CCIE lab: Layer 2 Technologies

Aquí un pequeño laboratorio de tecnologías capa 2 para el examen práctico de CCIE:

DMVP
IGMP
SPAN
RSPAN
MAC address aging
VTP
Trunking
Eherchannel
STP
RPVSP+ (portfast)
PPP (multilink y CHAP, PAP para S1/7)

Para recordar (2)

Hay que tener presentes los protocolos y procesos de la capa de aplicación; Telnet es un programa de emulación de terminal que te permite entrar a un host remoto y ejecutar programas. FTP es un servicio orientado a conexión que permite transferir archivos. TFTP es un servicio orientado a no conexión que también transfiere archivos. SMTP es un programa que permite enviar correo.

Los protocolos de la capa de host-to-host (transporte) son TCP, que es orientado a conexión y nos da un servicio de red confiable por medio del uso de acknowledgements y control de flujo. UDP es un protocolo sin conexión que con un overhead pequeño nos da un servicio considerado no confiable.

Los protocolos de la capa de Internet son IP, que es un protocolo no orientado a conexión que provee direccionamiento de red y enrutamiento a través de una red. ARP que encuentra direcciones MAC para una IP conocida. RARP que encuentra la IP de una MAC address conocida. ICMP provee diagnóstico y mensajes de estado de los destinos buscados.

Los rangos de clase de las direcciones IP:
Clase A, de 1.0.0.0 a 126.255.255.255 con 8 bits de red y 24 bits de host.
Clase B, de 128.0.0.0 a 191.255.255.255 con 16 bits de red y 16 bits de host.
Clase C, de 192.0.0.0 a 223.255.255.255 con 24 bits de red y 8 bits de host.

Los rangos de direccionamiento privados;
de 10.0.0.0 a 10.255.255.255
de 172.16.0.0 a 172.31.255.255
de 192.168.0.0 a 192.168.255.255

Recordemos que la dirección 127.0.0.1 está asignada al host local, es la dirección de loopback y es usada para diagnósticos sobre el funcionamiento de nuestro propio stack de TCP, cuando hacemos un ping a esta dirección, el paquete no llega a la interfase física.

Capa de enlace de datos (data link layer)

La capa de enlace de datos hace la transmisión física de los datos y maneja las notificaciones de error, topología de la red y control de flujo; así que se encarga de que el mensaje es entregado al dispositivo apropiado en la LAN usando direcciones de Hardware y traducirán los mensajes de la capa de red en bits para que la capa física los transmita.

La capa de enlace de datos (data link layer) usa unidades de datos llamadas frames; y se construyen con el encabezado que contiene las direcciones físicas o de hardware de destino y de origen. Esta información encapsula el mensaje original para que el viaje por la red local pueda ser exitoso.

La capa de enlace de datos se divide en dos partes:

• La de Media Access Control (MAC), que es la que interactúa con la capa física, y que se define por los estándares 802.5 (token ring) y 802.3 (ethernet), y define como se situán los paquetes en el medio de transmisión, es decir, controla la entrada al medio. También define las direcciones físicas y la topología lógica. También se tienen la disciplina de línea, notificaciones de error (pero no corrección), entrega ordenada de frames, y control de flujo opcional.
• Y la de Logical Link Control (LLC) definida por el estándar IEEE 802.2. Identifica los protocolos de la capa de red y los encapsula con la información de la capa de enlace de datos para construir el frame. También hace el control de flujo y la secuencia de los bits de control.

