la capa de enlace (pt. 5)
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Redes de ComputadorasRedes de ComputadorasDepto. de Cs. e Ing. de la Comp.Depto. de Cs. e Ing. de la Comp.
Universidad Nacional del SurUniversidad Nacional del Sur
Módulo 05Módulo 05La Capa de EnlaceLa Capa de Enlace
(Pt. 5)(Pt. 5)
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CopyrightCopyrightCopyright © 2010-2022 A. G. StankeviciusSe asegura la libertad para copiar, distribuir y modificar este documento de acuerdo a los términos de la GNU Free Documentation License, versión 1.2 o cualquiera posterior publicada por la Free Software Foundation,sin secciones invariantes ni textos de cubierta delantera o traseraUna copia de esta licencia está siempre disponibleen la página http://www.gnu.org/copyleft/fdl.htmlLa versión transparente de este documento puedeser obtenida de la siguiente dirección:
http://cs.uns.edu.ar/~ags/teaching
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ContenidosContenidosServicios provistos por la capa de enlaceProtocolos de acceso múltipleDirecciones de red local y protocolo ARPEthernetHubs, bridges y switchesEnlaces inalámbricosVirtualización de enlacesDatacenters
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IEEE 802.11IEEE 802.11El estándar IEEE 802.11 agrupa las distintas variantes tecnológicas para redes inalámbricasIEEE 802.11a (1999):
Usa el espectro público de 5 GHzBrinda un ancho de banda de hasta 54 MbpsBrinda un alcance de unos 35 metros
IEEE 802.11b (1999):Usa el espectro público de 2.4 GHzBrinda un ancho de banda de hasta 11 Mbps
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IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11g (2003):
Usa el espectro público de 2.4 GHzBrinda un ancho de banda de hasta 54 MbpsEn algún punto, fue la variante más popular
IEEE 802.11n (2009):Usa el espectro público de 2.4 Ghz y/o 5 GHzBrinda un ancho de banda de hasta 600 MbpsDuplica el alcance a unos 70 metrosPara simplificar, se lo llama hoy en día WiFi4
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IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11ac (2014):
Usa el espectro público de 2.4 Ghz y/o 5 GHzBrinda un ancho de banda de hasta 600 Mbps y de hasta 2600 Mbps, respectivamentePuede hacer uso de hasta 8 flujos en simultáneoImplementa la técnica de beamforming que permite encauzar la señal hacia un determinado receptorEs compatible con el estándar IEEE 802.11nComercialmente se lo denomina WiFi5
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IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11ax (2021):
Usa el espectro público de 2.4 Ghz, 5 Ghz y/o 6GhzPuede aprovechar las nuevas bandas sin licencia que aparezcan en el rango de 1 a 7.125 GHzEn las condiciones correctas, alcanza un anchode banda de hasta 14 GbpsEn configuraciones de alta densidad, presentará un desempeño cuatro veces mayor que IEEE 802.11acComercialmente se lo denomina WiFi6
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IEEE 802.11IEEE 802.11IEEE 802.11be (2024):
Ultima revisión del estándar, en la actualidad activamente en desarrollo, será el futuro WiFi7Usa el espectro público de 2.4 Ghz, 5 Ghz y/o 6GhzSe estima que en las condiciones correctas alcanceun ancho de banda de hasta 40 GbpsIncorpora un conjunto de tecnologías recientemente desarrolladas tendientes a disminuir la latenciaTodavía no está a disposición, ya que las especificaciones técnicas están siendo debatidas
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Modalidades de operaciónModalidades de operaciónLa redes inalámbricas especificadas porel estándar IEEE 802.11 contempla dos modalidades de operación:
Modalidad con estación baseModalidad ad-hoc
Cada una de estas modalidades fue concebida para resolver problemas diferentesAl momento de su creación no se anticipóel nivel de adopción masivo que tendrían
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Modalidad con estación baseModalidad con estación baseCaracterísticas de la operatoria bajola modalidad con estación base:
Los nodos inalámbricos se comunican exclusivamente con una estación baseLa estación base se denomina punto de acceso,o también access point (AP)Cada AP constituye una celda, la que se denominaen la jerga BSS (Basic Service Set)Los BSS se combinan entre sí para formarun sistema de distribución (DS)
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Modalidad con estación baseModalidad con estación base
internet
router (o quizás switch)
BSS 1
BSS 2
access point (AP)
