Desarrollando una red (Topologías de Redes LAN)

Escogiendo la topología de red correcta

Una topología se refiere la forma en que los dispositivos de red son conectados.
Una topología física se refiere a la distribución física de los puntos finales y los cables conectados, existen tres principales categorías de topologías físicas las cuales son las siguientes:

• Bus
• Anillo
• Estrella
• Malla

Una topología lógica refiere a la manera en que la señales viajan de un punto final a otro punto final, las topologías física y lógicas puedes ser la mismas o diferentes. Un ejemplo de esto es una red en la cada punto final es conectado con todos los otros puntos finales (una red de malla) pero las señales fluirán solo en orden secuencial (topología de anillo).

Como se muestra en la figura un bus o bus lineal conecta todos los dispositivos con un solo cable, el final de cable se debe de conectar a un dispositivo u un terminador de lo contrario las señales rebotaran de regreso y causaran errores. Solo un paquete puede ser trasmitido a la vez en un bus, o los paquetes colisionaran y serán destruidos (y tendrán que ser reenviados).

En la siguiente figura se muestra una topología de anillo, el frame viaja en una orden lógico alrededor del anillo, va de una estación a la siguiente, si la estación espera a enviar datos, este es añadido al frame, el frame continua viajando alrededor del anillo y el dato es removido en el host destino, el frame, entonces continua en un solo anillo lo datos viajan en una sola dirección, en un entorno de anillo dual ( dos anillos) cada anillo envía datos en diferente dirección, dos anillos crean redundancia o tolerancia a fallos, lo que significa que si falla alguno de los anillos, el sistema puede seguir operando. Si alguna parte o ambos anillos fallas, una conexión entre los dos anillos puede solucionar el problema.

La topología de estrella son las más comunes en una LAN Ethernet, como se muestra en la figura la topología de estrella tiene una conexión central (una hub, switch o router) done se conectan todos los dispositivos finales. La topología de estrella es más costosa que las otras topologías pero son más tolerantes a fallos debido a que si un cable falla solo afectan a un solo host en la red, la desventaja es que si el dispositivo central falla, el sistema completo falla también.

En una topología de estrella extendida, en dispositivo de red central es conectado a los otros dispositivos de red y después los cuales son conectado a las estaciones finales

En una topología de malla completa, todos los dispositivos están conectados con todos los demás dispositivos. Con este tipo de topología existe una excelente redundancia, pero para redes con muchos dispositivos se vuelve complicada y costosa. Las topologías de malla parcial las cuales un solo dispositivo tiene múltiples conexiones, ofrecen buena redundancia sin ser muy costosa

El último tipo de topología de red es una que no requiere el uso tradicional de conexiones de cable, como son las redes inalámbricasque usan las radiofrecuencias (RF) o infrarrojas (IR) son ondas que transmiten datos sobre una LAN. Para que los dispositivos puedan comunicarse con la red, es necesario que sean instaladas adaptadores (Wireless NIC). Las redes inalámbricas les dan a los diseñadores de red nuevas opciones, debido que no es necesario un medio físico para conectar las estaciones finales (lo que es excelente en las instalaciones de redes en edificios u oficinas cuyo espacio para cableado es inadecuado).

Los desafíos de las LANs compartida

Un segmente Ethernet es una conexión de red echa por un solo cable continuo. Estos segmentos solo pueden abarcar un límite físico de distancia. Cualquier transmisión más a hay de los límites físicos degradara su señal, en la siguientes tabla se muestran los límites de distancia por segmento.

Extender un segmento LAN

Aunque los segmentos Ethernet tienes limitaciones en cuanto a distancia se refiere, podemos extender un segmento añadiendo repetidores, Hubs, or switches.
Los repetidores son dispositivos de capa 1 que amplifican la señal de un segmento a otro.
Los Hubs son comúnmente llamados concentradores o repetidores Ethernet, son segmentos Ethernet independientes. Todos los dispositivos conectados a un Hub compiten por l la misma cantidad de ancho de banda. Los Hubs permiten añadir y remover computadoras sin deshabilitar la red pero no crean dominios de colisión adicionales. Los Hubs no ofrecen filtrado y reenvían el tráfico a todos sus puertos sin tener en cuenta hacían donde va destinado. En cambio los Switches son dispositivos de capa 2 que amplifican la señal y usan información de capa 2 para enrutar el tráfico.

Colisiones y Dominios de Colisión

En un segmento Ethernet tradicional, todos los dispositivos compiten por el ancho el mismo ancho de banda, a estos segmentos que comparten el ancho de banda se les llama dominios de colisión, así mismo todos los dispositivos en ese dominio de colisión reciben todas la señales enviadas en ese segmento de red, pero ¿qué es una colisión?.
Una colisión ocurre cuando dos o más estaciones “escuchan” el tráfico en un segmento de red, en determinado momento no escuchan nada y comienzan a transmitir al mismo tiempo, la transmisión simultánea choca o colisiona, el paquete transmitido se destruye y se debe reenviar por lo que cada estación reenvía el paquete después de dejar pasar un tiempo al azar (a esto se le llama Algoritmo Backoff).
Con forme el número de estaciones se va incrementando las colisiones también se incrementan hasta el punto en el que es sistema es virtualmente inutilizable debido a que las colisiones ocurren constantemente. Las colisiones son producto de CSMA /CD. Como la red va creciendo los dispositivos intentan transmitir al mismo tiempo resultando en más colisiones. Los Repetidores y los Hubs amplifican la señal e incrementan el límite de distancia, sin embargo no pueden disminuir las colisiones.
Los dominios de colisión son un grupo de dispositivos conectados al mismo segmento de red de tal manera que si dos dispositivos accesan al medio al mismo tiempo, va a ocurrir una colisión

Solución de problemas de una red con tecnología de conmutación LAN (Switching)

Conforme las redes van creciendo y evolucionando las congestiones también se van incrementando. Estos son algunas causas de congestión más comunes.