Los Switches y Bridges leen cada frame que pasa por ellos, obtienen la dirección de origen de ese frame y la guardan en una tabla para relacionarla con la interfase por la que recibió la información. El proposito de todo el direccionamiento, capa 2 y capa 3 es realmente ubicar, ubicar hosts, redes, routers, destinos, etc. Así que con esa información de la dirección física (MAC address) y el puerto de llegada, el switch va ubicando cada host; y cuando recibe un frame con una MAC address desconocida, lo reenvía a todas las interfases, excepto aquella por la que llegó, y cuando el host de destino responde a ese frame que recibió, el switch lee el frame de respuesta y conoce a ese host por el puerto donde recibió la respuesta, y dado que tiene el puerto donde recibió el frame de incio de esa comunicación, ya tiene en su tabla dos MAC addresses ubicadas a través de los puertos donde están conectadas.

Así, cuando recibe un nuevo frame destinado a una MAC address presente en su tabla, sólo reenvía el frame hacia el puerto correcto, reduciendo el tráfico en la red al hacer más exacta su transmisión y evitando tormentas de broadcast. Así es como cada puerto se vuelve un dominio de broadcast, ya que no se hace el reenvío de frames hacia todos los puertos, sólo cuando es un destino desconocido, y se reenvían los frames únicamente hacia el puerto indicado.

Es importante notar que un dispositivo de la capa de red conoce de redes, y un switch o un bridge, que son dispositivos de la capa de enlace de datos, conoce de máquinas o hosts.

Ethernet en la Capa Física

Ethernet fue implementado por Digital, Intel y Xerox, quienes crearon e implementaron las primeras especificaciones LAN para Ethernet en las que se basó la IEEE para crear su comité 802.3; ésta era una red de 10Mbps que funcionaba sobre cable coaxial y eventualmente sobre par trenzado y sobre fibra.

Posteriormente la IEEE extendió su comité 802.3 a dos nuevos comités, 802.3u (Fast Ethernet) y 802.3ab (Gigabit Ethernet en categoría 5) y finalmente 802.3ae (10Gbps sobre fibra y coaxial).

Es de suma importancia entender las diferencias entre los medios que se utilizan para Ethernet, ya que los costos no son los mismos, y posiblemente pensemos en implementar 10Gbps pero la diferencia de inversión lo haría muy difícil; pero entendiendo los diferentes medios de transmisión disponibles, se puede llegar a una solución que mezcle distintas opciones y que funcione muy bien y que sea de una excelente relación costo/beneficio.

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La EIA/TIA (Electronic Industries Association y la nueva Telecommunications Industry Alliance) son los organismos que crearon el cuerpo del standard de Ethernet para la capa física. La EIA/TIA especifica que Ethernet use un conector registrado (registred jack RJ) con una secuencia de cableado 4 5 sobre par trenzado sin blindaje (unshielded twisted-pair UTP) que resulta ser el RJ45.

Cada tipo de cable Ethernet que está especificado por la EIA/TIA tiene una atenuación intrínseca del medio, es decir, la pérdida de la fuerza de la señal que se tiene cuando la señal pasa por el medio y que es medida en decibeles (dB). El mercado mide esta atenuación en categorías y entre mayor es la calidad del cable, mayor es la categoría y por tanto, menor es la atenuación. Por ejemplo, la categoría 5 tiene más vueltas (en el trenzado) que la categoría 3 y por tanto tiene menor interferencia por inducción (crosstalk).

Algunos de los estándares originales de la IEEE 802.3 son:

10Base2 10Mbps en banda base, hasta 185mt de distancia entre nodos, también conocido como thinnet y soporta 30 nodos por segmento. Usa un bus lógico y físico con conectores AUI; el 2 significa casi 200m. Usa tarjetas Ethernet con conectores BNC (British Naval Connector, Bayonet Neill Concelman o Bayonet Nut Connector) y conectores T para conectarse a la red.

10Base5 10Mbps,en banda base (baseband) y hasta 500m de distancia. Se conocía como thicknet, usa una topología lógica y física de bus con conectores AUI, hasta 2500m con repetidores y 1024 usuarios por segmento.

10BaseT usando cableado categoría3. Se conecta a través de un hub o un switch, sólo un host por segmento de cableado, usa conectores RJ45 con topología en estrella y un bus lógico.

