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1 Basics

• La red Ethernet fue inventada por Metcalfe y Boggs a mediados de los 70 [2] y apareci comercialmente en 1980.
• Han existido y existen diferentes tecnolog’ias, todas estandarizadas por el grupo de trabajo IEEE 802.3.
• Fue la primera en su g’enero y actualmente es la tecnolog’ia predominante en redes de ’area local cableadas.

2 Servicio

• El servicio de Ethernet posee las siguientes caracter’isticas:
  1. Sin conexi’on: los paquetes de datos (com’unmente llamados frames) Ethernet se transmiten sin previo aviso.
  2. No fiable: si un frame llega con errores, Ethernet ’unicamente los desecha. Y si no llega, no hay ning’un tipo de recuperaci’on de errores.
• Es responsabilidad de las capas superiores transformar este servicio en fiable y orientado a conexi’on (cuando sea preciso).

3 Topologies

• Ethernet is a start topology where the switches are the key piece to grow as much as we need. However, designs can incorporate:
  1. Redundant parallel links: useful for bandwidth aggregation and link faul resilience. This is useful also when connecting with servers with several network adapters.
  2. Redundant non-parallel links: useful to protect the network against shitches fails.
  3. Loops: alternative pathds add redudancy againsts general (switches and links) failures.

4 Nomenclature

• Collision domain: Network area where frames collide.
• Broadcast domain: A collection of interconected switches (without a router or a Virtual LAN (VLAN) inside.
• Microsegment: Connection that a switch creates when communicates two network adapters.

5 Port-based VS Shared Memory switches

• Port-based memory switches: Frames are stored in queues (of previously received frames) that are linked to a specific outgoing port.
• Shared memory switches: All incoming frames are stored in a shared memory. The switch keeps a map of frame to port link showing where a packet need to be transmitted.
• The number of frames that can be queued in the switch is normally higher in shared memory switches.

6 Layer 3 switches

• A Layer 3 switch is a router specially designed to be very proficient in the task of packet forwarding (wire-speed routing), but can not run any routing protocol nor use WAN interfaces.

7 Attacks

• MAC Address Flooding: A malicious host changes constantly (with every sent frame) its MAC address in order to overflow the MAC address table of a switch, which is completely populated with unuseful MAC addresses. When this happens, the switch acts like a hub because it can not find any useful entry in its MAC address table and must floods all ports with any incoming frame.

  A solution: control which MAC addresses can contact to the switch.

8 Virtual LANs (VLANs)

VLAN technology allows the separation of large broadcast domains into smaller ones (VLANs). Smaller broadcasts domains limit the number of devices participating in broadcasts and allow devices to be separated into functional groupings. It is possible also to extend a VLAN over several switches, which can be very useful for networks that are geographically distant and can not be conected using a one swhich.

Different VLANs are like different networks.

Switch ports belongs to one o more VLANs.

VLANs are identified by numbers and there is two ranges::

1. Normal Range VLANs: Identified by a VLAN ID between 1 and 1005, where IDs 1002 through 1005 are reserved for Token Ring and FDDI VLANs. Can be managed with by the VLAN Trunking Protocol (VTP)
2. Extended Range VLANs: Identified by a VLAN ID between 1006 and 4094. Normally are used by ISPs to extend their infraestructure to a greater number of customers. Can’t be managed by the VTP.

9 VLAN trunks

The links that connects switches and that transmitt data of different VLANs are called VLAN trunks. Without VLAN trunks, the number of connections between two switched should be equal to the number of VLANs that is defined in both switches. With VLAN trunks, only a link is necessary.

Frames that are transmitten in a VLAN trunk need to be encapsulated in a 802.1Q frame, which adds a header with the tag of the VLAN to that the frame belongs. There is no difference between a the VLAN’s traffic and a LAN’s traffic.

10 Types of VLANs

Frames are tagged with a VLAN number that can be used to classify the frames.

