Introducción a la capa de red

CAPA DE RED

Introducción

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Carlos Eduardo Gómez Montoya. M.Sc Luis Eduardo Sepúlveda Rodríguez. M.Sc

Redes de computadores II

Introducción

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| Capa de red | Introducción |

• Generalidades de la capa de red

• La capa de red implementa el servicio de comunicación host a host.

• Los componentes de la capa de red están presentes en todos los host y los routers.

Capa de red

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| Capa de red | Introducción |

• Transporta segmentos del emisor hasta el receptor.

• En el lado del emisor se encapsulan los segmentos en datagramas.

• En el lado del receptor, se entregan los segmentos a la capa de transporte.

• Los protocolos de capa de red están en cada host y router.

• Un router examina los campos de cabecera en todos los datagramas IP que pasa por él.

Funciones clave de la capa de red

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| Capa de red | Introducción | Funciones clave de la capa de red |

Reenvío (forwarding):

• El reenvío implica la transferencia de un paquete desde un enlace de entrada a un enlace de salida dentro del mismo router.

Enrutamiento (routing):

• El enrutamiento implica a todos los routers de una red, quienes determinarán las rutas que seguirán los paquetes en sus viajes desde el origen hasta el destino.

• Algoritmos de enrutamiento.


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| Capa de red | Introducción | Funciones clave | Reenvío |

Reenvío (forwarding)

• Todo router tiene una tabla de reenvío.

• Un router reenvía el paquete examinando el valor de un campo de la cabecera del paquete entrante y utilizando después ese valor para indexarlo dentro de la tabla de reenvío del router.

Interacción entre enrutamiento y reenvío

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| Capa de red | Introducción | Interacción entre enrutamiento y reenvío |

Los algoritmos de enrutamiento determinan la ruta origen-destino a través de la red.

Modelo de servicio de red

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| Capa de red | Introducción | Modelo de servicios de red |

• El modelo de servicio de red define las características del transporte terminal a terminal de los paquetes entre los sistemas terminales emisor y receptor.

• El modelo de servicio permite dar respuesta a las siguientes interrogantes:

• ¿Puede la capa de transporte contar con la capa de red para entregar el paquete al destino?

• Cuando se envían varios paquetes, ¿se entregan a la capa de transporte del host receptor en el orden en que fueron enviados?

• ¿El intervalo de tiempo entre el envío de dos transmisiones de paquetes secuenciales será el mismo que el intervalo entre sus respectivas recepciones?

• ¿Realimentará la red información acerca de la congestión de la misma?

• ¿Cuál es la visión abstracta (las propiedades) del canal que conecta la capa de transporte en los hosts emisor y receptor?

Modelo de servicio de red

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| Capa de red | Introducción | Modelo de servicios de red |

• Ejemplo de servicios para datagramas individuales.

• Entrega garantizada: este servicio garantiza que el paquete terminará de llegar a su destino.

• Entrega garantizada con retardo limitado: este servicio no solo garantiza la entrega del paquete, sino que dicha entrega tendrá un límite de retardo especificado de host a host (por ejemplo, de 100 milisegundos.).

• Otros posibles servicios

• Entrega de paquetes en orden.

• Ancho de banda mínimo garantizado.

• Fluctuación máxima garantizada.

• Servicios de seguridad (por ejemplo: cifrado en origen de la carga útil de los datagramas).

Redes de circuitos virtuales y de datagramas

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| Capa de red | Redes de circuitos virtuales y de datagramas|

• Similitud de los servicios de la capa de red con la capa de transporte:

• la capa de red puede proporcionar un servicio sin conexión o un servicio con conexión.

• Un servicio de la capa de red orientado a la conexión comienza con un proceso de acuerdo entre los host de origen y de destino.

• Un servicio de la capa de red sin conexión no realiza ninguna tarea preliminar de acuerdo.

• Diferencia de los servicios entre la capa de red con la capa de transporte

• En la capa de red, los servicios son host a host proporcionados por la capa de red a la capa de transporte.

• Las redes de computadoras que sólo proporcionan un servicio de conexión en la capa de red se conocen como redes de circuitos virtuales (VC).

• Las redes que sólo proporcionan un servicio sin conexión en la capa de red se denominan redes de datagramas.

Redes de circuitos virtuales

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| Capa de red | Redes de circuitos virtuales y de datagramas| Redes de circuitos virtuales |

• Internet es una red de datagramas. Sin embargo, redes alternativas como ATM (del inglés Asynchronous Transfer Mode - reemplazada por IP por sus limitaciones de escalabilidad) y frame relay (tecnología de comunicación mediante la retransmisión de trama para redes con circuitos virtuales), son redes de circuitos virtuales, por tanto, utilizan conexiones en la capa de red.

• Las conexiones de la capa de red se denominan circuitos virtuales (CV).

• Un circuito virtual consta de:

• Una ruta: una serie de enlaces y routers.

• Números de CV: un número para cada enlacen a lo largo de la ruta.

• Entradas en la tabla de reenvío: registros en cada router existente a lo largo de la ruta.


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• En un circuito virtual existen tres fases identificables

• Configuración del CV.

• Transferencia de datos.

• Terminación del CV.


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Redes de datagramas

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| Capa de red | Redes de circuitos virtuales y de datagramas| Redes de datagramas |

• Cuando un paquete se transmite desde un origen a un destino pasa a través de una serie de routers.

• Cada router utiliza la dirección IP de destino del paquete para reenviarlo.

• No existen circuitos virtuales.

