Configuración Frame-Relay mapping

Para hacer la configuración de una interface física con encapsulación frame-relay que funciona como multipunto hay que tomar en cuenta el mapeo necesario para ligar una IP (lógica) a un DLCI (físico).

En este ejemplo tenemos un switch de FR simulando un ISP, que nos provee los siguientes circuitos:
del puerto 0 con dlci 101 al puerto 1 con dlci 202
del puerto 0 con dlci 102 al puerto 2 con dlci 203

Nótese que el puerto 0 cuenta con 2 DLCI, por lo que se trata de una interface multipunto.

La configuración consiste en fijar la encapsulación como Frame-Relay, con un tipo de lmi ANSI para este caso, y algo muy importante, hacemos el mapeo del circuito físico local a la IP remota, para el caso de R1 hice el mapeo de un DLCI a la IP local para poder hacer ping a la interface serial, como podemos ver en la validación, el ping es exitoso. Se agrega la instrucción broadcast para que la interface soporte el multicast de EIGRP y se formen las adyacencias.

En el caso de R2 no existe el mapeo de la IP local, por lo que el ping a su propia interface no es exitoso. Existe el mapeo del DLCI local a la IP de R1 indicando que soporta broadcast y el mapeo a R3 sin esta indicación, esto es importante porque  para llegar a R3 pasamos por R1 y el tráfico de multicast no es reenviado pro R1 hacia R3, por lo que no habría un correcto funcionamiento si utilizamos la indicación de broadcast.

La lógica de funcionamiento es similar a los túneles generados en el ejemplo de DMVPN, donde se mapea el tráfico multicast a la interface física, y se debe indicar el modo de funcionamiento de la interface (broadcast, non-broadcast, point-to-point. point-to-multipoint). Otra solución es hacer subinterfaces, pero implica un manejo lógico de dos interfaces distintas con diferente IP que carece del problema de split-horizon, y que utilizaría diferentes segmentos de red; en este ejemplo las 3 interfaces están en el misma red.

Este laboratorio ejecuta EIGRP, que sabemos que no puede regresar anuncios de rutas por la misma interface por la que llegan, así que en este caso especial deshabilitamos la regla de split-horizon para que las rutas aprendidas de R3 puedan ser enviadas por R1 a R2, y viceversa.

Ahora, las configuraciones de ejemplo:

Comandos para verificar el funcionamiento de un switch Catalyst

#show running-config
#show interfaces
#show interfaces Vlan 1
#show interfaces fa0/1
#show interfaces switchport
#show interfaces etherchannel
#show interfaces trunk
#show mac-address-table
#show spanning-tree (puede aplicarse a cada vlan)

ARP y RARP

Son protocolos de la capa de Enlace de Datos (Data Link Layer)

TCP usa el protocolo de resolución de dirección ARP (Address Resolution Protocol) y el de resolución inversa, Reverse Address Resolution Protocol RARP para iniciar el uso del direccionamiento en una red que usa su propio control de acceso al medio (MAC), como es el caso de Ethernet. ARP permite que un host se comunique con otro cuando sólo se conoce la dirección de internet (IP addess) de su vecino y desconocemos la dirección física. Antes de usar IP, el host origen envía un broadcast a todas las MAC addresses (ff.ff.ff.ff.ff.ff) de ARP con la dirección IP del sistema de destino deseado.

EL formato de ARP es:



Los valores del campo de operación pueden ser:
1 ARP request.
2 ARP response.
3 RARP request.
4 RARP response.
5 Dynamic RARP request.
6 Dynamic RARP reply.
7 Dynamic RARP error.
8 InARP request.
9 InARP reply.

Los RFC involucrados son el 1390, 1293, 826, 2390

Más sobre la capa de enlace de datos, más sobre las direcciones MAC, más sobre el direccionamiento IP

Mapa de protocolos

He notado que muchas personas se preguntan, ¿en qué capa del modelo OSI se encuentra X protocolo?, o ¿cuáles son los protocolos de la capa de aplicación? o ¿de la capa de transporte?