1. Default VLAN: When the switch boots, there is only a VLAN defined, the default VLAN (usually, the VLAN number 1) and all ports belongs to that VLAN. It is always available and it can not be renamed nor deleted. The default VLAN is used for protocols such as the Spanning Tree Protocol (STP).
2. Data VLAN (or user VLAN): A VLAN that is configured to carry only user-generated traffic (email, HTTP, VoIP without QoS, etc.).
3. Voice VLAN: Spefifically defined for carry voice data (VoIP) within a QoS (Quality of Service) context. A switch prioritices voice frames.
4. Native VLAN: Used to send non-tagged (native) frames (those that go over non-trunk ports). If the frame is tagged, the native VLAN drops it. By default, the native VLAN is the VLAN number 1 (the default VLAN). See the IEEE 802.1Q specification for more information.
5. Nanagement VLAN: Used for management purposes (has an IP address asigned).

11 VLAN Switch Port Modes

A port can be configure to support these VLAN types:

1. Static VLAN: Those ports that are manually assigned to a VLAN.
2. Dynamic VLAN: Those ports that are controlled by a VLAN Membership Policy Server (VMPS).
3. Voice VLAN: Those ports that are assigned to a VoIP VLAN, supporting, for example, a IP telephone.

12 Inter-LAN communication using a layer 3 switch

VLANs act like different (separated LANs). If fact, hosts attached to a VLAN or other, dones not notice anything special. For this reason, if a host of one VLAN want to communicate with other hosts of other VLAN we need a router or a layer 3 switch (that are not the same!):

• Inter-LAN communication using a router: A host-X in VLAN-X sends a frame to host-Y in VLAN-Y:
  1. A host-X in the VLAN-X broadcasts an ARP request frame, asking for the MAC address of the gateway MIC (NIC-X address).
  2. The request arrives to the gateway and also to the rest of NICs of the same VLAN-X.
  3. Only the gateway unicasts an ARP reply frame from its NIC-X (remember that the router connects the two VLANs and therefore, there are two links between the router and the switch with defines the VLANs) to host-X.
  4. The host-X receives the ARP reply frame.
  5. The host-X unicasts the data frame to the gateway.
  6. The gateway receives the data frame through its NIC-X.
  7. The gateway broadcasts an ARP request frame, in VLAN-Y, from its NIC-Y asking for the MAC address of NIC of the destination host-Y.
  8. The ARP request arrives to all the NICs connected to VLAN-Y.
  9. Only the host-Y unicasts an ARP reply frame towards the gateway’s NIC-Y.
  10. The gateway’s NIC-Y receives the ARP reply frame.
  11. The gateway unicasts the data frame to host-Y.
• Inter-lAN communication using a layer 3 switch: A host-X in VLAN-X sends a frame to host-Y in VLAN-Y:
  1. A host-X in the VLAN-X broadcast an ARP request frame, asking for the MAC address of the gateway’s NIC (NIC-X address).
  2. The request arrives to the layer 3 switch and also to the rest of NICs of the same VLAN-X (it is not very useful, but the switch floods the frame to the rest of ports that belong to the VLAN-X).
  3. Only the layer 3 switch unicasts an ARP reply frame from its NIC-X to host-X.
  4. The host-X receives the ARP reply frame.
  5. The host-X unicasts the data frame to the layer 3 switch.
  6. The layer 3 switch receives the data frame through its NIC-X.
  7. The layer 3 broadcasts an ARP request frame, in VLAN-Y, from its NIC-Y asking for the MAC address of NIC of the destination host-Y.
  8. The ARP request arrives to all the NICs connected to VLAN-Y.
  9. Only the host-Y unicasts an ARP reply frame towards the layer 3 switch’s NIC-Y.
  10. The layer 3 switch ’s NIC-Y receives the ARP reply frame.
  11. The layer 3 switch unicasts the data frame to host-Y.

13 Direcciones f’isicas

• Cada adaptador de red posee una direcci’on f’isica (tambi’en llamada direcci’on MAC – Medium Access Control –).
• En Ethernet, las direcciones f’isicas poseen 6 bytes y son ’unicas¹ .
• En todos los frames transmitidos figura la direcci’on f’isica del adaptador de red destino.
• La direcci’on f’isica FF-FF-FF-FF-FF-FF es la direcci’on de broadcast de la sub-red. Aquel frame que se dirija direcci’on alcanzar’a a todos los adaptadores conectados a la subred² .
• Las direcciones multicast a nivel de IP se mapean en direcciones f’isicas que comienzan por 01-00-5E. Por tanto, se pueden definir hasta 2¹⁸ direcciones multicast en Ethernet.

