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Redes de ComputadorasRedes de ComputadorasDepto. de Cs. e Ing. de la Comp.Depto. de Cs. e Ing. de la Comp.

Universidad Nacional del SurUniversidad Nacional del Sur

Módulo 04Módulo 04La Capa de RedLa Capa de Red

(Pt. 1)(Pt. 1)

Redes de Computadoras - Mg. A. G. StankeviciusRedes de Computadoras - Mg. A. G. Stankevicius 22

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ContenidosContenidosModelos de servicios de la capa de red

Estructura interna de un router

El protocolo IP

IPv4 vs. IPv6

Protocolos de ruteo

Ruteo jerárquico

Ruteo en internet

Multicast


ISO/OSI - TCP/IPISO/OSI - TCP/IP

7

6

5

4

3

2

1 físicaenlace

redtransporte

sesiónpresentación

aplicación

Usted está aquí

5

4

3

2

1

red


Funciones de la capa de redFunciones de la capa de redLa capa de red encauzalos paquetes entregadospor la capa de transportea través de las distintascomputadoras de la red

La capa de red estáimplementada en todoslos nodos de la red:

Computadoras

Routers

aplicacióntransporte

redenlacefísica


redenlacefísica

redenlacefísica red

enlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísica

redenlacefísicared

enlacefísica


Funciones de la capa de redFunciones de la capa de redLa capa de red debe cumplir dos funciones primordiales:

Debe determinar el camino que han de tomar los paquetes al ser conducidos desde el origen hastael destino haciendo uso de los algoritmos de ruteo

Tiene que resolver correctamente el forwardingde los paquetes en cada router visitado, esto es,en cada router de la red se debe decidir por qué enlace ha de salir cada uno de los paquetes quevan arribando


Otra “car analogy”Otra “car analogy”Haciendo uso nuevamente de una analogía que involucre autos, supongamos que se quiere ir desde el campus de la uni hasta el aeropuerto:

El ruteo se corresponde con elegir la ruta hastael aeropuerto, por caso, salir por la Av. Cabrera hastala rotonda del Wallmart, de ahí tomar la Av. Newbery hasta la rotonda de Indiada y finalmente de ahí encarar hacia el aeropuerto

El forwarding se corresponde con la decisión en cada una de las rotondas que vamos atravesando acerca de por cuál de sus salidas seguir camino


Interacción ruteo-forwadingInteracción ruteo-forwading

123

0111

dirección destino del paqueteque acaba de llegar al router

algoritmo de ruteo

tabla de forwardingencabezado enlace

0100010101111001

3221

el algoritmo de ruteodetermina el camino puntaa punta a traves de la red

la tabla de forwardingdetermina el forwading local

a este router


Establecimiento de conexionesEstablecimiento de conexionesEn algunas configuraciones puede hacer falta una fase de inicialización previo a comenzarel ruteo propiamente dicho de los paquetes

Tanto las dos computadoras en el extremo dela conexión como los routers entre las mismas participan estableciendo una conexión virtual

No confundir con la conexiones que se gestionan a nivel de la capa de transporte

¿Por qué razón? ¿Cuál sería la principal diferencia?


Modelo de servicioModelo de servicioLa forma de implementar estas tres funciones primordiales depende directamente del modelo de servicio adoptado por el canal de comunicación que encauce los paquetes

¿Puede asegurar un ancho de banda mínimo?

¿Preserva el temporizado inter-paquete?

¿Garantiza la entrega sin pérdidas?

¿Asegura la recepción ordenada?

¿Notifica al emisor de la congestión en la red?


Modelos de servicioModelos de servicio

Internet “best-effort” no no no no no (se infiere)ATM CBR constante si si si no puede haberATM VBR garantizado si si si no puede haberATM ABR mín. garant. no si no siATM UBR no no si no no

Arquitecturade red

Modelo deservicio

¿Garan. anchode banda?

¿Asegurael envío?

¿Garantizael orden?

¿Garantizala latencia?

¿Informa de lascongestiones?

Internet “best-effort” no no no no no (se infiere)

ATM CBR constante si si si no puede haberATM VBR garantizado si si si no puede haberATM ABR mín. garant. no si no siATM UBR no no si no no

Arquitecturade red

Modelo deservicio

¿Garan. anchode banda?

¿Asegurael envío?

¿Garantizael orden?

¿Garantizala latencia?

¿Informa de lascongestiones?


