Repetidor
Segmento 1
Segmento 2
Al utilizar cable UTP, cambió la topología del cableado. Las redes coaxiales
utilizaban una topología de bus,
dónde
el
cable coaxial
recorría todas
las
máquinas
de
su
segmento.
Las
redes
UTP
son
siempre
en
estrella,
por lo
que
es
siempre
necesario
un concentrador
que
a su
vez
realice las
funciones
de
repetidor. Este equipo se conoce habitualmente como “Hub”
Hub
UTP
En las redes Ethernet sobre UTP se disponen siempre de un enlace “punto a
punto”, desde la máquina o PC hasta un
Hub, formando por lo tanto una topología
en estrella, con el Hub en el centro de la misma.
La función principal del Hub es
la de repetir la señal que ingresa por cada
una de
sus “puertas”
hacia todas
las otras “puertas”,
realizando por tanto la
“difusión” que
requiere Ethernet (y que se daba naturalmente en las topologías de bus sobre
cables coaxiales).
Adicionalmente, los Hubs también monitorizan el estado de los enlaces de las
conexiones
a
sus
puertas,
para
verificar
que
la
red
funciona
correctamente
(una
puerta de un Hub puede tener conectada una máquina o un segmento proveniente
de otro
Hub). En
las
redes coaxiales, cuando algo falla en
un determinado
segmento (por ejemplo se produce una rotura en un cable o en un conector), todas
las
máquinas
conectadas
a
ese
segmento
pueden
quedar
inoperantes.
Los
Hubs
limitan el efecto de estos problemas, desconectando el puerto problemático y
permitiendo al resto seguir funcionando correctamente. La avería de un cable
o
conector en
una red punto a punto,
habitualmente, sólo desactivará
una
máquina,
lo
que
en
una
topología
de
bus
ocasionaría
la
desactivación
de
todos
los
nodos
del segmento.
Las recomendaciones
IEEE 802.3 describen las
reglas para el
número
máximo de
repetidores (Hubs) que pueden ser
usados en
una configuración. El
número
máximo de repetidores (Hubs) que pueden encontrarse en el camino de
transmisión entre dos máquinas es de cuatro; el máximo
número de segmentos de
red
entre
dos
máquinas
es
cinco,
con
la
restricción
adicional
de
que
no
más
de
tres de esos cinco segmentos pueden
tener otras estaciones de red conectadas a
ellos (los otros segmentos deben de ser enlaces entre repetidores, que
simplemente conectan repetidores). Estas reglas son determinadas por cálculos
de las máximas
longitudes de cables
y
retardos de
repetidores. Las
redes que las
incumplen puede que aún funcionen, pero están sujetas a fallos esporádicos o
problemas
frecuentes
de
naturaleza
indeterminada.
Además,
usando
repetidores,
simplemente extendemos la red a un tamaño mayor. Cuando esto ocurre, el ancho
de banda de la red puede resultar un problema; en este caso, los “switches”
(conmutadores)
pueden
usarse
para
particionar
una
gran
red
en
segmentos
más
pequeños que operan más eficazmente (Ver 3.3).
Lo
más
importante
a
resaltar
sobre
los
Hubs
es
que
sólo
permiten
a
los
usuarios
compartir Ethernet, es decir, implementar un medio físico. Una red que utiliza
Hubs es denominada "Ethernet compartida", lo que implica que todos los
miembros de la red compiten por el
uso del medio, formando por lo
tanto
un
único
“dominio de colisión”. Cuando una máquina debe enviar una trama de datos a otra,
1
1
1
1
HUB
HUB
1
1
1
la misma es recibida por el Hub en una de sus puertas, y retransmitida a todas las
otras puertas. Los Hubs no interpretan el contenido de las tramas. Trabajan a nivel
eléctrico (físico), regenerando las señales y retransmitiéndolas.
3.3
Bridges
La función de los “Bridges” (“puentes”) es interconectar redes de distintas
tecnologías. Los bridges pueden conectar entre si
tipos de redes diferentes (como
por ejemplo Ethernet con Fast Ethernet, Ethernet con
Token Ring, etc.). Para ello,
deben
interpretar
la
trama
que
reciben
por
una
de
sus
“puertas”
y
“traducirla”
al
formato adecuado de la puerta de salida. Por lo tanto,
los Bridges debe trabajar a
nivel de la “Capa 2” o Capa de Enlace.
3.4
Switches
3.4.1 Introducción a los Switches
Como se mencionó en 3.2,
los Hubs son concentradores
y
repetidores, que
trabajan a nivel de la capa física, regenerando la señal que reciben por una de sus
puertas y retransmitiéndola por todas las otras puertas.