14 Estructura del frame

• Todas las tecnolog’ias Ethernet utilizan la misma estructura de frame³ (v’ease la Figura

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  Figure 1: Estructura del frame Ethernet.

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  1).

1. Pre’ambulo (8 bytes): consta de XXXX XXXY donde X = 1010 1010 e Y = 1010 1011. Se utiliza para sincronizar los relojes del emisor y del receptor que miden la duraci’on de los bits del frame.
2. Dir. f’isica destino (6 bytes): dir del adaptador destino.
3. Dir. f’isica fuente (6 bytes): dir del adaptador origen.
4. Tipo (2 bytes): identifica el protocolo usado en la capa de red (IP, Novell IPX, AppleTalk, etc.).
5. Datos (entre 46 y 1.500 bytes): paquete de datos transportado. La capa de red se encarga de la segmentaci’on y del relleno con ceros (si estos fueran necesarios).
6. CRC (4 bytes): CRC-32. Sirve para detectar errores de transmisi’on.

15 Tamaño m’aximo y m’inimo de frame

• Ethernet es incapaz de encapsular un paquete proveniente de la capa de rez que ocupe m’as de 1.500 bytes. Este valor es suficientemente bajo como para que los tiempos de espera de los adaptadores que est’an esperando a transmitir no sea excesivo y suficientemente alto como para que el overhead de las cabeceras sea reducido.
• Ethernet tampoco puede transportar payloads de menos de 46 bytes por la siguiente raz’on. Si sumamos los 18 bits de cabecera que transportan informaci’on (todos los campos excepto los bits de sicronismo) resultan 64 bytes (512 bits). La Ethernet original pod’ia extenderse hasta 200 metros y presentaba un RTT de 50 micro-segundos, aproximadamente. En la Ethernet original la tasa de transmisi’on era 10 Mbps y a esta tasa de bits, 512 bits tardan en inyectarse en el medio 51,2 micro-segundos. Por tanto, cualquier estaci’on estar’ia transmitiendo a’un si ella hubiera provocado una colisi’on. As’i, sabr’ia que tiene que volver a retransmitir el frame.
• En Ethernet de 1 Gbps o m’as el tama no m’inimo de trama aumenta hasta 512 bytes para poder seguir creando segmentos suficientemente largos.
• Cualquier trama con un tama no inferior al tamn no m’inimo se considera como ruido o como el resto de una colisi’on.

16 Ethernet 10Base2

• Creada a principios de los 90, fue una de las primeras redes de ’area local.
• Consigue 10 Mbps usando transmisi’on en banda base y permite enlaces de hasta 200 metros de longitud (de ah’i el “2” en su nombre).
• Los adaptadores se conectan entre s’i usando cable coaxial delgado y conectores en T (v’ease la Figura

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  Figure 2: Morfolog’ia de una red Ethernet 10Base2.

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  2).

• Se trata de una tecnolog’ia donde s’olo existe un dominio de colisi’on. Los frames se propagan en ambas direcciones, alcanzan a todos los adaptadores, van perdiendo energ’ia en su viaje y finalmente mueren (se aten’uan totalmente) en los terminadores (resistencias de 50 Ω). Dicha atenuaci’on es fundamental para que la señal no rebote en los extremos del cable y autocolisione, haciendo imposible la transmisi’on de datos.

16.1 El cable Ethernet coaxial

• En Ethernet de medios compartidos, los enlaces se crean con cable coaxial (v’ease la Figura ??).
• Dependiendo del tipo de cable, la m’axima separaci’on entre nodos conectados a la red var’ia:
  1. Cable coaxial delgado (Thin Ethernet): 200 metros.
  2. Cable coaxial grueso (hick Ethernet): 500 metros.
• Los nodos (hosts y otros dispositivos de conmutaci’on/repetici’on) se conectan mediante conectores BNC (Bayonet Neill-Concelman) (v’ease la Figura

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  Figure 3: Un conector BNC macho (izquerda), un conector BNC en T (centro) y un terminador (derecha). En negro aparece el cable coaxial delgado que constituye el resto del enlace.

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  3).

