Conmutación de LAN.
Descripción general Actualmente, los diseñadores de red están dejando de usar puentes y hubs para darle prioridad al uso de switches y routers en el desarrollo de redes. El capítulo 1, " Repaso: El Modelo de referencia OSI y enrutamiento", brinda un repaso del modelo de referencia OSI y una descripción general de las consideraciones de planificación y diseño de la red relacionadas con el enrutamiento. Este capítulo trata los problemas de una red de área local l ocal (LAN) y las posibles soluciones que pueden mejorar el rendimiento de la LAN. Aprenderá acerca de la congestión de la LAN y de sus efectos sobre el rendimiento de la red y las ventajas de la segmentación LAN en una red. Además, aprenderá acerca de las ventajas y desventajas del uso de puentes, switches y routers para la segmentación de la LAN y los efectos de conmutación, puenteo y enrutamiento sobre el rendimiento de la red. Finalmente, aprenderá acerca de Ethernet, Fast Ethernet y las VLAN, así como las la s ventajas que aportan estas tecnologías.
2.1.1
Factores que afectan el rendimiento de la red
En la actualidad, las LAN están cada vez más congestionadas y sobrecargadas. Además, para una población de usuarios de red en constante crecimiento, algunos otros f actores se han combinado para expandir las capacidades de las LAN tradicionales: El entorno multitarea, presente en los l os sistemas operativos de escritorio actuales (Windows, Unix y Mac) permite transacciones de red simultáneas. Esta capacidad aumentada ha dado como resultado una enorme demanda de recursos de red. Sistemas operativos más rápidos: Con los tres sistemas operativos de e scritorio más comunes (Windows, UNIX y Mac) capacitados para multitareas, los usuarios pueden iniciar transacciones de red simultáneas. Con el lanzamiento del Windows 95, que reflejaba un nuevo diseño de DOS/Windows que incluye multitarea, los usuarios de PC pueden aumentar sus demandas de recursos de red. Aunque el uso de aplicaciones que hacen uso intensivo de red, como la World Wide Web, es cada vez más importante, las aplicaciones cliente/servidor permiten que que los administradores puedan centralizar centralizar la información, haciendo de esta forma, que sea muy fácil de mantener y proteger. Las aplicaciones cliente/servidor liberan a los usuarios de la carga de mantener la información y del costo de suministrar suficiente espacio en el disco duro para almacenarla. Debido a la relación costo-beneficio de las aplicaciones cliente/servidor, es probable que dichas aplicaciones se utilicen aún con más frecuencia en el futuro.
2.1.2
Elementos de las redes Ethernet/802.3
La arquitectura más común de LAN L AN es Ethernet. Ethernet se utiliza para transportar datos entre dispositivos en una red, tal como computadoras, impresoras y servidores de archivo. Como aparece en el gráfico, todos los dispositivos se conectan al mismo medio de entrega. Los medios Ethernet utilizan un método de broadcast de JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. trama de datos para transmitir y recibir datos a todos los nodos de los medios compartidos. El rendimiento de una LAN Ethernet/802.3 de medio compartido puede verse afectado de forma negativa por distintos factores: La naturaleza de entrega de broadcast de trama de datos de las LAN Ethernet/802.3. Los métodos de acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD) sólo permiten que una estación a la vez pueda transmitir. Las aplicaciones multimediales con mayor demanda de ancho de banda, tales como vídeo e Internet, sumadas a la naturaleza de broadcast de Ethernet, pueden crear congestión de red. La latencia normal a medida que las tramas viajan a través del medio de capa 1 y a través de los dispositivos de networking de capa 1, 2 y 3 y la latencia agregada por la extensión con repetidores de redes LAN Ethernet/802.3 La extensión de distancias de redes r edes LAN Ethernet/802.3 con el uso de repetidores de capa 1. Ethernet, con el uso de CSMA/CD y un medio compartido, puede soportar velocidades de transmisión de datos de hasta 100 Mbps. CSMA/CD es un método de acceso que sólo permite que una estación pueda transmitir a la vez. El objetivo de Ethernet es proporcionar un servicio de entrega de mejor esfuerzo y permitir que todos los l os dispositivos en el medio puedan transmitir de forma equitativa. equitativa. Como Como aparece en la figura , uno de los problemas inherentes a la tecnología CSMA/CD son las colisiones.
2.1.3
Ethernet half-duplex
Ethernet es una tecnología half duplex. Cada host de Ethernet verifica la red para comprobar si los datos se están transmitiendo antes de seguir transmitiendo datos. Si la red está en uso, la transmisión se retarda. A pesar del retardo de la transmisión, dos o más hosts Ethernet pueden transmitir al mismo tiempo, dando como resultado una colisión. Cuando se produce una colisión, el host que detecta primero la colisión envía una señal de atascamiento. Al escuchar la señal de atascamiento, atascamiento, cada host espera durante un lapso de tiempo aleatorio antes de intentar la transmisión. El algoritmo de postergación de la NIC genera este período al azar. A medida que más hosts se agregan a la red y empiezan a transmitir, es más probable que se produzcan colisiones. Las LAN Ethernet se saturan porque los usuarios ejec utan software que utiliza intensivamente la red, como aplicaciones cliente/servidor que hacen que los hosts deban t ransmitir con mayor frecuencia y durante períodos JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. de tiempo más prolongados. El conector físico (por ej., NIC) utilizado por dispositivos en una LAN Ethernet proporciona varios circuitos de manera que se puedan producir las comunicaciones entre dispositivos.