Sin
embargo,
cuando
las
redes
comienzan
a
crecer,
la
probabilidad
de
colisiones
también crece, generando más retransmisiones, y por lo tanto degradando la
performance general de la red. Para solucionar, o por lo menos disminuir este
problema, pueden utilizarse “Switches” o “Conmutadores”.
Los
“Switches” son dispositivos
que
analizan
las
tramas Ethernet,
y
la
envían
a
la
puerta
adecuada
de
acuerdo
a
la
dirección
de
destino.
A
diferencia
de
los
Hubs,
que trabajan a
nivel de la “Capa 1” (capa física),
los switches trabajan a nivel de la
“Capa 2” (capa de enlace).
2
2
3
SWITCH
3
SWITCH
Esto
permite
que
varias
máquinas
puedan
estar
enviando
tramas
a
la
vez, y
no
existan colisiones.
Para
que
esto
sea
posible,
los
switches
deben
conocer
las
direcciones
de
enlace
(conocidas
como
“direcciones
MAC”
en
Ethernet)
conectadas
a
cada
uno
de
sus
puertos.
La
mayoría
de
los
switches
“aprenden”
de
manera
automática
las
direcciones MAC conectadas a cada puerto en forma automática. Simplemente,
cuando reciben una trama por una puerta, obtienen la dirección de origen y la
asocian
a
la
puerta
por
la
que
se
recibió
la
trama.
Si
por
una
puerta
reciben
una
trama dirigida a una dirección MAC destino desconocida, envían la trama por
todos
los
puertos
(como
lo
haría
un
Hub).
Cuando
la
máquina
de
destino
responda, el switch “aprenderá” en que puerta se encuentra su dirección y las
próximas tramas serán enviadas únicamente a esa puerta.
Dado
que
una puerta de
un
switch
puede estar conectado a otro switch
o
hub, es
posible
que
una
misma
puerta
esté
asociada
a
un
conjunto
de
direcciones
MAC.
Los switches habitualmente pueden almacenar varios cientos o miles de
direcciones MAC por puerta.
Los paquetes del tipo “Broadcast” son enviados a todas las puertas del switch.
Los switches
tienen básicamente
dos
mecanismos de
funcionamiento:
"store
and
forward" (almacenar y remitir) y "cut through" (cortar y atravesar):
“Store
and
Forward”:
Esta
mecanismo
de
trabajo
consiste
en
recibir
por
una puerta una trama completa, para luego analizarla y retransmitirla.
“Cut through”: Dado que la dirección de destino se encuentra al comienzo
de la trama (ver 3.1.3), este modo de trabajo consiste en analizar
únicamente los primeros bytes de la trama,
hasta obtener la dirección de
destino, e inmediatamente comenzar a retransmitir la trama.
El método “Cut through” parece a priori más rápido, ya que
no espera la recepción
completa de la trama para luego retransmitirla. Sin embargo, este
método no
puede validar que la trama recibida sea correcta (ya que comienza a enviarla
antes de recibirla en su totalidad). Si
la trama recibida tuviera errores (o existieran
colisiones en el segmento de red conectado a la puerta del switch por el que
ingresa la trama), éstos errores se propagarán a la puerta de salida del switch. Por
el contrario, el método “Store and Forward” puede detectar los errores o colisiones
en
las
tramas
de
entrada,
y
descartarlas
antes
de
enviarlas
a
la
puerta
de
salida.
Muchos
switches
pueden
trabajar
con
ambos
métodos,
y
el
administrador
de
red
puede decidir cual es el mejor en cada caso.
Muchos
de
los
“switches”
disponibles
en
el
mercado
tienen,
en
el
mismo
equipo,
puertas Ethernet, Fast Ethernet y/o Gigabit Ethernet, sobre UTP o sobre Fibra
óptica, por lo que realizan implícitamente funciones de Bridges (o puentes).
3.4.2 Spanning Tree
Un potencial problema que se presenta al implementar
una red con Hubs
y
Switches es la posibilidad de crear bucles o “loops” entre ellos. Pongamos por
ejemplo una red como la que se muestra en la figura y veamos como se comporta:
1.
Supongamos
que
luego
del
encendido
inicial
de
los
swtiches
A,
B
y
C,
la
Máquina 1 envía una trama dirigida a la máquina 2
2.
El Switch A recibe la
trama
y
registra la dirección de origen (dirección
MAC
de
la
Máquina
1)
en
su
tabla
de
direcciones,
asociándola
al
puerto
correspondiente
(el
superior
en
la
figura).