Cada estándar 802.3 define una unidad de acoplamiento (conector Attachment Unit Interface) que permite una transferencia de un bit a la vez hacia la capa física desde el método de acceso (MAC) de la capa de enlace de datos (Data Link Layer). Ésto permite que MAC permanezca sin cambios, mientras que la capa física puede irse actualizando para utilizar nuevas tecnologías. El conector AUI original era un conector de 15 pines, pero que no soporta los 100Mbps por las altas frecuencias involucradas. Así que 100BaseT necesitó una nueva interfase y en el IEEE 802.3u se creó una llamado Media Independent Interfase (MII) que tiene un throughput de 100Mbps, y utiliza un nibble definido de 4bits, y el Gigabit Ethernet MII transmite 8 bits a la vez.

802.3u (fast ethernet) es compatible con 802.3 porque comparten las mismas características físicas. Fast Ethernet y Ethernet usan la misma unidad máxima de transmisión (MTU), usan los mismos mecanismos MAC (de acceso al medio),y preservan el formato de frame (descrito en el post anterior) que es usado por 10BaseT Ethernet. Básicamente, fast ethernet es sólo una actualización del estándar 802.3 original, sólo que 10 veces más rápido.

Algunos estándares extendidos de 802.3:

100BaseTX (IEEE 802.3u) cableado categoría 5, 6 o 7 de la EIA/TIA sobre par trenzado. un host por segmento de cableado, hasta 100m de distancia, conectores RJ45 con topología lógica de bus y física de estrella.

100BaseFX (IEEE 802.3u) usa cableado de fibra multimodo de 62.5/125 micrones. Topología punto a punto, hasta 412m de distancia, conectores ST o SC.

1000BaseCX (IEEE 802.3z) par trenzado de cobre llamado twinax (un par de coaxiales balanceados) que sólo llegan a los 25m.

1000BaseT (IEEE 802.3ab) Categoría 5, cuatro pares de UTP y hasta 100m.

1000BaseSX (IEEE 802.3z) MMF con núcleo de 62.5 y 50 micrones, usa un LASER de 850nm (nanómetros) y puede llegar a los 220m con la fibra de 62.5 micrones y 550m con la fibra de 50 micrones.

1000BaseLX (IEEE 802.3z) Fibra mono-modo, que usa núcleo de 9 micrones y lásers de 1300 nanómetros que puede alcanzar distancias desde 3km hasta 10kilómetros.

La fibra óptica es inmune a la interferencia Electromagnética (EMI).

Ethernet en la capa de aplicación

El direccionamiento de Ethernet (MAC addressing) es responsabilidad de la capa de enlace de datos. Aquí también se hacen los Frames con datos provenientes de la capa de red, y se preparan para transmitirlos en la LAN.

Direccionamiento Ethernet (addressing)

Ethernet usa el Media Access Control Address (dirección MAC o física) de cada tarjeta de red que se compone de 48 bits o 6 bytes.

MAC Address

El bit más significativo (extrema izquierda) es de Individual Group (I/G), si es un 0 podemos asumir que es la MAC address de un dispositivo y es parte del encabezado de MAC; si es 1 podemos asumir que es parte de un broadcast o multicast de Ethernet, o un broadcast o dirección funcional de en TR y FDDI.

El siguiente bit es Global/Local (G/L o también U/L universal local ). Cuando es 0, es una dirección globalmente administrada (por ejemplo por la IEEE), cuando es 1 es una dirección localmente gobernada y administrada (como con DECnet).

Estos dos bits forman parte de los primeros 24, los otros 22 se usan como identificador único asignado a la organización (Organizationally Unique Identifier OUI) que le asigna la IEEE a una organización y se supone que es única e irrepetible aunque no hay garantías.

Los 24 bits restantes menos significativos (mitad de extrema derecha) reprensentan la parte localmente administrada (por el fabricante) y es un número único para cada tarjeta; cada fabricante generalmente usa estos números como el número de serie.

