MÓDULO 4: CONCEPTOS SOBRE LA

CONMUTACIÓNZUÑIGA LAGUNA DANIEL

ALBERTO5802

SISTEMAS DISTRIBUIDOSPROF. JORGE ABRAHAM

JIMENEZ ALFAROEl diseño de las LAN ha evolucionado. Hasta hace poco, los diseñadores de redes utilizaban hubs y puentes para construir redes. Hoy los switches y los routers son los componentes claves del diseño de las LAN, y las capacidades y el desempeño de estos dispositivos son cada vez mejores. Este módulo describe las raíces de las LAN Ethernet modernas con énfasis en la evolución de Ethernet/802.3, la arquitectura de LAN de implementación más generalizada. Un vistazo al contexto histórico del desarrollo de las LAN y diversos dispositivos de red que se pueden utilizar en las diversas capas del modelo OSI ayudarán a los estudiantes a comprender mejor las razones por las cuales los dispositivos de red han evolucionado como lo han hecho. Hasta hace poco, la mayoría de las redes Ethernet usaban repetidores. El desempeño de red sufría, dado que demasiados dispositivos compartían el mismo segmento. Entonces, los ingenieros de redes agregaron puentes para

crear múltiples dominios de colisión. A medida que las redes crecieron en tamaño y complejidad, el puente evolucionó hasta transformarse en el switch moderno, que permite la microsegmentación de la red. Hoy en día las redes modernas se construyen con switches y routers, a menudo con ambas funcionalidades en el mismo dispositivo. Muchos switches modernos pueden realizar tareas variadas y complejas en la red. Este módulo proporciona una introducción a la segmentación de redes y describirá los aspectos básicos de la operación de switches. Los switches y puentes realizan una gran parte del trabajo duro en las LAN, donde deben tomar decisiones casi instantáneas al recibir las tramas. Este módulo describe en detalle la forma en que los switches conocen las direcciones físicas de los nodos, y cómo los switches transmiten y filtran tramas. También se describen los principios de la segmentación de LAN y los dominios de colisión.

4.1.1 Desarrollo de LAN Ethernet/802.3 En esta sección se presentará un repaso de los dispositivos que se encuentran en una red. Las tecnologías LAN más antiguas usaban infraestructuras de Ethernet de cable fino o grueso. Es importante comprender las limitaciones de estas infraestructuras, como se muestra en la Figura , para comprender los avances en la conmutación de LAN.

La adición de hubs o concentradores a la red representó un avance en la

tecnología de Ethernet de cable fino o grueso. Un hub es un dispositivo de Capa 1 que a veces se denomina concentrador de Ethernet o repetidor multipuerto. Los hubs permiten un mejor acceso a la red para un número mayor de usuarios. Los hubs regeneran las señales de datos que permiten que las redes se amplíen a distancias mayores. Un hub logra esto regenerando la señal de datos. Los hubs no toman decisiones cuando reciben señales de datos. Los hubs simplemente regeneran y amplifican las señales de datos a todos los dispositivos conectados, salvo el dispositivo que envió originalmente la señal. Ethernet es básicamente una tecnología compartida donde todos los usuarios en un segmento LAN dado compiten por el mismo ancho de banda disponible. Esta situación es similar a lo que ocurre cuando varios automóviles intentan acceder a una carretera de un solo carril al mismo tiempo. Como la carretera consta de un solo carril, sólo puede entrar un automóvil a la vez. A medida que se agregaban hubs a la red, más usuarios entraban a la competencia por el mismo ancho de banda

Las colisiones son un producto secundario de las redes Ethernet. Si dos o más dispositivos intentan transmitir señales al mismo tiempo, se produce una colisión. Esta situación es similar a lo que ocurre cuando dos automóviles intentan entrar al mismo tiempo en un solo carril de carretera y provocan una colisión. El tráfico debe interrumpirse hasta que se despeje la carretera. La

consecuencia del exceso de colisiones en una red son los tiempos de respuesta de red lentos. Esto indica que la red se encuentra demasiado congestionada o que demasiados usuarios necesitan acceder a la red al mismo tiempo. Los dispositivos de Capa 2 son más inteligentes que los de Capa 1. Los dispositivos de Capa 2 toman decisiones de envío en base a las direcciones de Control de Acceso a los Medios (MAC) que forman parte de los encabezados de tramas de datos transmitidas.

