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UPAEP 2017

Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla

[DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1

UPAEP 2017 [Diplomado en Redes]

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Capítulo 3: Fundamentos de las LANs

En este capítulo podremos comprender cómo ha ido mejorando la tecnología para la transferencia de datos.

En general, este capítulo está dedicado a la evolución de Ethernet, ya que es la tecnología más antigua

dentro de las redes y también porque es el soporte para las LANs.

Se darán a conocer los diferentes tipos de Ethernet y cómo funcionaban los primeros dispositivos que

generaban redes, así como los problemas a los que se enfrentaban estos equipos y cómo fueron resueltos.

Conoceremos cómo logra una computadora encontrar a otra computadora específica para transmitirle

información, sin error de enviarla a un destinatario incorrecto. También descubriremos la manera en que un

modelo detecta que el envío se realizó de forma correcta.


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Temas Fundamentales

La red típica de una compañía consiste en varios sites. Los dispositivos finales se conectan a una LAN que

permite la interconexión de las computadoras. Adicionalmente, cada site tiene un router que se conecta a la

LAN y a la WAN (Wide Area Network), siendo que ésta última provee de conectividad a varios sites.

Ethernet es hoy la base para las LAN’s, aunque históricamente han competido varios estándares, incluyendo

Token Ring, FDDI (Fiber Distributed Data Interface) y ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Una Visión General de las Modernas LAN’s Ethernet

El término Ethernet se refiere a una familia de estándares que juntas definen las capas física y de enlace de

datos para el tipo de LAN más popular en el mundo. El cable más común y económico es el UTP (Unshielded

Twisted Pair). El más caro es la fibra óptica, que es más seguro y cubre mayores distancias.

El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) es la institución que ha definido muchos estándares

de Ethernet, como la subcapa 802.3 Media Access Control (MAC) y la subcapa 802.2 Logical Link Control

(LLC). A continuación se muestra una tabla con los tipos de Ethernet más comunes al día de hoy.

Nombre Velocidad Nombre alternativo

Nombre del estándar IEEE

Tipo de cable, longitud máxima

Ethernet 10 Mbps 10BASE-T IEEE 802.3 Cobre, 100 m

Fast Ethernet 100 Mbps 100BASE-TX IEEE 802.3u Cobre, 100 m

Gigabit Ethernet 1000 Mbps 1000BASE-LX, 1000BASE-SX

IEEE 802.3z Fibra, 5 Km (LX) 550 m (SX)

Gigabit Ethernet 1000 Mbps 1000BASE-T IEEE 802.3ab 100 m

El nombre alternativo para cada tipo de Ethernet se refiere a la velocidad en Mbps. La T y TX se refieren al

uso de cable UTP, siendo que la T se refiere a twisted pair o cable cruzado.

Para crear una LAN usando los tipos de Ethernet de la tabla anterior, se requieren: computadoras con una

tarjeta de red instalada (Ethernet Network Interface Card o NIC), un hub Ethernet o un switch Ethernet, y

cables UTP para conectar cada PC al hub o switch. A continuación se muestra una típica LAN moderna que

aplica a todos los tipos comunes de Ethernet. El mismo diseño y topología básicos son utilizados

independientemente de la velocidad y tipo de cableado.


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Fig. 6 LAN pequeña moderna

Casi todas las computadoras tienen una NIC instalada de fábrica, y los switches no necesitan una

configuración para reenviar el tráfico a las computadoras. Una LAN puede ser muy útil incluso fuera de una

WAN, ya que sirve para compartir archivos, compartir impresoras, transferir archivos, gaming (juegos).

La Historia del Ethernet

Los Estándares Ethernet Originales

Las especificaciones Ethernet 10BASE5 y 10BASE2 definieron los detalles de las capas física y de enlace de

datos en las primeras redes Ethernet. Dentro de estas dos especificaciones, las conexiones se realizaban con

cable coaxial, sin hub ni switch o siquiera un panel de cableado. Las series de cables generan un circuito

llamado bus que es compartido entre todos los dispositivos en la Ethernet. Los bits se envían con una señal

eléctrica que se propaga a todos los dispositivos en el Ethernet. Como la red usa un solo bus, si dos o más

señales eléctricas se enviaran al mismo tiempo, colisionarían; así que Ethernet definió una especificación

para asegurar que solamente un dispositivo a la vez envíe tráfico en la Ethernet. Este algoritmo se llama

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), y define cómo es accedido el bus.