2.1.4
Congestión de red
Los avances de la tecnología están e stán produciendo computadores de escritorio y estaciones de trabajo ca da vez más rápidos e inteligentes. La combinación de computadores/estaciones de trabajo más poderosos y las aplicaciones que hacen uso intensivo de la red han creado la necesidad de una capacidad o ancho de banda de red muy superior a la de 10 Mbps disponible en las LAN Ethernet/802.3 compartidas. compartidas. Actualmente las redes están experimentando un aumento en la transmisión de archivos de gráficos grandes, imágenes, vídeos con movimiento y aplicaciones multimediales, así como un aumento en la cantidad de usuarios de red. Todos estos factores representan una exigencia aún mayor para l a capacidad del ancho de banda de 10 Mbps de Ethernet. Cuando cada vez más personas utilizan la red para compartir grandes archivos, acceder a servidores de archivo y conectarse a Internet, se produce la congestión de red. Esto puede dar como resultado tiempos de respuesta más lentos, transferencias de archivos muy largas y usuarios de red menos productivos debido a los retardos de red. Para aliviar la congestión de red, se necesita más ancho de banda o bien, el ancho de banda disponible debe usarse con mayor eficiencia. Los métodos utilizados para implementar estas soluciones se tratan más adelante en este capítulo.
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Conmutación de LAN.
2.1.5
Latencia de red
La latencia, a veces denominada retardo, es el tiempo que una trama (o sea, un paquete) tarda para hacer el recorrido desde la estación o nodo origen hasta su destino final en la red. Es importante determinar con exactitud la cantidad de latencia que existe en la ruta entre el origen y el destino para las LAN y las WAN. En el caso específico de una LAN Ethernet, un buen entendimiento de la latencia y de su efecto en la temporización de la red es de importancia fundamental para determinar si CSMA/CD podrá detectar las colisiones y negociar las transmisiones de forma adecuada. La latencia consiste en por lo menos tres componentes. En primer lugar, está el tiempo que le lleva al NIC colocar pulsos de voltaje en el cable y el tiempo que le lleva al NIC receptor interpretar estos pulsos. A esto se le denomina a veces "retardo NIC" (típicamente ( típicamente es de 1 microsegundo para las NIC 10BASE-T NIC). En segundo lugar, se produce un retardo de propagación ya que la señal tarda cierto tiempo (aunque sea muy breve) en transportarse a lo largo del cable (en el caso de cable de par trenzado no blindado Cat 5, este retardo es de aproximadamente 0,556 microsegundos por 100 m). Cuanto más l argo sea el cable, mayor será el retardo de propagación; además, cuanto más lenta sea la velocidad nominal de propagación (NVP) del cable, mayor será el retardo de propagación. En tercer lugar, se agrega una latencia adicional proveniente de los dispositivos de red - ya sea de Capa 1, 2 ó 3 - que intervienen en el recorrido entre los dos computadores que procuran comunicarse entre sí. E sta latencia también puede variar de acuerdo con la configuración de estos dispositivos. El tiempo ti empo de transmisión propiamente dicho (o sea, el tiempo que el host tarda en enviar los bits) también se debe tomar en cuenta para entender la temporización de las redes. La latencia no depende únicamente de la distancia y de la cantidad de dispositivos. Por ejemplo, si dos estaciones de trabajo están separadas por tres switches correctamente c onfigurados, las estaciones de trabajo pueden experimentar una latencia menor de la que se produciría si estuvieran separadas por dos routers correctamente configurados. Esto se debe al hecho de que los routers, por regla general, ejecutan funciones de toma de decisiones más complejas y detenidas (acuérdese que los routers son dispositivos de capa 3 y que procesan más datos de encapsulamiento que los switches de capa 2).
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2.1.6
Tiempo de transmisión de Ethernet 10BASE-T
Todas las redes cuentan con lo que se denomina un "tiempo de bit". bi t". En muchas tecnologías LAN tales como Ethernet, el tiempo de bit se define como la unidad básica de tiempo en la que se puede transmitir UN bit de datos. Para que los dispositivos electrónicos u ópticos puedan reconocer un dígito binario (uno o cero), se debe definir un lapso mínimo durante el cual el bit se considera "encendido" o "apagado". El tiempo de transmisión equivale al número de bits enviados multiplicado por el tiempo de bit de una tecnología determinada. El tiempo de transmisión t ransmisión también puede considerarse como el tiempo requerido para la transmisión física de una trama (las tramas pequeñas se transmiten en menos tiempo, mientras que las grandes requieren más tiempo para su transmisión). En la siguiente tabla se muestran los tiempos de transmisión para cuatro tamaños de trama 10BASE-T diferentes. Cada bit Ethernet de 10 Mbps cuenta con una ventana de 100 ns para su transmisión (el tiempo de bit). Un byte equivale a 8 bits. Por lo tanto, la transmisión de 1 byte tarda un mínimo de 800 ns. La transmisión de una trama de 64 bytes (ésta es l a trama 10BASE-T más pequeña compatible c on CSMA/CD) lleva 51.200 ns, o sea 51,2 microsegundos (64 bytes a 800 ns por byte equi vale a 51,200 ns y 51.200 ns dividido di vidido entre 1000 equivale a 51,2 microsegundos). La transmisión de una trama completa de 100 bytes desde la estación origen requiere 800 microsegundos sólo para completar la trama. El tiempo requerido para que la trama llegue a la estación destino depende de la latencia (retardo) adicional introducida por la red. Esta latencia puede ser causada por retardos NIC, retardos de propagación y retardos provenientes de dispositivos de Capa 1, 2 ó 3.