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Modalidad ad-hocModalidad ad-hocCaracterísticas de la operatoria bajola modalidad ad-hoc:
No requiere hacer uso de un APLos nodos inalámbricos se comunican directamente entre síLas tramas puede tener que visitar uno o más nodos intermedios hasta alcanzar su destino
Aplicaciones:Conectividad en una reunión, dentro del auto, etc.Conectividad en el campo de batalla
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Modalidad ad-hocModalidad ad-hoc
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Proceso de asociaciónProceso de asociaciónEl espectro a disposición de los APsse particiona en sendos canales
El administrador del AP elige en qué canal operaráExiste la posibilidad de colisionar con otros APs que operen en el mismo canal
Como primera medida los dispositivos deben asociarse a un determinado AP:
A tal efecto, se escudriñan los canales a la espera de una trama faro (beacon frame) conteniendo el nombre (SSID) y la dirección física del AP
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Enlaces inalámbricosEnlaces inalámbricosPeculiaridades de los enlaces inalámbricos:
Las señales de radio se atenúan de manera cuadrática a medida que se propagan por el espacioSon altamente sensibles a la interferencia electromagnética de múltiples fuentes (otras redes inalámbricas, teléfonos inalámbricos, motores, etc.)Las señales de radio también se reflejan en las paredes y en el piso, por lo que arriban a destino múltiples “ecos” con pequeñas diferencias de tiempo
¡Esto torna la comunicación mucho más difícil!
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Enlaces inalámbricosEnlaces inalámbricosEl parámetro SNR (Signal to Noise Ratio) mide qué tan clara resulta la señal transmitida por sobre el ruido de fondo (white noise)
Un alto SNR trae aparejado una mejor probabilidadde transmitir un determinado dato correctamente
El parámetro BER (Bit Error Rate) mide la tasa de error observada
A más potencia, mejor SNR y por ende menor BERPara un dado SNR, la única manera de controlarel BER es moderar el desempeño del enlace
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Protocolo MAC inalámbricoProtocolo MAC inalámbricoDada las características de la tecnología inalámbrica, si dos o más nodos transmitenen simultáneo se producirá una colisiónEl protocolo CSMA parece adecuado, ya que:
Con un emisor único se puede usar la totalidaddel ancho de banda disponibleSe evitan colisiones sensando primero el estadodel canal compartido antes de emitir
Lamentablemente, la detección de colisionesno funciona con los enlaces inalámbricos
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Terminal ocultaTerminal ocultaEl algoritmo CSMA sólo puede ser usadosi todos los nodos son capaces de detectarque se produjo una colisión
En las redes inalámbricas el fenómeno de la terminal oculta puede provocar que no todos los nodos se den cuenta de que se produjo una colisión
A C
B
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Terminal ocultaTerminal ocultaLa atenuación de la señal es suficiente como para que A y C no se reconozcan entre sí
No obstante, las señales tanto de A como de C alcanzan a interferirse en B
A B C
fuerza de laseñal de A
espacio
fuerza de laseñal de C
umbral dedetección
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Terminal ocultaTerminal ocultaEl fenómeno de la terminal oculta afecta severamente el desempeño de la celdaSe han ensayado distintas propuestas para solucionar este problema:
Incrementar la potencia de transmisión de los nodosHacer uso de antenas omnidireccionalesRemover los obstáculos entre los nodosDe no ser esto posible, reposicionar las antenasResolver el problema a nivel de protocolo de enlace
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Protocolo CSMA 802.11Protocolo CSMA 802.11El protocolo MAC del estándar IEEE 802.11 adopta una organización al azar
Recordemos que esta organización contemplala posibilidad de que se produzcan colisionesPara minimizar la aparición de colisiones, se adoptar el protocolo CSMANo obstante, no es posible implementar la variante CSMA/CD, por tratarse de enlaces inalámbricosSe desarrolló un nuevo protocolo MAC que se focaliza en directamente evitar las colisiones: el CSMA/CA
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Protocolo CSMA 802.11Protocolo CSMA 802.11Emisor CSMA 802.11:
Si el canal se sensa libre porDIFS microsegundos se procedea transmitir la totalidad de la tramaEn cambio, si el canal se sensaocupado, se demora el accesode forma exponencial