Luego
analiza
la
dirección
MAC
de destino, y al no encontrarla en sus tablas (se supone que el switch
acaba de ser inicializado) difunde las tramas por todas sus puertas, y
en
particular, hacia la LAN 2
Máquina 1
Switch A
LAN 1
LAN 2
Switch B
Switch C
LAN 3
Máquina 2
3.
En
la LAN 2, la
trama es recibida por el Switch B
y
por el Switch C. Ambos
switches
registran
la
dirección
MAC de
la
máquina
1 en
sus puertas
superiores,
comparan
la
dirección
de
destino
con
sus
tablas,
y al
no
encontrarla, difunden la
trama por
todas sus puertas,
y
en particular por las
puertas
conectadas
a
la
LAN
3.
Esto
resulta
en
que
dos
tramas
idénticas
son enviadas a la LAN 3.
4.
La
trama
enviada
a
la
LAN
3
por
el
switch
B
es
recibida
por
la
Máquina
2,
pero también por el Switch C. El Switch C al recibir la
trama, inspecciona la
dirección de origen,
y
encuentra que
la tenía asignada a
la puerta superior.
Entiende
que
la
Máquina
1
cambió
de
lugar,
y
actualiza
sus
tablas,
asociando
la
dirección
de
la
Máquina
1
al
puerto
inferior
(LAN
3).
Por
otra
parte,
la
dirección
de
destino
de
la
trama,
correspondiente
a
la
Máquina
2
aún es desconocida por el Switch C, por lo que envía
la trama
nuevamente
a
la LAN 2.
5.
Si el Switch B es más lento que el Switch C, puede
recibir la
trama
nuevamente
por
su
puerta
superior
(LAN
2)
y
reenviarla
nuevamente
a
la
LAN 3, quedando por tanto la trama en “bucle”.
6.
Si el Switch B realizó el
mismo proceso que el Switch C antes de recibir la
trama por la LAN 2, habrá asociado, al igual que el Switch B, la dirección de
la
Máquina 1 como perteneciente a la LAN 3. Cuando
la Máquina 2
responda, ambos switches entenderán que la dirección de la Máquina 1
corresponde a la LAN 3 y descartarán la trama.
Como se explicó, si existen bucles en la interconexión de switches, una trama
puede quedar “atrapada” eternamente en
un bucle, degradando completamente la
performance
de
la
red,
o
pueden
descartarse
tramas,
imposibilitando
la
comunicación. Para evitar esta situación, se
ha desarrollado un algoritmo conocido
como “Spanning Tree”, que se ha estandarizado en la Recomendación IEEE
802.1d [6]. La idea de este algoritmo es bloquear los enlaces que cierran los
bucles, dejando
a
la
red
siempre con
una topología
del tipo
“árbol”,
y
asegurar de
esta manera que no existan bucles.
El
algoritmo
reevalúa
periódicamente
que
enlaces
hay
que
bloquear
o
rehabilitar
para tener acceso a
todos
los equipos sin crear bucles. Por ello,
utilizando
adecuadamente el algoritmo “Spanning Tree” es posible armar explícitamente
configuraciones en bucle que permitan tener enlaces de respaldo en caso de
falla
en
los
enlaces
principales.
Dado
que
el
algoritmo
permite
valorar
los
enlaces
con
“pesos”, cuando existen bucles es posible configurar a priori que enlaces serán los
principales y que enlaces quedarán bloqueados.
3.4.3 VLANs
Como se mencionó en 3.4, los switches mejoran la performance de las redes
enviando
las tramas únicamente a las puertas dónde se encuentra el destino de la
misma.
Sin
embargo,
los
mensajes de
difusión
(broadcast)
son
enviadas
a
todas
las puertas, ya que deben ser recibidos por todas las máquinas de la misma red. A
veces es deseable limitar el alcance de los mensajes de difusión (broadcast), y por
lo tanto, “la red”.
Las “VLANs” (Virtual LANs, o redes LAN virtuales) permiten utilizar los mismos
medios
físicos
para
formar
varias
redes
independientes,
a
nivel
de
la
capa
2.
Un
mismo
conjunto
de
switches
pueden
implementar,
utilizando
VLANs,
varias
redes
LAN independientes.
Los criterios para
formar las VLAN pueden ser
varios. Entre
los más comunes se
encuentran:
VLAN por puertos: Los puertos de
los switches se agrupan en VLANs. De
esta
manera,
las
máquinas
conectadas
a
un puerto
únicamente
“ven” a
las
máquinas que están conectadas a puertos de la misma VLAN
VLAN por
direcciones
MAC:
Las direcciones MAC se
agrupan
en
VLAN.
