TECNOLOGIAS LAN

POR:

JUAN CARLOS RESTREPO

Juanrest@diginet.com.co

Versión: 2.8

Medellín-Colombia 2001

CARACTERISTICAS DE LA LAN

Cortas distancias: un piso, un edificio, un campus, pocos kilómetros (típicamente menos de 5 Kmts).

Altas velocidades: varios Megabits por segundo. Ej: 10Mbps, 16Mbps , 100Mbps, 1 Gbps.

Generalmente son redes privadas.

Las principales tecnologías LAN han sido estandarizadas por la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

MODELOS DE LA IEEE

Principales desarrollos IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineer. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.Define estándares principalmente en niveles 1 y 2 de OSI.Modelos orientados a redes LAN y MAN.Divide el nivel de enlace en dos capas: MAC y LLC.Busca como en todos los modelos por capas independizar la funcionalidad de 1 y 2 del resto de protocolos.Las capas superiores las suministran protocolos como TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX.

PRESENTACION

APLICACION

SESION

RED

FISICO

ENLACE

TRANSPORTE

ETHERNET, TB Y TR VS. OSI

Medios, Interfaces, señales, sincronismo, modulación, codificación, etc.

Tramado, detección y/o corrección de errores, control de flujo, control de acceso al medio.

Encripción, compresión, sintaxis, códigos.

Servicios extremo a extremo.

Servicios de conexión mejorados como sincronización entre aplicaciones, etc.

Enrutamiento, control de congestión.

Comunicación entre aplicaciones.

ETHERNET, TB Y TR VS. TCP/IP

SMTP

FTP

TELNET

IP

TCP UDP

DHCP

SNMP

RPC

ICMP IGMPARP RARP

ETHERNET, TOKEN RING,TOKEN BUS

HTTP

LPD

IMAP4

POP3

DNS

BOOTP

TFTP

MAC

LLC

FISICO

MODELO DE LA IEEE

LLC (802.2)

802.3 (CSMA/CD)

10BASET

802.4 (TB) 802.5 (TR)

10BASE2 10BASE5

MAC

LLC

FISICO

802.2 - LLC

• Logical Link Control.

• Define servicios estándares de nivel de enlace para las capas superiores, ocultando la complejidad como tipo de medio, trama, etc. De las capas inferiores.

• Tres tipos de servicios básicos:

Datagrama sin reconocimiento.

Datagrama con reconocimiento.

Orientado a conexión.

802.3 - ETHERNET

Ethernet fue desarrollado por los laboratorios de XEROX a partir del protocolo ALOHA.

Cable coaxial de 1 Km a 2.94 Mbps para 100 estaciones.

Xerox, DEC e Intel crearon Ethernet a 10 Mbps.

La IEEE hizo modificaciones y estandarizó la norma 802.3.

Basado en acceso al medio CSMA/CD.

Opera sobre diversos medios como coaxial, UTP, Fibra óptica.

En la actualidad es la tecnología de área local por excelencia.

ACCESO AL MEDIO- CSMA/CD

Se escucha el medio. Si esta ocupado queda escuchando hasta que se libere. Si esta libre empieza a transmitir.

Si dos transmiten a la vez hay colisiones.

Quien primero detecta la colisión genera un JAM (48 bits) para notificar la colisión al resto.

Quienes colisionaron esperan una cantidad aleatoria antes de transmitir de nuevo(backoff algorith). (Se toma un intervalo entre 0 y 2 i – 1, donde i es el número de colisiones hasta el momento)

Al valer i=10 se mantienen los intervalos entre 0-1023.

Después de 16 intentos fallidos se desiste con la trama y resetea el contador i.

Utilizado por 10, 100 y 1000 Mbps.

802.3 – MEDIOS FISICOS

COAXIAL: – 10BASE-2: C/segmento 185 mts. 30 nodos por seg. Máx 5 seg.

– 10BASE-5: C/segmento 500 mts. 100 nodos por seg. Max 5 seg.

