Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios Guia de estudio del tema 4

Miguel A. G´omez Hern´andez 12 de noviembre de 2007

1.

Objetivos

Este tema profundiza en el las funciones y protocolos para el nivel 2 en el modelo de referencia OSI. Esto se plantea en el contexto de las redes locales, en las que debido a que la carga generada por las m´ aquinas no es normalmente elevada se utiliza la difusi´ on en un medio compartido. Aunque esta pr´actica est´a remitiendo (cada vez hay m´ as redes locales conmutadas), es conveniente entender que una red de difusi´ on sobre un medio compartido puede ser adecuada a muchos problemas. El tema tratar´a primero aspectos generales de redes locales, y presentar´a el est´andar 802 de IEEE, que cubre los niveles 1 y 2 de OSI (incluyendo tres capas: f´ısica, de acceso al medio, y de control del enlace l´ogico). Despu´es se estudiar´an los aspectos involucrados, profundizando en las t´ecnicas de acceso a un medio compartido. Por u ´ltimo se presentan diversos est´andares dentro de la colecci´on 802 de IEEE, con ´enfasis puesto en 802.3. Los objetivos de este tema, por lo tanto, son los siguientes: Comprender la adecuaci´ on de implementar redes locales como redes de difusi´ on sobre un medio compartido. Valorar la adecuaci´ on de distintas topolog´ıas, de distintas t´ecnicas de acceso al medio compartido, y de las relaciones entre estas. Conocer la arquitectura del est´andar 802 de IEEE para redes locales. Conocer los aspectos m´as generales de los est´ andares 802.2 (control de enlace l´ ogico) y 802.11. El est´ andar 802.3 se deber´a conocer en mayor profundidad. Comprender someramente el funcionamiento de un puente. Desarrollar una capacidad cr´ıtica sobre los conocimientos anteriormente mencionados, que permita, ante la necesidad de montar una red local, proponer justificadamente una soluci´on para los niveles 1 y 2.

2.

Lecturas recomendadas

Este tema cubre aspectos muy variados, que se estudian con muy distinta profundidad en distintas fuentes bibliogr´ aficas. El cap´ıtulo 13 de [Sta00] trata las tecnolog´ıas de redes locales, en el marco del est´andar 802 de IEEE, pero sin describir protocolos concretos. De hecho, se centra m´ as en los aspectos de tecnolog´ıa f´ısica, topolog´ıa e interconexi´on. El cap´ıtulo 14 del mismo libro s´ı describe protocolos del nivel de acceso al medio: el 802.3, el 802.5 y FDDI, y el 802.11. Las t´ecnicas de acceso al medio se describen conjuntamente a los est´andares (observa que el protocolo implica mucho m´as que una t´ecnica de acceso al medio: un formato de trama, una sem´antica de tramas. . . ). Estos dos cap´ıtulos por lo tanto forma una buena fuente de apoyo a este tema. 1

El cap´ıtulo 4 de [Tan03] se centra m´ as en los aspectos de acceso al medio, distinguiendo algo mejor las t´ecnicas de acceso al medio, y los est´andares de IEEE. La parte de puentes est´a fuertemente influida por la idea de conectar redes locales con protocolos de IEEE 802, lo que no es la u ´nica posibilidad, aunque esa visi´ on quiz´ a hace m´as visibles los problemas de los puentes. Esta secci´ on es por lo tanto una lectura muy recomendable para la parte final del tema.

3.

Problemas recomendados

En esta secci´on se recomiendan una serie de problemas, y de preguntas abiertas que pueden ayudarte a repasar los conceptos aprendidos en este tema, y a explorar problemas para localizar las dudas o aspectos m´as interesantes.

3.1.

Problemas

3.1.1.

Problema 1

Las preguntas 6.1 y 6.2 de [LG00] plantean caracter´ısticas interesantes de las LAN. (a) ¿Por qu´e las LAN tienden a ser redes de difusi´on en lugar de usar redes con multiplexi´ on y/o conmutaci´ on? (b) Explica las principales caracter´ısticas de una LAN en t´erminos de topolog´ıa, extensi´on geogr´ afica, tasa binaria, direccionamiento y coste. Para cada caracter´ıstica, ¿puedes encontrar una red LAN que se desv´ıe de lo t´ıpico? ¿Cu´al de las caracter´ısticas mencionadas es m´as caracter´ıstica de una LAN? 3.1.2.