Receptor CSMA 802.11:Si se recibe la trama correctamente,se envía una confirmación luegode SIFS microsegundos
emisor receptor
DIFS
datos
SIFS
ACK
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Protocolo CSMA/CAProtocolo CSMA/CAEl problema de la terminal oculta de todas formas desperdicia ancho de banda
Si dos nodos, ocultos uno del otro, intentan transmitir una trama completa hacia el AP, se va a desperdiciar la totalidad del ancho de banda por todo ese tiempo
La solución implementada en IEEE 802.11 consiste de intercambiar unos pequeños mensajes de reserva anticipada del canal
En el peor de los casos, solo se estarían colisionando estos pequeños mensajes, minimizando el desperdicio del ancho de banda
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Protocolo CSMA/CAProtocolo CSMA/CALa clave de la solución radica en que los pares de emisor/receptor involucrados en la colisión han de compartir necesariamente algún nodo:
El emisor transmite un mensaje corto denominado RTS (Request To Send), el cual indica por cuánto tiempo estará ocupado el canalEl receptor contesta con otro mensaje corto denominado CTS (Clear To Send)Los restantes nodos (incluyendo la terminal oculta) toman nota de por cuanto tiempo va a estar ocupado el canal en su contador NAV interno
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Protocolo CSMA/CAProtocolo CSMA/CA
emisor receptor otros nodos
SIFS
SIFS
ACK
demoranel acceso
trama
DIFS
SIFS
CTS
RTS
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Multiprotocol Label SwitchingMultiprotocol Label SwitchingLa tecnología MPLS (Multiprotocol Label Switching) es un estándar relativamente reciente empleada a nivel de esta capa
La idea era lograr resolver el forwarding de datagramas IP a una mayor velocidadPara lograrlo, la resolución del forwading se hace consultando un campo de tamaño fijo (en vezde determinar el prefijo más largo)Esta estrategia ha probado su efectividad en la implementación de los circuitos virtuales de ATM
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Multiprotocol Label SwitchingMultiprotocol Label SwitchingLos routers capaces de procesar paquetes MPLS se los denomina label-switched routers
La decisión del forwarding se realiza sólo inspeccionando la etiqueta MPLS y no el IP destinoEsta independencia redunda en una mayor flexibilidad (la ruta puede cambiar sin involucrar por caso a BGP)
encabezadoMPLS
encabezadoIP
resto de la tramaencabezadoethernet
32 bits
20 bits 3b 1b 8b
etiqueta QoS yECN S TTL
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MPLS vs. IPMPLS vs. IPTráfico IP: el camino elegido depende sólode la dirección destino
router IP
R2
DR3
R5
A
R6
R4
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MPLS vs. IPMPLS vs. IPTráfico MPLS: el camino elegido puede depender de las direcciones de origen y de destino
R2
DR3R4
R5
A
R6
router sóloIP
router dualMPLS e IP
el router R4 puede optar por diferentes rutas MPLS con destino A dependiendode la dirección de origen del datagrama
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Tablas de forwardingTablas de forwarding
R1R2
DR3R4
R50
100
A
R6
1
0
etq. in etq. out dest. out
- 10 A 0
- 12 D 0
- 8 A 1
etq. in etq. out dest. out
10 6 A 1
12 9 D 0
etq. in etq. out dest. out
6 - A 0
etq. in etq. out dest. out
8 6 A 0
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DatacentersDatacentersEl requerimiento de conectividad dentro de un datacenter resulta especialmente desafiante
Decenas de miles o hasta cientos de miles de servidores, por lo general fuertemente acoplados entre sí, amuchados en un pequeño espacio
Los datacenters son un componente esencialen la migración de las operaciones de las empresas al cloud
Por caso, tanto Amazon, Microsoft y Google ofrecen como servicio hacer uso de sus datacenters
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DatacentersDatacenters
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Balance de cargaBalance de carga
racks de servidores
switches top-of-rack
switches capa-1
switches capa-2
balanceadorde carga
balanceador de carga
B
1 2 3 4 5 6 7 8
A C
routerde frontera
routers de acceso
Internet
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Tendencias de diseñoTendencias de diseñoLa tendencia actual es incrementar el nivelde interconectividad
La idea es mejorar desempeño y confiabilidad
racks de servidores
switches TOR
switches capa-1
switches capa-2
1 2 3 4 5 6 7 8
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