16.2 El protocolo CSMA/CD en Ethernet

• El adaptador de red intenta transmitir cada frame lo antes posible, pero primero comprueba (durante 96 tiempos de bit) a que no exista señal “portadora” en el medio. Esto se hace para que el medio regrese a su nivel de equilibrio tras un uso anterior⁴
• Si durante una transmisi’on no se detecta una colisi’on, se supone que el frame se ha transmitido con ’exito.⁵ Sin embargo, si se detecta una colisi’on la transmisi’on se aborta inmediatamente y se transmite una señal de jam (atasco) de 48 (32 bits seg’un CISCO) bits iguales a 0.⁶
• Todos los adaptadores que han producido una colisi’on ejecutan el algoritmo de retroceso exponencial binario. Este consiste en:
  1. Sea n ← 1 el n’umero de colisiones experimentadas en la transmisi’on del frame en cuesti’on.
  2. Mientras persista la situaci’on de colisi’on:
     1. Generar un n’umero entero aleatorio uniforme
        K ∈{0,1,,2^m − 1}, donde m = min(n,10).
     2. Esperar K × 512 tiempos de bit antes de retransmitir.
     3. n ← n + 1.
     4. Si n ≥ 16 abortar transmisi’on.

16.3 Eficiencia

• Cuando s’olo existe un nodo emisor, la eficiencia m’axima (te’orica) en Ethernet es 1 (100%).⁷
• Sin embargo, en la pr’actica se ha comprobado que ’esta tiende a:

  donde t_prop es igual al m’aximo tiempo de propagaci’on de una señal entre los adaptadores m’as distantes y t_trans es el tiempo de transmisi’on (inyecci’on en o extracci’on del enlace) del frame m’as largo.

• Como ejemplo, para un enlace Ethernet de 100BaseT de 500 m, una velocidad de propagaci’on de 250000 Km/s, y sabiendo que el tamaño m’aximo de frame en Ethernet es de 1526 B, resulta una eficiencia del 90%, aproximadamente.

16.4 Puentes

• Un puente es el nombre que recibe el dispositivo de conmutaci’on de nivel 2 usado en Ethernet xBase2 y que posee funcionalidades de routing.
• Cuando el tr’afico soportado por un tramo de red es excesivo, pueden definirse diferentes dominios de colisi’on mediante el uso de puentes.
• Los puentes hacen las veces de conmutadores⁸ , permitiendo aumentar el tamaño de la red significativamente.
• La topolog’ia t’ipica es en estrella, aunque pueden darse lazos (v’ease la Figura ??).
• Los puentes aumentan la fiabilidad de la red ya que un fallo en uno de los extremos de un puente no tiene por qu’e afectar en los dem’as [3].
• Los puentes aumentan la seguridad ya que el tr’afico en uno de los tramos s’olo alcanza a los dem’as cuando los datos tienen como destino hosts de dichos tramos [3].
• Los puentes no cambian el contenido de los paquetes de datos que encaminan hacia otros tramos de red. Los puentes no tienen direcciones f’isicas.⁹ Ninguna trama de datos puede tener como destino ’ultimo un puente [3].

16.5 Las tablas de conmutaci’on

• Los puentes poseen una switch table con la estructura presentada en la Figura

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  Direcci’on f’isica	Interface de	Fecha ’ultima
  destino	Conexi’on	recepci’on
  62-fe-43-23-fa-e3	1	13:23
  32-00-aa-a1-fd-39	4	13:22

  
  

  Figure 4: Estructura de una tabla switch table.

  ---

  4.

• La primera columna indica la direcci’on f’isica de los diferentes interfaces de red conectados al puente (directamente o a trav’es de un hub, que es el nombre que recibe un repetidor en Ethernet)¹⁰ la segunda es la boca al que se conecta cada interface y la tercera, el ’ultimo instante en que se ha escuchado a ese interface.

16.6 Flooding (inundaci’on)

• Consiste en retransmitir un paquete de datos por todos los enlaces, excepto por ’el que ha llegado.
• Este comportamiento es necesario para encaminar paquetes hacia hosts que o nunca han hablado, o bien hace mucho tiempo que lo hicieron (al menos no desde que el puente est’a funcionando).

16.7 Encaminamiento multicast

• En Ethernet se permite que un adaptador de red transmita un paquete al resto de adaptadores de red (broadcasting).
• Cuando el paquete de datos va dirigido a la direcci’on de broadcast de la LAN, los puentes retranmiten el paquete a todos los segmentos de red (inundan la red).
• Para evitar bucles de retransmisi’on¹¹ , se utilizan s’olo aquellos enlaces que pertenencen el ’arbol de expansi’on de la red.