Frames de Ethernet

La capa de enlace de datos combina los bits en bytes, y los bytes en frames; un frame es el paquete utilizado en esta capa y se usa para encapsular datos que vienen desde la capa de red para poder entrar a algún medio de transmisión.

Ethernet Frames

La función de las estaciones Ethernet es pasar frames de datos entre sí usando un formato llamado MAC Frame Format, que entre otras cosas nos otorga detección de errores (no corrección) por un método llamado revisión de redundancia cíclica (Cyclic Redundancy Check o CRC).

Para el Frame de Ethernet descrito por el estándar IEEE 802.3 y el Ethernet II tenemos los siguientes campos:

• Preámbulo (preamble) es un patrón de 1 y 0 que se repite y sirve para sincronizar el reloj a 5MHz al principio de cada Frame.


• Start Frame Delimiter (SFD)/Synch, el preámbulo es de 7 octetos (bytes) y el SFD es de un byte (1010 1011) dond el último par de 1 permite que el receptor detecte el inicio de los datos.


• Destination Address (DA) Es un valor de 48 bits que contiene la dirección MAC de destino, lo importante es que el primer bit que se envía aquí es el menos significativo (extremo derecho) es el primero que se transmite. Y cuando un host recibe el frame, lee este campo y determina si va destinado a él para procesarlo, en caso contrario, desecharlo. Este campo puede contener una dirección individual, o de multicast o de broadcast, y cuando es un broadcast, todo el campo está formado por 1s y se envía a todos los hosts, y cuando es multicast se envía sólo a un grupo de nodos similares en la red.


• Source Address (SA) es una dirección MAC (48 bits) que identifica el origen del frame y al igual que el DA, envía primero el bit menos significativo. Es ilegal que tenga un formato de bradcast o multicast.


• Longitud o tipo (length or type) 802.3 usa un campo de longitud, pero el Ethernet usa un campo de Tipo para identificar el protocolo de Red que contiene. 802.3 no puede identificar el protocolo que recibió y debe ser usado con un protocolo propietario (IPX por ejemplo) lo que le resta versatilidad.


• Data es el paquete que se recibió de la capa de red, y su tamaño puede variar entre 64 y 1500 bytes.


• Frame Check Sequence (FCS) es un campo al final del Frame donde se almacena el CRC.

Data Link Layer, el hardware.

En la capa de enlace de datos operan los switches y los bridges, y son hardware de aplicación específica ya que usan procesadores y circuitos que son diseñados únicamente para esta tarea. (application-specific integrated cirtuit), y es lo que permite que los switches alcancen velocidades de proceso de Gigabits con latencias muy bajas.

Menciono brevemente los dispositivos en una entrada previa:

http://ipref.blogspot.com/2009/04/dispositivos-de-red-capa-de-enlace-de.html

El proceso es el siguiente:

El switch recibe un frame y lee su encabezado, determina su origen y lo pone en su tabla para recordar de que puerto provino; entonces, busca el destino en esa misma tabla y envía el frame hacia el puerto asociado a esa dirección MAC; en caso de desconocer el destino, el frame es enviado a todos los puertos excepto al de origen, y cuando reciba un nuevo frame con esa dirección MAC de origen, sabrá de que puerto proviene, y la agregará a su tabla, por lo que conocerá donde está ubicado ese host. Así van formando su tabla de MAC addresses que ayuda a disminuir el tráfico en la red y a formar un mapa de la misma. Todos los dispositivos que reciben este mensaje están en un dominio de Broadcast, y si tenemos muchos mensajes de broadcast, afectarán el desempeño de la red.



Es algo similar a una tabla de ruteo, que contiene redes en un router y que las asocia a una interface, con lo que el router conoce hacia donde enviar paquetes para alcanzar una red.