2.1.7
Ventajas del uso de repetidores
La distancia que una LAN puede abarcar es limitada debido a la atenuación; atenuación significa que la señal se debilita (es decir, se atenúa) a medida que recorre la red. La atenuación es causada por la resistencia del cable o medio. Un repetidor de Ethernet es un dispositivo de capa física en la red que incrementa o regenera la señal en una LAN Ethernet. Al utilizar un repetidor Ethernet para extender la distancia de una LAN, una sola red puede abarcar una distancia mayor y más usuarios pueden compartir esta misma red, como vemos aquí. Sin embargo, JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. el uso de repetidores y de repetidores multipuerto, conocidos también como hubs, complica el problema de los broadcasts y las colisiones y afecta adversamente al rendimiento total de la l a LAN de medios compartidos.
2.2
Transmisión full-duplex, estándar Fast Ethernet y segmentación LAN
2.2.1
Ethernet full-duplex
Ethernet full duplex permite la transmisión de un paquete y la recepción de un paquete distinto al mismo tiempo. Esta transmisión y recepción simultánea requiere del uso de dos pares de hilos dentro del cable y una conexión conmutada entre cada nodo. Esta conexión se considera de punto a punto y está libre de colisiones. c olisiones. Debido a que ambos nodos pueden transmitir y recibir al mismo tiempo, no existen negociaciones para el ancho de banda. Ethernet full duplex puede utilizar un medio compartido existente siempre y cuando el medio cumpla con los estándares de Ethernet mínimos. Para transmitir y recibir de forma simultánea, se necesita un puerto dedicado para cada nodo. La conexiones full duplex pueden utilizar medios 10BASE-T, 100BASE-TX o 100BASE-FX para crear conexiones punto a punto. Las tarjetas de interfaz de red (NIC) ubicadas a ambos extremos deben tener capacidades full duplex. El switch Ethernet full duplex aprovecha aprovecha los dos pares de hilos que se encuentran dentro del del cable. Esto se realiza creando una conexión directa entre el transmisor (TX) en un extremo del circuito y el receptor (RX) en el otro extremo. Con estas dos estaciones conectadas conectadas de esta manera, se crea un dominio libre de colisiones debido a que se produce la transmisión y la recepción de los datos en circuitos separados no competitivos. c ompetitivos. Ethernet generalmente puede usar únicamente 50%-60% del a ncho de banda de 10-Mbps disponible debido a las colisiones y la latencia. Ethernet full duplex ofrece 100% del ancho de banda en ambas direcciones. Esto produce un rendimiento potencial de 20-Mbps: 10-Mbps TX y 10-Mbps RX.
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2.2.2
Segmentación LAN
Una red se puede dividir en unidades más pequeñas denominadas segmentos. Cada segmento utiliza el método de acceso CSMA/CD y mantiene el tráfico entre los usuarios del segmento. La figura muestra un ejemplo de una red Ethernet segmentada. segmentada. La red completa posee 15 computadores (6 servidores de archivos y 9 PC). Al utilizar segmentos en una red, menos usuarios/dispositivos comparten comparten los mismos 10 Mbps al comunicarse entre sí dentro del segmento. Cada segmento se considera como su pr opio dominio de colisión. Dividiendo la red en tres segmentos, un administrador de red puede reducir la congestión de la red dentro de cada segmento. Al transmitir los datos dentro de un segmento, los cinco dispositivos dentro de cada segmento comparten el ancho de banda de 10-Mbps por segmento. En una LAN Ethernet segmentada, los datos que pasan entre los segmentos se transmiten en el backbone de la red utilizando un puente, router o switch.