El funcionamiento de CSMA/CD se resume de la siguiente manera:

Un dispositivo que desea enviar un frame espera hasta que la LAN esté en silencio (no hay frames

enviándose en ese momento) antes de tratar de enviar una señal eléctrica.

Si una colisión ocurre, los dispositivos que causaron la colisión esperan un cierto tiempo aleatorio e

intentan nuevamente.


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Repetidores

Cuando el máximo permitido para el estándar de cableado debía ser superado, la señal se atenuaba

demasiado (debilitación), así que se desarrollaba un repetidor (repeater). Los repetidores se conectan a

múltiples segmentos de cable, reciben la señal eléctrica en un cable, interpretan los bits como 1s y 0s y

generan una nueva señal limpia y fuerte por el otro lado del cable. Un repetidor no amplifica la señal, así

que no recoge ruido en el camino. El repetidor es un dispositivo de capa 1, ya que no interpreta los bits; sólo

examina y genera señales eléctricas.

Construyendo redes 10BASE-T con Hubs

Las redes 10BASE-T (1990) mejoraron la industria, eliminando la complejidad de instalación del cable coaxial

y sustituyéndolo por un cable telefónico UTP así como cableando cada dispositivo a un punto de conexión

centralizada (hub) generando una topología de estrella, haciendo las implementaciones más económicas.

Los hubs en esencia son repetidores con múltiples puertos físicos, así que aún existía el problema de la

posible colisión.

Fig. 7 Símbolo del Hub

Los switches tienen un mejor desempeño que los hubs, soportan más funciones y cuestan casi lo mismo.

Más adelante se explicará su funcionamiento a detalle.

Fig. 8 Símbolo del Switch


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Cableado Ethernet UTP

Los estándares Ethernet más comunes en estos días (Ethernet 10BASE-T, Fast Ethernet 100BASE-TX y Gigabit

Ethernet 1000BASE-T) usan cableado UTP.

Cables UTP y conectores RJ-45

El cableado UTP usado por los estándares populares de Ethernet incluye dos o cuatro pares de alambres

envueltos en una cubierta plástica como protección a la ruptura. Al final del cable típicamente se tiene un

conector adjunto (normalmente es un RJ-45) y las finalizaciones de los alambres se encuentran insertadas

dentro del conector, el cual tiene ocho zonas llamadas pins donde se insertan los alambres. El sitio donde es

insertado el conector RJ-45 se llama puerto RJ-45 y es ligeramente más amplio que el de telefonía llamado

RJ-11.

Algunos switches marca Cisco tienen algunas interfaces que usan Gigabit Interface Converters (GBIC) o

Small-Form Pluggables (SFP).

Transmisión de Datos Usando Pares Cruzados

El cable UTP consiste en pares de alambres que se encuentran cruzados. Los dispositivos al final de cada

cable pueden crear un circuito eléctrico usando un par de alambres, enviando corriente a través de los

alambres en direcciones opuestas. Cuando hay corriente que atraviesa cualquier cable, esa corriente

provoca un campo magnético fuera del cable, por lo que puede convertirse en ruido eléctrico en otros

alambres dentro del cable. Cuando se tuercen los alambres del mismo par, con la corriente circulando en

direcciones opuestas en cada cable, el campo magnético creado por un alambre cancela la mayoría del

campo magnético creado por el otro cable. Es por esto que la mayoría de los cables de red usan alambres de

cobre y la electricidad usa alambres de pares cruzados para enviar los datos.

Para enviar datos a través del circuito eléctrico creado con un par de alambres, los dispositivos usan un

encoding scheme o esquema de codificado que define cómo la señal eléctrica debe variar en el tiempo para

significar un 0 ó 1 binario.

Pinouts de Cableado UTP para 10BASE-T y 100BASE-TX

Los pinouts de cableado (la opción de qué color de cable debe ser colocado en cuál de los pines) debe ir

conforme a los estándares de Ethernet. Dos industrias (la TIA y la EIA) definen estándares para el cableado

UTP, su codificación de colores y los pinouts en los cables.

A continuación se muestran los Pinouts del estándar de Ethernet EIA/TIA.


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Fig. 9 Pinouts de cableado bajo el Estándar de Ethernet

Un cable UTP requiere dos pares de alambres para 10BASE-T y 100BASE-TX y cuatro pares de alambres para

1000BASE-T.