En el caso de un switch o un bridge, conocemos direcciones MAC que se asocian igualmente a un puerto o interface, y básicamente, un switch es un bridge evolucionado, con más puertos y que igualmente forma un dominio de colisión en cada puerto.

Anteriormente mencioné que Ethernet funciona en un bus lógico y por tanto los hosts presentes en ese dominio deben "competir" para tener acceso al medio (cable) y que no se presenten colisiones; debido a que cada puerto de un switch es un dominio de colisión distinto, todos pueden transmitir simultáneamente siempre y cuando exista sólo un host por puerto, mientras que en un Hub, todos deberán competir por el medio.

Una vez que la tabla está completa en el switch, se enviarán frames sólo hacia la interface que se sabe que tiene conectado al segmento de destino, y en caso de que el frame vaya destinado al mismo puerto del que vino será bloqueado para que no llegue a ningún otro segmento de red. Esto se llama Transparent Bridging.

La Capa de Enlace de Datos

La capa de enlace de datos (data link layer) provee la transmisión física de los datos y se encarga de detectar errores, de la topología de la red y del control de flujo; es decir, se encarga de que los mensajes lleguen a sus destinatarios usando la dirección física (MAC address) y traduce los mensajes de la capa de red en bits que la capa física transmitirá.

Los mensajes son divididos en fragmentos que se llaman marco de datos (data frames) y yo me referiré a ellos por su nombre en inglés, ya que considero que parte de entender una materia es conocer su lenguaje técnico. Cada frame, al igual que las unidades de datos de capas superiores (PDU o packet data unit) contienen un encabezado, al que se le agrega la información del destino y el origen (en direcciones MAC, no IP), pero en este caso, tenemos un elemento de empaquetamiento al final, que sirve para detectar errores y es el Cyclic Redundancy Check (CRC revisión de redundancia cíclica) y que es un número que se calcula a través del valor de los bits contenidos dentro del mensaje; en caso de que al recibir el frame y recalcular el CRC, éste no coincida con el enviado, se notificará para que sea transmitido nuevamente.



Es importante distinguir que un router no trabaja en esta capa, ya que sólo conoce redes, no sabe donde se ubica un host en particular, y manda paquetes hacia la red que debe contener ese host, pero no sabe si el host está ahí. Es el switch quien determina en que puerto se encuentra un host particular y lo hace a través de sus tablas de MAC addresses, no usa las direcciones IP, y envía frames que contienen paquetes encapsulados.

La capa de enlace de datos es la capa 2 del modelo OSI, y contiene dos subcapas, LLC (Logical Link Control) y MAC (Media Access Control), ambas están definidas por estándares en cuanto que tareas deben efectuar para que la capa de red se sirva de ellas y la capa física entienda los mensajes.

La subcapa MAC es la que está ubicada sobre la capa física, y sobre la MAC se encuentra la LLC, en contacto directo con la capa de red.

Ahora bien, Ethernet trabaja en la capa 2, y por tanto tiene una capa MAC y una LLC. En este caso, MAC se define por el estándar IEEE 802.3, que especifica como los paquetes entran al medio; también aquí se define el direccionamiento físico (MAC addresses) así como las topologías lógicas, es decir, la manera en la que se transmite en la línea (bus lógico en el caso de Ethernet, aunque un switch presente una topología física de estrella), también la notificación de errores (no corrige), la entrega de frames, y a veces control de flujo.

La LLC se define por IEEE 802.2 y es responsable de identificar los protocolos de la capa de red y de encapsularlos. El encabezado de LLC le dice a la Data Link Layer que hacer con los paquetes una vez que recibe un frame, ya que el host recibe el frame, lee el encabezado LLC y determina el destino de ese paquete encapsulado. La LLC provee también control de flujo y bits de control para las secuencias (orden de los frames).