UTP/STP– 10BASE-T

– 100BASE-T (802.3u)

– 100BASE-T4

– 1000BASE-T (802.3ab)

– 1000BASE-CX (STP – 25 mts)

FIBRA OPTICA– 10BASE-FX

– 1000BASE-SX (802.3z)

– 1000BASE-LX (802.3z)

CONECTORES PARA UTP5 DCE

10/100BASET

1000BASET

CONECTORES PARA UTP5 DCE

9u Singlemode

{1000BASE-LXFiber (1350nm)

{1000BASE-SXFiber (850nm)

{1000BASE-CXCopper

25m 5km220m275m

{1000BASE-TCopper

100m 550m

50u Multimode

50u Multimode

4 pr CAT 5 UTP

Balanced Shielded Cable

62.5u Multimode

62.5u Multimode

Source: Gigabit Ethernet Alliance

Data Center

BuildingBackbones

CampusBackbone

Wiring Closet

APPLICATION

Fiber versus Copper Gigabit

MODELO DE GIGABIT ETHERNET

MODELO DE GIGABIT ETHERNET

MODELO DE GIGABIT ETHERNET

MODELO DE GIGABIT ETHERNET

DISTANCIAS CON GIGABIT ETHERNET

ESCALABILIDAD DE ETHERNET

FUENTES DE LUZ

0.85 1.35 1.55

Atenuacion

Longitud de onda en micrones

0.77-0.86 1.270-1.355LUZ:0.4-0.7

.

dB/Km

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

SX LX

1000BASE-ZX

FIBRA DISTANCIA9/10 micrones single mode 70 Kmts.

9/10 micrones dispersión shift 100 Kmts.

Longitud de onda: 1550 nm.

1000BASE-LH

Es una especificación multivendedor que cubre diferentes distancias.

No es aún una norma de la IEEE.

DISPOSITIVOS

HUBS-CONCENTRADORES

Operan en el nivel físico.

Pueden ser:

Pasivos: la señal que entra en un puerto la pone en los otros tal y como llega.

Activos: a diferencia del anterior regenera la señal.

Inteligentes: son adicionalmente administrables y validan algunos aspectos como longitud de la trama, errores, etc.

SUICHES

Operan en el nivel 1 y 2 de OSI ya que entienden las tramas.

DISPOSITIVOS-HUB

3COM

Servidor

Cliente

Cliente

CODIFICACION

MANCHESTER (10 Mbps)Provee sincronismo, pero no detección de errores.Utilizado en Ethernet.

4B/5B (100 Mbps) MEDIANTE MLT34 bits se representan con 5 símbolos.Usado también por FDDI.8B/10B (1000 Mbps)•8 bits se representan con 10 símbolos.• Usado en Fiber Channel (parte de Gigabit Ethernet) y en ATM.

CODIFICACION

                                                    

TRAMAS

Trama Ethernet I desarrollada por DIX (Digital, Intel y Xerox) hacia 1.980.

Dos años después se presenta Ethernet II que es la trama utilizada por TCP/IP. Tambien conocida como ARPA.

Posteriormente la IEEE empezó a desarrollar la norma 802.3 pero Novell no esperó y presentó la trama 802.3. (En Cisco se llama Novell-Ether)

Luego la IEEE finalizó el desarrollo de la trama 802.3 incluyendo el encabezado 802.2 (LLC: Logical Link Control).

Actualmente las tarjetas de red soportan todos estos tipos de trama, pero se requiere que cada conjunto de estaciones con el mismo protocolo tengan la misma trama.

TRAMAS

Ethernet 802.3 Header 802.2

Ethernet II

Preámbulo: 10101010SFD: 10101011

INTERFACE AL NIVEL DEL ENLACE

TRAMA SNAP (Sub Network Access Point)Caso particular de trama 802.2.

DSAP=SSAP=170 Indican presencia de SNAPEtherType igual que en trama Ethernet II.