De esta manera, se pude
restringir
la red
únicamente a ciertas direcciones
MAC, independientemente de en que puerto de los switches se conecten.
VLAN por protocolo: Algunos switches
que soportan VLAN pueden
inspeccionar datos de
la capa 3, como el protocolo
utilizado,
y
formar redes
independientes según estos protocolos
VLAN por direcciones IP: Las direcciones IP (de capa 3) pueden ser
leídas por
los switches,
y pueden
formarse
redes independientes con
ciertos conjuntos de direcciones IP
Cuando se dispone de un único switch, la implementación de las VLANs es
sencilla,
ya
que
todas
las
reglas
se
manejan
dentro
del mismo
switch.
Sin
embargo,
¿qué
sucede
si
una
máquina
de
una
VLAN
debe
comunicarse
con
otra
máquina
de
la
misma
VLAN,
pero
conectada
a
otro
switch?
La
información
de
la
VLAN de origen, debe “viajar” , junto con la
trama,
hasta el otro switch. Para esto,
se
ha estandarizado
la recomendación
IEEE 802.1q [7], que permite transmitir en
las tramas Ethernet la información de VLAN. Conceptualmente es simple: se
agregan a la trama Ethernet 4 bytes. La
figura muestra
una
trama Ethernet
“normal” y una trama Ethernet 802.1q:
SFD
Preámbulo
S
F
D
Dir Origen
Dir
Destino
L
Datos / Relleno
FCS
7
1
6
6
2
46 – 1500
4
SFD
Preámbulo
S
F
D
Dir Origen
Dir
Destino
L
T
T
P
A
I
G
Datos / Relleno
FCS
7
1
6
6
2
2
2
46 – 1500
4
Como puede observarse, se agregan 4 bytes: los primeros 2,
llamados “TPI”, son
fijos e identifican a la trama como una trama 802.1q. Los segundos 2 bytes,
llamados “TAG” se interpretan como 3 conjuntos de bits, de longitud 3 bits, 1 bit
y
12 bits respectivamente:
TAG
CFI
P
VLAN ID
R
3
1
12
Los
primeros
3
bits
del
“TAG”
indican
la
“prioridad”
de
la
trama,
de
acuerdo
a
la
recomendación IEEE 802.1p [8] (es de hacer notar que el cabezal de 802.1q
contiene la marca de priorización 802.1p, por lo que es necesario disponer de
802.1q para interpretar 802.1p).
El cuarto bit, llamado CFI
(Canonical Format
Indicator), indica el orden de
los bits
(en formato canónico o no canónico).
Los últimos 12 bits indican la VLAN a la cual pertenece la trama. Estos 12 bits
permiten tener, por lo tanto hasta 4096 VLANs
De esta manera,
las tramas intercambiadas entre switches pueden contener
información de VLAN.
3.4.4 Routing Switches (Switches de capa 3)
Los
switches,
como
se
vio
anteriormente,
son
esencialmente
bridges
multipuerto
que aprenden automáticamente
que direcciones MAC
tienen conectadas a
cada
puerta.
Las
tramas
que
ingresan
a
un
switch,
en
vez
de
ser
propagadas
a
todas
sus puertas, son enviadas únicamente a la puerta dónde se encuentra la dirección
de destino de la trama de entrada.
Los
switches
mejoran
la
eficiencia
de
la
red,
ya
que
pueden
soportar
transmisiones simultáneas, siempre que no involucren las mismas puertas. Sin
embargo, los mensajes de difusión (broadcast) son enviados por los switches a
todas sus puertas, de
la
misma manera que las tramas que
tienen dirección MAC
de destino desconocida. En la mayoría de los casos, el número de máquinas
conectadas a
una
red switcheada puede ser
mayor al
número de máquinas
conectadas
a
una
red
“no
switcheada”
(consistente
en
hubs),
pero
los
“dominios
de broadcast”, aún con switches, continúan siendo una restricción a la cantidad de
máquinas
de
una
LAN.
Para
solucionar este
problema,
se
desarrollaron
las
VLANs,
que
separan
totalmente
los
“dominios
de
broadcast”.
Las
máquinas
pueden ser asignadas a
una VLAN de acuerdo al puerto
físico del switch a la que
está conectada, de acuerdo al protocolo de capa 3, de acuerdo a su dirección
MAC o dirección IP, etc. Las VLAN por direcciones MAC facilitan los problemas de
“mudanzas”, mientras que las VLAN por protocolo
limitan el impacto de los
broadcast generados por ciertos protocolos.
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