2.2.3
Segmentación LAN con puentes
Las LAN Ethernet que utilizan un puente para segmentar la LAN proporcionan más ancho de banda por usuario porque existen menos usuarios en cada segmento. En comparación, las LAN que no utilizan puentes para la segmentación proporcionan menos ancho de banda por usuario ya que existen más usuarios en una LAN no segmentada. Los puentes "aprenden" la segmentación de una red construyendo tablas de direcciones que contienen l a JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. dirección de cada dispositivo de red y qué segmento utilizar para alcanzar esos dispositivos. Los puentes son dispositivos a nivel de Capa 2 que envían tramas de datos según las direcciones de Control de acceso al medio (MAC) de las tramas. Además, los puentes son t ransparentes para los demás dispositivos de la red. Los puentes aumentan la latencia en una red de 10% a 30%. Esta latencia se debe a la toma de decisiones que se requiere del puente o de los puentes durante la transmisión de datos. Un puente se considera como un dispositivo de almacenamiento y envío porque debe examinar el campo de dirección del destino y calcular la CRC (verificación por redundancia cíclica) en el campo de secuencia de verificación de trama antes de enviar la trama a todos los puertos. Si el puerto Destino se encuentra ocupado, el puente puede almacenar la trama temporalmente hasta que el puerto esté disponible. El tiempo que lleva realizar todas estas tareas hace que las transmisiones de red sean más lentas, lo que provoca un aumento de latencia.
2.2.4
Las ventajas y desventajas de la segmentación LAN con routers
Los routers son más avanzados que los puentes típicos. Un puente es pasivo en la red y opera a nivel de capa de enlace de datos. Un router opera a nivel de capa de red y basa todas sus decisiones de envío entre segmentos en la dirección de protocolo de la capa de red. Los routers crean el nivel más alto de segmentación enviando datos al hub, al cual se conectan las estaciones de trabajo. Un router toma decisiones sobre envío a segmentos examinando la dirección destino en el paquete de datos y consultando su tabla de enrutamiento para elaborar instrucciones de envío. Un router debe examinar un paquete para determinar la mejor ruta para el envío de ese paquete a su destino. Este proceso lleva tiempo. Los protocolos que necesitan un acuse de recibo del receptor al emisor para cada paquete a medida que se realizan las entregas (conocido como protocolos orientados a acuse JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. de recibo) tienen de 30% a 40% de pérdida de rendimiento. Los protocolos que requieren acuses de recibo mínimos (protocolos de ventanas deslizantes) sufren de 20% a 30% de pérdida del rendimiento. Esto se debe al hecho de que existe menos tráfico de datos entre el emisor y el receptor (es decir, menos acuses de recibo).
2.2.5
Las ventajas y desventajas de la segmentación LAN con switches
La conmutación LAN compensa la escasez de ancho de banda y los cuellos de botella de la red, como los que aparecen entre varios PC y un servidor de archivos remoto. Un switch puede segmentar una LA N en microsegmentos, que son segmentos de un solo host. Esto crea dominios libres de colisión a partir de un dominio de colisión grande. Aunque el switch LAN elimina los dominios de colisión, todos los hosts conectados al switch siguen estando en el mismo dominio de broadcast. Por lo tanto, todos los nodos conectados a través del switch LAN pueden ver un broadcast desde un solo nodo. La Ethernet conmutada se basa en Ethernet Cada nodo está directamente c onectado a uno de sus puertos o a un segmento conectado a uno de los puertos del switch. Esto crea una conexión de ancho de banda de 10 Mbps entre cada nodo y cada ca da segmento del switch. Un computador conectado directamente a un switch de Ethernet representa su propio dominio de colisión y accede a los 10 Mbps completos. Una LAN que utiliza una topología de Ethernet conmutada crea una red que se comporta como si tuviera solamente dos nodos: el nodo emisor y el nodo receptor. Estos dos nodos comparten el ancho de banda de 10 Mbps entre sí, lo que significa que casi todo el ancho de banda está disponible para la transmisión de datos. Debido a que una LAN de Ethernet conmutado utiliza con tanta eficiencia el ancho de banda, proporciona un rendimiento mayor que el de una LAN Ethernet conectada mediante puentes o hubs. En la implementación de Ethernet conmutado, el ancho de banda disponible puede alcanzar cerca de 100%. La conmutación de Ethernet aumenta el ancho de banda disponible en una red creando segmentos de red dedicados (es decir, conexiones punto a punto) y conectando dichos segmentos en una red virtual dentro del switch. Este circuito de red virtual existe solamente cuando dos nodos necesitan comunicarse. Es por ello que se llama circuito virtual, existe solamente cuando se necesita y se establece dentro del switch. Una desventaja de los switches es que son más caros que los hubs. Sin embargo, muchas empresas implementan la tecnología de conmutación c onmutación paulatinamente, conectando los hubs a switches hasta que llegue el momento en se puedan reemplazar los hubs.