CANTIDAD DE TRAMAS

Interframe Gap

Ethernet devices must allow a minimum idle period between transmission of frames known as the interframe gap (IFG) or interpacket gap (IPG). It provides a brief recovery time between frames to allow devices to prepare for reception of the next frame. The minimum interframe gap is 96 bit times, which is 9.6 microseconds for 10 Mb/s Ethernet, 960 nanoseconds for 100 Mb/s Ethernet, and 96 nanoseconds for 1 Gb/s Ethernet

Cantidad de tramas de 64Bytes en los diferentes enlaces:

10Mbps 14800

100Mbps 148000

Trama mínima: 64Bytes

Trama máxima: 1518 sin VLAN y 1522 con VLAN (No todas las tarjetas soportan esta última.)

DIRECCIONAMIENTO

Se utiliza un direccionamiento plano basado en direcciones de 6 bytes estructurados así:

3 bytes para el fabricante.

3 bytes para el identificar cada tarjeta del fabricante.

Ejemplo: 00-D0-01-AB-CD-EF

Ethernet soporta:

Unicast: Direccionar un nodo. Cada NIC tiene su MAC.

Multicast: Direccionar un grupo de nodos.

Broadcast: Enviar a todo mundo. FF-FF-FF-FF-FF-FF

MULTICASTING

Para Multicast Ethernet esta reservado el rango:01-00-5E-00-00-00 A 01-00-53-7F-FF-FF

Ejemplo: Mapeo de una dirección Multicast IP a una Dirección Multicast Ethernet

MULTICASTING• Envío a un grupo de equipos a la vez.

• Uso: Aplicaciones multimedia como emisión de video y audio, videoconferencia, actualización Bases de datos distribuidas, etc.

• Depende de las facilidades de los niveles inferiores. Ejemplo: Ethernet soporta Multicast.

• Las direcciones 224.0.0.1 - 224.0.0.255 son locales a la red física.

• Ejemplo de grupos predefinidos:

224.0.0.0 Reservada.

224.0.0.1 Todos los sistemas en esta subred.

224.0.0.2 Todos los enrutadores en esta subred

224.0.0.5 Todos los enrutadores OSPF.

MULTICAST

Un suiche tradicional maneja el Multicast mediante Flooding.

Para evitar inundaciones por este tipo de tráfico se requiere que los suiches entiendan GARP/GMRP.

Solo se envía paquetes Multicast por los puertos del suiche donde hay nodos que reportaron su interés en el grupo.

Un suiche sin esta funcionalidad inunda la red con el tráfico Multicast, incurriendo en consumo de ancho de banda aunque no procesamiento de la estación.

GARP/GMRP

Protocolo para notificar la pertenencia de una estación a un grupo Multicast para que las tramas no sean manejadas con flooding sino de forma inteligente.Protocolos Multicast de nivel 2 que hacen parte de 802.1dUtiliza dos tipos de mensajes:

JOIN: Para notificar el interes en un grupo. Enviado por la estación.LEAVE: Para indicar la salida de un grupo. Enviado por la estación.LEAVE-ALL: Enviado por el suiche por todos sus puertos peiódicamente para evitar seguir enviando tráfico cuando las estaciones no envían el mensaje LEAVE para salir.

Para garantizar la entrega del mensaje se envía dos veces. Si se escucha que alguien más envía el mensaje, se toma este envío como una de las veces.

Multicast Filtering

Not a Client

Clients

No Clients

3COM

3COM

3COM

3COM3COM

3COM

3COM

3COM

Clients

REPETIDOR Dispositivo que repite o regenera la señal.

Mecanismo para extender un segmento.

Típicamente se utilizan Transceivers o Hubs.

Para cada medio se establece la cantidad de repetidores posibles en un dominio de colisión.

Permiten cambiar de un medio a otro.

Dominio de Colisión: espacio en donde dos máquinas pueden colisionar.

El repetidor extiende el dominio de colisión.

TRANSCIEVER

Dispositivo o componente (Transmitter-Receiver) que transmite o recibe las señales al medio o del medio.

Pueden ser externos o internos.

Los internos están en la circuitería de la tarjeta de red o NIC (Network Interface Card).

El externo típicamente utiliza una interface AUI.

TARJETA DE RED O NIC

Network Interface Card.

Componente que conecta el nodo (estación, servidor, etc)

a la red.

Su configuración requiere entender:

IRQ.

Puerto I/OBASE

DMA

Memoria compartida.