¿¿Con o sin conexión?Con o sin conexión?Las redes de datagramas ofrecen una capade red no orientada a la conexión

En contraste, las basadas en circuitos virtuales ofrecen una orientada a la conexión

Se asemeja a la discusión TCP vs. UDP, perocon las siguientes salvedades:

El servicio es computadora a computadora

No es electivo, la red provee o bien uno o el otro

La implementación reside en el núcleo de la red


Circuitos virtualesCircuitos virtualesUno de los modelos de servicio posiblesse basa en hacer uso de circuitos virtuales

Hacer uso de CV implica que la capa de red brindará una conexión análoga a la que se obtiene al usar un circuito telefónico

Se debe inicializar la llamada antes de comenzara transmitir información

Cada celda de datos consigna información del CVal que pertenece y no del destino deseado

Los routers mantienen información de los CV


ImplementaciónImplementaciónA nivel de implementación, un circuito virtual consiste de los siguientes elementos:

Un camino desde el origen hasta el destino

Un conjunto de números de circuito virtual, uno para cada enlace a lo largo del camino

Una entrada en la tabla de forwading de los routersa lo largo del camino

Los paquetes que pertenecen a un dado circuito virtual se identifican a través de su número

El número de circuito puede cambiar en cada enlace


ImplementaciónImplementaciónEl no utilizar el mismo número de circuito virtual de punta a punta hace que los routers tengan que almacenar más información

¿Por qué razón se optó por no utilizar el mismo número de CV de punta a punta?

Ent. CV Sal. CV

1 12 3 22

2 63 1 18

3 7 2 17

1 97 3 87

12 22 321

23

número de CV

número deinterfase



redenlacefísica

Protocolo de señalizaciónProtocolo de señalizaciónEl protocolo de señalización es el encargadode establecer y liberar los CV

Por caso, es utilizado en ATM, Frame Relay, X.25

1. Inicialización de la llamada 2. Recepción de la llamada4. Establecimiento de la conexión5. Comienza el envío de datos 6. Se reciben los datos

3. Aceptación de la llamadaaplicacióntransporte

redenlacefísica


DatagramasDatagramasEl otro modelo de servicio posible se basaen la utilización de datagramas

No requiere de una inicialización de la conexiónantes de comenzar a transmitir información

Los routers no cuentan con información acercade las conexiones punta-a-punta (esto es, a nivelde capa de red no existe el concepto de conexión)

Los paquetes son ruteados inspeccionandola información contenida en cada datagramaacerca del destino hacia donde se dirige



redenlacefísica

Modelo de internetModelo de internetA diferencia del modelo de servicio basadoen circuitos virtuales, los datagramas deuna misma conexión pueden no transitarel mismo camino


redenlacefísica


ImplementaciónImplementaciónLa tabla de forwarding de los routers no puede contar con información acerca de qué enlace tomar para cada una de las 232 direcciones IP

Rango de Direcciones DestinoEnlace de Salida

desde 11001000 00010111 00010000 00000000hasta 11001000 00010111 00010111 11111111 1

desde 11001000 00010111 00011000 00000000hasta 11001000 00010111 00011000 11111111 2

desde 11001000 00010111 00011001 00000000hasta 11001000 00010111 00011111 11111111

3

caso contrario 4


ImplementaciónImplementaciónEn el mundo real, los rangos de la tablade forwarding no suelen quedar tan prolijos

La tabla se consulta buscando cuál es el prefijode mayor longitud con el cual coincide la dirección destino del datagrama

Rango de Direcciones DestinoRango de Direcciones Destino Enlace de Enlace de SalidaSalida

11001000 00010111 00010*** ********* 1

11001000 00010111 00011000 ********* 2

11001000 00010111 00011*** ********* 3

caso contrario 4


Datagramas vs. CVDatagramas vs. CVEn internet:

Se intercambian datos entre computadoras, por loque usualmente no hay requerimientos tan estrictos de temporizado

Los sistemas en la frontera de la red son inteligentes, se adaptan a los cambios, pueden implementar control de errores, etc.