Bueno, he aquí un mapa con los principales protocolos de red y su ubicación dentro del modelo de referencia OSI:

*update: faltó mencionar Frame Relay en la capa de enlace de datos (Data Link) junto a ATM

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.

¿Qué es MPLS? parte 1

MultiProtocol Label Switching es una tecnología que usa etiquetas para hacer decisiones de reenvío de tráfico. Con la tecnología MPLS, el análisis capa 3 del encabezado de un paquete se hace sólo una vez, en el punto donde el paquete entra al dominio MPLS, y por medio de la inspección de las etiquetas se maneja el posterior direccionamiento dentro de la red de MPLS.

Así obtenemos una mayor velocidad al no tener que procesar el encabezado de IP en cada salto (o router) porque las decisiones de reenvío se toman comparando las etiquetas con el switch fabric (como en un switch) en lugar de con una base de información de ruteo. Reduce el overhead dentro de los routers de núcleo o de core (tamaño adicional en los paquetes de datos que se adiciona para su direccionamiento o encabezados), obtenemos también ingeniería de tráfico (TE), calidad de servicio (QoS), todo tipo de transporte sobre MPLS (Any Transport over MPLS o AToM) y redes privadas virtuales (VPN). Y podemos aplicarlo a cualquier protocolo de la capa de red.

Una etiqueta es un identificador de 4 bytes, de longitud fija, que es significativa localmente y que se usa para identificar una clase de equivalencia de reenvío (Forwarding Equivalence Class FEC). La etiqueta que se pone en un paquete particular representa el FEC al que se asignó el paquete. Puede haber más de una etiqueta en un paquete.

Una FEC es un grupo de paquetes IP que son reenviados de la misma manera, sobre la misma trayectoria, y con el mismo tratamiento de reenvío. Puede corresponder a una misma subred de IP de destino, pero también corresponde a cualquier clase de tráfico que el router de acceso a la red de MPLS considere significativa. Por ejemplo, todo el tráfico con un cierto valor de precedencia de IP puede constituir una FEC.

La etiqueta se compone de los campos:

• Etiqueta (Label) de 20 bits
  
• EXP experimental, actualmente usado como Clase de Servicio (CoS), 3 bits, afecta a la cola de paquetes y decisiones de descartar paquetes.
  
• S fondo de la pila (botton of stack), 1 bit, si es 0 indica que hay más etiquetas, si es 1 indica que estamos en el fondo de la jerarquía.
  
• y el tiempo de vida o time to live (TTL), 8 bits, se decrementa en cada router, si llega a 0 se descarta el paquete.

bits
|0|1|2|3|4|5|6|7|0|1|2|3|4|5|6|7|0|1|2|3|4|5|6|7|0|1|2|3|4|5|6|7|
|_______|_______|_______|_______|_______|_____| |_______|_______|
|____________etiqueta_20 bits___________|_exp_|S|______TTL______|
|_______________________________________|_____| |_______________|
|_____byte 1____|_____byte 2____|_____byte 3____|_____byte 4____|


Esta etiqueta se sitúa entre el encabezado de la capa de enlace de datos (data link layer, capa 2) y el encabezado de red (network layer, capa 3). El principio de la pila de etiquetas, top label, aparece primero en el paquete y después las demás etiquetas. El paquete de la capa de red aparece inmediatamente después de las etiquetas.

┌──────────────┬──────────────┬───┬──────────────┬──────────────┐
│Layer 2 header│_ Top Label _ │...│ Bottom Label │Layer 3 header│
└──────────────┴──────────────┴───┴──────────────┴──────────────┘

Encapsulamiento IP

Tomaré el ejemplo del post anterior para explicar los campos contenidos en este datagrama de IP, sin tomar en cuenta el encabezado Ethernet, que fue explicado claramente. Entonces tenemos los 60 bytes del datagrama, ordenados en grupos de 8 bytes por renglón para su fácil lectura, y con la numeración en valores hexadecimales:

000000: 45 00 00 3C 82 47 00 00 E..<.G..

000008: 20 01 94 C9 C0 A8 01 01 ......