17 Network redundancy implies error resilience

Link and node (switch) redundancy is a way to create a fault-resistant networks. For this reason, physical loops are common because if there is a failure in one of the paths, there is other one to transmmit the data.

Due to a switch floods a frame when the destionation MAC address of the frame is unknown, the same frame can return to the switch through a loop. This can result in duplicate frames arriving at the destination device.

Moreover, when broadcast frames are used, a loop causes a broadcast strorm because each switch floods the frame that returns to the switches through the loop. Thus, in each iteration of the loop, switches floods an extra frame (the frame that has been by error because the loop), consumming all the available bandwidth.

17.1 El ’arbol de expansi’on (spanning tree)

• Es la subred formada por todos los conmutadores de la red y por un subconjunto de enlaces de dicha red, de forma que conforman un grafo sin lazos (un ’arbol).
• Usando el ’arbol de expansi’on es posible hacer llegar un paquete de datos a todos los segmentos (enlaces) de la red sin provocar bucles infinitos de retransmisi’on de paquetes de datos.
• Los conmutadores definen el ’arbol de expansi’on usando el Spanning Tree Protocol.

17.2 The Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 203.1D)

• STP ensures that there is only one logical path between all destinations on the network by blocking redundant paths that could cause a loop (physical paths still exist to provide error resilience, but they are disabled for normal – data – traffic).
• Se utiliza para que los puentes definan sus tablas de conmutaci’on de forma que durante el proceso de encaminamiento unicast o multicast, no se produzcan lazos infinitos de retransmisi’on.
• Los puentes necesitan hablar entre s’i, y por tanto referenciarse. El STP define que cada puente debe poseer un identificador ’unico de 64 bits (bridge ID). Los 16 bits m’as significativos son especificables por el administrador del puente y por defecto valen 0x8000. El resto de bits son especificados de forma ’unica por el fabricante. El primer paso del STP consiste en designar un puente ra’iz (root bridge) y por definici’on ’este ser’a el de menor bridge ID. El administrador deber’ia designar un puente ra’iz que quedara m’as o menos en el centro topol’ogico de la red.
• Adem’as, cada puerto de un puente concreto tiene un identificador ’unico de 16 bits (port ID). Si no se usa el STP, el byte m’as significativo (que por defecto vale 0x80) puede ser especificado por el administrador del puente y el menos significativo lo elige el fabricante de forma que siempre se cumple la unicidad. Si se usa el STP, ’este definir’a los ports ID¹² . De una forma un otra, el menor ID siempre deber’ia pertenecer al camino de menor coste hacia el puente ra’iz.
• El coste de un enlace se define en funci’on de su tasa de transmisi’on. A mayor tasa, menor coste. Un ejemplo de asignaci’on de costes aparece en la Figura

  ---

  Tasa de bits	Coste
  4 Mbps	250
  10 Mbps	100
  16 Mbps	62
  100 Mbps	19
  1 Gbps	4
  10 Gbps	2

  
  

  Figure 5: Costes recomentados por la norma IEEE 802.1 para el STP.

  ---

  5.

• El puente ra’iz env’ia a la direcci’on f’isica multicast 01-80-C2-00-00-00 un paquete llamado BPDU (Bridge Protocol Data Unit). En este paquete, entre otra informaci’on, se env’ia el coste acumulado para alcanzar el puente ra’iz. En este primer env’io, el coste es 0.¹³
• Cada puente directamente conectado al puente ra’iz recibe un BPDU e incrementa el coste en funci’on de la tasa de bits del enlace por el que lo ha recibido. Tras esto hace un flooding del BPDU, usando de nuevo la direcci’on multicast. Evid’entemente, los puentes van a recibir m’ultiples BPDU’s. Sin embargo, s’olo van a retransmitir aquellos paquetes de coste m’inimo.
• Los enlaces por los que se han transmitido los BPDU’s de coste m’inimo conforman el ’arbol de expansi’on.¹⁴ El STP modificar’a las tablas de conmutaci’on de forma que habr’a una ruta por defecto para aquellos paquetes de datos que no vayan dirigidos a adaptadores de red directamente conectados a un puente, y dichas rutas seguir’an el ’arbol de expansi’on.
• Peri’odicamente (t’ipicamente cada 5 minutos) el STP se re-ejecuta. Esto permite adaptarse a cambios en la red. Sim embargo, en entornos con una alta probabilidad de fallos, como pueden ser las redes instaladas en contextos industriales, la IEEE 802.1w propuso el Rapid STP (RSTP) que tiene un tiempo de respuesta frente a cambios topol’ogicos de 1 segundo [1].

