T y 100BASE-TX
Los pinouts de cableado (la opción de qué color de cable debe ser colocado en cuál de los pines) debe ir
conforme a los estándares de Ethernet. Dos industrias (la TIA y la EIA) definen estándares para el cableado
UTP, su codificación de colores y los pinouts en los cables.
A continuación se muestran los Pinouts del estándar de Ethernet EIA/TIA.
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Fig. 9 Pinouts de cableado bajo el Estándar de Ethernet
Un cable UTP requiere dos pares de alambres para 10BASE-T y 100BASE-TX y cuatro pares de alambres para
1000BASE-T.
Las NICs de Ethernet deben enviar datos usando el par conectado a los pins 1 y 2 (el par 3, de acuerdo con el
estándar T568A). Los hubs y los switches hacen lo opuesto: reciben en los pines 1 y 2 y envían en los pines 3
y 6 (el par 2). Con esto se entiende que para conectar una PC con un hub, es necesario utilizar un cable
straight-through o cable derecho, para que la correspondencia sea uno-a-uno. Para crear un cable straightthrough, ambas terminaciones del cable usan el mismo estándar de pinout EIA/TIA en la terminación de
cada extremo.
Cuando se conectan dos dispositivos y ambos usan los mismos pines para transmitir, los pinouts del cable
deben ser intercambiados. Un cable que intercambia los pares de alambres dentro del cable es llamado
crossover cable o cable cruzado.
A continuación se muestran dos imágenes de los pins a los que cada alambre se conecta.
Fig. 10 Alambres que son cruzados en el cable crossover de Ethernet
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Fig. 11 Configuración del cable Crossover de Ethernet
A continuación se muestra una tabla indicando qué pines usan algunos dispositivos para recibir y enviar.
Transmiten en 1,2 y Reciben en 3,6
NICs de PC
Routers
Wireless Access Point (interfaz Ethernet)
Transmiten en 3,6 y Reciben en 1,2
Hubs
Switches
-
Impresoras conectadas directamente a la LAN
-
Los cables que conectan switches entre sí son llamados trunks y requieren cables crossover.
Cableado 1000BASE-T
Gigabit Ethernet requiere dos pares de alambres; transmite y recibe simultáneamente por los cuatro
alambres dentro del cable. Los pinouts para su cable straight-through son iguales a los de los estándares
antes mencionados; el crossover también es igual a los anteriores, y también se cruzan los otros pares: el par
en los pines 4,5 con el par en los pines 7,8.
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Práctica: Cable Derecho
Los cables derechos se usan para conectar dispositivos de diferente tipo, ejemplo:
Fig. A
Material
Pinzas de corte y presión RJ-45
Conectores RJ-45
Cable CAT-5e
Pasos para elaborar un cable derecho
1.
Tomar un pedazo de cable CAT-5e de la longitud necesaria pero no mayor a 100 m.
2.
Cortar la cubierta exterior de plástico, cuidando no trozar ni dañar los alambres del interior ya que
serán utilizados.
Fig. B
3.
Se podrá apreciar que los alambres se encuentran enredados en parejas: cada color con su
respectivo color/línea_blanca. Desenredar cuidadosamente los alambres y separarlos unos de
otros.
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Fig. C
4.
Acomodar los alambres de acuerdo al estándar T568A ó T568B.
Fig. D
NOTA: Tómese en cuenta el realizar el mismo procedimiento y con la misma combinación (ya sea T568A ó
T568B) en ambos lados terminales, para asegurar la conectividad.
5.
Una vez seleccionado el estándar, acomodar los cables y prepararlos para insertarlos en el
conector.
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Fig. E
6.
Insertar los alambres hasta el fondo del conector RJ-45, cuidando que queden en el orden deseado.
Fig. F
7.
Insertar cuidadosamente el conector RJ-45 dentro de las pinzas de corte y ejercer presión,
verificando que el plástico exterior que cubre el cable quede también dentro del conector, para que
exista una mayor resistencia en el ponchado.
8.
Verificar la conectividad, conectando por ejemplo una PC a un switch.
NOTA: Ver video ejemplo:
http://www.youtube.com/watch?v=GBESEfonqfw
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Mejorar el desempeño usando Switches en lugar de Hubs
Recordemos que los hubs son una especie de BUS que tiene posibilidades de generar colisiones. También
recordamos que el algoritmo CSMA/CD ayuda a evitar las mismas, aunque no las previene. Este algoritmo
funciona de la siguiente manera:
1.
Un dispositivo que tiene un frame para enviar, escucha hasta que el Ethernet no se encuentre
ocupado.
2.
Cuando el Ethernet no se encuentre ocupado, el (los) remitentes empieza(n) a enviar el frame.
3.
El remitente escucha para cerciorarse de que no ocurrió una colisión.
4.