2.3 2.3.1
Conmutación y VLAN Dos operaciones básicas de un switch
La conmutación es una tecnología que reduce la congestión en las LAN Ethernet, Token Ring y la Interfaz de JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. datos distribuida por fibra (FDDI) reduciendo el tráfico y aumentando el ancho de banda. Los switches LAN se utilizan frecuentemente para reemplazar hubs compartidos. Están diseñados para funcionar con infraestructuras de cable ya existentes, de manera que se puede instalar sin provocar disturbios en el tráfico de red existente. Actualmente en la comunicación de datos, t odos los equipos de conmutación realizan dos operaciones básicas: Conmutación de tramas de datos: Esto ocurre cuando una trama llega a un medio de entrada y se transmite a un medio de salida. Mantenimiento de las operaciones de conmutación: un switch desarrolla y mantiene las tablas de conmutación. El término puenteo se refiere a la tecnología en la cual un dispositivo conocido como puente conecta dos o más segmentos de la LAN. Un puente transmite datagramas de un segmento a sus destinos en otros segmentos. Cuando un puente se activa y empieza a operar, examina la dirección MAC de los datagramas entrantes y crea una tabla de destinos conocidos. Si el puente sabe que el destino de un datagrama se encuentra en el mismo segmento que el origen del datagrama, descarta el datagrama ya que no hay necesidad de transmitirlo. Si el puente sabe que el destino se encuentra en otro segmento, transmite el datagrama a ese segmento solamente. Si el puente no conoce el segmento destino, transmite el datagrama a todos los segmentos salvo el segmento origen (técnica conocida como inundación). La ventaja principal de la técnica de puenteo es que limita el tráfico a ciertos segmentos de red. Tanto puentes como switches conectan los segmentos LAN, utilizan una tabla de direcciones MAC para determinar el segmento al que se debe transmitir un datagrama y reducen el tráfico. Los switches son más funcionales que los puentes en las redes actuales porque operan a una velocidad mucho más alta que los puentes y soportan nueva funcionalidad, como por ejemplo las LAN virtuales (VLAN). Los puentes se conectan generalmente utilizando software; los switches se conectan generalmente utilizando hardware.
2.3.2
Latencia del switch Ethernet
Cada switch switch utilizado utilizado en una una LAN Etherne Ethernett de 10 Mbps agrega agrega latencia latencia a la red. red. Sin embargo, embargo, la latencia latencia depende de la marca del switch y del tipo de conmutación utilizado. Como se explicará más adelante, la diferencia entre los distintos modos de conmutación ("almacenar y enviar", "libre de fragmentos" y "conmutación rápida") radica en el momento en que éstos toman la decisión de conmutar una trama entrante. La latencia atribuida a la "toma de decisión" por parte del switch debe agregarse al tiempo requerido para que la trama entre y salga de los puertos del switch, y determina la latencia total del switch. Observe que un hub, que sólo envía las la s tramas (sin tener que filtrarlas o tomar decisiones respecto a ellas), tiene solamente una latencia de puerto a puerto. Pareciera que todas estas fracciones de segundo no tuvieran mayor importancia, pero hay que recordar que los l os datos se transmiten a velocidades de 10 Mbps (1 bit por diezmillonésimo de segundo), 100 Mbps (1 bit por cienmillonésimo de segundo) o 1000 Mbps (1 Gbps, o sea, 1 bit por milmillonésimo de segundo). Como puede ver, los dispositivos de networking funcionan a velocidades extremadamente elevadas, ¡de modo que cada nanosegundo cuenta!
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2.3.3
Conmutación de Capa 2 y Capa 3
Existen dos métodos de conmutación de tramas de datos: la conmutación a nivel de Capa 2 y de Capa 3. La conmutación es el proceso de tomar una trama que llega de una interfaz y enviar a través de otra interfaz. Los routers utilizan la conmutación de Capa 3 para enrutar un paquete; los switches (switches de Capa 2) utilizan la conmutación de Capa 2 para enviar e nviar tramas. La diferencia entre la conmutación de Capa 2 y Capa 3 es el tipo de información que se encuentra dentro de la trama y que se utiliza para determinar la interfaz de salida correcta. Con la conmutación de Capa 2, las tramas se conmutan tomando como base la información de la dirección MAC. Con la conmutación de Capa 3, las tramas se conmutan tomando como base la información de la capa de red. La conmutación de Capa 2 no mira dentro de un paquete para obtener información de la capa de red como lo hace la conmutación de Capa 3. La conmutación de capa 2 busca una dirección MAC destino dentro de una trama. Envía la información a la interfaz apropiada si conoce la ubicación de la dirección destino. La conmutación de capa 2 crea y mantiene una tabla de conmutación que ayuda a ubicar las l as direcciones MAC que pertenecen a cada puerto o interfaz. Si el switch de capa 2 no sabe dónde enviar la trama, realiza el broadcast de la trama desde todos sus puertos hacia la red a fin de saber cuál es el destino correcto. Una vez que vuelve la trama de respuesta, el switch aprende la ubicación de la nueva dirección y agrega la información a la tabla de conmutación. El fabricante del equipo de comunicación de datos determina l as direcciones de Capa 2. Son direcciones únicas que se componen de dos partes: el código de fabricación (MFG) y el identificador único. El Instituto de ingeniería eléctrica y electrónica (IEEE) asigna un código MFG a c ada distribuidor. El distribuidor asigna un identificador único. Salvo en el caso de las redes de Arquitectura de sistemas de red (SNA), los usuarios tienen poco o ningún control sobre el direccionamiento de Capa 2 ya que las direcciones de Capa 2 se ajustan con un dispositivo, mientras que las direcciones de Capa 3 se pueden modificar. Además, las direcciones de Capa 2 utilizan un espacio de dirección plano con direcciones universalmente únicas. La conmutación de Capa 3 opera a nivel de la capa de red. Examina la información del paquete y envía los paquetes tomando como base las direcciones destino de la capa de red. La conmutación de Capa 3 también soporta la funcionalidad del router. En la mayoría de los l os casos, el administrador de red determina las direcciones de Capa 3. Los protocolos como IP, IPX y AppleTalk utilizan el direccionamiento de Capa 3. Al crear direcciones de Capa 3, un administrador a dministrador de red crea áreas locales que actúan como unidades de direccionamiento únicas (similares a las calles, ciudades, estados y países) y asigna un número a cada entidad local. Si los usuarios se mudan a otro edificio, sus estaciones finales obtienen nuevas direcciones de Capa 3, paro sus direcciones de Capa 2 permanecen iguales. Como los routers operan a nivel de Capa 3 del modelo de referencia OSI, pueden adoptar y crear una estructura de direccionamiento jerárquico. Por lo tanto, una red enrutada puede unir una estructura de direccionamiento lógico a una infraestructura física, por ejemplo, ej emplo, a través de subredes TCP/IP o redes IPX para cada segmento. El JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. flujo de tráfico en una red conmutada (es decir, plana) es, por lo tanto, inherentemente diferente del flujo de tráfico en una red enrutada (es decir, jerárquica). Las redes jerárquicas permiten un flujo de tráfico más flexible que las redes planas, ya que pueden usar la jerarquía de red para determinar las rutas óptimas y contener los dominios de broadcast.