NIC

Cuando la trama no es para la tarjeta no genera interrupción.

Cuando la trama es para la tarjeta: su MAC, broadcast o un grupo Multicast al que pertenece genera interrupción y procesamiento en el nodo.

BuffersDriverCon buffer

TRAMA

IP IPX NB

CPU

MEMORIA

PIC

TRAMA

ARP

BRIDGING- BRIDGE

Mecanismo para conectar varias LAN creando dominios de colisión.

Utiliza backward learning para aprender donde está cada nodo.

Si hay múltiples caminos entre una red y otra mediante Spanning Tree solo deja una ruta.

Si no sabe donde está el destino utiliza Flooding (inyecta el paquete por todas las interfaces excepto por donde entró).

Básicamente por software y pocos puertos.

Adicionan generalmente entre un 10-30% de retardo en la red.

SUICHEOSuiche: dispositivo inteligente de nivel 2 que conmuta tramas.

Aprende la ubicación de los nodos a medida que estos transmiten, revisando la dirección MAC fuente y registrando su ubicación (puerto por donde entró la trama) en la tabla MAC.

La tabla MAC entre otros campos tiene: PUERTO, MAC, TIEMPO DE VIDA.

Si al suichear una trama se sabe donde esta el destino, coloca esta solo en el puerto correspondiente.

Si no sabe del destino utiliza flooding: inyecta la trama por todos los puertos excepto por donde entro. OJO: Flooding NO es lo mismo que broadcast.

FLOODING VS. BROADCAST

FLOODING

El PDU (Eje: trama) se inyecta por todas las interfaces excepto por donde entro.

Solo la procesa aquella estación o estaciones para la cual va dirigida.

BROADCAST

La trama se inyecta por todas las interfaces, excepto por donde entro.

Al tener la trama como destino todos: FF:FF:FF:FF:FF:FF, todos la deben procesar.

SUICHEO-SPANNING TREE

Algoritmo para evitar loops entre suiches o bridges creando rutas únicas entre los nodos.

Los suiches intercambian Bridge Protocol Data Units para determinar el estado de los puertos.

Define estados para los puertos asi: Blocking: No pasa frames pero escucha BPDU.

Listening: No pasa frames pero los escucha.

Learning: No pasa frames pero aprende direcciones.

Forwarding: pasa frames y aprende direccines.

Disabled: No pasa frames y no escucha BPDU.

Se reservó el grupo de direcciones MAC: 01-80-C2-00-00-00 para el envio de BPDU. Actualmente se usa: 01-80-C2-00-00-01

SUICHE

Crea dominios de colisión.

En configuración normal (sin VLAN) se mantiene un solo dominio de broadcast.

La diferencia fundamental con el bridge es que suichea el paquete por hardware.

Varios tipos de suiches: Simetricos: todos los puertos operan a la misma

velocidad.

Asimetricos: unos puertos son más rápidos que otros.

SUICHEO

Tipos de suicheo:Store and fordward: espera a que llegue totalmente la trama antes de conmutarla. Verifica la longitud de la trama y FCS.Cut-through: empieza a conmutar al llegar el principio de la trama. No verifica el FCS. Dos esquemas:

Fast-forward: conmuta inmediatamente al tener la dirección destino. Es el más rápido pero puede pasar tramas malas.

Fragment-free: empieza a conmutar al llegar 64 bytes, para evitar conmutar jam o pedazos de tramas originados por colisiones.

SUICHEO

3COM

0x00-00-01-03-02-ab

TABLA MAC PUERTO TIEMPO0x00-00-01-03-02-ab 1 300x00-00-02-01-0a-aa 2 25

0x00-00-02-01-0a-aa

1

2 8

0x00-00-02-01-bb-bb

SUICHEO- 802.1p

Norma para proveer calidad de servicio.

Define 8 niveles de prioridad: 0-7.

Niveles altos de mayor prioridad.

Tanto el suiche como los nodos deben manejar el protocolo.

Requiere en el suiche el manejo de colas para priorizar.