Problema 2

La pregunta 13.1 de [Sta00] plantea por qu´e surge la necesidad de acceso al medio. El problema 6.8 de [LG00] ilustra el mismo aspecto. (a) ¿Se podr´ıa usar HDLC como protocolo de enlace de datos en una LAN? ¿Por qu´e? (Nota: esta pregunta puede interpretarse como “¿Puede HDLC ser el protocolo de control de enlace l´ ogico en una LAN, suponiendo que utiliza los servicios de un protocolo de acceso al medio?” o como “¿Puede HDLC ser el protocolo usado en una LAN, por encima directamente de la capa f´ısica?”) (b) Usa HDLC y Ethernet para identificar tres semejanzas y tres diferencias entre el control de acceso al medio y el control del enlace de datos. ¿Act´ ua HDLC como un protocolo para LAN cuando es usado en modo de respuesta normal en una configuraci´ on multipunto? 3.1.3.

Problema 3

La pregunta 6.8 de [LG00] plantea las relaciones entre capas contiguas, y los servicios ofrecidos por estas. Una aplicaci´ on requiere la transferencia de paquetes del nivel de red entre clientes y servidores en la misma LAN. Explica c´omo puede ofrecerse un servicio de red fiable y orientado a conexi´ on sobre una LAN Ethernet. Realiza un boceto en el que se muestren los intercambios de tramas y paquetes entre las distintas capas de dos m´aquinas involucradas en la transferencia.

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3.1.4.

Problema 4

El problema 6.9 de [LG00] pide calcular el m´ aximo rendimiento de un canal ALOHA. En un canal v´ıa sat´elite a R=56 kpbs se utiliza ALOHA para acceder al medio, envi´ andose tramas de B=1000 bits. ¿Cu´ al es el rendimiento m´ aximo del canal en tramas por segundo? 3.1.5.

Problema 5

El problema 6.24 de [LG00] ilustra una diferencia entre usar una Ethernet compartida o una conmutada. Sup´ on N =10 estaciones en una LAN Ethernet. ¿Cu´al es el ancho de banda m´aximo disponible para cada estaci´on si (a) las estaciones est´an conectadas por un hub a R=10 Mbps. (a) las estaciones est´an conectadas por un hub a R=100 Mbps. (a) las estaciones est´an conectadas por un conmutador a R=10 Mbps. Observa que una cosa es lo m´aximo disponible para cada estaci´ on, y otra es lo m´ aximo que se cursa en la red en su conjunto. Estudia tambi´en este u ´ ltimo par´ ametro. 3.1.6.

Problema 6

El problema 4.15 de [Tan03], m´ as bien relacionado con el tema anterior, pide reflexionar sobre la conveniencia de una topolog´ıa determinada, en lo que concierne a los metros de cableado. Piensa en el resto de aspectos tambi´en. Un edificio de oficinas de siete pisos tiene 15 oficinas adyacentes por piso. Cada oficina tiene un enchufe de pared para una terminal en la pared frontal, por lo que los enchufes forman una ret´ıcula en el plano vertical. Suponiendo que es factible tender un cable recto entre cualquier par de enchufes, horizontal, vertical o diagonalmente, ¿cu´ al de las siguientes redes utiliza m´ as metros de cable, y cu´al menos? (a) Una configuraci´ on en estrella con un solo enrutador en medio. (b) Una LAN 802.3 (c) Una red en anillo, sin centro de cableado. 3.1.7.

Problema 7

La siguiente pregunta es el problema 4.3 de [Tan03]. ¿Qu´e retardo es mayor, el de ALOHA o el de ALOHA ranurado? ¿Por qu´e? 3.1.8.

