conmutacion ethernet sesion2

Full duplex Ethernet, VLANs yconmutadores de nivel 3

Eduardo Len Pavn

Full duplex Ethernet

Mucha gente piensa que la conmutacin y full-duplex es lo mismo, pero esto no es correcto.

Conmutacin significa mltiples transmisiones simultneas.

Mientras que Full-duplex quiere decir transmisin y recepcin simultnea en pares de cables separados


En entornos conmutados, las transmisiones individuales pueden ser tanto half como full-duplex.

Una transmisin full duplex requiere una conexin punto a punto con solo dos estaciones presentes en un segmento; la estacin transmisora est conectada a la receptora y viceversa.


De este modo, la Ethernet conmutada es un prerrequisito para la full-duplex pero ello no implica que lo sea.

La Ethernet full-duplex no es parte de ninguna especificacin MAC o EthernetPHY.

En su lugar, la especificacin 802.3x es la que gobierna los dispositivos full-duplex con control de flujo.


En 1997, la IEEE complet su trabajo en un estndar para el control de flujo en full-duplex.

El estndar usa el primer mtodo full-duplex desarrollado por Kalpana.

Aadi dos importantes novedades


La primera, el estndar permitira el acuerdo automtico de la capacidad en full-duplex.

La segunda, el estndar incluye una nueva caracterstica llamada flowcontrol que prevendra la congestin y la sobrecarga.


Caractersticas del estndar: El medio de transmisin fsico debe ser

full-duplex (Gigabit Ethernet).Deben existir exactamente dos

estaciones en LAN punto a punto. Las dos estaciones deben ser full-

duplex. Automticamente se negociarel modo basado en full-duplex.

Full duplex Ethernet Control de flujo La Ethernet clsica de medio compartido

tiene varias maneras para asegurar que el cliente sostiene el flujo de datos entrantes del servidor.

Primero, porque el cliente es capaz de mantener 100 Mbps y el canal es el cuello de botella

Y segundo, si el cliente estsobrecargado, puede avisar al servidor de su estado y disminuir el ritmo.

Full duplex Ethernet Control de flujo Tambin, considerar una LAN

compartida con varios usuarios. Si muchas estaciones intentan enviar datos a travs de la LAN ocupada, la red empezar cada vez a estar ms ocupada y a haber ms y ms colisiones

Half duplex Ethernet Control de flujo Ethernet conmutada tiene un mtodo

incorporado para negociar transmisiones entre estaciones con diferentes velocidades. Considerar un servidor de 100 Mbps enviando datos a un cliente de 10 Mbps mediante un conmutador. Los buffers del conmutador almacenan tantos frames como sea posible.

Half duplex Ethernet Control de flujoDespus de que los buffers del

conmutador estn llenos, el conmutador notificar al servidor para que pare de transmitir, de lo contrario, los buffers se desbordaran y los datos se perderan.

En un entorno half-duplex, el conmutador puede forzar colisiones con el servidor, o el conmutador puede tener el puerto del servidor ocupado por pretender que los datos sean transmitidos.

Half duplex Ethernet Control de flujo

En esta situacin, el servidor dejar de transmitir durante un tiempo limitado, permitiendo al conmutador que aligere la carga acumulada en sus buffers.

Full duplex Control de flujo

El estndar IEEE 802.3x define una nueva forma de llevar a cabo el control de flujo en un entorno full-duplex.

El esquema es simple a la vez que elegante y usa el concepto de un framede pausa con un tiempo de pausa asociado para aminorar la transmisin, similar a la funcin XOFF en mdems analgicos.


ste frame de pausa usa una direccin multicast, la cual no es repetida por puentes y conmutadores. Ello quiere decir que el frame de pausa no genera trfico adicional y no interfiere con el control de flujo en diferentes partes de la red.


Si el cliente de 10 Mbps est reciviendodemasiados datos desde el conmutador, el cliente puede enviar un frame de pausa para aminorar el ritmo en el conmutador. El conmutador descarta el frame de pausa y los datos no son enviados al servidor.


A veces, los buffers de frames y su correspondiente llenado y vaciado son comparados a un tanque de agua.

Arquitecturas conmutadas y rendimiento Brevemente, examinaremos los cuatro

componentes bsicos que afectan al rendimiento del conmutador, que son la facilidad de interconexin entre mdulos, los mecanismos de reenvo, la velocidad en los puertos y el tamao del buffer.

Velocidad del puerto

Internamente, un conmutador tiene asociado una direccin MAC a cada puerto. Adems, un conmutador contiene buffers de frames. sta arquitectura permite a un conmutador mantener diferentes velocidades en cada puerto. Un puerto puede cambiar su velocidad de 10 a 100 o de 100 a 1000 Mbps.