La complejidad está en la frontera, no en el núcleo

Está compuesta de muchos tipos distintos de enlaces, por lo que brindar un servicio homogéneo no es necesariamente trivial


Datagramas vs. CVDatagramas vs. CVEn ATM:

Evolucionó a partir del sistema telefónico

Se diseño para entablar conversaciones entre humanos, por lo que se deben poder asegurar estrictos niveles de retardo y de confiabilidad

Es necesario que la red asegure una determinada calidad de servicio

Los sistemas en la frontera de la red carecende inteligencia (por caso, un teléfono o un fax)

La complejidad se aloja en el núcleo de la red


Estructura de un routerEstructura de un routerSi dirigimos nuestra atención a qué hay dentro de un router, se identifican dos grandes tareas:

Debe ejecutar y cumplir con el protocolo de ruteo elegido (puede ser más de uno)

Debe llevar adelante el rol central del router, esto es, resolver el forwarding de los datagramas recibidos

núcleo deconmutación

núcleo deconmutación

procesadorde ruteo

procesadorde ruteo

⋮ ⋮puertos

de entradapuertosde salida


Puertos de entradaPuertos de entrada

terminadorde línea

encolado yforwarding

capade enlace

capa física(recepciónde los bits) capa de enlace

(protocolo ydesencapsulado)

resolución de la conmutaciónde manera distribuida y

eventual encolado


Conmutación descentralizadaConmutación descentralizadaLa multiplicidad de puertos de entrada permite descentralizar la toma de decisión respectoal forwarding de datagramas:

Para un dado datagrama, se consulta en la tablade forwarding qué puerto de salida tomar

Idealmente se desea poder tomar la decisióna la misma velocidad que llegan los nuevos datagramas

En caso contrario, se producirá el encoladoen el propio puerto de entrada


EncoladoEncoladoEl encolado se produce toda vez que el núcleo de conmutación no alcance a distribuir a tiempo el tráfico recibido por los puertos de entrada

El datagrama en la primer posición de la cola puede bloquear a los datagramas que vienen detrás

Si el buffer se va saturando se producirán demoras y eventualmente pérdidas de datagramas


Núcleo de conmutaciónNúcleo de conmutaciónEn la actualidad existen tres alternativas a la hora de implementar el núcleo de conmutación:

Hacer uso de una memoria compartida

Organizarlo en torno a un bus compartido

Organizarlo en torno a un crossbar

memoriacompartida bus

compartidocrossbar


Memoria compartidaMemoria compartidaRouters de primera generación:

Un único CPU se encarga de copiar los datagramasde los puertos de entrada a los puertos de salida

La velocidad de conmutación está limitada por el ancho de banda de la memoria (pues se requierendos accesos para conmutar cada datagrama)

Los puertos de entrada de los más modernos son capaces acceder directamente a memoria

bus del sistema


Bus compartidoBus compartidoOtra alternativa a la hora de diseñar un router es organizarlo en torno a un bus compartido:

Los datagramas se trasladan del buffer de entradaal buffer de salida haciendo uso de un bus

La contención en el acceso al bus aumenta el tiempo de encolado en los distintos puertos de entrada

Por ende, la velocidad de conmutación estará limitada por el ancho de banda del bus

Adecuado incluso hoy en día para routers hogareñosy también tipo PyME


CrossbarCrossbarEl crossbar surge como una extensión natural del bus compartido

Su principal objetivo es aliviar el problema dela contención en el acceso al medio compartido

Esta tecnología se empezó a utilizar en las viejas supercomputadoras para interconectar de manera eficiente a sus múltiples procesadores

Las versiones más modernas fragmentanlos datagramas en celdas de tamaño fijo,las que son conmutadas a través del núcleo


Puertos de salidaPuertos de salida

encolado capade enlace

Los puertos de salida son en cierta formala imagen especular de los puertos de entrada

Si la cantidad de datagramas conmutados superala capacidad de transmisión del puerto de salidase apela al encolado o al descarte de datagramas

La disciplina de despacho (schedulling discipline) dictamina qué datagrama transmitir a continuación

terminadorde línea


Pérdida de datagramasPérdida de datagramasEl nivel de ocupación de los distintos buffers afectan directamente el desempeño del router

Un mayor nivel de ocupación implica un mayor retardo de encolado

Sólo existen dos puntos en los que se puede tener que descartar un datagrama válido:

Al llegar un nuevo datagrama a un puerto de entrada que tenga su buffer lleno

Al conmutar un nuevo datagrama hacia un puertode salida que tenga su buffer lleno


Requerimientos de bufferingRequerimientos de bufferingResulta crucial determinar la cantidad óptima de almacenamiento intermedio del router:

Un buffer insuficiente conduce a pérdidas

Un buffer excesivo incrementa el costo de router

La RFC 3439 especifica como regla del pulgar multiplicar el RTT promedio de la red por la capacidad del enlace

Por ejemplo, asumido un RTT de 250ms necesitamos 2.5Gbits de buffer para un enlace de 10Gb/s

Actualmente se está revisando esta recomendación


Capa de red de internetCapa de red de internet

protocolo de ruteoRIP – OSPF - BGP

capa de transporte (TCP/UDP)

tabla de forwading

protocolo IP- convenciones de direccionado- formato de los datagramas- manipulación de paquetes

protocolo ICMP- reporte de errores- señalización entre routers

capade red

capa de enlace

capa física


identificador

checksum

largo

datos enviados(tam. variable)

dirección IP origen

dirección IP destino

TTL

opciones (tam. variable)

prot.

flgs offset delfragmento

v. QoSlarg.enc.