18 Brigde ID (BID)

The STP defines that each bridge has a 64-bit Bridge Identificator (BID). The 16 MSBs are specified by the bridge administrator and, by default, it is set to 0x8000. The rest of bits are specified by the manufactorer of the bridge (like in the Ethernet NICs).

The 16 MSBs is composed of 4 MSBs which represent the bridge priority and 12 LSBs with the extended system ID. This ID is the ID of the VLAN with shiwh the BPDU is associated.

19 BPDU frames

The STP determines a root bridge for the spanning-tree instance by exchanging BPDUs.

20 Algorithm for the selection of the root bridge

• When a bridge is power on, it thinks that it is the root bridge.
• Each bridge maintais local information about its own BID, root BID and the cost of the path to the root.
• BPDU frames are not forwarded. BPDU frames are computed and flooded, by default, every 2 seconds.
• To determine the cost and root BID in a BPDU frame, the bridge checks if the root BID received in a BPDU is lower than its localoot BID, it updates the local root BID, it adds the cost of the receiving ling to the cost to the root BID and includes this information in the future BPDF messages.
• After a number of iteration that depends on the size of the network, all the briddes determines the root BID and the cost to reach it.

21 Port cost

Costes recomentados por la norma IEEE 802.1 para el STP.

22 The Spanning Tree Algorithm (STA)

Determines which ports of the bridges on a broadcast domain need to be configured for blocking to prevent loops from ocurring.

1. Determine the root bridge: The root bridge is the one with the lowest BID. Each bridge sends out BPDU frames containing the BID and the root ID¹⁵ every 2 seconds. When a bridge receives a BPDU, computes the minimun of the actual root IP it has and the received in the BPDU, updates its root ID and replaces the root IP by the minimun on the flooded BPDU.
2. Each bridge determines the best path to the root bridge: The path information if determined by summing up the indivial port costs along the path from the destination to the root bridge. The port with the lowest cost path to the root is selected to belongs to the spanning-tree. If a bridge has two paths with the same cost, the bridge with lower BID is selected to be in the spanning tree. In any case, when a port is designed for beeing in the spanning tree, there is a forward delay (15 seconds by default) in which the bridge waits to use that port. This prevents from oscillations in the learned topology.

23 Port clasification

1. Root ports: Only exists on non-root bridges and only one per bridge. It is the port with the lowest path cost to the root bridge.
2. Designated ports: For the root bridge, all ports are designated ports. For non-root bridges, only exist one per bridge and is the port. A port is a designated port if in the other extreme of the link, the bridge has classified his port as root.
3. Non-designated ports: The rest of ports.

24 Largest network diameter

A seven-bridge diameter is the largest diameter that STP permits because of convergence times (time that it takes to recalculate the spanning tree if a bridge or a link fails). This time is, in average, of 14 seconds. A link is considered broken if has not transmited 10 consecutive BPDUs (no BPDU nothing received in 20 seconds). When this happens, the bridge send a message to the root bridge which broadcast the change to the rest of bridges which re-run the SPA.

25 The Rapid STP (RTSP, IEEE 802.1w)

A newer and much faster version of the STP (from up to 50 seconds to uo to 6 seconds). The key is to define alternate or backup ports that can be inmediately used in case of network change.

It is backward compatible witn 802.1D.

26 Multiple STP (MSTP

Allow to use VLANs in the same spanning-tree instance.

27 Ethernet conmutada

• Probablemente influenciados por la tecnolog’ia de transmisi’on de datos ATM, los diseñadores de la red Ethernet decidieron cambiar los enlaces compartidos por enlaces punto a punto full-duplex. El motivo: no existen colisiones ya que s’olo hay dos adaptadores de red conectados a cada enlace, uno el del conmutador¹⁶ o del hub¹⁷ y otro el del host (u otro conmutador/hub). Hay otra forma de indicar esto mismo y es que podemos entender que un conmutador crea un dominio de colisi’on diferente para cada boca y si s’olo conectamos un host (o un switch) a cada boca, es imposible procovocar colisiones.
• La topolg’ia t’ipica de una red Ethernet conmutada es la de estrella, aunque tambi’en pueden crearse redes con ciclos.