• Incremento de la velocidad y performance en la PC
• Incremento de datos en la red
• Aplicaciones con necesidades de ancho de banda superiores

Puentes/Bridges

Los puentes o bridges fueron usados en un comienzo como una solución de red ante las congestiones. Los bridges se basan en un concepto llamado segmentación para permitir más estaciones finales se integren a la LAN (se le llama escalamiento). La segmentación es un método para dividir los dominios de colisión. Los Bridges son más inteligentes que los Hubs y puedes reenviar o bloquear el tráfico, esto basado en la dirección destino del frame de datos (en cambio los Hubs solo envían el frame por todos sus puertos hacia todas las estaciones finales).

Switches

Realmente los switches de capa dos en comparación con los puentes o Bridges son más rápidos mucho más inteligentes y a diferencia de los de los birdges los switches puedes procesar frames basándose en software aunque también pueden procesar frames mediante hardware usando una aplicación específica de circuitos integrados (ASICs). Los switches tienen las siguientes características:

• Back-plane de alta velocidad: un circuito impreso que permite al switch monitorear multiplex conversaciones, lo cual incrementa la velocidad total de la red
• Bufering de datos: un bufer en un almacenaje en memoria. Esta función le permite al swich almacenar frames y reenviarlos a su puerto correspondiente.
• Alta densidad de puertos: La densidad de puertos es el número de puertos disponibles en un solo dispositivo (un switch puede llegar a tener cientos de puertos)
• Puertos de alta velocidad: los Switches pueden soportar diversas velocidades en sus puertos que van de los 10 Mbps a Mbps a los 10 Gbps.
• Menor latencia: La latencia es la medida de tiempo que le toma a un frame entrante salir de nuevo de switch.
• LANs virtuales (VLAN): Los switch pueden agrupar segmentos de red lógicos dentro de dominios de broadcast separados.

Todas estas características permiten la microsegmentacion, medio por el cual cada estación final cuenta con un puerto dedicado. Este elimina las colisiones, debido que cada dominio de colisión tiene una sola estación final.
A través de estas características se pueden reducir algunos problemas de congestión, aun así PCs más rápidas pueden inundar la red con su tráfico, los broadcast y multicast pueden contribuir de forma importante a la congestión de la red.

Modos de transmisión de frames en un switch.

Estas son tres de los principales modos de transmisión de un switch:

• Corte y envió: el switch verifica la dirección destino e inmediatamente comienza a reenviar el frame. Este método puede reducir la latencia pero puede transmitir frames que contengan errores
• Almacenamiento y envió: El switch espera a recibir el frame completo antes de enviarlo, el frame completo es leído y se verifica el CRC ( ciclyc redundant check ), si el CRC está mal el frame es descartado. La latencia de incrementa en función de la longitud del frame.
• Libre de fragmentos (Corte y envió modificado): El switch lee los primeros 64 bytes antes de enviar. ( el número mínimo de bytes necesarios para detectar y filtrar una colisión saliente en 64 bytes)

Como los switch fragmenta una red Ethernet

Los switches realizan tres funciones principales en la segmentación de una red: filtrado, reenvió e inundación
Los switches realizan estas funciones siguiendo los siguientes métodos:

• Lectura de MAC address (Learning): Los switches leen la MAC address de los dispositivos conectados a cada uno de sus puertos, y estas direcciones son almacenadas en una base de datos MAC address llamada Tabla MAC, la cual relaciona las direcciones MAC de los frame recibido con los puertos por los cuales los está recibiendo.
• Reenvió y Filtrado (Forwarding / Filtering): El switch determina hacia qué puerto debe de ser enviado el frame para que llegue a su destino, si la dirección es conocida, el frame es enviado únicamente por ese puerto, si la dirección es desconocida el frame es inundado o enviado por todos los puertos del switch menos por el puerto por el cual fue recibido.
• Inundación (Flooding): Los switches inundan todos los frames desconocidos, broacats y multicats hacían todos los puertos menos por el puerto por el cual lo recibió.

Los switches en acción

Un switch usa la tabla MAC cuando envía paquetes a los dispositivos, cuando el switch es encendido su tabla MAC esta vacía, con esta tabla MAC vacía el switch debe de aprender las direcciones MAC de los dispositivos conectados.
Paso 1:
Inicialmente la tabla MAC del switch esta bacía
Paso 2:
La Estación A con la dirección MAC envía una un frame a la estación C, cuando el switch recibe este frame hace lo siguiente:

Como la tabla MAC esta bacía, el switch debe inundar el frame por todos los puertos (excepto por el puerto E0 que es por donde recibió el frame)

El switch toma nota de la dirección MAC del dispositivo origen y la asocia con el puerto E0 en la entrada de la tabla MAC

Paso 3
El switch continua aprendiendo direcciones de esta manera, continuamente actualiza la tabla y como tabla se vuelve más completa el switch se vuelve más eficiente ya que los frames son enviados a puertos específicos en vez de ser inundados por todos los puertos.