2.3.4
Microsegmentación
El poder creciente de los procesadores de escritorio, los requisitos cliente/servidor y las aplicaciones multimediales han creado y aumentado la necesidad de un ancho de banda mayor en los entornos de medios compartidos tradicionales. Estos requisitos indican a los diseñadores de red que deben reemplazar los hubs en los centros de cableado por switches. Los switches de Capa 2 utilizan la microsegmentación para satisfacer las demandas de mayor ancho de banda y un mejor rendimiento, pero los diseñadores de red deben enfrentar ahora el aumento de las l as demandas relativas a la comunicación intersubred. Por ejemplo, cada vez que un usuario accede a los servidores y a otros recursos ubicados en distintas subredes, el tráfico debe pasar por un dispositivo de Capa 3. Potencialmente, esto representa un tremendo cuello de botella, que puede provocar disturbios en el rendimiento de la red. Para evitar este cuello de botella, los diseñadores de red pueden agregar capacidades de la Capa 3 a través de la red, aliviando de esta manera la carga sobre los routers centralizados. Por lo tanto, un switch mejora el ancho de banda separando los dominios de colisión y enviando de forma selectiva el tráfico a los segmentos correspondientes de una red.
2.3.5
Cómo conoce un switch las direcciones
Un switch Ethernet puede aprender la dirección de cada dispositivo de la red leyendo la dirección origen de cada paquete transmitido y anotando el puerto donde la trama se introdujo en el switch. El switch entonces agrega esta información a su base de datos de envío. Las direcciones se aprenden de forma dinámica. Esto significa que, a medida que se leen las nuevas direcciones, éstas se aprenden y se almacenan en una memoria de contenido direccionable (CAM). Cuando se lee un origen que no se encuentra en la CAM, se aprende y almacena para su uso futuro. Cada vez que una dirección se almacena, se le agrega una marca horaria. Esto permite almacenar las direcciones durante un período de tiempo determinado. Cada vez que se hace referencia a una dirección o que se encuentra en CAM, recibe una nueva marca horaria. Las direcciones a las cuales no se hace referencia durante un determinado período de tiempo, se eliminan de la lista. Al eliminar e liminar direcciones antiguas, CAM mantiene una base de datos de envío precisa y funcional.
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2.3.6
Ventajas de la conmutación LAN
Los switches ofrecen muchas ventajas. Un switch LAN permite que varios usuarios puedan c omunicarse en paralelo usando circuitos virtuales y segmentos de red dedi cados en un entorno sin colisiones. Esto maximiza el ancho de banda disponible en el medio compartido. Además, el desplazamiento hacia un entorno LAN conmutado es muy económico ya que se puede volver a utilizar el hardware y el cableado existentes. Finalmente, el poder del switch combinado c ombinado con el software para la configuración c onfiguración de las LAN, otorga a los administradores de red gran flexibilidad para el manejo de la red.
2.3.7
Conmutación simétrica y asimétrica
La conmutación simétrica es una forma de caracterizar un switch LAN según el ancho de banda asignado a cada puerto del switch. switch. Un switch simétrico proporciona conexiones conmutadas entre puertos con el mismo ancho de banda, tal como puertos de 10 Mbps o todos los puertos de 100 Mbps. Como Como aparece en la figura un switch LAN asimétrico proporciona conexiones conmutadas entre puertos con distinto ancho de banda por ejemplo, una combinación de puertos de 10 Mbps y de 100 Mbps. La conmutación asimétrica hace que la mayor parte del tráfico de red cliente/servidor fluya donde múltiples clientes se están comunicando con un servidor al mismo tiempo, por lo que se necesita más ancho de banda dedicado al puerto del switch al cual está conectado el servidor a fin de evitar el cuello de botella en este puerto. Como aprenderá en la siguiente sección, se requiere un búfering de memoria en un switch asimétrico para permitir que el tráfico del puerto de 100 Mbps pueda enviarse al puerto de 10 Mbps sin provocar demasiada congestión en el puerto de 10 Mbps.