27.1 Concentradores (hubs)

• Los concentradores (o hubs) son b’asicamente repetidores (dispositivos de regeneraci’on de señales digitales que funcionan a nivel de la capa f’isica) copiando a sus salidas los bits que llegan a una de sus entradas (v’ease la Figura

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  Figure 6: Una red Ethernet que usa hubs.

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  6).

• Como repetidores digitales, sirven para regenerar las señales durante largos tr’ansitos o situaciones extremas de ruido [2].
• No entienden los protocolos de la capa de enlace de datos (ni por supuesto los superiores).
• No crean dominios de colisi’on, s’olo los extienden. En este sentido todos los nodos que se conectan mediante un hub acceden al medio usando CSMA/CD.

27.2 Conmutadores (switches)

• Los conmutadores Ethernet son dispositivos de conmutaci’on de paquetes de datos que funcionan a nivel de la capa de enlace de datos.
• A diferencia de los hubs, pueden interconectar diferentes tecnolog’ias Ethernet.
• Tambi’en a diferencia de los hubs, separan los dominios de colisi’on. Por ejemplo, en la red mostrada en la Figura

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  Figure 7: Una red Ethernet con hubs y un conmutador.

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  7 existen 3 dominios de colisi’on diferentes, uno para cada departamento. En la Figura

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  Figure 8: Otro ejemplo de red Ethernet que utiliza conmutadores.

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  8 se presenta otro ejemplo algo m’as complejo.

• Como se desprende de los anteriores ejemplos, los switches deben ejecutar el protocolo CSMA/CD s’olo cuando el enlace involucrado no sea full-duplex (que normalmente lo es).

27.3 El cable usado en Ethernet conmutada

• Utiliza el conector RJ-45 (Registered Jack), que posee 8 contactos (v’ease la Figura

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  Figure 9: El conector RJ-45 usado en Ethernet conmutada.

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  9).

• Existen dos tipos de cables:
  1. El cable directo (straight-thru), que se reconoce por tener id’enticos terminales. Se utiliza para conectar dispositivos diferentes (PC-switch, por ejemplo). V’ease la Figura

     ---

     
     

     Figure 10: Conexi’on straight-thru para Ethernet 10 y 100 BaseT. Arriba, la norma A. Abajo la B.

     ---

     10.

  2. El cable cruzado (crossover) que se reconoce por tener terminales diferentes. Se utiliza para conectar dispositivos iguales (PC-PC, por ejemplo). V’ease la Figura

     ---

     
     

     Figure 11: Conexi’on crossover para Ethernet 10 y 100 BaseT. Arriba, la norma A. Abajo la B.

     ---

     11.

• Existen 2 normas (A y B), que cambian en los colores que se le asignan a los cables. Por supuesto, esto no afecta a la funcionalidad del cable.
• Finalmente, los cables pueden estar blindados (STP - Shielded Twisted Pair), o no (UTP Un-shielded Twisted Pair), y tener m’as o menos trenzas. El STP es mejor que el UTP y cuantas m’as trenzas existan, tambi’en mejor (v’ease la Secci’on ??). Adem’as, el n’umero de trenzas del par que se utiliza para enviar no debe ser m’ultiplo del n’umero de trenzas del par que se utiliza para recibir, para evitar la diafon’ia (cross-talk).

27.4 Encaminamiento usando conmutadores

• Id’entico al encaminamiento usando puentes.

27.5 Ethernet 10BaseT y Ethernet 100BaseT

• Son las m’as usadas actualmente.
• 10BaseT utiliza codificaci’on Manchester.
• Funcionan (respectivamente) a 10 Mbps y a 100 Mbps, transmiten en banda base y utilizan (t’ipicamente) par trenzado (T).
• Usando par trenzado de cobre no suele ser posible separar m’as de 100 metros el concentrador de ninguno de los nodos. Para mayores distancias se puede utilizar fibra ’optica que es mucho menos sensible al ruido.