Problema 8

El siguiente problema, 4.4 en [Tan03], permite observar como la carga del canal es mayor que el tr´ afico en origen, debido a las retransmisiones, cuando se utiliza ALOHA. Para resolverlo utiliza no. las gr´ aficas de las transparencias, o la aproximaci´on de que ex ≈ 1 cuando x es muy peque˜ Diez mil estaciones de reserva de una aerol´ınea compiten por un s´ olo canal ALOHA ranurado. La estaci´on promedio realiza 18 solicitudes por hora. Una ranura dura 125µs. ¿Cu´al es la carga aproximada total del canal?

3

3.1.9.

Problema 9

El problema 6.14 de [LG00] plantea la conveniencia de ALOHA o CSMA/CD desde el punto de vista del rendimiento (hay otros puntos de vista) En una LAN, ¿qu´e protocolo tiene mayor rendimiento, ALOHA o CSMA/CD? 3.1.10.

Problema 10

El problema 6.15 de [LG00] permite entender muy bien el funcionamiento de diversos protocolos de contienda. Un canal en el que se usan t´ecnicas de contienda tiene tres estaciones en un bus en el que el retardo de extremo a extremo es 2τ . La estaci´on A esta situada en un extremo del cable, mientras que las estaciones B y C est´an situadas juntas en el otro extremo. De sus capas superiores han llegando datos, que las capas MAC introducen en tramas y transmiten. Los datos llegan a A, B y C en los tiempos tA = 0, tB = τ /2 y tC = 3τ /2. El tiempo de transmisi´ on de trama es 4τ . Dibuja cronogramas de actividad para estas tres estaciones en el caso de que el acceso al medio se realice mediante (a) ALOHA no ranurado (b) ALOHA ranurado, con un tiempo de ranura 6τ (c) CSMA no persistente (c) CSMA/CD no persistente 3.1.11.

Problema 11

El problema 4.19 de [Tan03] pide calcular la tasa binaria efectiva para una red con acceso al medio CSMA/CD. Nota que la tasa binaria efectiva es la cantidad de datos transportados a la capa superior por unidad de tiempo. El tiempo perdido se debe en parte a los bits de cabeceras transportados (que no son datos de la capa superior), y a los asentimientos. Observa que no se producen colisiones, as´ı que esta es la situaci´on m´ as optimista. Una LAN con CSMA/CD (no la 802.3) de R=10 Mbps y L=1 km de largo tiene una velocidad de propagaci´on de V =200 m/µs. Las tramas de datos tienen B=256 bits de longitud, incluidos H=32 bits de cabecera, suma de comprobaci´on y algo m´ as de informaci´on extra. La primera ranura de bits tras una transmisi´ on con ´exito se reserva para que el receptor capture el canal y env´ıe una trama de acuse de 32 bits. ¿Cu´ al es la tasa binaria efectiva, Ref , suponiendo que no se producen colisiones? 3.1.12.

Problema 12

Este problema plantea una interesante comparativa en rendimiento entre CSMA/CD y token ring. Observa que habla de tasa binaria efectiva. Un token ring de L=1 km de longitud y R=10 Mbps con carga muy alta tiene una velocidad de propagaci´on V =200 m/µs. Hay N =50 estaciones a intervalos uniformes alrededor del anillo. Las tramas de datos son de B=256 bits, de los que H=32 bits son de sobrecarga. Los acuses de recibo se incorporan en las propias tramas de datos, invirtiendo un bit seg´ un la trama pasa por el receptor, por lo que el procedimiento de acuse no consume tiempo. El testigo es de T =8 bits. ¿La tasa binaria efectiva de este anillo es mayor o menor que la de la red CSMA/CD de R=10 Mbps del problema anterior?

4

3.1.13.

Problema 13

El problema 4.21 de [Tan03] ilustra la fuerte limitaci´ on que puede suponer utilizar CSMA/CD sobre el tama˜ no de trama, al obligar a que el transmisor est´e todav´ıa transmitiendo cuando se da cuenta de la colisi´on. Considera la construcci´on de una red CSMA/CD que opera a R=1 Gbps a trav´es de un cable de L=1 km de longitud sin repetidores. La velocidad de la se˜ nal en el cable es de V =200.000 km/s. ¿Cu´al es el tama˜ no m´ınimo de trama? 3.1.14.