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2.3.8
Búfering de memoria
Un switch Ethernet puede utilizar una técnica de búfering para almacenar y enviar paquetes al puerto o los puertos correcto(s). El búfering también puede utilizarse cuando el puerto destino está ocupado. El área de la memoria en la que el switch almacena los datos se denomina "búfer de memoria". Este búfer de memoria puede utilizar dos métodos para enviar paquetes: el búfering de memoria basado en puerto y el búfering de memoria compartida. En el búfering de memoria basado en puerto, los paquetes se almacenan en colas enlazadas a puertos de entrada específicos. Un paquete se transmite al puerto de salida una vez que todos t odos los paquetes que están delante de éste en la cola se hayan transmitido con éxito. Es posible que un solo paquete retarde la transmisión de todos los paquetes almacenados en la memoria debido al tráfico del puerto destino. Este retardo se produce aún si los demás paquetes se pueden transmitir a puertos destino abi ertos. El búfering de memoria compartida deposita todos los paquetes en un búfer de memoria común que comparten todos los puertos del switch. La cantidad de memoria asignada a un puerto se determina según la cantidad que cada puerto requiere. Esto se denomina asignación dinámica de la memoria del búfer . Los paquetes en el búfer entonces se enlazan dinámicamente al puerto de transmisión: el paquete se enlaza a la asignación de memoria de dicho puerto de transmisión. Esto permite recibir e l paquete en un puerto y transmitirlo a otro puerto, sin tener t ener que colocarlo en otra cola. El switch conserva un mapa de los puertos a los cuales un paquete debe ser transmitido. El switch despeja este mapa de puertos destino sólo después de que e l paquete se haya transmitido con éxito. Como el búfer de memoria se comparte, se restringe el paquete según el tamaño del búfer de memoria, no simplemente por la asignación a un determinado puerto. Esto significa que los paquetes más grandes se pueden transmitir con JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. menos paquetes descartados. Esto es importante para la conmutación 10/100, donde un puerto de 100 Mbps puede enviar un paquete a un puerto de 10 Mbps.
2.3.9
Dos métodos de conmutación c onmutación
Se pueden utilizar dos modos de conmutación para enviar una trama a través de un switch: Almacenamiento y envío: la trama completa se recibe antes de que se realice cualquier tipo de envío. Se leen las direcciones destino y/u origen y se aplican filtros antes de enviar la trama. Se produce latencia mientras se recibe la trama; la latencia es mayor con tramas más grandes, debido a que la trama completa tarda más en leerse. La detección de errores es alta debido a la cantidad de tiempo disponible para que el switch verifique los errores mientras espera la recepción de la trama completa. Método de corte: El switch lee la dirección destino antes de recibir la trama completa. La trama luego comienza a ser enviada antes de que esta llegue completamente. Este modo reduce la latencia de la transmisión y la detección de errores de conmutación de la LAN L AN es pobre. Conmutación rápida y libre de fragmentos son dos formas de conmutación de método de corte. La conmutación rápida ofrece el nivel de latencia más bajo, al enviar inmediatamente un paquete luego de recibir 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. Aunque esto se produce con muy poca frecuencia y el adaptador de red destino descarta el paquete defectuoso en el momento de su recepción, el tráfico superfluo puede considerarse inaceptable en ciertos entornos. Utilice la opción libre de fragmentos para reducir la cantidad de paquetes enviados con errores. En el modo rápido, la latencia se mide desde el primer bit recibido al primer bit transmitido, o bien el primero en entrar y el primero en salir (FIFO). Conmutación libre de fragmentos: La conmutación libre de fragmentos filtra los fragmentos de colisión, que constituyen la mayoría de los errores de paquete antes de iniciar el envío. 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 li bre de fragmentos espera hasta que se determine si el paquete no es un fragmento de colisión antes de enviar el paquete. En el modo libre de fragmentos, la latencia se mide como FIFO. La latencia de cada modo de conmutación depende de la manera en que el switch envía las tramas. Cuanto más rápido sea el modo de conmutación, menor será la latencia dentro del switch. Para agilizar el envío de la trama, el switch dedica menos tiempo a la verificación de errores. Como compensación, se reduce la verificación de errores, lo que puede llevar a aumentar la cantidad de retransmisiones.
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2.3.10
Configuración de una VLAN
Un switch Ethernet segmenta físicamente una LAN en dominios de colisión individuales. Sin embargo, cada segmento sigue formando parte de un dominio de broadcast. La cantidad total de segmentos en un switch es igual a un dominio de broadcast. Esto significa que todos los nodos de todos los segmentos pueden ver un broadcast desde un nodo de un segmento. Una VLAN es una agrupación lógica de dispositivos de red o de usuarios que no se limita l imita a un segmento de switch físico. Los dispositivos o usuarios de una VLAN se pueden agrupar por funciones, departamentos, aplicaciones, etc., independientemente de la ubicación física de su segmento. Una VLAN crea un dominio de broadcast único que no se restringe a un segmento físico y se considera como una subred. La configuración de la VLAN se realiza en el switch a través del software. Las VLAN de la actualidad han sido estandarizadas de acuerdo con la norma IEEE 802.1Q, sin embargo, las implementaciones varían de un proveedor a otro.