Las NICs de Ethernet deben enviar datos usando el par conectado a los pins 1 y 2 (el par 3, de acuerdo con el

estándar T568A). Los hubs y los switches hacen lo opuesto: reciben en los pines 1 y 2 y envían en los pines 3

y 6 (el par 2). Con esto se entiende que para conectar una PC con un hub, es necesario utilizar un cable

straight-through o cable derecho, para que la correspondencia sea uno-a-uno. Para crear un cable straight-

through, ambas terminaciones del cable usan el mismo estándar de pinout EIA/TIA en la terminación de

cada extremo.

Cuando se conectan dos dispositivos y ambos usan los mismos pines para transmitir, los pinouts del cable

deben ser intercambiados. Un cable que intercambia los pares de alambres dentro del cable es llamado

crossover cable o cable cruzado.

A continuación se muestran dos imágenes de los pins a los que cada alambre se conecta.

Fig. 10 Alambres que son cruzados en el cable crossover de Ethernet


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Fig. 11 Configuración del cable Crossover de Ethernet

A continuación se muestra una tabla indicando qué pines usan algunos dispositivos para recibir y enviar.

Transmiten en 1,2 y Reciben en 3,6 Transmiten en 3,6 y Reciben en 1,2

NICs de PC Hubs

Routers Switches

Wireless Access Point (interfaz Ethernet) -

Impresoras conectadas directamente a la LAN -

Los cables que conectan switches entre sí son llamados trunks y requieren cables crossover.

Cableado 1000BASE-T

Gigabit Ethernet requiere dos pares de alambres; transmite y recibe simultáneamente por los cuatro

alambres dentro del cable. Los pinouts para su cable straight-through son iguales a los de los estándares

antes mencionados; el crossover también es igual a los anteriores, y también se cruzan los otros pares: el par

en los pines 4,5 con el par en los pines 7,8.


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Práctica: Cable Derecho

Los cables derechos se usan para conectar dispositivos de diferente tipo, ejemplo:

Fig. A

Material

Pinzas de corte y presión RJ-45

Conectores RJ-45

Cable CAT-5e

Pasos para elaborar un cable derecho

1. Tomar un pedazo de cable CAT-5e de la longitud necesaria pero no mayor a 100 m.

2. Cortar la cubierta exterior de plástico, cuidando no trozar ni dañar los alambres del interior ya que

serán utilizados.

Fig. B

3. Se podrá apreciar que los alambres se encuentran enredados en parejas: cada color con su

respectivo color/línea_blanca. Desenredar cuidadosamente los alambres y separarlos unos de

otros.


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Fig. C

4. Acomodar los alambres de acuerdo al estándar T568A ó T568B.

Fig. D

NOTA: Tómese en cuenta el realizar el mismo procedimiento y con la misma combinación (ya sea T568A ó

T568B) en ambos lados terminales, para asegurar la conectividad.

5. Una vez seleccionado el estándar, acomodar los cables y prepararlos para insertarlos en el

conector.


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Fig. E

6. Insertar los alambres hasta el fondo del conector RJ-45, cuidando que queden en el orden deseado.

Fig. F

7. Insertar cuidadosamente el conector RJ-45 dentro de las pinzas de corte y ejercer presión,

verificando que el plástico exterior que cubre el cable quede también dentro del conector, para que

exista una mayor resistencia en el ponchado.

8. Verificar la conectividad, conectando por ejemplo una PC a un switch.

NOTA: Ver video ejemplo: http://www.youtube.com/watch?v=GBESEfonqfw


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Mejorar el desempeño usando Switches en lugar de Hubs

Recordemos que los hubs son una especie de BUS que tiene posibilidades de generar colisiones. También

recordamos que el algoritmo CSMA/CD ayuda a evitar las mismas, aunque no las previene. Este algoritmo

funciona de la siguiente manera:

1. Un dispositivo que tiene un frame para enviar, escucha hasta que el Ethernet no se encuentre

ocupado.

2. Cuando el Ethernet no se encuentre ocupado, el (los) remitentes empieza(n) a enviar el frame.

3. El remitente escucha para cerciorarse de que no ocurrió una colisión.

4. Si ocurrió una colisión, cada uno de los dispositivos que había estado enviando frames envía una

señal de “embotellamiento” para asegurarse de que todas las estaciones reconozcan la colisión.

5. Después de concluida la alerta de embotellamiento, cada remitente espera un tiempo aleatorio

antes de volver a intentar enviar el frame que colisionó.