VLAN

• Virtual LAN.• División de una LAN en varias LAN lógicas totalmente

independientes.• Crea dominios de Broadcast aprovechando la inteligencia del

suiche para decidir si deja o no pasar una trama a otro puerto.• Se pueden crear por varios criterios (MEMBRECIA):

– Puerto físico (Port Centric).– Dynamic: Determina la VLAN de acuerdo a MAC,

Direcciones de Red, Protocolo de red, etc.– Static VLAN: se asigna el puerto a la VLAN.

• Requiere de routers para la interconexión de las VLAN.• Para implementar VLAN entre varios suiches se utiliza la norma

para trunking entre suiches 802.1Q.• Cada VLAN corre una instancia independiente de Spanning Tree.

VLAN-802.1Q

• Estandar para extender las VLAN entre suiches.

• Los suiches marcan las tramas agregando 4 bytes a la trama original así:– 2 para el tipo.– 2 para información de prioridad y VLAN

• En la trama Ethernet_II utiliza el type: 0x8100.

Cabecera de la Etiqueta (Tag Header)Cabecera de la Etiqueta (Tag Header)

•TPID: Tag Protocol ID (8100)•CFI: Canonical Format Indicator

– Orden de bit de dirección en frames TR/FDDI– Presencia/ausencia de RIF en 802.3/Ether frame

•PRIORITY: Nivel de prioridad de 0-7.•VID: Identificador VLAN

VLAN TAGGING (Cont.)VLAN TAGGING (Cont.)

802.1Q

802.1Q

V1 V2 V3

V1 V2V2, V3 V1

VLAN3

VLAN2

VLAN1

802.1Q

VLAN

3COM

3COM

3COM

V2, V3 V1

AGREGACION

También conocido como trunking.

Norma: 802.3ad

Agrupación de varios enlaces para incrementar la capacidad.

Puede ser entre suiche-suiche o suiche-nodo.

Requiere deshabilitar el Spanning Tree en los puertos de la agregación.

Los puertos de un enlace agregado se ven como uno solo.

Las tramas de un flujo entre una fuente y un destino que pasan por un troncal agregado siempre se van por solo uno de los enlaces, para evitar la reorganización de las tramas.

RESILENCIA

Permite tener contingencia al tener más de un enlace entre los suiches.

El Spanning Tree deshabilita el canal de backup mientras el principal esta en funcionamiento

3COM

3COM

SS II Switch 3300

SS4900SX

SS4900

Gigabit Links

AGREGACION (TRUNKING)

APILAR (STACK) VS. CASCADEAR

• A través de un puerto especial se conectan los backplane de los dispositivos.

• Generalmente se ve el stack como un solo equipo.

• Mayor desempeño.

• A través de los puertos convencionales (10/100/1000) se conectan los equipos.

• Se ven como equipos independientes.

• Menor desempeño.

RESILENCIA

3COM

3COM

SS3300

3COM

3COM

SS3300

SS4900SX SS4900SX

SS4900 SS4900

RSL RSL

RSLRSL

RSL

LAYER 3 SUICHING

Enrutador de alto desempeño enbebido en el suiche y orientado a la LAN usado principalmente cuando se tienen VLAN.

Su alto desempeño se debe a la utilización de ASIC (Aplication Specific Integrated Circuit).

Mientras que un enrutador tradicional enruta entre 100.000 y 1’000.000 de paquetes por segundo, el suiche nivel 3 enruta varios millones de paquetes por segundo.

Es una evolución mas que una revolución.

Maneja protocolos de enrutamiento tradicionales como RIP, OSPF, etc.

LAYER 3 SUICHING

Dos filosofías básicas:

Packet-by-packet: Se enruta el paquete como lo hace un router tradicional solo que por hardware (ASIC: Application Specific Integrated Circuit).

Interoperan bien con routers tradicionales.

Flow-based routing: El primer paquete se enruta, pero los otros con el mismo destino se suichean. Mas rápido pero generalmente soluciones propietarias.

LAYER 3 SUICHING VS. ROUTERS

LAYER 3 SUICHES

Mayor desempeño: varios millones de pps

Implementados con ASIC.

ROUTERS

Basados en procesadores de propósito general.