000010: C0 A8 01 11 08 00 48 5C ...@..H\

000018: 01 00 04 00 61 62 63 64 ....abcd

000020: 65 66 67 68 69 6A 6B 6C efghijkl

000028: 6D 6E 6F 70 71 72 73 74 mnopqrst

000030: 75 76 77 61 62 63 64 65 uvwabcde

000038: 66 67 68 69 fghi

Ahora bien, ¿que es lo que nos dice esta información?

• Los primeros 4 bits nos indican que es un datagrama versión 4 (IPv4).
• El siguiente campo nos indica que tiene una longitud de 5 palabras, cada una de 4 bytes; y el mínimo es 5.
• El tipo de servicio nos indica la calidad de servicio QoS, anteriormente era el campo de precedencia y se cambió para dar lugar al etiquetado de DCSP (Differentiated Services Code Point; RFC 2474); en este caso, al ser un paquete de ICMP no tiene prioridad.
• La longitud total del datagrama, en este caso 60 bytes.
• El campo de identificación sirve para distinguir un datagrama de otro.
• Las banderas nos indican que se puede fragmentar este datagrama si fuera necesario y que es el último fragmento.
• El offset nos asegura que se utilicen los primeros 8 bytes del encabezado

Los campos subsecuentes están explicados a detalle en el post anterior.

Ejemplo de Encapsulamiento

Para comenzar, la dirección de origen usada 192.168.1.1 se escribe así en hexadecimal: C0 A8 01 01

Cuando escribimos el comando:

C:\>ping 192.168.1.1

Este es el paquete de Ping (74 Bytes)como aparece en la red Ethernet, y cada par de números representa un byte (8 bits) de información dentro del frame o paquete:

[sourcecode language='css']
000000: 00 A0 CC 63 08 1B 00 40 : 95 49 03 5F 08 00 45 00 ...c...@.I._..E.

000010: 00 3C 82 47 00 00 20 01 : 94 C9 C0 A8 01 01 C0 A8 .<.G.. ...... ..

000020: 01 11 08 00 48 5C 01 00 : 04 00 61 62 63 64 65 66 .@..H\....abcdef

000030: 67 68 69 6A 6B 6C 6D 6E : 6F 70 71 72 73 74 75 76 ghijklmnopqrstuv

000040: 77 61 62 63 64 65 66 67 : 68 69 wabcdefghi......

[/sourcecode]

donde tenemos que los primeros 14 bytes componen el encabezado Ethernet, y son:

• 00 A0 CC 63 08 1B la dirección MAC de destino
• 00 40 95 49 03 5F la dirección MAC de origen
• 08 00 el campo Tipo de Ethernet (0x0800 IP Datagram)

sigue el datagrama de IP (60 Bytes), que ya sin el encapsulado de Ethernet nos queda así:

[sourcecode language='css']
000000: 45 00 00 3C 82 47 00 00 : 20 01 94 C9 C0 A8 01 01 E..<.G.. ......

000010: C0 A8 01 11 08 00 48 5C : 01 00 04 00 61 62 63 64 ...@..H\....abcd

000020: 65 66 67 68 69 6A 6B 6C : 6D 6E 6F 70 71 72 73 74 efghijklmnopqrst

000030: 75 76 77 61 62 63 64 65 : 66 67 68 69 uvwabcdefghi......

[/sourcecode]

y comienza con un valor 0x4500, el 4 indica que es un paquete de IPv4 y el 5 que el encabezado de IP tiene una longitud de 5 palabras de 32 bits; es decir, 160 bits o 20 bytes.

tenemos una dirección de origen 192.168.1.1 (C0 A8 01 01)
y una dirección de destino 192.168.1.17 (C0 A8 01 11)

y nos quedan 40 bytes de datos IP, que en este caso son de una solicitud de eco (ICMP Echo Request), incluyendo 32 bytes de datos (longitud por default para un paquete de ping).

Este post es un complemento al anterior:

http://ipref.wordpress.com/2008/06/03/encapsulamiento/

y posteriormente pondré una descripción detallada de cada uno de los números presentes en el frame de ejemplo.

Cableado Ethernet

Hay 3 tipos de configuración para el cableado UTP que es utilizado en las redes Ethernet:

• Straight-through (o directo): que se utiliza para conectar un host a un switch o a un router, o un router a un switch o hub.