6. Cuando concluye el tiempo aleatorio, el proceso vuelve a comenzar con el paso 1.

CSMA/CD tiene algunas desventajas. El algoritmo provoca que los dispositivos esperen hasta que la Ethernet

se encuentre en silencio antes de enviar datos. Este proceso ayuda a evitar colisiones, pero también significa

que solamente un dispositivo puede enviar en un instante. Como resultado, todos los dispositivos

conectados al mismo hub comparten el bandwidth (ancho de banda) disponible a través del hub. La lógica

de esperar para enviar hasta que la LAN se encuentre en silencio se llama half duplex, y se refiere al factor

de enviar o recibir únicamente, pero jamás ambos a la vez. Otra desventaja es en el desempeño de la LAN

por tener que esperar tiempo cuando ocurren colisiones, y entre más tráfico haya en la LAN, hay más

probabilidades de que ocurran colisiones.

Incrementar el ancho de banda disponible usando switches

El término dominio de colisión se refiere al grupo de equipos cuyos frames podrían colisionar. Todos los

dispositivos conectados a un hub corren este riesgo y por ello deben usar CSMA/CD.

Fig. 12 Un dominio de Colisión formado por un switch


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Los LAN switches reducen o eliminan el número de colisiones en una LAN, ya que –a diferencia de los hubs-

no crean un solo bus compartido y tampoco reenvían la información a todos los demás puertos. En lugar de

esto, los switches hacen lo siguiente:

Interpretan los bits en el frame recibido para enviarlos solamente al puerto requerido.

Si un switch requiere enviar múltiples frames a un mismo puerto, el switch almacena los frames en

su memoria (buffering), enviando uno solo a la vez y evitando así las colisiones.

La lógica del switch requiere observar el header de Ethernet, lo cual es una característica de la capa 2. Por

ello, se considera que los switches son un dispositivo que opera en capa 2, mientras que los hubs son

dispositivos de capa 1.

Es de importancia comprender que cada uno de los “brazos” que se desprenden de un switch generará un

nuevo dominio de colisión, tal como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 13 Dominios de colisión

Ventajas del uso de switches en lugar de hubs:

Si tan sólo un dispositivo está cableado a cada puerto de un switch, no pueden ocurrir colisiones.

Los dispositivos conectados a un puerto de switch no comparten el ancho de banda con otros

dispositivos conectados a otro puerto del mismo switch, ya que cada puerto tiene su propio ancho

de banda. De esa manera, un switch con puertos 100-Mbps en realidad tiene 100 Mbps por puerto.

Shared Ethernet significa que el ancho de banda de la LAN es compartido entre los dispositivos de la LAN

debido a que necesitan turnarse gracias al algoritmo CSMA/CD.

Switched Ethernet se refiere al hecho de que usando switches el ancho de banda no necesita ser

compartido, permitiendo un mejor desempeño en la LAN.

Doblando el desempeño usando Full-Duplex Ethernet

Cualquier red Ethernet que usa hubs requiere CSMA/CD para trabajar correctamente, mismo que impone

half-duplex en cada dispositivo, por lo que sólo un dispositivo puede enviar a la vez. Debido a que los


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switches almacenan en buffer, éstos con sólo un dispositivo cableado a cada puerto pueden permitir la

operación en full-duplex (enviar y recibir concurrentemente).

Protocolos Ethernet de Enlace de Datos

Ethernet Addressing

El Ethernet LAN addressing identifica dispositivos en forma individual o en grupo dentro de una LAN. Cada

dirección tiene un largo de 6 bytes, usualmente se encuentra en hexadecimal. Por ejemplo: 0000.0C12.3456

Las unicast Ethernet addresses identifican a una sola tarjeta LAN. Los frames serán procesados solamente si

la computadora se “percata” de que la dirección destino es la propia.

La IEEE establece que todas las unicast MAC addresses han de ser globalmente únicas. La información es

grabada en el chip ROM y se llama burned-in address (BIA), donde la primera mitad de la dirección indica la

empresa que manufactura la tarjeta y es llamado OUI (Organizationally Unique Identifier); la segunda mitad

de la dirección lleva un número que esa misma empresa manufacturera no ha utilizado en otra tarjeta.

Fig. 12 Estructura de las Unicast Ethernet Addresses

NOTA: Los sinónimos de unicast address son: LAN address, Ethernet address, hardware address, physical

address, MAC address.

Las group addresses identifican a más de una LAN interface Card y hay dos tipos:

Broadcast addresses con valor FFFF.FFFF.FFFF (notación hexadecimal) e implica que todos los

dispositivos en la LAN deben procesar el frame.

Multicast addresses usadas para permitir que se comunique un subgrupo de dispositivos en la LAN.

Llevan el formato 0100.5exx.xxxx donde cualquier valor puede usarse en la última mitad de la

dirección.