Los switches crean un circuito virtual entre dos dispositivos conectados que desean comunicarse. Al crearse el circuito virtual, se establece una comunicación dedicada entre los dos dispositivos. La implementación de un switch en la red proporciona la microsegmentación. Esto crea un entorno libre de colisiones entre el origen y el destino, que permite la máxima utilización del ancho de banda disponible. Los switches pueden facilitar conexiones múltiples y simultáneas entre circuitos virtuales. Esto es análogo a una carretera que se divide en varios carriles, en la que cada automóvil tiene su propio carril exclusivo. La desventaja de los dispositivos de Capa 2 es que envían tramas de broadcast a todos los dispositivos conectados de la red. Un exceso de broadcasts en una red produce tiempos de respuesta de red lentos. Un router es un dispositivo de Capa 3. Los routers toman decisiones en base a los grupos de direcciones de red o clases, en lugar de las direcciones MAC individuales. Los

routers usan tablas de enrutamiento para registrar las direcciones de Capa 3 de las redes que se encuentran directamente conectadas a las interfaces locales y las rutas de red aprendidas de los routers vecinos.

• Las siguientes son funciones de un router: Examinar los paquetes entrantes de datos de Capa 3

• Seleccionar la mejor ruta para los datos a través de la red

• Enrutar los datos al puerto de salida correspondiente

4.1.2 Factores que afectan el rendimiento de la red En esta sección se describen algunos factores que hacen que las LAN se congestionen y sobrecarguen.

En la actualidad, las LAN están cada vez más congestionadas y sobrecargadas. Además de una gran cantidad de usuarios de red, algunos otros factores se han combinado para poner a prueba las capacidades de las LAN tradicionales:

• El entorno multitarea, presente en los sistemas operativos de escritorio actuales como Windows, Unix/Linux y Mac, permite transacciones de red simultáneas. Esta capacidad aumentada ha dado como resultado una mayor demanda de recursos de red.

• El uso de las aplicaciones que hacen uso intensivo de la red, como la World Wide Web, ha aumentado. Las aplicaciones de cliente/servidor permiten que los administradores centralicen la información, facilitando

así el mantenimiento y la protección de la información.

• Las aplicaciones de cliente/servidor no requieren que las estaciones de trabajo mantengan información ni proporcionen espacio del disco duro para almacenarla. Debido a la relación costobeneficio de las aplicaciones cliente/servidor, es probable que dichas aplicaciones se utilicen aún con más frecuencia en el futuro. En la sección siguiente se analizan las redes Ethernet.

4.1.3 Elementos de las redes Ethernet/802.3

En esta sección se describen algunos de los factores que pueden afectar el desempeño de una red Ethernet de forma negativa. Ethernet es una tecnología de transmisión en broadcast. Por lo tanto, los dispositivos de red como los computadores, las impresoras y los servidores de archivos se comunican entre sí a través de un medio de red compartida. El rendimiento de una LAN Ethernet/802.3 de medio compartido puede verse afectado de forma negativa por distintos factores:

4.1.5 Congestión de redes

En esta sección se analizan algunos factores que crean la necesidad de mayor ancho de banda en una red. Los avances de la tecnología están produciendo computadores de escritorio y estaciones de trabajo cada vez más rápidos e inteligentes. La combinación de estaciones de trabajo más potentes y de aplicaciones que hacen mayor uso de la red ha creado la necesidad de una

capacidad mayor de red, o ancho de banda. Todos estos factores representan una gran exigencia para las redes de 10 Mbps de ancho de banda disponible, y por este motivo, muchas redes ahora ofrecen anchos de banda de 100 Mbps en sus LAN.

4.2 Introducción a la conmutación LAN

4.2.1 Segmentación LAN

La figura muestra un ejemplo de una red Ethernet segmentada. La red consta de quince computadores. De esos quince computadores, seis son servidores y nueve son estaciones de trabajo. Cada segmento utiliza el método de acceso CSMA/CD y mantiene el tráfico entre los usuarios del segmento. Cada segmento se considera como su propio dominio de colisión. La segmentación permite que la congestión de red se reduzca de forma significativa dentro de cada segmento. Al transmitir datos dentro de un segmento, los dispositivos dentro de ese segmento comparten el ancho de banda total. Los datos que pasan entre los segmentos se transmiten a través del backbone de la red por medio de un puente, router o switch.