2.4
Protocolo Spanning Tree
2.4.1
Descripción general del protocolo Spanning Tree
La función principal del protocolo Spanning Tree es permitir rutas conmutadas/puenteadas duplicadas sin incurrir en los efectos de latencia de los loops en la red. Los puentes y los switches toman sus decisiones de envío para tramas de broadcast únicas tomando t omando como base la dirección MAC destino de la trama. Si no se conoce la dirección MAC, el dispositivo inunda la trama desde todos los puertos e intenta alcanzar el destino JuanBarros.es
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Conmutación de LAN. deseado. También lo hace para todas las tramas de broadcast. El algoritmo Spanning Tree, implementado por el protocolo Spanning Tree, evita los loops calculando una topología de red de Spanning Tree estable. Al crear redes tolerantes a las fallas, una ruta libre de loop debe existir entre todos los nodos Ethernet de la red. El algoritmo Spanning Tree se utiliza para calcular una ruta libre de loops. Las tramas Spanning Tree, denominadas unidades de datos del protocolo puente (BPDU), son enviadas y recibidas por todos los switches de la red a intervalos regulares y se utilizan para determinar la topología Spanning Tree. Un switch utiliza el protocolo Spanning Tree en todas las VLAN basadas en Ethernet y Fast Ethernet. El protocolo Spanning Tree detecta y elimina loops colocando algunas conexiones en modo de espera, que se activa en caso de una falla de conexión activa. Una instancia separada del protocolo Spanning Tree se ejecuta dentro de cada VLAN configurada, asegurando las topologías Ethernet que cumplen con los estándares de la industria en toda la red.
2.4.2
Los cinco estados del protocolo Spanning Tree
Los estados del protocolo Spanning Tree son los siguientes: Bloquear: Ninguna trama enviada, se escuchan BPDU Escuchar: Ninguna trama enviada, escuchar tramas. Aprender: Ninguna trama se envía, aprender direcciones. Enviar: Tramas enviadas, aprender direcciones. Desactivado: Ninguna trama enviada, no se escuchan BPDU El estado para cada VLAN es establecido inicialmente por la configuración y luego modificado por el proceso de protocolo Spanning Tree. Se puede determinar el estado, costo y prioridad de los puertos y las VLAN utilizando el comando show spantree . Después de que se determina el estado puerto a VLAN, el Protocolo Spanning Tree determina si el puerto envía o bloquea las tramas. Los puertos se pueden configurar para entrar directamente en el modo de envío del protocolo Spanning Tree cuando se realiza una conexión, en lugar de seguir la secuencia habitual de bloqueo, aprendizaje y luego envío. La capacidad para pasar rápidamente del modo Bloquear al modo Enviar en lugar de atravesar los estados de puerto de transición resulta muy útil en situaciones donde se requiere el acceso inmediato i nmediato a un servidor.
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Resumen Ahora que ha completado este capítulo, debe tener un conocimiento sólido sobre los siguientes temas: La combinación de computadores/estaciones de trabajo más poderosos y las apli caciones que hacen uso intensivo de la red han creado la necesidad de ancho de banda de red muy superior a la de 10 Mbps disponible en las LAN Ethernet/802.3 compartidas. Cuando cada vez más personas utilizan la red para compartir grandes archivos, acceder a servidores de archivo y conectarse a Internet, se produce la congestión de red. Una red se puede dividir en unidades más pequeñas denominadas segmentos. Cada segmento se considera como su propio dominio de colisión. En una LAN Ethernet segmentada, los datos que pasan entre los segmentos se transmiten a través de la red con un puente, router o switch. Una LAN que utiliza una topología Ethernet conmutada crea una red que se comporta como si tuviera solamente dos nodos: el nodo emisor y el nodo receptor. Un switch segmenta una LAN en microsegmentos, creando dominios libres de colisiones a partir de un dominio de colisión más grande. Los switches alcanzan altas velocidades de transferencia de datos leyendo la dirección MAC destino de la Capa 2 del paquete, como lo haría un puente. La conmutación Ethernet aumenta el ancho de banda disponible en una red creando segmentos de red dedicados (conexiones punto a punto) y conectando dichos segmentos en una red virtual dentro del switch. Un switch LAN asimétrico proporciona conexiones de conmutación entre puertos con distinto ancho de banda por ejemplo, una combinación de puertos de 10 Mbps y de 100 Mbps. Con la conmutación simétrica todos los puertos tienen el mismo ancho de banda. Se pueden utilizar dos modos de conmutación para enviar tramas a través de un switch: almacenamiento y envío y por método de corte Una VLAN es una agrupación de dispositivos de red o de usuarios que no se limita a un segmento de switch físico. La función principal del protocolo de spanning-tree es permitir rutas conmutadas/puenteadas duplicadas sin sufrir los efectos de latencia de los loops en la red.
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