Si ocurrió una colisión, cada uno de los dispositivos que había estado enviando frames envía una
señal de “embotellamiento” para asegurarse de que todas las estaciones reconozcan la colisión.
5.
Después de concluida la alerta de embotellamiento, cada remitente espera un tiempo aleatorio
antes de volver a intentar enviar el frame que colisionó.
6.
Cuando concluye el tiempo aleatorio, el proceso vuelve a comenzar con el paso 1.
CSMA/CD tiene algunas desventajas. El algoritmo provoca que los dispositivos esperen hasta que la Ethernet
se encuentre en silencio antes de enviar datos. Este proceso ayuda a evitar colisiones, pero también significa
que solamente un dispositivo puede enviar en un instante. Como resultado, todos los dispositivos
conectados al mismo hub comparten el bandwidth (ancho de banda) disponible a través del hub. La lógica
de esperar para enviar hasta que la LAN se encuentre en silencio se llama half duplex, y se refiere al factor
de enviar o recibir únicamente, pero jamás ambos a la vez. Otra desventaja es en el desempeño de la LAN
por tener que esperar tiempo cuando ocurren colisiones, y entre más tráfico haya en la LAN, hay más
probabilidades de que ocurran colisiones.
Incrementar el ancho de banda disponible usando switches
El término dominio de colisión se refiere al grupo de equipos cuyos frames podrían colisionar. Todos los
dispositivos conectados a un hub corren este riesgo y por ello deben usar CSMA/CD.
Fig. 12 Un dominio de Colisión formado por un switch
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Los LAN switches reducen o eliminan el número de colisiones en una LAN, ya que –a diferencia de los hubsno crean un solo bus compartido y tampoco reenvían la información a todos los demás puertos. En lugar de
esto, los switches hacen lo siguiente:
Interpretan los bits en el frame recibido para enviarlos solamente al puerto requerido.
Si un switch requiere enviar múltiples frames a un mismo puerto, el switch almacena los frames en
su memoria (buffering), enviando uno solo a la vez y evitando así las colisiones.
La lógica del switch requiere observar el header de Ethernet, lo cual es una característica de la capa 2. Por
ello, se considera que los switches son un dispositivo que opera en capa 2, mientras que los hubs son
dispositivos de capa 1.
Es de importancia comprender que cada uno de los “brazos” que se desprenden de un switch generará un
nuevo dominio de colisión, tal como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 13 Dominios de colisión
Ventajas del uso de switches en lugar de hubs:
Si tan sólo un dispositivo está cableado a cada puerto de un switch, no pueden ocurrir colisiones.
Los dispositivos conectados a un puerto de switch no comparten el ancho de banda con otros
dispositivos conectados a otro puerto del mismo switch, ya que cada puerto tiene su propio ancho
de banda. De esa manera, un switch con puertos 100-Mbps en realidad tiene 100 Mbps por puerto.
Shared Ethernet significa que el ancho de banda de la LAN es compartido entre los dispositivos de la LAN
debido a que necesitan turnarse gracias al algoritmo CSMA/CD.
Switched Ethernet se refiere al hecho de que usando switches el ancho de banda no necesita ser
compartido, permitiendo un mejor desempeño en la LAN.
Doblando el desempeño usando Full-Duplex Ethernet
Cualquier red Ethernet que usa hubs requiere CSMA/CD para trabajar correctamente, mismo que impone
half-duplex en cada dispositivo, por lo que sólo un dispositivo puede enviar a la vez. Debido a que los
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switches almacenan en buffer, éstos con sólo un dispositivo cableado a cada puerto pueden permitir la
operación en full-duplex (enviar y recibir concurrentemente).
Protocolos Ethernet de Enlace de Datos
Ethernet Addressing
El Ethernet LAN addressing identifica dispositivos en forma individual o en grupo dentro de una LAN. Cada
dirección tiene un largo de 6 bytes, usualmente se encuentra en hexadecimal. Por ejemplo: 0000.0C12.3456
Las unicast Ethernet addresses identifican a una sola tarjeta LAN. Los frames serán procesados solamente si
la computadora se “percata” de que la dirección destino es la propia.
La IEEE establece que todas las unicast MAC addresses han de ser globalmente únicas. La información es
grabada en el chip ROM y se llama burned-in address (BIA), donde la primera mitad de la dirección indica la
empresa que manufactura la tarjeta y es llamado OUI (Organizationally Unique Identifier); la segunda mitad
de la dirección lleva un número que esa misma empresa manufacturera no ha utilizado en otra tarjeta.
Fig. 12 Estructura de las Unicast Ethernet Addresses
NOTA: Los sinónimos de unicast address son: LAN address, Ethernet address, hardware address, physical
address, MAC address.
Las group addresses identifican a más de una LAN interface Card y hay dos tipos:
Broadcast addresses con valor FFFF.FFFF.FFFF (notación hexadecimal) e implica que todos los
dispositivos en la LAN deben procesar el frame.
