Redes 1

Data Link LayerCapa 2

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México

Prof. MSc. Ivan A. Escobar Broitman

iescobar@campus.cem.itesm.mx

Cs 00882

Introducción

Capa Física– Requisitos eléctricos, mecánicos y activación de

señales.– Voltajes, niveles de señal.

Capa de Enlace de Datos– Comunicación con capas superiores via LLC

(control de enlace lógico).– Utiliza tramas para organizar datos.– Métodos de acceso al medio (MAC)

Capa de Enlace de Datos

Funciones principales:

– Estructura el flujo de bits bajo un formato predefinido llamado trama. (encapsulación)

– Transfiere tramas de una forma confiable y libre de errores.

– Provee control de flujo.– Utiliza la técnica de piggybacking

Capa de Enlace de Datos

La capa de enlace de datos definida por IEEE se subdivide en 2 subcapas

– Control de acceso al medio (MAC 802.3) Como transmitir tramas en el cable físico. Gestiona direccionamiento físico.

– Control de enlace Lógico (LLC 802.2) Identificación de protocolos y encapsulación. Funciona independiente de la tecnología.

Subcapa MAC (Medium Access Control)

En una red broadcast, la información transmitida por una estación es recibida por todas las estaciones conectadas a la red.

Cada estación examina la información y si es para ella la procesa, sino la descarta.

La clave en cualquier red de tipo broadcast es determinar ¿quién puede usar el canal?

Subcapa MAC

Los protocolos que determinan quién tiene derecho a transmitir en una red broadcast pertenecen a la subcapa MAC de la capa de enlace de datos.

La subcapa MAC es de vital importancia en las redes LAN debido a que la gran mayoría utilizan canales compartidos para su comunicación.

Protocolos de acceso al canal

Existe una gran variedad de protocolos de acceso al canal, de los cuales veremos:

– ALOHA. Puro. Ranurado (slotted).

– CSMA. 1 persistente. No persistente. P – persistente.

– CSMA/CD

Aloha

Creado en 1970’s por Norman Abramson y sus colegas de la Universidad de Hawaii.

Diseñado para coordinar ondas de radio terrestres.

Su ideología es aplicable a las redes computacionales.

El término Aloha es una expresión hawaiana que significa hola o hasta luego.

Aloha Puro

Idea básica: que la estación que requiera transmitir lo haga.

Colisiones. Propiedad de retroalimentación.

– Una estación puede saber si hay una colisión simplemente sensando el canal.

– La retroalimentación en una LAN es inmediata.

Aloha Puro

Si una trama fue destruída por una colisión, el emisor deberá esperar un tiempo aleatorio y volver a transmitir.

Sistemas de contención:– Multiples usuarios.– Métodos similares de

transmisión.– Canal común.– Generación de conflictos.

Througput: la canitdad de información que una red puede manejar en un cierto momento.

Para maximizar aloha, o sea incrementar su throughput, establecemos tramas del mismo tamaño.

Aloha Puro

Si dos tramas ocupan el mismo espacio durante el mismo período en el tiempo, se puede decir que están colisionando en el medio por lo cual ambas serán desechadas.

Usuario

ABCDE

Tiempo

Eficiencia de Aloha Puro

¿Cuál es la eficiencia de Aloha Puro en el canal?

La probabilidad que k tramas sean generadas en una ventana de tiempo se obtiene por la distribución de Poisoon donde G es la media por trama:

La probabilidad que sean cero tramas es e-g

En un intervalo suficiente para dos tramas, la media de tramas generadas es de 2G.

Througput Aloha Puro:– S=Ge-2G Max G=0.5– Eficiencia 0.184 o 18%.

Aloha Ranurado

División del espacio de tiempo continio a intervalos discretos.

Sincronización con una estación especial que emite un pip al inicio de cada intervalo de tiempo.

Las computadoras no pueden transmitir cuando quieran, tienen que esperar cada ranura o espacio de tiempo.

La eficiencia o utilización del canal es de S=Ge-G lo cual nos da un uso del canal del 37%.

Protocolos de Acceso Múltiple

Incrementan la utilización del canal. Monitorean el canal. Sus acciones dependen del sensado. Estos protocolos sensan el canal y

dependiendo del estado de éste transmiten o esperan un tiempo aleatorio.