• Crossover: que se utiliza para conectar de un host a un host, de un switch a un switch, router a router, hub a switch, de router a host.


• Rolled

Straight-Through

Se usan 4 alambres del cable en la configuración straight-through para conectar dispositivos Ethernet y es relativamente simple armar estos cables. Debemos notar que sólo se usan los alambres 1, 2, 3 y 6; pero esta configuración funciona sólo con Ethernet, no con voz, Token Ring, ISDN, etc.

1------------1
2------------2
3------------3
6------------6

Crossover

1------------3
2------------6
3------------1
6------------2

Se usan los mismos 4 pares, pero intercambiamos las posiciones. En realidad no importa mucho que colores se utilicen mientras un par trenzado se conecte a los pines 1 y 2, y el otro par a los pines 3 y 6, y dependiendo de si necesitamos un cable directo (straight-through) o un cable cruzado (crossover) vamos a usar alguna de estas dos configuraciones.

Rolled Cable

El cable rolado se utiliza para conectar un host a un puerto de consola de un router (puerto serial de comunicaciones). Si tienes dispositivos Cisco, lo común es usar un cable de este tipo para conectar una computadora que está ejecutando la Hyperterminal (a un router o un switch ).

1------------8
2------------7
3------------6
4------------5
5------------4
6------------3
7------------2
8------------1

Para ver un esquema o fotografías de los conectores, les recomiendo visitar el artículo de wikipedia referente al cableado categoría 5e o este documento que describe los estándares TIA568A y TIA 568B.

Y pueden visitar este artículo (cortesía de un amigo mío) para ver que no sólo una PC se puede conectar en Ethernet, hay variedad de dispositivos sobre los que se puede montar un adaptador Ethenet (NIC) para integrarlo a la red, en este caso, se usa para lectores de datos (lectores de tarjetas de identificación, lectores biométricos, checadores, etc.)

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.

[caption id="" align="alignnone" width="483" caption="ethernet"][/caption]

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.

Ethernet, Half Duplex y Full Duplex

Primero explicaré que es cada modo de transmisión:

• Half Duplex: transmite y recibe en ambas direcciones, pero sólo ocurre una transmisión a la vez, es decir, no hay comunicación bidireccional simultáneamente, se debe esperar a que se termine de transmitir para poder recibir.


• Full Duplex: transmite y recibe en ambas direcciones al mismo tiempo.

El estándar IEEE 802.3 original define el Ethernet Half Duplex, y Cisco utiliza sólo un par de cables para transmitir y recibir (el cable UTP tiene 4 pares). También se usa el protocolo CSMA/CD para evitar las colisiones y permitir la retransmisión si se presenta una colisión; es por ello que si conectamos un Hub a un Switch, debemos ponerlo en modo de Half Duplex, para que las estaciones conectadas puedan detectar las colisiones. El ethernet Half Duplex usualmente es del tipo 10BaseT y cuando mucho dará velocidades de 3 o 4Mbps.

Ethernet Networking

Ethernet es un método de acceso al medio que permite que muchos hosts en una red puedan compartir el mismo ancho de banda de un enlace. Y entre sus características podemos contar que es fácilmente integrable a nuevas tecnologías de red, como FastEthernet, y Gigabit Ethernet; además es fácil de implementar y de resolver sus problemas si fuera el caso.
Ethernet abarca dos capas del modelo OSI para trabajar, el Data Link Layer y el Physical Layer, y entre sus definiciones describe las características necesarias del medio para poder transmitir, más no habla de configuraciones de cableado o algo similar, es importante recordar esto.

Ethernet usa un protocolo llamado Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) para poder compartir el medio entre los diferentes dispositivos sin que ocurra que dos hosts quieran transmitir al mismo tiempo sobre el medio de red y fue creado precisamente con este propósito, ya que es vital evitar las colisiones en el medio para asegurar que los mensajes que se intercambian entre los nodos lleguen de manera íntegra, y se logra ya que todos los hosts conectados reciben los mensajes y los examinan, ya que se encuentran en el mismo dominio de colisión, y sabemos que un switch, un bridge, un router, pueden cambiar ésto, pero hablamos de hosts conectados a un bus, que es como se desarrolló Ethernet.