Ethernet Framing

El framing define cómo una cadena de números binarios es interpretada, es el “significado” de los bits

transferidos. El estándar IEEE 802.3 define la localización del campo de la dirección destino dentro de la

cadena de bits enviada a través de la Ethernet.

Un frame hoy en día tiene la siguiente estructura:


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Preámbulo

7

SFD

1

Destino

6

Origen

6

Longitud/Tipo

2

Datos y pad

46 - 1500

FCS

4

Sincronización Indica que

el siguiente

byte inicia

el campo

con la MAC

destino

Recipiente Procedencia Sólo aparece

la longitud de

los datos o

bien el tipo

de protocolo

listado dentro

del frame

Contiene

datos de

una capa

más alta,

típicamente

L3PDU y a

menudo un

paquete IP

Provee de

un método

para

determinar

si el frame

experimentó

errores de

transmisión

Identificando los datos dentro de un Ethernet frame

Cuando un dispositivo recibe un Ethernet frame, éste necesita saber de qué tipo de L3PDU se trata: un

paquete IP, un paquete OSI, SNA, etc. Y para definirlo existe el “campo tipo”, que contiene el código del

protocolo que sigue.

Detección de Error

El Ethernet Frame Check Sequence (FCS) es la detección de error y consiste en el proceso de descubrir si los

bits en un frame cambiaron después de haber sido enviados, normalmente debido a interferencia eléctrica.

Este campo es el trailer del frame de Ethernet. El dispositivo que envía calcula una función matemática

compleja, utilizando el contenido del frame y colocando el resultado en el campo FCS. El recipiente realiza el

mismo cálculo y si determina que el resultado es el mismo entonces no hubo errores de transferencia. Si el

resultado no coincide, entonces hubo un error y el frame es desechado.

NOTA: Este proceso no incluye error recovery, sino simplemente el desecho del frame corrupto. Tampoco

solicita reenvío del frame. Otros protocolos como TCP al percatarse de la pérdida de datos sí implementan el

error recovery.


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Actividad 1.

Asignar el nombre que corresponde a cada componente:

Bridge File Server WAN Switch

Hub Laptop Wireless Router Modem

Router ISDN Multilayer Switch PC


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Actividad 2.

Asignar el nombre a cada conexión:

Straight-Through Console Serial DCE Phone

Serial DTE Coaxial Fiber


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Actividad 3.

Describe los elementos de una RED desde el punto de vista de un usuario si

se tienen los siguientes elementos:

INTERNET PC de casa con tarjeta ethernet Cable Ethernet

Cable CATV Cable Ethernet PC de oficina con tarjeta Ethernet


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Actividad 4.

Describir cada uno de los siguientes términos:

Ethernet

IP

UDP

Frame Relay

STMTP

TCP

POP3

HTTP


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Actividad 5.

Las capas del modelo TCP / IP son:

Network Access Application Internet Transport

(acceso a la red) (aplicación) (internet) (transporte)

¿Cuál es el orden que la Arquitectura TCP / IP tiene?

Capas de la Arquitectura TCP / IP

Por ejemplo:

http, POP3, SMTP

TCP, UDP

IP

Ethernet, Frame Relay


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Actividad 6.

Los cinco pasos de la Encapsulación de Datos en el modelo TCP/IP

Capas:

Network Access Application Internet Transport

Elementos del moises :

IP(2) LT(1) TCP(3) DATA(4) LH(1)


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Actividad 7.

Define los siguientes términos que se usan en el modelo TCP/IP

Frame

Segment (Segmento)

Packet (Paquete)


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Actividad 8.

Las capas del modelo OSI (Open System Interconnection) son:

Presentation Transport Data Link

(presentación) (transporte) (enlace de datos)

Physical Application Session

(física) (aplicación) (sesión)

Network

(red)

OSI


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Actividad 9.

Determinar si se trata de un puerto RJ-45 o conector RJ-45


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Actividad 10.

Escribe en cada línea punteada el tipo de cable que utilizarías para conectar

los dispositivos.


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Actividad 11.

Con los siguientes elementos a completa la Arquitectura TCP / IP.

Application POP3 Transport SMTP

IP UDP TCP Ethernet

Internet Frame Relay

Ejemplos de Protocolos Capas de la Arquitectura TCP / IP HTTP

Network Access


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Actividad 12.

Con los siguientes elementos a completa al modelo OSI y a TCP / IP

Application Transport Physical Network

Internet Presentation Session Ethernet

Transport Data Link


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