27.6 El cable Ethernet 10BaseT y Ethernet 100BaseT

• En 10BaseT y 100BaseT s’olo se usan (de los 8 posibles) 4 hilos, dos para enviar y otros dos para recibir. Los hilos 4, 5, 7 y 8 no se utilizan.
• El cable directo conecta los contactos 1 (Tx_D1+¹⁸ ), 2 (Tx_D1-¹⁹ ), 3 (Rx_D2+²⁰ ) y 6 (Rx_D2-²¹ ) de un conector con los respectivos contactos del otro conector. V’ease la Figura 10.
• El cable cruzado conecta los contactos 1 (Tx_D1+), 2 (Tx_D1-), 3 (Rx_D2+) y 6 (Rx_D2-) de un conector con los contactos 3 (Rx_D2+), 6 (Rx_D2-), 1 (Tx_D1+) y 2 (Tx_D1-) del otro conector, respectivamente. V’ease la Figura 11.

27.7 Ethernet 100Base{T—F}X

• Igual que 100BaseT, pero:
  1. Utiliza la codificaci’on 4B/5B.
  2. Requiere cableado UTP Cat5 o superior (TX) o fibra ’optica (FX).

27.8 Ethernet Gigabit Ethernet (1000BaseT) y Ethernet 10 Gigabit

• Son mejoras de (y compatibles con) las normas 10BaseT y 100BaseT que permiten alcanzar 1 Gbps y 10 Gbps, respectivamente.
• Para cobre, utiliza codificaci’on 4D-PAM5²² .
• La transmisi’on y recepci’on de datos se realiza a la vez en cada par (usando una selecci’on adecuada de voltajes para los s’imbolos 4D-PAM5 se puede deshacer la colisi’on de dos s’imbolos).
• En fibra, se usa la codificaci’on 8B/10B.

27.9 El cable Ethernet Gigabit (1000BaseT) y Ethernet 10 Gigabit

• Utiliza 8 hilos (4 pares). Es compatible con las normas “inferiores”.
• El cable directo conecta los contactos 1 (TX_D1+), 2 (TX_D1-), 3 (RX_D2+), 4 (Bi_D3+), 5 (Bi_D3-), 6 (RX_D2-), 7 (Bi_D4+) y 8 (Bi_D4-) de un conector con los respectivos contactos del otro conector. Bi_D = Bidirectional Data. V’ease la Figura 10.
• El cable cruzado conecta los contactos 1 (TX_D1+), 2 (TX_D1-), 3 (RX_D2+), 4 (Bi_D3+), 5 (Bi_D3-), 6 (RX_D2-), 7 (Bi_D4+) y 8 (Bi_D4-) de un conector con los contactos 3 (RX_D2+), 6 (RX_D2-), 1 (TX_D1+), 7 (Bi_D4+), 8 (Bi_D4-), 2 (TX_D1-), 4 (Bi_D3+) y 5 (Bi_D3-) del otro conector, respectivamente. V’ease la Figura 11.

27.10 El cable 1000BaseSX y 1000BaseLX

• Utilizan dos fibras ’opticas, una para enviar y otra para recibir.

28 Resumen

Ojo, hay verbatim oculto!

29 Encaminamiento entre BSSs

• Supongamos la red de la Figura

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  Figure 12: Dos BBSs unidas por un conmutador.

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  12, donde el host H₁ env’ia un frame al host H₂. Estos son todos los frames que se generan:

  1. H₁ genera un frame WiFi con destino AP₁ y con la estructura:

     

  2. AP₁ recibe el frame y genera un frame Ethernet con destino H₂, pero que pasa primero por S:

     

  3. Cuando S recibe el frame genera otro frame Ethernet con destino H₂, pero que pasa primero por AP₂:

     

  4. Cuando AP₂ recibe el frame, genera otro WiFi con destino H₂.

  

30 Mobilidad entre BSSs

• Supongamos que en el ejemplo de la Figura 12, H₁ se mueve desde la BSS₁ a la BSS₂.
• Cuando se usa un hub para conectar las BSS no existen problemas para entregar los frames al nodo m’ovil ya que todos los frames se retransmiten a todas las BSSs. Sin embargo, cuando hay un conmutador ’este debe actualizar su switch table lo m’as frecuentemente posible (idealmente, en cuanto H₁ se asocia a AP₂).

References