Problema 14

La figura 1 muestra dos redes locales interconectadas por un puente no transparente y bien configurado. El puente debe terminar de recibir completamente una trama antes de retransmitirla por la otra interfaz, en caso de que esto fuese necesario. En ambas redes se utiliza Ethernet como protocolo de red local, encapsulando los datagramas IP directamente en tramas Ethernet. andose la se˜ nal a una velocidad V . En ambas Los buses miden LA y LB respectivamente, propag´ redes se transmite con tasa binaria R, tramas que miden B = H2 + D3 bits, de los que D3 son bits generados por el nivel de red y H2 son bits de sobrecarga debido a las cabeceras y colas del nivel MAC, pero a su vez D3 = H3 + D4 se compone de bits de cabecera de nivel de red y bits de datos de nivel de transporte. En el instante t = 0 la estaci´on A1 genera D bytes de datos en su capa de transporte, que son pasados a IP para que los lleve hasta B3 . Tambi´en en el instante t = 0, la estaci´on B3 genera 2D bytes de datos para A1 . Sup´ on que nadie m´ as tiene datos que transmitir durante todo el tiempo que consideres necesario, y que no es necesaria la resoluci´on de direcciones MAC (est´an resueltas en las cach´es de ARP). Asume tambi´en que todos los tiempos de procesamiento son despreciables. En estas condiciones contesta a las siguientes preguntas. (a) Asume que las longitudes de ambos buses son iguales (es decir, LA = LB ). Dibuja el cronograma de las tramas, indicando los tiempos mediante s´ımbolos (ej. ttramaA o tpropB ), explicando con palabras qu´e son esos tiempos. (b) Calcula el tiempo que transcurre desde que se dispone de los datos en el nivel IP de A1 hasta on de LA , LB , V , D, H2 , H3 y R. que se dispone de ellos en el nivel IP de B3 , como una funci´ (c) Calcula num´ericamente el tiempo anterior, suponiendo que LA = LB = 1 km, V =200 m/µs, D=500 bytes y R=1 Mbps. ¿En qu´e se gasta la mayor parte del tiempo? Reflexiona sobre si la reducci´on de LA , LB , D o el aumento de R (cada uno por separado) supondr´ıan una mejora notable de este tiempo? (d) Sup´ on que, adem´ as de los env´ıos anteriores, en t = 1µs la estaci´on A3 tiene datos que transmitir a B2 . ¿En qu´e cambiar´ıan, si cambian, tus respuestas anteriores? No es necesario que dibujes nuevos cronogramas o calcules el nuevo tiempo total. ¿Qu´e datos llegar´ an antes a B2 , los generados por A1 o los generados por A3 ?

3.2.

Cuestiones

A continuaci´ on se plantean una serie de cuestiones sobre las que deber´ıas reflexionar: En temas anteriores se plantearon varios problemas abiertos en los que se deb´ıa montar una red de datos. Piensa ahora que soluciones propondr´ıas para el nivel 2, incluyendo la t´ecnica de acceso al medio, o la recomendaci´on sobre alg´ un est´andar.

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A1

A2

A3

P

B1

B2

B3

Figura 1: Red de datos del problema 14.

Dibuja escenarios en los que varias estaciones comparten un medio, e intercambian tramas. Combina varias topolog´ıas, t´ecnicas de acceso al medio, tama˜ nos de trama. . . Intenta imaginar situaciones en las que todo sale bien, y luego introduce cambios para que se produzcan colisiones. Haz lo mismo suponiendo que hay varias redes interconectadas por puentes. Adem´as, puedes pensar tambi´en en qu´e pasar´ıa si las redes est´an interconectadas por encaminadores (en los que tambi´en est´a presente el nivel de red).

Referencias [LG00] A. Le´ on-Garc´ıa and I. Widjaja. Communication networks: fundamental concepts and key architectures. McGraw-Hill Higher Education, 2000. [Sta00] W. Stallings. Comunicaciones y redes de computadoras. Prentice Hall, Madrid, 6a edici´ on, 2000. Versi´ on original en ingl´es de 2000. [Tan03] A.S. Tanenbaum. Computer networks. Prentice Hall, 4a edici´on, 2003.

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