Dispositivos de Red - Capa de Enlace de Datos

Network Interface Card NIC

Las tarjetas de red son consideradas dispositivos de capa 2 porque cada una trae un código único de dirección física llamada MAC Address, que es usada para el control de comunicaciones de datos para el host dentro de la LAN, y controla el acceso al medio.

Bridge o Puente

Un bridge es un dispositivo diseñado para crear dos o más segmentos de red en una LAN, donde cada segmento es un dominio de colisión separado. Así que filtran el tráfico en la LAN para mantener el tráfico local de LAN como local, y permitir la conectividad con otros segmentos de tráfico específicamente dirigido ahí, así que nos hacen disponer de mayor ancho de banda para el intercambio válido de datos.

Terminología Básica de Networking

NIC: Network Interface Card, o LAN Adapter, se conecta en una ranura ISA, PCI o PCMCIA al medio de la red, que puede ser aire, UTP, coaxial, etc.

Media: es el medio físico por el que se va a transmitir la señal, Unshielded Twisted Pair, Coaxial, fibra óptica, etc.

Protocolo: es una serie de reglas. En el caso de un protocolo de red, es la serie de reglas usadas por las computadoras para comunicarse. Protocol Suite se refiere a un conjunto de distintos protocolos que ejecutan diferentes funciones relacionadas a los diferentes aspectos del proceso de comunicación.

Cisco IOS Software: Corre en los dispositivos y equipo Cisco, es el software de sistema de la red, (network system software). Da servicios inteligentes de red para activar el rápido desarrollo de las aplicaciones de internet. Nos da una gran funcionalidad, desde una conectividad básica, seguridad, y manejo de la red hasta servicios avanzados. Los primeros dispositivos de red sólo almacenaban y transmitían paquetes, hoy pueden reconocer, clasificar y priorizar el tráfico de la red, optimizar el ruteo, soportar aplicaciones de voz y video y mucho más. Cisco OIS corre en la mayoría de los ruteadores y switches Cisco. Estos dispositivos de red transportan la mayoría del tráfico de internet.

Network Operating System: se refiere al Server Software como Windows NT, Windows 2000 server, Novel Netware, Unix, Linux. A veces se refiere a los componentes de red de un sistema operativo de cliente, como Windows 95 ó MAC OS.

1. Bases de Internetworking

Esta es la estructura básica de una red de área local (LAN), con dos hosts conectados a través de un hub o concentrador, formando un dominio de colisión y un dominio de broadcast.

Cuando uno de los hosts se quiere comunicar con el otro, envía un paquete que llega hacia el repetidor diciendo, soy X y busco a Y, por medio del nombre buscará la dirección IP de ese host en un proceso llamado Resolución de Nombre de Dominio (DNS). Pero dado que se encuentran en la misma LAN, se envía un paquete de broadcast preguntando la información que necesita sin usar el DNS. El protocolo de resolución de direcciones (ARP) le dará una respuesta y obtendrá la IP del host Y y su dirección MAC.



Por ejemplo:

IP de X 192.168.10.10 255.255.255.0
MAC de X 00.15.12.ac.de.10
broadcast: IP 192.168.10.255 MAC ff.ff.ff.ff.ff.ff
Protocolo: NBNS

Este paquete será difundido en la red a través del HUB, y por ser la dirección de broadcast, todos los hosts recibirán y procesarán la información, y el host Y, al identificar su nombre, responderá con los datos que le son solicitados:

Responde la IP 192.168.10.11 con MAC address 00.15.12.ac.de.31

Ahora el host X tiene la dirección MAC y la IP del host Y, pero el host Y no sabe la información del Host X, por lo que deberá pasar por el mismo proceso para enterarse de la misma información acerca del host X.

Esto representa un problema en una red de tamaño más grande, ya que habría que mandar todos esos paquetes cada que un host se quiera comunicar, y se presentarían congestiones de red por el tráfico local en el mismo dominio de broadcast.

Documento de Cisco.com