La manera en la que funciona este protocolo es la siguiente:



Cuando un host quiere transmitir en el medio, primero revisa que no haya presencia de señal en el medio; en caso de que no sea así, envía su frame; pero constantemente se está revisando el medio para detectar transmisiones de otro nodo (Carrier Sense Multiple Access). Si el host detecta otra señal en el cable, enviará una señal de congestión (jam signal) que hará que todos los nodos dejen de transmitir y esperarán un tiempo aleatorio para volver a intentar enviar mensajes al medio.

Ese tiempo aleatorio se determina con un algoritmo llamado de Backoff, y si la colisión se repite 15 veces, los nodos tendrán un timeout, es decir, su oportunidad de acceder al medio se ha terminado y deben esperar nuevamente su oportunidad.

Ahora bien, ¿qué pasa cuando una colisión ocurre?

• Se envía una jam signal a todos para informar la colisión


• Se invoca el algoritmo de Backoff en los nodos y dejan de transmitir.


• Todos los nodos tienen la misma prioridad para entrar al medio cuando el tiempo de Backoff termina.


• Debido a los timers de backoff, se crea un retardo (delay)


• Baja el throughput (capacidad del enlace o link)


• Se ocasiona una congestión.

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).

Tipos de redes: Ethernet

Ethernet y CSMA/CD

En las redes Ethernet, antes de transmitir, la computadora escucha el medio, si el medio está libre envía sus datos. Después que la transmisión fue completada, las computadoras de la red una vez más compiten por encontrar el medio en estado libre, lo cual significa que ninguna tiene prioridad sobre otra.

Las estaciones en CSMA/CD pueden acceder a la red en cualquier momento. Si el medio está ocupado las terminales deben esperar; si está libre transmiten. Una colisión ocurre cuando dos o más estaciones encuentran libre el canal y comienzan a transmitir simultáneamente, destruyendo la información, y deben retransmitir más tarde. En caso de colisión se manda una señal de jam, y se corre un contador aleatorio antes de volver a transmitir, si el contador concluye y la terminal encuentra el canal libre, vuelve a intentar transmitir su información. Como el contador es aleatorio, en caso de que haya varias terminales esperando, la del contador menor entra al medio primero, y la otra lo encuentra ocupado, por lo cual no se da una nueva colisión.

Tipos de Red (Network Types)

Estándares de LAN

LAN es una red de datos de alta velocidad y pocos errores, que cubre un área geográfica relativamente pequeña de hasta unos cientos de metros. Las redes locales (LAN) conectan estaciones de trabajo, periféricos, terminales y otros dispositivos en un solo edificio u otra área geográficamente limitada, aquí describimos cómo se relacionan las redes locales al modelo de referencia OSI.



Capas OSI Especificación de LAN

Los estándares LAN nos especifican cableado y señalización en ambas capas, física y de enlace de datos, del modelo OSI.

Ethernet fue creado por DEC, Intel y Xerox, y se llamó DIX Ethernet. Después se llamó Thick Ethernet por el grosor del cable usado en esta red y corría a 10Mbps. El estándar fue actualizado en los 1980s para añadirle más capacidades y la nueva versión se llamó Ethernet II o Thin Ethernet, por usar un cable más delgado que el anterior; el tipo II incluía un campo en la trama que identificaba el protocolo de capa superior que era enviado.

La IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) es una organización profesional que define los estándares de red. Sus estándares son los más conocidos y predominantes en mundo de hoy. Cuando un grupo de trabajo (IEEE 802.3) definió a mitad de los 80s los estándares de Ethernet, se adoptó el número como parte del nombre Ethernet 802.3, y está basado en el proceso CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) que explicaré adelante, y especifica la capa física y el control de acceso al medio (MAC medium access control), parte de la capa Data-Link.

La IEEE dividió la capa Data-Link en dos subcapas diferentes: Control de Enlace Lógico (LLC logical link control) que se encarga de la transición hacia la capa superior; y la subcapa de acceso al medio (MAC media access control) que se encarga de la transición al medio físico.