7. Conmutación Ethernet PDF

7: CONMUTACION ETHERNET ESFINFO5 CONMUTACION DE REDES DE AREA LOCAL Bg. Jose Ignacio Vázquez Arantegui ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7: CONMUTACION ETHERNET 7.1 Trama Ethernet 7.2 Dirección MAC de Ethernet 7.3 Tabla de direcciones MAC 7.4 Velocidades y métod...

7: CONMUTACION ETHERNET ESFINFO5 CONMUTACION DE REDES DE AREA LOCAL Bg. Jose Ignacio Vázquez Arantegui ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7: CONMUTACION ETHERNET 7.1 Trama Ethernet 7.2 Dirección MAC de Ethernet 7.3 Tabla de direcciones MAC 7.4 Velocidades y métodos de reenvío del switch Objetivo: Explicar cómo funciona Ethernet en una red conmutada. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.1 Tramas de Ethernet Encapsulación Ethernet • Ethernet funciona en la capa de enlace de datos y en la capa física. • Es una familia de tecnologías de red definidas en los estándares IEEE 802.2 y 802.3. Objetivo: Explicar la forma en que las subcapas de Ethernet se relacionan con los campos de trama. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.1 Tramas de Ethernet Subcapas de enlace de datos Los estándares 802 LAN/MAN, incluyendo Ethernet, utilizan dos subcapas separadas de la capa de enlace de datos para operar: • Subcapa LLC (control de enlace lógico): (IEEE 802.2) Se comunica entre el software de red en las capas superiores y el hardware del dispositivo en las capas inferiores. Coloca en la trama información que identifica qué protocolo de capa de red se utiliza para la trama. Esta información permite que múltiples protocolos de Capa 3, como IPv4 e IPv6, utilicen la misma interfaz de red y medios. • Subcapa MAC: (IEEE 802.3, 802.11 o 802.15) Responsable de la encapsulación de datos y control de acceso a medios, y proporciona direccionamiento de capa de enlace de datos. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.1 Tramas de Ethernet Subcapa MAC La subcapa MAC es responsable de la encapsulación de datos y el acceso a los medios. • Encapsulamiento de datos La encapsulación de datos IEEE 802.3 incluye lo siguiente: 1. Trama de Ethernet - Esta es la estructura interna de la trama Ethernet. 2. Direccionamiento Ethernet : la trama Ethernet incluye una dirección MAC de origen y destino para entregar la trama Ethernet de NIC Ethernet a NIC Ethernet en la misma LAN. 3. Detección de errores Ethernet : la Trama Ethernet incluye un remolque de secuencia de comprobación de fotogramas (FCS) utilizado para la detección de errores. • Acceso de medios La subcapa MAC IEEE 802.3 incluye las especificaciones para diferentes estándares de comunicaciones Ethernet sobre varios tipos de medios, incluyendo cobre y fibra. Ethernet heredada que utiliza una topología de bus o concentradores, es un medio de dúplex medio (semidúplex) compartido, que utiliza un método de acceso basado en contención (escuchar antes de transmitir), detección de accesos múltiples/detección de colisiones (CSMA/CD). Las LAN Ethernet de hoy utilizan conmutadores que funcionan en dúplex completo, que no requieren control de acceso a través de CSMA/CD. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.1 Tramas de Ethernet Campos de la trama Ethernet (I) El tamaño mínimo de trama de Ethernet es de 64 bytes, y el máximo es de 1518 bytes. El campo preámbulo no se incluye al describir el tamaño de una trama. Cualquier trama de menos de 64 bytes de longitud se considera un "fragmento de colisión" o “trama de ejecución" y se descarta automáticamente. Las tramas de más de 1518 bytes de datos se consideran “jumbos” o tramas bebés gigantes. Si el tamaño de una trama transmitida es menor que el mínimo o mayor que el máximo, el dispositivo receptor descarta la trama. Es probable que los cuadros descartados sean el resultado de colisiones u otras señales no deseadas. Se consideran inválidos. Las tramas jumbo suelen ser compatibles con la mayoría de los conmutadores y NIC Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática Campos de la trama Ethernet (II) 7.1 Tramas de Ethernet Campo Descripción El Preámbulo (7 bytes) y el Delimitador de tramas de inicio (SFD), también llamado Inicio de Trama (1 byte), los Campos Preámbulo campos se utilizan para la sincronización entre el envío y recepción de dispositivos. Estos primeros ocho bytes de y Delimitador de trama son utilizados para llamar la atención de los nodos receptores. Esencialmente, los primeros cuatro bytes le inicio de trama SFD dicen a los receptores que se preparen para recibir una nueva trama. Este campo de 6 bytes es