Si hay colision se abortan las transmisiones.

1-P CSMA

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 1P: one persistent

– Tiene una probabilidad de 1 cuando transmite ya que encuentra el canal libre.

Antes de mandar sensamos el canal.– Si está libre se transmite.– Sino se sigue escuchando hasta que se libere.– Una vez liberado transmitimos sin más que esperar.

La demora de la propagación de datos tiene un efecto importante en este protocolo.

– Causa de colisiones.– Demora cero no garantiza que no haya colisiones debido a la

ambición de las estaciones por transmitir.

N-P CSMA

Non Persistent CSMA. Es un protocolo menos ambicioso que 1P.

– Antes de enviar se sensa el canal.– Si esta libre se transmite.– Si esta ocupado la estación no monitorea de manera

constante ni ambiciosa el canal. El N-P CSMA espera un tiempo aleatorio y vuelve a

reiniciar el algorimo.– Evita colisiones por ambición.– Introduce algo de demora por la espera aleatoria.– Tiene mejor rendimiento que 1P.

P-P CSMA

P-Persistent CSMA. Se aplica a canales ranurados.

– Cuando una estación está lista para transmitir sensa el canal y si está libre transmite con una probabilidad p.

– Sino esta libre pospone la transmisión con una probabilidad q = 1 – p.

Si encuentra el canal ocupado hace como si fuera una colisión y espera un tiempo aleatorio

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. Desarollado Originalmente por Xerox 1976.

– Estándar de IEEE 802.3 Si una estación detecta una colisión, inmediatamente

detiene la transmisión de una trama.– Ahorro de ancho de banda.– Mejor uso del canal.

Algoritmo de contención.

Modelo Conceptual de CSMA CD

Algoritmo de contención

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones.

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?– Por teorema de nyquist el tiempo de sampleo de una señal es

igual o mayor a dos veces el componente de mayor frecuencia de la señal análoga.

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?– Por teorema de nyquist el tiempo de sampleo de una señal es

igual o mayor a dos veces el componente de mayor frecuencia de la señal análoga.

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?– Por teorema de nyquist el tiempo de sampleo de una señal es

igual o mayor a dos veces el componente de mayor frecuencia de la señal análoga.

Sea T el tiempo total de propagación en el canal.

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?– Por teorema de nyquist el tiempo de sampleo de una señal es

igual o mayor a dos veces el componente de mayor frecuencia de la señal análoga.

Sea T el tiempo total de propagación en el canal. Sea E un instante antes de que la señal llegue al final del canal.

Algoritmo de contención

Tiempo para determinar colisiones. ¿Cuánto tiempo tarda una estación en detectar una

colisión?– El tiempo que tarda una señal en propagarse al canal?– Por teorema de nyquist el tiempo de sampleo de una señal es

igual o mayor a dos veces el componente de mayor frecuencia de la señal análoga.

Sea T el tiempo total de propagación en el canal. Sea E un instante antes de que la señal llegue al final del canal. Ttotal=2T-E para el periódo de contención.

Detección de Colisión

Una detección de colisión puede tomar hasta 2T.

Resumen CSMA/CD

Tres posibles estados1. Contención

Período de Contención: el intervalo de tiempo en el cual una trama es vulnerable a colisiones.

τ= tiempo máximo de propagación de la señal entre dos hosts.

2 τ= período de contención.

El período de contención es un proceso análogo.– Dos señales de 0 volts

pueden dar una tercera señal de cero volts y ser una colisión (requiere métodos de codificación de señal)

2. Transmisión.3. Libre.

Comparación de Métodos

Protocolos IEEE 802

Protocolos para redes de area local.– IEEE 802.1

Introducción al set de estándars. Define las primitivas de las interfaces.

– IEEE 802.2 Control de Enlace Lógico (LLC). Parte superior de la capa de enlace de datos.

– IEEE 802.3 CSMA/CD. Estándar 1-P Persistente CSMA/CD

– IEEE 802.4 Token Bus.– IEEE 802.5 Token Ring.

Protocolos IEEE 802

•*Son los importantes.

•Cruz son los que se quitaron.