Multicast addresses usadas para permitir que se comunique un subgrupo de dispositivos en la LAN.
Llevan el formato 0100.5exx.xxxx donde cualquier valor puede usarse en la última mitad de la
dirección.
Ethernet Framing
El framing define cómo una cadena de números binarios es interpretada, es el “significado” de los bits
transferidos. El estándar IEEE 802.3 define la localización del campo de la dirección destino dentro de la
cadena de bits enviada a través de la Ethernet.
Un frame hoy en día tiene la siguiente estructura:
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Preámbulo
SFD
Destino
Origen
Longitud/Tipo
Datos y pad
FCS
7
1
6
6
2
46 - 1500
4
Sincronización
Indica que
el siguiente
byte inicia
el campo
con la MAC
destino
Procedencia
Sólo aparece
la longitud de
los datos o
bien el tipo
de protocolo
listado dentro
del frame
Contiene
datos de
una capa
más alta,
típicamente
L3PDU y a
menudo un
paquete IP
Provee de
un método
para
determinar
si el frame
experimentó
errores de
transmisión
Recipiente
Identificando los datos dentro de un Ethernet frame
Cuando un dispositivo recibe un Ethernet frame, éste necesita saber de qué tipo de L3PDU se trata: un
paquete IP, un paquete OSI, SNA, etc. Y para definirlo existe el “campo tipo”, que contiene el código del
protocolo que sigue.
Detección de Error
El Ethernet Frame Check Sequence (FCS) es la detección de error y consiste en el proceso de descubrir si los
bits en un frame cambiaron después de haber sido enviados, normalmente debido a interferencia eléctrica.
Este campo es el trailer del frame de Ethernet. El dispositivo que envía calcula una función matemática
compleja, utilizando el contenido del frame y colocando el resultado en el campo FCS. El recipiente realiza el
mismo cálculo y si determina que el resultado es el mismo entonces no hubo errores de transferencia. Si el
resultado no coincide, entonces hubo un error y el frame es desechado.
NOTA: Este proceso no incluye error recovery, sino simplemente el desecho del frame corrupto. Tampoco
solicita reenvío del frame. Otros protocolos como TCP al percatarse de la pérdida de datos sí implementan el
error recovery.
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Actividad 1.
Asignar el nombre que corresponde a cada componente:
Bridge
Hub
Router
File Server
Laptop
ISDN
WAN
Wireless Router
Multilayer Switch
Switch
Modem
PC
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Actividad 2.
Asignar el nombre a cada conexión:
Straight-Through
Serial DTE
Console
Coaxial
Serial DCE
Fiber
Phone
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Actividad 3.
Describe los elementos de una RED desde el punto de vista de un usuario si
se tienen los siguientes elementos:
INTERNET
Cable CATV
PC de casa con tarjeta ethernet
Cable Ethernet
Cable Ethernet
PC de oficina con tarjeta Ethernet
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Actividad 4.
Describir cada uno de los siguientes términos:
Ethernet
IP
UDP
Frame Relay
STMTP
TCP
POP3
HTTP
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Actividad 5.
Las capas del modelo TCP / IP son:
Network Access
(acceso a la red)
Application
(aplicación)
Internet
(internet)
Transport
(transporte)
¿Cuál es el orden que la Arquitectura TCP / IP tiene?
Capas de la Arquitectura TCP / IP
Por ejemplo:
http, POP3, SMTP
TCP, UDP
IP
Ethernet, Frame Relay
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Actividad 6.
Los cinco pasos de la Encapsulación de Datos en el modelo TCP/IP
Capas:
Network Access
Application
Internet
Transport
Elementos del moises :
IP(2)
LT(1)
TCP(3)
DATA(4)
LH(1)
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Actividad 7.
Define los siguientes términos que se usan en el modelo TCP/IP
Frame
Segment
(Segmento)
Packet
(Paquete)
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Actividad 8.
Las capas del modelo OSI (Open System Interconnection) son:
Presentation
(presentación)
Transport
(transporte)
Data Link
(enlace de datos)
Physical
(física)
Application
(aplicación)
Session
(sesión)
Network
(red)
OSI
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Actividad 9.
Determinar si se trata de un puerto RJ-45 o conector RJ-45
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Actividad 10.
Escribe en cada línea punteada el tipo de cable que utilizarías para conectar
los dispositivos.
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Actividad 11.
Con los siguientes elementos a completa la Arquitectura TCP / IP.
Application
IP
Internet
POP3
Transport
UDP
TCP
Frame Relay
Ejemplos de Protocolos
SMTP
Ethernet
Capas de la Arquitectura TCP / IP
HTTP
Network Access
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Actividad 12.
Con los siguientes elementos a completa al modelo OSI y a TCP / IP
Application
Internet
Transport
Transport
Presentation
Data Link
Physical
Session
Network
Ethernet
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