Facilidad de interconexin entre mdulos La conmutacin permite mltiples

transmisiones simultneas. Cada transmisin consiste en un puerto de entrada y otro de salida a alta velocidad. Muchos conmutadores tienen mltiples puertos y si mas de una pareja de puertos estn transfiriendo datos, la capacidad de procesamiento aumenta.

Facilidad de interconexin entre mdulos El ancho de banda total de un

conmutador est determinado por el ancho de banda que se va aadiendo de cada conexin.

Ratio terico de reenvo= (N de puertos*Velocidad del cable)/2

Facilidad de interconexin entre mdulosUn conmutador de 16 puertos 100

BASE-T tiene en conjunto una capacidad de procesamiento de 800 Mbps.

En cambio, un repetidor con las mismas caractersticas solo ofrece 100 Mbps. Si 16 nodos estn intentando sostener el ancho de banda permitido, el promedio por nodo es bastante pequeo.

Facilidad de interconexin entre mdulos A veces, el ratio mximo de reenvo de

un conmutador es menor que el esperado tericamente por razones de limitaciones en el diseo interno. En este sentido, existen bloqueos internos.

Muchos conmutadores usan una interconexin que conecta todos los puertos por conmutacin lgica.

Facilidad de interconexin entre mdulos La capacidad de interconexin

finalmente dicta el ancho de banda global y debera ser igual o prximo al ratio de reenvo. Si la capacidad de interconexin es menor que el ratio de reenvo, internamente pueden ocurrir bloqueos y posiblemente en forma de sobrecargas internas.

Facilidad de interconexin entre mdulos Todos los conmutadores de 10 Mbps y

muchos de los de 100 Mbps no tienen estos problemas en la actualidad, pero no todos los de la Gigabit tienen la capacidad de interconexin necesaria, por tanto conviene asegurarse a la hora de comprar un conmutador Gigabit.

Mecanismos de reenvo

Los conmutador utilizan tres tipos de mecanismos de reenvo de frames: almacenar y reenviar, cortar y pasar (cut-throught) y cortar y pasar modificado (modified cut-throught). Cada uno con sus ventajas y desventajas.


Almacenar y reenviar: todos los puentes convencionales usan ste mtodo. Los puentes y conmutadores que usan almacenar y reenviar almacenan todos los frames entrantes en buffers internos antes de ser enviados al puerto de salida. Con ste mtodo, la latencia del conmutador es igual a la de un framecompleto.


Almacenar y reenviar es tambin conocido como libre de errores porque el conmutador recibe el frame completo incluyendo los bits FCS para poder realizar el chequeo CRC. El conmutador descarta los frames con errores.


Cut-through: el conmutador examina un framesolo por su direccin destino. Esto permite al frame ser reenviado inmediatamente, resultando as tiempos muy bajos de latencia en el conmutador. Cualquier frame que llega con direccin destino vlida es reenviado. La desventaja de este mecanismo es que framesincorrectos sern reenviados ya que los bits del CRC son recibidos al final.


Modified cut-throught: Un frame entrante ha de tener los 64 bytes completos. Si el frame es incorrecto, puede ser detectado casi siempre entre los primeros 64 bytes del frame.

Tamao de la memoria

Los conmutadores contienen dos tipos de memoria: la tabla de direcciones origen (SAT) y la memoria de buffers de frames. Ambos son importantes para el rendimiento. Si la SAT es demasiado pequea, los desbordamientos provocaran que se perdiera alguna direccin. Esto provocara en el conmutador que el framefuera reenviado a todos los puertos, lo que genera trfico excedente.

Tamao de la memoria

El buffer de frames es mas importante porque la velocidad de conmutacin necesita abundante memoria. Ello es debido porque un puerto de entrada puede recibir a una velocidad y el puerto de salida transmitir solo a una dcima parte de la velocidad de entrada.

Agregacin de enlaces

El algoritmo de expansin de rboles 802.1D permite enlaces paralelos redundantes interconectando dos conmutadores. Los enlaces sern deshabilitados y solo sern activados por motivos de seguridad. Si el enlace activo se cae, se habilitar otro enlace pasados unos segundos.


A veces, se querr conectar diferentes puertos del conmutador en paralelo para incrementar el ancho de banda.

Consideremos el ejemplo en el que se quiere construir una granja de servidores usando un conmutador Fast Ethernet.


Los conmutadores estn conectados a travs de enlaces de 100 Mbps. Adems, cada conmutador tiene 16 puertos de 10 Mbps y cada uno capaz de generar trfico full-duplex a 20 Mbps. Si se suma el ancho de banda requerido por cada conmutador, veremos que cada conmutador puede generar 320 Mbps en full-duplex.