Taba de reenvío de datagramas

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Direcciones de destino Enlace de salida11001000 00010111 00010000 00000000

hasta 11001000 00010111 00010111 11111111 0

11001000 00010111 00011000 00000000 hasta

11001000 00010111 00011000 11111111 1

11001000 00010111 00011001 00000000 hasta

11001000 00010111 00011111 11111111 2

De lo contrario 3

Coincidencia del prefijo más largo

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Direcciones de destino Enlace de salida

11001000 00010111 00010*** ******** 0

11001000 00010111 00011000 ******** 1

11001000 00010111 000111** ******** 2

De lo contrario 3

Ejemplo:

Dirección 1: 11001000 00010111 00010110 10100001 Interfaz: _0_

Dirección 2: 11001000 00010111 00011000 10101010 Interfaz: _1_

El interior de un router

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| Capa de red | El interior de un router |

• En un router existen dos funciones clave:

• Ejecutar algoritmos de enrutamiento (protocolos RIP, OSPF, BGP).

• Enviar datagramas desde enlaces de entrada a enlaces de salida.

• En un router podemos identificar los cuatro componente siguientes:

• Puertos de entrada.

• Entramado de conmutación.

• Puertos de salida.

• Procesador de enrutamiento.

El interior de un router

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| Capa de red | El interior de un router |

Puertos de entrada

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| Capa de red | El interior de un router |Puertos de entrada |

• Aquí re realiza la función de terminación de línea y el procesamiento del enlace de datos del puerto de entrada.

• Existe un modulo de búsqueda, reenvío.

• La elección del puerto de salida se lleva a cabo utilizando la información almacenada en la tabla de reenvío almacenada como una copia en cada puerto de entrada, permitiendo así el concepto de reenvíos descentralizados.

• En los routers con capacidades de procesamiento limitadas en el puerto de entrada, éste puede simplemente reenviar el paquete al procesador de enrutamiento centralizado, el cual entonces hará una búsqueda en la tabla de reenvío y transmite el paquete al puerto de salida apropiado (ejemplo: estación de trabajo o servidor se utiliza como router).

Procesamiento en el puerto de entrada

Entramado de conmutación

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| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación |

• Es a través de este entramado dónde los paquetes son realmente conmutados, es decir reenviados desde un puerto de entra a un puerto de salida.

• La conmutación puede llevarse a cabo de varias formas:

• Conmutación vía memoria.

• Conmutación vía bus.

• Conmutación vía una red de interconexión (crossbar)

Entramado de conmutación

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| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación |

Conmutación vía memoria

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| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación | Conmutación vía memoria |

• Se utiliza una memoria y CPU convencionales (computador tradicional) para realizar las tares de enrutamiento.

• Los puertos de entrada y salida funcionan como dispositivos E/S tradicionales en un sistema operativo utilizando interrupciones.

• El paquete es copiado desde el puerto de entrada en la memoria del procesador.

• El procesador de enrutamiento extrae la dirección de destino de la cabecera, busca en la tabla de reenvío el puerto de salida apropiado y copia el paquete en los buffers del puerto de salida.

• La velocidad es limitada por el ancho de blanda de la memoria (menor a mhz/2).

Demostración: enrutamiento con estaciones de trabajo

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• A continuación se realiza una demostración donde se utilizan estaciones de trabajo y/o servidores (cualquier sistema operativo) para que cumplan la función de un enrutador utilizando la conmutación vía memoria.

Demostración …

| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación | Conmutación vía memoria | Demostración |

Conmutación vía bus

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| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación | Conmutación vía bus |

• El puerto de entrada transfiere directamente un paquete al puerto de salida a través de un bus compartido sin intervenciones del procesador de enrutamiento.

• Debido a que con la tecnología actual es posible disponer de anchos de banda de bus de aproximadamente 1 Gbps, la conmutación vía bus suele ser suficiente para routers que operan en redes de acceso y empresariales (como por ejemplo, redes locales y corporativas).

• La conmutación basada en bus ha sido adoptada en bastantes routers actuales, incluyendo los Cisco 5600 [Cisco Switches 2009], que conmutan los paquetes sobre un bus de tipo backplane de 32 Gbps.

Conmutación vía una red de interconexión

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| Capa de red | El interior de un router | Entramado de conmutación | Conmutación vía bus |

• Es utilizada para soslayar la limitación del ancho de banda de un único bus compartido.

• Un conmutador en malla (crossbar switch) es una red de interconexión que consta de 2n buses que conectan n puertos de entrada a n puertos de salida.

Puertos de salida

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| Capa de red | El interior de un router |Puertos de salida |

• Se toman los paquetes que hayan sido almacenados en la memoria del puerto de salida y los trasmite a través del enlace de salida.

• La funcionalidad de gestión de la cola y de buffer es necesaria cuando el entramado de conmutación suministra paquetes al puerto de salida a una velocidad mayor que la velocidad del enlace de salida.

Puesta en cola en el puerto de salida

Colas

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| Capa de red | El interior de un router | Colas |

Procesamiento en el puerto de salida

Colas

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• Una consecuencia de las colas de los puertos de salida es que un planificador de paquetes en dicho puerto deberá elegir un paquete de entre aquellos que están en cola esperando a ser transmitidos.

• Esta selección podría llevarse a cabo basándose en algo simple, como por ejemplo una planificación FCFS (First-Come-First-Served, el primero que llega es el primero que se sirve).

• Otra selección podría llevarse a cabo a través de colas ponderadas equitativas (WFQ, Weighted Fair Queuing), que comparten el enlace de salida equitativamente entre las distintas conexiones terminal a terminal que tienen paquetes en cola esperando a ser transmitidos.

• La planificación de paquetes desempeña un papel fundamental en proporcionar las garantías de la calidad del servicio.

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Bloqueo HOL (Head-of-the-line) en una cola de entrada de un conmutador

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