4.2.2 Segmentación LAN con puentes

En esta sección se describen las funciones principales de un puente en una LAN.

Los puentes son dispositivos de Capa 2 que envían tramas de datos basados en la dirección MAC. Los puentes leen la dirección MAC origen

de los paquetes de datos para detectar los dispositivos en cada segmento. Las direcciones MAC se utilizan entonces para construir una tabla de puenteo. Esto permite que los puentes bloqueen paquetes que no necesitan salir del segmento local. Aunque los puentes son transparentes para los otros dispositivos de red, la latencia de una red aumenta en un diez a treinta por ciento cuando se utiliza un puente. Este aumento en la latencia se debe a las decisiones que toman los puentes antes de que se envíen las tramas. Un puente se clasifica como un dispositivo de almacenamiento y envío. Los puentes examinan el campo de dirección destino y calculan la verificación por redundancia cíclica (CRC) en el campo de Secuencia de Verificación de Tramas antes de enviar la trama. Si el puerto destino se encuentra ocupado, el puente puede almacenar la trama temporalmente hasta que el puerto esté disponible.

4.2.3 Segmentación de LAN con routers.

En esta sección se explica de qué manera se utilizan los routers para segmentar una LAN. Los routers proporcionan segmentación de red que agrega un factor de latencia del veinte al treinta por ciento a través de una red conmutada. Esta mayor latencia se debe a que el router opera en la capa de red y usa la dirección IP para determinar la mejor ruta al nodo de destino. La Figura muestra un router Cisco.

4.2.5 Operaciones básicas de un switch.

En esta sección se describen las funciones básicas de un switch en una LAN. La conmutación es una tecnología que reduce la congestión en las LAN Ethernet, Token Ring y la Interfaz de datos distribuida por fibra (FDDI). Los switches utilizan la microsegmentación para reducir los dominios de colisión y el tráfico de red. Esta reducción da como resultado un uso más eficiente del ancho de banda y mayor tasa de transferencia. Con frecuencia, se utilizan los switches de LAN para reemplazar los hubs compartidos y están diseñados para funcionar con infraestructuras de cable ya instaladas.

4.2.10 Dos métodos de conmutación

En esta sección se presenta la conmutación de almacenamiento y envío y por método de corte. Figura 1 Los siguientes dos modos de conmutación están disponibles para el envío de tramas: • Almacenamiento y envío: La trama completa se recibe antes de que se realice cualquier tipo de envío. Se leen las direcciones destino y origen y se aplican filtros antes de enviar la trama. La latencia se produce mientras la trama se está recibiendo. La latencia es mayor con tramas más grandes dado que toda la trama debe recibirse antes de que empiece el proceso de conmutación. El switch puede verificar toda la trama para ver si hay errores, lo que permite detectar más errores. • Método de corte: La trama se envía a través del

switch antes de que se reciba la trama completa. Como mínimo, la dirección destino de la trama debe leerse antes de que la trama se pueda enviar. Este modo reduce la latencia de la transmisión, pero también reduce la detección de errores. A continuación, presentamos dos formas de conmutación por método de corte: • Conmutación rápida: La conmutación rápida ofrece el nivel más bajo de latencia. La conmutación rápida envía un paquete inmediatamente después de leer la dirección destino. Como la conmutación rápida empieza a realizar los envíos antes de recibir el paquete completo, de vez en cuando los paquetes se pueden entregar con errores. Sin embargo, esto ocurre con poca frecuencia y además el adaptador de red destino descarta los paquetes defectuosos en el momento de su recepción. En el modo rápido, la latencia se mide desde el primer bit recibido al primer bit transmitido. • Libre de fragmentos: La conmutación libre de fragmentos filtra los fragmentos de colisión antes de empezar el envío. Los fragmentos de colisión representan la mayoría de los errores de paquete. En una red que funciona correctamente, los fragmentos de colisión deben ser menores de 64 bytes. Cualquier cosa superior a 64 bytes es un paquete válido y se recibe generalmente sin errores. La conmutación libre de fragmentos espera hasta que se determine si el paquete es un fragmento de colisión o no antes de enviar el paquete. En el modo libre de fragmentos, la latencia también se

mide desde el primer bit recibido al primer bit transmitido. La latencia de cada modo de conmutación depende de la manera en que el switch envía las tramas. Para agilizar el envío de la trama, el switch dedica menos tiempo a la verificación de errores.