Si todos los datos deben pasar a travs del backbone, una interconexin de 200 Mbps no es suficiente. Este enlace estara temporalmente sobrecargado. Este podra ser el caso donde 16 conexiones clientes estn intentando acceder a tres servidores. La solucin consistira en poner dos enlaces de 200 Mbps pero ello no lo resuelve el algoritmo STA (Spanning-Tree Algorithm).


Algunos vendedores de conmutadores como Cisco han diseado sus propios esquemas troncales de agregacin de enlaces, el ms conocido es FastEtherChannel.

Veamos las principales caractersticas de esta tecnologa


Permite entre dos o cuatro enlaces paralelos. (Posibilidad de escalabilidad)

Provee balanceo de carga por divisin de flujo de datos sobre los diferentes enlaces.

Si un enlace cae, STA reconectar en un minuto.

Usa su protocolo de agregacin desarrollado por Cisco para gestionar mltiples enlaces.

Algunos adaptadores de red, como los Intel, soportan EtherChannel permitiendo mltiples enlaces paralelos a servidores.


El algoritmo de expansin de rboles 802.1D desafortunadamente no permite agregacin de enlaces porque fue diseado para puentes con puerto simple hace ms de una dcada.

A pesar de todas las ventajas citadas anteriormente, EtherChannel sigue siendo tecnologa propietaria de Cisco.


Otros vendedores tienen esquemas similares, pero el problema reside en que diferentes fabricantes no pueden ser agregados a la vez.

La comisin IEEE 802.3ad esttrabajando actualmente en un estndar oficial para la agregacin de enlaces, el cual est basado en la tecnologa EtherChannel.

VLANs

Redes Virtuales. Se pueden definir como un grupo de estaciones terminales, tal vez en mltiples segmentos de redes LAN, que no estn restringidas por su ubicacin fsica y pueden comunicarse como si estuvieran en una LAN comn. En otras palabras, es una LAN extendida ms all de sus lmites geogrficos.

VLANs

Sin embargo, hay aspectos como la limitacin fsica por la distancia, la forma cmo se definirn los terminales o miembros de la VLAN, las relaciones de enrutamiento y las relaciones entre VLANs vATM que han sido responsabilidad de cada fabricante y no se ha establecido una normalizacin bsica.

VLANs

Debido a las varias formas para definir a los miembros de las VLAN se dividen en cuatro agrupamientos: de los puertos, de la capa MAC o control de acceso al medio, de la capa de red y de los IP o protocolos de Internet de mltiple mensaje.

VLANs

Por agrupamiento de Puertos: la mayora de las primeras redes VLAN definieron sus miembros por grupos de puertos de conmutacin. Adems, en estas primeras implementaciones las VLANs podan ser asistidas solo por un conmutador simple.

VLANs

La segunda generacin poda permitir que las VLANs puedan extenderse sobre varios conmutadores.

El agrupamiento de puertos se han mantenido como el ms comn de los mtodos para la definicin de los miembros de una VLAN, y su configuracin es bastante directa. Al definirlas as no se permite que varias VLANs se incluyan en el mismo segmento fsico (o puerto del conmutador).

VLANs

Sin embargo,la limitacin ms importante de esta forma de agrupar est en la necesidad de que el administrador de la red tenga que reconfigurar a los miembros de la VLAN cuando un usuario se traslade de un puerto a otro.

VLANs

Por agrupamiento de la capa MAC: la configuracin de las VLAN basada en las direcciones de la capa de control de acceso al medio MAC tiene algunas ventajas y desventajas. Ya que las direcciones de la capa MAC son cableadas dentro de la tarjeta de interface con la red (NIC) en las estaciones de trabajo (WS), las VLANs permiten que los operadores de la red puedan mover una WS a una ubicacin diferente permitiendo que mantenga su posicin dentro de la VLAN.

VLANs

Este tipo de red puede ser definida como una VLAN basada en el usuario dando una gran ventaja por su flexibilidad.

VLANs

Una de las desventajas de este agrupamiento de MACs esta en el requerimiento de todos los usuarios que deben ser configurados inicialmente en al menos una VLAN. Despus de esta configuracin manual inicial puede hacerse un rastreo automtico de los usuarios, dependiendo de la solucin dada por el fabricante.

VLANs

Sin embargo, esta desventaja de la configuracin inicial viene a clarificar la asignacin de las VLAN particulares, dentro de una red muy grande con cientos de usuarios. Algunos integradores de estas redes, con el fin de disminuir los altos costos de esta configuracin inicial, utilizan herramientas que permiten crear las VLANs en funcin del estado real de la red, de modo que cada VLAN pueda crearse para cada subred.

VLANs

Las VLANs basadas en la direccin de MAC, implementadas en ambientes con medios compartidos, tendrn una gran degradacin de su desempeo, especialmente con los usuarios de diferentes VLANs que coexistan con un puerto simple de conmutacin. Adems, la forma bsica de infocomunicar las VLANs entre los conmutadores, en una direccin de MAC, degradara su desempeo en redes de vista gran tamao.