•Flecha abajo son los que estan migrando.

IEEE 802.2

Control de Enlace Lógico. Independiente de la tecnología. Opciones de servicio:

– Entrega no confiable de packetes. – Servicio con ACK’s de entrega de datagramas.– Servicio confiable orientado a conexión.

Esconde las diferencias entre las distintas redes definidas por IEEE 802.x

– Provee un formato e interface única a la capa de red.

IEEE 802.2 y 802.3

IEEE 802.3

CSMA/CD– Desarrollado inicialmente por Xerox en 1976.– Comercializado a finales de los 70’s.– Estandar en IEEE 802.3

Bases Aloha. Xerox CSMA.

Cableado 802.3

Cableado IEEE 802.3

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Velocidad

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Velocidad

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Velocidad

Modo de Transmisión

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Velocidad

Modo de Transmisión

Cableado IEEE 802.3

Tipos de cableado en Ethernet

10 BASE 5

Velocidad

Modo de Transmisión

Distancia x 100 metros

Baseband = 1 onda portadora

Broadband = multiples ondas portadoras

Cableado en Ethernet

Tres tipos de Cableado

Elementos del Cableado

Transceivers:– Contienen componentes electrónicos que se encargan del

carrier y de la detección de colisión.– Transmite y recive señales en el canal.– Las estaciones se pueden instalar de manera rápida sin botar

la red general (solo mientras se instala el transciever. Repetidores:

– Reciben, aplifican y retransmiten los datos.– Uso en redes amplias.– Dispositivo de la capa física.

Terminadores:– Evita reflecciones de la señal.– Son indispensables para terminar el bus.

Cableado

Topologías: (a) Lineal, (b) Espina (c) Árbol, (d) Segmentada.

Ethernet

Arquitectura Original de Ethernet

Topologia de Bus.

Codificación de la Señal

Codificaciones – Manchester.

Código en el cual la señal y el reloj estan combinados para formar una señal que se sincronize automáticamente.

Cada bit contiene una transición en el punto medio del período del bit.

La dirección de la transición determina si es un uno o un cero.– Manchester Diferencial.

Variación de Manchester básico. 1 como bit indica ausencia de transición. 0 como bit indica cambio o transición. En ambos casos se respeta la transición en el punto medio del

período del bit.

Métodos de Codificación

(a) Binary encoding, (b) Manchester encoding, (c) Differential Manchester encoding.

Cableado IEEE 802.3

Caract.Operacionales

Ethernet 10 BASE 5 10 BASE 2 10 BASE T 10 –BROAD 36

Velocidad de Trans. Mbps

10 10 10 10 10

Protocolo de Acceso

CSMA/CD CSMA/CD CSMA/CD CSMA/CD CSMA/CD

Señalización Baseband Baseband Baseband Baseband Broadband

Codificación de Datos

Manchester Manchester Manchester Manchester Manchester

Max Long x Segmento mts

500 500 185 100 1800

Estaciones / Segmento

100 100 30 12-hub 100

Medio 50ohm coax grueso

50 ohm coax grueso

50 ohm coax delgado

Cable trenzado

75 ohm coax

Topología Bus Bus Bus Estrella Bus

IEEE 802.3 Subcapa MAC

a)Trama Ethernet b) Trama IEEE 802.3

Trama IEEE 802.3

Preámbulo:– 7 bytes cuyo patrón es

101010...– Utilizada para la

sincronización. Start of delimiter:

– 1 byte cuya secuencia siempre es 10101011.

– Indica el inicio de una trama.

Destination Address y Source Address

– 48 bits, especifíca la dirección destino de la trama o la dirección de orígen.

– Es una dirección física o MAC.

Length:– Indica el tamaño del campo

de datos de una trama.– Tamaños válidos desde 0 a

1500 bytes.

Trama IEEE 802.3

Data:– 0 a 1500 bytes.– Tamaño mínimo especificado

de una trama por IEEE es de 64 bytes (incluye encabezado e información).

PAD: (0 a 46 bytes)– Si la porción de datos de la

trama es menor a 46 bytes se utiliza el pad para rellenar la trama.

Checksum: (4 bytes)– Chequeo de errores.

IEEE 802.5 Token Ring

Originalmente desarrollado por IBM en los años setenta.

