Redes 1

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Redes 1

• Data Link Layer
• Capa 2

Prof. MSc. Ivan A. Escobar Broitman iescobar_at_campu
s.cem.itesm.mx
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de
Monterrey Campus Estado de México
TC1007
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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)

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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

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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.

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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?

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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.

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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

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Aloha

• Creado en 1970s 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.

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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.

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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.

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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
A
B
C
D
E
Tiempo
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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
• SGe-2G Max G0.5
• Eficiencia 0.184 o 18.

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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
  SGe-G lo cual nos da un uso del canal del 37.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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Modelo Conceptual de CSMA CD
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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.
• Ttotal2T-E para el periódo de contención.

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Detección de Colisión
Una detección de colisión puede tomar hasta 2T.
22
Resumen CSMA/CD

• Tres posibles estados
• Contención
• Período de Contención el intervalo de tiempo en
  el cual una trama es vulnerable a colisiones.
• ? tiempo máximo de propagación de la señal entre
  dos hosts.
• 2 ? 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)
• Transmisión.
• Libre.

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Comparación de Métodos
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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.

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Protocolos IEEE 802

• Son los importantes.
• Cruz son los que se quitaron.
• Flecha abajo son los que estan migrando.

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IEEE 802.2

• Control de Enlace Lógico.
• Independiente de la tecnología.
• Opciones de servicio
• Entrega no confiable de packetes.
• Servicio con ACKs 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.

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IEEE 802.2 y 802.3
28
IEEE 802.3

• CSMA/CD
• Desarrollado inicialmente por Xerox en 1976.
• Comercializado a finales de los 70s.
• Estandar en IEEE 802.3
• Bases Aloha.
• Xerox CSMA.
• Cableado 802.3

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Cableado IEEE 802.3
Tipos de cableado en Ethernet
10 BASE 5
Distancia x 100 metros
Velocidad
Modo de Transmisión
Baseband 1 onda portadora Broadband multiples
ondas portadoras
30
Cableado en Ethernet

• Tres tipos de Cableado
• (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.

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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.

32
Cableado
Topologías (a) Lineal, (b) Espina (c) Árbol,
(d) Segmentada.
33
Ethernet
Arquitectura Original de Ethernet Topologia de
Bus.
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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.

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Métodos de Codificación
(a) Binary encoding, (b) Manchester encoding,
(c) Differential Manchester encoding.
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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
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IEEE 802.3 Subcapa MAC
a)Trama Ethernet b) Trama IEEE 802.3
38
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.

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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.

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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.

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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 stp 72 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
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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.

43
Token Ring

• Longitud física de un bit.
• Cuanto mide un bit?
• Sea una propagación media de 200m/microsec
• 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.

44
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.

45
Operación
46
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.

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Subcapa MAC de Token Ring
a)Formato de Token. b) Formato de Trama.
Tiempo de Retención de token 10 msec.
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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.
• A0 C0 ? destino inalcanzable o apagado.
• A1 C0 ? destino presente pero trama no fue
  aceptada.
• A1 C1 ? destino presente y trama aceptada.

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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.

PPP
RRR
T
M
Campo Access Control
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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.