VLANs

Configuracin de las VLANS: otro tema importante para el desarrollo de las VLAN es el grado de automatizacin que pueda tener su configuracin, que depende de la forma de agrupamiento definido. Hay tres niveles de automatizacin en la configuracin de las VLAN

VLANs

Configuracin Manual: tanto la inicializacin o Setup, como los movimientos y los cambios siguientes son controlados por el administrador de la red. La configuracin manual permite un alto grado de control. Sin embargo en grandes redes es poco prctica, anulando uno de los beneficios de las VLANs que es disminuir el tiempo que toma hacer un cambio o movimiento en la red.

VLANs

Configuracin Semiautomtica: se refiere a la opcin de automatizar cualquiera de las configuraciones, el Setup y/o los cambios y movimientos. La automatizacin de la configuracin inicial est complementada con un set de herramientas que mapean las VLANshacia las subredes existentes.

VLANs

La configuracin semiautomtica podra tambin referirse a situaciones donde las VLANs son inicializadas manualmente, con todos los movimientos rastreados automticamente. Combinando la automatizacin inicial y las configuraciones siguientes, debidas a cambios y/o movimientos, implicara una semiautomatizacin en la configuracin, ya que el administrador de la red siempre tiene la opcin de configurar manualmente.

VLANs

Configuracin automtica: un sistema que automatice totalmente la configuracin de la VLAN requiere que sus estaciones de trabajo puedan ser configuradas de forma dinmica y automtica, dependiendo de la aplicacin, de la identificacin del usuario o de otros criterios de los administradores de las redes.

VLANs

Estandarizacin de las VLANS: debido a las varias definiciones de las VLANs y a las diferentes formas de manejo de los conmutadores cada fabricante ha desarroIlado su propia solucin, dando como resultado que los conmutadores de un fabricante no operan completamente con las VLANs de otro, obligando a los usuarios a comprar a un nico proveedor.

VLANs

Ventajas de las VLANS: entre las ventajas de esta topologa virtual estn las siguientes:

Reduccin de costos de cambios y movimientos de los usuarios.

Grupos de trabajo virtuales. Reduccin del enrutamiento

VLANs

Seguridad de las VLANS: La habilidad de las VLANs para crear firewalIs barreras de inicializacin, que permiten contener un trfico de LAN para un rea especfica (generalmente realizado por los enrutadores), puede satisfacer los requerimientos de seguridad y an reemplazar muchas de las funciones de los enrutadores en esta rea.

Conmutacin en el nivel 3

Definiremos un conmutador en el nivel 3 como un enrutador que utiliza hardware en lugar de software para llevar a cabo el enrutado IP.

Enrutar en hardware tiene dos beneficios: primero, permite al conmutador alcanzar velocidades de 10, 100 o incluso 1000 Mbps (lo cual, en software no era posible).


Y segundo, los routers basados en hardware tienen un coste significativamente menor respecto a los basados en software.


Los conmutadores en el nivel 3 se caracterizan por:

Operan principalmente en el nivel 3 del modelo OSI.

Solo utilizan protocolos IP o IPX.Conmutan trfico no encaminable en el

nivel 2.


Reenvan los frames a velocidades de 10,100 y 1000 Mbps con mnimas latencias, tpicamente de microsegundos.

Soportan solo enrutamiento LAN.

Bibliografa

conmutadored, Fast and GigabitEthernet. Robert Breyer and Seal Rilev.

Transmisin de datos y redes de comunicaciones. Behrouz A. Forouzan.

Full duplex Ethernet, VLANs yconmutadores de nivel 3Full duplex EthernetFull duplex EthernetFull duplex EthernetFull duplex EthernetFull duplex EthernetFull duplex EthernetFull duplex Ethernet Control de flujoFull duplex Ethernet Control de flujoHalf duplex Ethernet Control de flujoHalf duplex Ethernet Control de flujoHalf duplex Ethernet Control de flujoFull duplex Control de flujoFull duplex Control de flujoFull duplex Control de flujoFull duplex Control de flujoArquitecturas conmutadas y rendimientoVelocidad del puertoFacilidad de interconexin entre mdulosFacilidad de interconexin entre mdulosFacilidad de interconexin entre mdulosFacilidad de interconexin entre mdulosFacilidad de interconexin entre mdulosFacilidad de interconexin entre mdulosMecanismos de reenvoMecanismos de reenvoMecanismos de reenvoMecanismos de reenvoMecanismos de reenvoTamao de la memoriaTamao de la memoriaAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesAgregacin de enlacesVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsVLANsConmutacin en el nivel 3Conmutacin en el nivel 3Conmutacin en el nivel 3Conmutacin en el nivel 3Bibliografa

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