Es la red de tipo lan primaria utilizada por IBM.

Estandar 802.5 basado en token ring de IBM lo que garantiza compatibilidad.

IEEE 802.5 Token Ring

Comparando IBM Token Ring y 802.5

– Diferencias menores que aseguran compatibilidad.

– Topología y medio.– Velocidades Máximas hoy

en día IBM 16Mbps.– Anillos de fibra FDDI

100Mbps.

IBM Token RIng

IEEE 802.5

Velocidad 4 ó 16 Mbps

4 ó 16 Mbps

Estaciones x Segmento

260 stp72 utp

250

Topología Estrela No esp.

Media Par trenzado

No esp.

Señalización Baseband Baseband

Método de Acceso

Token passing

Token Passing

Codificación Diff Manchester

Diff. Manchester

Token Ring

No es un medio de difusión de packetes, es una colección de interfaces punto a punto que forman un círculo.

Su cableado puede ser par trenzado, fibra o cobre.

La ingeniería detrás del anillo puede llegar a ser 100% digital, aunque 802.5 tiene mucho análogo.

Token Ring

Longitud física de un bit.– Cuanto mide un bit?– Sea una propagación

media de 200m/micro’sec– 1 bit 200/R Mbps metros.– Para 1Mbps cuantos bits

podemos tener en un anillo de 1000 metros de circunferencia? 5 bits

Operación del anillo– Un bit llega a una estación

es copiado a un bufer, examinado y copiado a la salida de la interface.

– Esto introduce una demora de 1 bit por interface en el anillo.

– Token: Un patrón especial de bits

que permite la transmisión de una trama.

Token Ring

Token:– Patrón especial de bits

que circula por el anillo cuando nadie está transmitiendo (IDLE).

– Cuando una estación desea transmitir agarra el token.

– El token tiene 3 bytes que son idénticos a los del inicio de una trama a excepción de 1 bit.

Introducción de Demoras:

– Debido a que una red token ring debe contener cuando esta IDLE al token esta debe tener suficientes demoras para que entren en la red los 24 bits del token.

– Dos componentes de demora: 1 bit por interface y la propagación de señal.

Operación

Modos de Operación

Modo de escucha:– Los bits que entran a la

interface son copiados a la salida después de pasar por el buffer.

– Hay una demora de 1 bit por unidad de tiempo.

– No está permitido transmitir.

Modo de Transmisión– Adquirir Token– Desconectar la Interfaz.– Transmitir datos.– Todas las estaciones los

reciben, solo la destino puede modificar el campo ACK y conservar los datos.

– La estación orígen remueve los datos y devuelve el token.

Subcapa MAC de Token Ring

a)Formato de Token. b) Formato de Trama.

Tiempo de Retención de token = 10 msec.

Subcapa Mac de Token Ring

SD y ED:– Marcan el inicio y fin de cada

trama. Access Control:

– Token Bit.– Monitor Bit.– Priority Bits.– Reservation Bits.

Frame Control:– Distingue entre datos y

tramas de control Dest y Source Address y

Checksum.– Igual que 802.3

Frame Status:– Contiene bits A y C.– Al pasar por una estación se

prende A y si la copia se prende C.

– A=0 C=0 destino inalcanzable o apagado.

– A=1 C=0 destino presente pero trama no fue aceptada.

– A=1 C=1 destino presente y trama aceptada.

Subcampo Access Control

Priority Bits:– 3 bits PPP y 3 bits RRR,

son prioridad y reservación.

– Token Bit: indica si lo que contiene la trama es un token o datos.

– Monitor Bit: para control y mantenimiento del anillo.

Campo Access Control

PPP RRRT M

IEEE 802.4 Token Bus

Repaso (Material para Autoestudio)– Tiene los conceptos fundamentales de Token Ring pero sobre

una topología de difusión tipo bus.– Se mantiene un anillo lógico entre los hosts.– No hay un token circulando en el anillo lógico. Éste se lo van

pasando de un host a otro.– Cuando alguien quiere transmitir espera a que le envíen el

token, transmite y envía el token a su vecino en el anillo lógico.

– La disposición física no tiene nada que ver con el órden lógoco.