Entre 100.000 y algo más de 1’ de pps.

Implementados por software.

802.11b – Ethernet Inalámbrico

• Basado en tecnologías Spread Spectrum: Frequency Hopped and Direct Squence.

• Varias velocidades: 1, 2 y 11(DSSP) Mbps.• Basado en tecnología Direct Sequence Spread Spectrum.• Velocidad: 11 Mbps. Por overhead se baja a 5.5 Mbps generalmente.• Frecuencias: 2.4 GHz (Muy saturada actualmente).• Distancia típica: depende de la distribución del espacío. Tipicamente

(300 pies, aprox 100mts.)

802.11 – ETHERNET INALÁMBRICO

802.11A – ETHERNET INALÁMBRICO

• Norma de la IEEE para redes locales a 54 Mbps.

• Frecuencia: 5GHz (No saturada).

• Esquema de transmisión: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

• Alcance menor que 802.11b debido a la alta frecuencia. Eje: 60 pies, aprox 20mts, por tanto requerirá más access point.

• Incompatible con 802.11b.

802.4 - TOKEN BUS

• El aspecto estadístico de Ethernet no era bueno para el entorno industrial.

• General Motors y otros desarrollan Token Bus.

• Un bus físico, un anillo lógico.

• Cada estación tiene una dirección MAC.

• El anillo esta dado al tener cada estación un predecesor y un sucesor.

• El token circula lógicamente de estación a estación.

• Quien tiene el token puede transmitir.

• Es muy complejo: muchos temporizadores y variables.

• Utiliza cable coaxial de 75 ohmios.

• Permite tres técnicas de modulación.

TOPOLIGIA DE 802.4

12 3 4

802.4 - TOKEN BUS

Maneja prioridades.

Se considera determinístico, aunque algunos aspectos son estadísticos: por ejemplo el ingreso de una estación al anillo ya que debe esperar a que su dirección reciba permiso para entrar.

802.5 - TOKEN RING

Token Ring: Tecnología desarrollada por IBM.Es la base de la norma de la IEEE 802.5.El control de acceso al medio se hace mediante un token (trama especial) que circula de nodo a nodo. Cuando un nodo tiene el token puede transmitir. De lo contrario tiene que esperar hasta recibir el token.Quien transmitió remueve la trama del medio.Por su forma de operación es determinístico.Requiere que un nodo se comporte como monitor para controlar eventos como:

Pérdida del token.Tramas no sacadas de la red.

Velocidades: 4 y 16 Mbps.Numero de estaciones: 260 STP, 72 UTP.

TOPOLOGIA DE 802.5

802.5 - TOKEN RING

• TOPOLOGIA FISICA: Estrella.

• TOPOLOGIA LOGICA: Anillo.

ESTRUCTURA DE LA TRAMA

802.5 - TOKEN RING

Soporta manejo de prioridades.

CODIFICACION: Manchester diferencial.

FDDI

Fiber Distributed Data Interface.

Similar a Token Ring.

Orientada al Backbone de la red.

Opera sobre Fibra Optica multimodo con lasers.

Dos anillos operando en sentido contrario para soportar fallas.

Velocidad: 100 Mbps.

Distancia: 200 Km.

Estaciones: 1000

Codificación: 4B/5B.

No muy utilizada en la actualidad.

FDDI

• Similar a Token Ring.

LAYER 3 SWITCHING

Fiber Distributed Data Interface.

Similar a Token Ring.

Orientada al Backbone de la red.

Opera sobre Fibra Optica multimodo con lasers.

Dos anillos operando en sentido contrario para soportar fallas.

Velocidad: 100 Mbps.

Distancia: 200 Km.

Estaciones: 1000

Codificación: 4B/5B.

No muy utilizada en la actualidad.

RESUMEN DE ALGUNAS TECNOLOGIAS LAN

RESUMEN DE ALGUNAS TECNOLOGIAS LAN

WIRING CLOSET HIGH-BANDWIDTH USER SOLUTION

1000

BA

SE

-SX

T

run

ks

100/1000 Transcend Network

Supervisor

Control de flujo- 802.3x