el identificador del destinatario deseado. Como usted recordará, esta dirección es Campo Dirección utilizada por la capa 2 para ayudar a los dispositivos en determinar si una trama está dirigida a ellos. La dirección en MAC de destino la trama es comparada con la dirección MAC en el dispositivo. Si hay una coincidencia, el acepta la trama. Puede ser unicast, multicast o broadcast dirección. Campo Dirección Este campo de 6 bytes identifica la NIC o la interfaz de origen de la trama MAC de origen Este campo de 2 bytes identifica el protocolo de capa superior encapsulado en la trama de Ethernet Los valores Tipo/Longitud comunes son, en hexadecimal, 0x0800 para IPv4, 0x86DD para IPv6 y 0x0806 para ARP. Nota: También puede ver este campo denominado como EtherType, Type o Length. Este campo (46 – 1518 bytes) contiene los datos encapsulados de una capa superior, que es una PDU genérica de Capa 3, o más comúnmente, un IPv4 paquete. Todas las tramas deben tener, al menos, 64 bytes de longitud. Si un Campo de datos paquete pequeño es encapsulado, bits adicionales llamados pad se utilizan para aumentar el tamaño de la trama a este tamaño mínimo. Campo Secuencia de verificación de trama FCS El campo Secuencia de verificación de trama (FCS) (4 bytes) se usa para detectar errores en una trama. Utiliza una comprobación cíclica de redundancia (CRC). El dispositivo de envío incluye los resultados de un CRC en el campo FCS de la trama. El dispositivo receptor recibe la trama y genera una CRC para buscar por errores. Si los cálculos coinciden, significa que no se produjo ningún error, de lo contrario, la trama se descarta. Un cambio en los datos podría ser el resultado de una interrupción de las señales eléctricas que representan los bits. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Dirección MAC y Hexadecimal • Una dirección MAC de Ethernet consta de un valor binario de 48 bits, expresado con 12 valores hexadecimales. • Dado que 8 bits (un byte) es una agrupación binaria común, los binarios 00000000 a 11111111 se pueden representar en hexadecimal como el rango de 00 a FF, • Cuando se usa hexadecimal, los ceros iniciales siempre se muestran para completar la representación de 8 bits. Por ejemplo, el valor binario 0000 1010 se representa en hexadecimal como 0A. • Los números hexadecimales suelen ser representados por el valor precedido por 0x (por ejemplo, 0x73) para distinguir entre valores decimales y hexadecimales en la documentación. • El hexadecimal también puede estar representado por un subíndice 16, o el número hexadecimal seguido de una H (por ejemplo, 73H). Objetivo: Describir la dirección MAC de Ethernet. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Dirección MAC Ethernet En una LAN Ethernet, cada dispositivo de red está conectado a los mismos medios compartidos. El direccionamiento MAC proporciona un método para la identificación del dispositivo en la capa de enlace de datos del modelo OSI. Una dirección MAC de Ethernet es una dirección de 48 bits expresada con 12 dígitos hexadecimales o 6 bytes. Debido a que un byte equivale a 8 bits, también podemos decir que una dirección MAC tiene 6 bytes de longitud. Todas las direcciones MAC deben ser únicas para el dispositivo Ethernet o la interfaz Ethernet. Para garantizar esto, todos los proveedores que venden dispositivos Ethernet deben registrarse con el IEEE para obtener un código hexadecimal único de 6 (es decir, 24 bits o 3 bytes) denominado identificador único de organización (OUI). Una dirección MAC Ethernet consta de un código OUI de proveedor hexadecimal 6 seguido de un valor hexadecimal asignado por el proveedor 6. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Procesamiento de Tramas Cuando un dispositivo reenvía un mensaje a una red Ethernet, el encabezado Ethernet incluye una dirección MAC de origen y una dirección MAC de destino. Cuando una NIC recibe una trama de Ethernet, examina la dirección MAC de destino para ver si coincide con la dirección MAC física que está almacenada en la RAM. Si no hay coincidencia, el dispositivo descarta la trama. Si hay coincidencia, envía la trama a las capas OSI, donde ocurre el proceso de desencapsulamiento. Nota: las NIC Ethernet también aceptan tramas si la dirección MAC de destino es un grupo de difusión o de multidifusión del cual es miembro el host. Cualquier dispositivo que sea la fuente o destino de una trama Ethernet, tendrá una NIC Ethernet y, por lo tanto, una dirección MAC. Esto incluye estaciones de trabajo, servidores, impresoras, dispositivos móviles y routers. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Dirección MAC de unidifusión En Ethernet, se utilizan diferentes direcciones MAC para las comunicaciones de unidifusión, difusión y multidifusión de capa 2. Una dirección MAC de unicast es la dirección única que se utiliza cuando se envía una trama desde un único dispositivo de transmisión a un único dispositivo de destino. El proceso que utiliza un host de origen para determinar la dirección MAC de destino asociada con una dirección IPv4 se conoce como Protocolo de resolución de direcciones (ARP). El proceso que utiliza un host de origen para determinar la dirección MAC de destino asociada con una dirección IPv6 se conoce como Neighbor Discovery (ND). Nota:La dirección MAC de origen siempre debe ser unidifusión. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Dirección MAC de difusión Cada dispositivo de la LAN Ethernet recibe y procesa una trama de difusión Ethernet. Las características de una transmisión Ethernet son las siguientes: Tiene una dirección MAC de destino de FF-FF-FFFF-FF-FF en hexadecimal (48 unidades en binario). Está inundado todos los puertos del conmutador Ethernet excepto el puerto entrante. No es reenviado por un router. Si los datos encapsulados son un paquete broadcast IPv4, esto significa que el paquete contiene una dirección IPv4 de destino que tiene todos los (1s) en la parte del host. Esta numeración en la dirección significa que todos los hosts de esa red local (dominio de difusión) recibirán y procesarán el paquete. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.2 Dirección MAC de Ethernet Dirección MAC de multidifusión Un grupo de dispositivos que pertenecen al mismo grupo de multidifusión recibe y procesa una trama de multidifusión Ethernet. Hay una dirección MAC de destino 01-00-5E cuando los datos encapsulados son un paquete de multidifusión IPv4 y una dirección MAC de destino de 33-33 cuando los datos encapsulados son un paquete de multidifusión IPv6. Existen otras direcciones MAC de destino de multidifusión reservadas para cuando los datos encapsulados no son IP, como el Protocolo de árbol de expansión (STP). Se inundan todos los puertos del conmutador Ethernet excepto el puerto entrante, a menos que el conmutador esté configurado para la indagación de multidifusión. No es reenviado por un enrutador, a menos que el enrutador esté configurado para enrutar paquetes de multidifusión. Debido a que las direcciones de multidifusión representan un grupo de direcciones o “grupo de hosts”, solo se pueden utilizar como el destino de un paquete. El origen siempre tiene una dirección de unidifusión. Al igual que con las direcciones de unidifusión y difusión, la dirección IP de multidifusión requiere una dirección MAC de multidifusión correspondiente. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.3 Tabla de direcciones MAC Nociones básicas de switches Un switch Ethernet de capa 2 usa direcciones MAC de capa 2 para tomar decisiones de reenvío. No tiene conocimiento de los datos (protocolo) que se transportan en la porción de datos de la trama, como un paquete IPv4, un mensaje ARP o un paquete IPv6 ND. El switch toma sus decisiones de reenvío basándose únicamente en las direcciones MAC Ethernet de capa 2. Un switch Ethernet examina su tabla de direcciones MAC para tomar una decisión de reenvío para cada trama, a diferencia de los hubs Ethernet heredados que repiten bits en todos los puertos excepto el puerto entrante. Cuando un conmutador se acaba de encender, su tabla de direcciones MAC está vacía. Nota: A veces, la tabla de direcciones MAC se conoce como “tabla de memoria de contenido direccionable (CAM)”. Objetivo: Explicar la forma en que un switch arma su tabla de direcciones MAC y reenvía las tramas. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.3 Tabla de direcciones MAC Aprendizaje: Examinar la dirección MAC de origen Se revisa cada trama que ingresa a un switch para obtener información nueva. Esto se realiza examinando la dirección MAC de origen de la trama y el número de puerto por el que ingresó al switch. Si la dirección MAC de origen no existe, se la agrega a la tabla, junto con el número de puerto de entrada. Si la dirección MAC de origen existe, el switch actualiza el temporizador de actualización para esa entrada. De manera predeterminada, la mayoría de los switches Ethernet guardan una entrada en la tabla durante cinco minutos. Nota: Si la dirección MAC de origen existe en la tabla, pero en un puerto diferente, el switch la trata como una entrada nueva. La entrada se reemplaza con la misma dirección MAC, pero con el número de puerto más actual. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.3 Tabla de direcciones MAC Reenvio: Buscar dirección MAC de destino Si la dirección MAC de destino es una dirección de unicast, el switch busca una coincidencia entre la dirección MAC de destino de la trama y una entrada en la tabla de direcciones MAC. Si la dirección MAC de destino está en la tabla, reenvía la trama por el puerto especificado. Si la dirección MAC de destino no está en la tabla, el switch reenvía la trama por todos los puertos, excepto el de entrada. Esto se conoce como unicast desconocida. Como se muestra en la figura, el switch no tiene la dirección MAC de destino en su tabla para PC-D, por lo que envía la trama a todos los puertos excepto el puerto 1. Nota: Si la dirección MAC de destino es de broadcast o de multicast, la trama también se envía por todos los puertos, excepto el de entrada. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática Reenvio: Buscar dirección MAC de destino 7.3 Tabla de direcciones MAC Filtrado de tramas A medida que un switch recibe tramas de diferentes dispositivos, puede completar la tabla de direcciones MAC examinando la dirección MAC de cada trama. Cuando la tabla de direcciones MAC del switch contiene la dirección MAC de destino, puede filtrar la trama y reenviar un solo puerto. 1 2 1 ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 2 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Métodos de reenvío de tramas en Swiches Los switches utilizan uno de los siguientes métodos de reenvío para el switching de datos entre puertos de la red: • Conmutación de almacenamiento y reenvío: recibe toda la trama y garantiza que la trama es válida. Si la CRC (comprobación cíclica de redundancia de la FCS) es válida, el switch busca la dirección de destino, que determina la interfaz de salida. Luego, la trama se reenvía desde el puerto correcto. • Conmutación de corte: este método de reenvío de trama reenvía la trama antes de que se reciba por completo. Como mínimo, se debe leer la dirección de destino para que la trama se pueda enviar. Objetivo: Describir los métodos de reenvío de switch y la configuración de puertos disponibles para los puertos de switch de capa 2. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Conmutación de almacenamiento y reenvío Una gran ventaja de la conmutación de almacenamiento y reenvío es que determina si una trama tiene errores antes de propagarla. Cuando se detecta un error en la trama, el switch la descarta. El proceso de descarte de las tramas con errores reduce el ancho de banda consumido por datos dañados. El switching de almacenamiento y envío se requiere para el análisis de calidad de servicio (QoS) en las redes convergentes, donde se necesita una clasificación de la trama para decidir el orden de prioridad del tráfico. Por ejemplo, los flujos de datos de voz sobre IP deben tener prioridad sobre el tráfico de navegación web. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Conmutación de corte En este tipo de switching, el switch actúa sobre los datos apenas los recibe, incluso si la transmisión aún no se completó. El switch almacena la cantidad suficiente de trama como para leer la dirección MAC de destino para que pueda determinar a qué puerto debe reenviar los datos. El switch no lleva a cabo ninguna verificación de errores en la trama. Es adecuado para aplicaciones informáticas de alto rendimiento. A continuación, se presentan dos variantes del switching por método de corte: • Conmutación de avance rápido: - ofrece el nivel más bajo de latencia al reenviar inmediatamente un paquete después de leer la dirección de destino. Como el switching de reenvío rápido comienza a reenviar el paquete antes de recibirlo por completo, es posible que, a veces, los paquetes se distribuyan con errores. La NIC de destino descarta el paquete defectuoso al recibirlo. El switching de envío rápido es el método de corte típico. • Conmutación sin fragmentos: - un compromiso entre la alta latencia y la alta integridad de la conmutación de almacenamiento y reenvío y la baja latencia y la integridad reducida de la conmutación de avance rápido, el conmutador almacena y realiza una verificación de error en los primeros 64 bytes de la trama antes de reenviar. Debido a que la mayoría de los errores y colisiones de red se producen durante los primeros 64 bytes, esto garantiza que no se haya producido una colisión antes de reenviar la trama. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Memoria intermedia de en los conmutadores Un switch Ethernet puede usar una técnica de almacenamiento en búfer para almacenar tramas antes de reenviarlos o cuando el puerto de destino está ocupado debido a la congestión. Método Descripción •Las tramas se almacenan en colas que se enlazan a puertos específicos de entrada y salida. •Una trama se transmite al puerto de salida solo cuando todas las tramas por delante en la cola se han transmitido con éxito. Memoria basada en puerto •Es posible que una sola trama demore la transmisión de todas las tramas almacenadas en la memoria debido al tráfico del puerto de destino. •Esta demora se produce aunque las demás tramas se puedan transmitir a puertos de destino abiertos. Memoria compartida •Deposita todas las tramas en un búfer de memoria común compartido por todos los puertos del switch y la cantidad de memoria intermedia requerida por un puerto se asigna dinámicamente. •Las tramas en el búfer están vinculadas dinámicamente al puerto de destino, lo que permite recibir un paquete en un puerto y luego transmitirlo en otro puerto, sin moverlo a una cola diferente. El almacenamiento en búfer de memoria compartida también da como resultado tramas más grandes que se pueden transmitir con menos tramas abandonadas. Esto es importante con la conmutación asimétrica que permite diferentes velocidades de datos en diferentes puertos. Por lo tanto, se puede dedicar más ancho de banda a ciertos puertos (por ejemplo, puerto del servidor). ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Configuración dúplex y velocidad (I) Dos de las configuraciones más básicas en un switch son el ancho de banda ("velocidad") y la configuración dúplex para cada puerto de switch individual. Es fundamental que la configuración de dúplex y ancho de banda coincida entre el puerto del conmutador y los dispositivos conectados. Se utilizan dos tipos de parámetros dúplex para las comunicaciones en una red Ethernet: • Full-duplex: ambos extremos de la conexión pueden enviar y recibir simultáneamente. • Semidúplex: solo uno de los extremos de la conexión puede enviar datos por vez. La autonegociación es una función optativa que se encuentra en la mayoría de los switches Ethernet y NIC, que permite que Permite que dos dispositivos negocien automáticamente las mejores capacidades de velocidad y dúplex. Nota: los puertos Gigabit Ethernet solo funcionan en dúplex completo. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Configuración dúplex y velocidad (II) La falta de coincidencia dúplex es una de las causas más comunes de problemas de rendimiento en enlaces Ethernet de 10/100 Mbps. Se produce cuando un puerto del enlace funciona en semidúplex, mientras que el otro puerto opera en dúplex completo. Esto sucede cuando uno o ambos puertos de un enlace se restablecen, y el proceso de autonegociación no configura ambos participantes del enlace de la misma manera. También puede ocurrir cuando los usuarios reconfiguran un lado del enlace y olvidan reconfigurar el otro. Ambos lados de un enlace deben tener activada la autonegociación, o bien ambos deben tenerla desactivada. La práctica recomendada es configurar ambos puertos del switch Ethernet como dúplex completo. ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática 7.4 Velocidades de Switch y métodos de reenvío Auto-MDIX Las conexiones entre dispositivos requerían el uso de un cable cruzado o directo. El tipo de cable requerido dependía del tipo de dispositivos de interconexión. Nota: Una conexión directa entre un router y un host requiere una conexión cruzada. Actualmente, la mayor parte de los dispositivos admiten la característica interfaz cruzada automática dependiente del medio (auto-MDIX). Cuando está habilitado, el conmutador detecta automáticamente el tipo de cable conectado al puerto y configura las interfaces en consecuencia. La función auto-MDIX está habilitada de manera predeterminada en los conmutadores modernos. Sin embargo, la característica podría estar deshabilitada. Por esta razón, siempre debe utilizar el tipo de cable correcto y no confiar en la función Auto-MDIX. Auto-MDIX se puede volver a habilitar mediante el comando de configuración de la interfaz automática de mdix . Switch# configure terminal Switch(config)# interface gigabitethernet1/0/1 Switch(config-if)# speed auto Switch(config-if)# duplex auto Switch(config-if)# mdix auto Switch(config-if)# end ACADEMIA DE LOGISTICA – Departamento de Gestión Área de Informática