Formato de los datagramasFormato de los datagramas

formato deun datagrama IP

32 bitslargo del datagrama

(en bytes)

por caso, registrode la ruta tomada,

estampillas de tiempo,etc.

protocolo de la capade transporte

largo del encabezado(en múltiplos de 4)

número de versióndel protocolo

tipo de servicio provisto(implementa QoS)

máx. número de routersa atravesar

usados al fragmentary rearmar datagramas


Fragmentación de datagramasFragmentación de datagramasLa capa de enlace determina el máximo tamaño de datagrama que cabe en una trama

Cada enlace tiene asociado un dado valorde MTU (Maximum Transmission Unit)

Para transmitir un datagrama de gran tamaño se lo fragmenta en múltiples datagramasde tamaño menor

Cada fragmento viaja a través de la red por separado

El datagrama original se rearma recién en el destino


Fragmentación de datagramasFragmentación de datagramasSupongamos que se desean enviar 4000 bytes sobre un enlace con un MTU de 1500 bytes

largo4000

IDX

frag0

offset0

largo1500

IDX

frag1

offset1480

largo1500

IDX

frag1

offset0

largo1040

IDX

frag0

offset2960

MTU=4500 MTU=1500 MTU=4500


Direccionado IPDireccionado IPDenominaremos dirección IP a la secuenciade 32 bits que identifica unívocamente una interfaz de una computadora o de un router

Denominaremos interfaz a la conexión entre una computadora o router con el enlace físico

Los routers típicamente tienen múltiples interfaces

Las computadoras usualmente tienen una única interfaz pero también pueden tener más de una

Cada interfaz tiene una dirección IP propia


Direccionado IPDireccionado IP123.45.1.1

123.45.1.2

123.45.1.3

123.45.1.4 123.45.2.3

123.45.2.1

123.45.2.2123.45.3.3

123.45.3.1 123.45.3.2

123.45.3.1 = 01111011.00101101.00000011.00000001

45 3 1123


Redes y computadorasRedes y computadorasToda dirección IP se compone de dos partes:

Los bits más significativos identifican la red

Los bits menos significativos identificana la computadora

Bajo este enfoque, ¿en qué consiste una red?

Un conjunto de interfaces que comparten el mismo identificador de red

Las computadoras dentro de una misma red tienen que poder accederse una a otra de forma directa


Redes y computadorasRedes y computadoras

123.45.1.0/24

123.45.2.0/24

123.45.3.0/24


Redes y computadorasRedes y computadoras

123.45.1.1123.45.2.2

123.45.2.3123.46.2.30

123.45.3.2 123.45.3.3

123.45.1.2

123.45.1.3

123.46.1.10123.46.1.20 123.45.2.1

123.46.3.30

123.45.3.1

123.46.2.10 123.46.3.20


Direccionamiento sin clasesDireccionamiento sin clasesLa clave del direccionamiento sin clases (CIDR) consiste en permitir una cantidad arbitrariade bits para identificar la red.

La notación adoptada es a.b.c.d/x, donde x indica la cantidad de bits a ser usados para identificar la red.

11001000 00010111 00010000 00000000

200.23.16.0/22

red computadora


IP especialesIP especialesAlgunas direcciones IP tienen preasignadoun significado en particular:

111... ... ... ...111

la computadoraactual

000... ...000

...111red

000... ... ... ...000

dirección de broadcasten la red local

una computadorade la red localcomputadora

111... dirección de broadcasten una red remota

127 ...... dispositivode loopback...


IP privadosIP privadosLa RFC 1918 establece tres rangosde direcciones IP que no son ruteables

De 10.0.0.0 a 10.255.255.255

De 172.16.0.0 a 172.31.255.255

De 192.168.0.0 a 192.168.255.255

En otras palabras, el tráfico de estas redes jamás atravesará router alguno

Resulta altamente convenientes hacer usode las mismas dentro de las redes locales


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