TEMA: DISPOSITIVOS DE INTERCONEXION.

¿Qué es la interconexión de redes?

Cuando se diseña una red de datos se desea sacar el máximo rendimiento de sus capacidades. Para conseguir esto, la red debe estar preparada para efectuar conexiones a través de otras redes, sin importar qué características posean.
El objetivo de la Interconexión de Redes (internetworking) es dar un servicio de comunicación de datos que involucre diversas redes con diferentes tecnologías de forma transparente para el usuario. Este concepto hace que las cuestiones técnicas particulares de cada red puedan ser ignoradas al diseñar las aplicaciones que utilizarán los usuarios de los servicios.
Los dispositivos de interconexión de redes sirven para superar las limitaciones físicas de los elementos básicos de una red, extendiendo las topologías de esta.Algunas de las ventajas que plantea la interconexión de redes de datos, son:

· Compartición de recursos dispersos.

· Coordinación de tareas de diversos grupos de trabajo.

· Reducción de costos, al utilizar recursos de otras redes.

· Aumento de la cobertura geográfica.

Tipos de Interconexión de redes

Se pueden distinguir dos tipos de interconexión de redes, dependiendo del ámbito de aplicación:

· Interconexión de Área Local (RAL con RAL)

Una interconexión de Área Local conecta redes que están geográficamente cerca, como puede ser la interconexión de redes de un mismo edificio o entre edificios, creando una Red de Área Metropolitana (MAN)

· Interconexión de Área Extensa (RAL con MAN y RAL con WAN)

La interconexión de Área Extensa conecta redes geográficamente dispersas, por ejemplo, redes situadas en diferentes ciudades o países creando una Red de Área Extensa (WAN).

Hub (Concentrador)

Un concentrador o hub es un dispositivo que permite centralizar el cableado de una red y poder ampliarla. Esto significa que dicho dispositivo recibe una señal y repite esta señal emitiéndola por sus diferentes puertos.

Información técnica

Una red Ethernet se comporta como un medio compartido, es decir, sólo un dispositivo puede transmitir con éxito a la vez y cada uno es responsable de la detección de colisiones y de la retransmisión. Con enlaces 10BASE-T y 100Base-T (que generalmente representan la mayoría o la totalidad de los puertos en un concentrador) hay parejas separadas para transmitir y recibir, pero que se utilizan en modo half duplex el cual se comporta todavía como un medio de enlaces compartidos (véase 10BASE-T para las especificaciones de los pines).

Un concentrador, o repetidor, es un dispositivo de emisión bastante sencillo. Los concentradores no logran dirigir el tráfico que llega a través de ellos, y cualquier paquete de entrada es transmitido a otro puerto (que no sea el puerto de entrada). Dado que cada paquete está siendo enviado a través de cualquier otro puerto, aparecen las colisiones de paquetes como resultado, que impiden en gran medida la fluidez del tráfico. Cuando dos dispositivos intentan comunicar simultáneamente, ocurrirá una colisión entre los paquetes transmitidos, que los dispositivos transmisores detectan. Al detectar esta colisión, los dispositivos dejan de transmitir y hacen una pausa antes de volver a enviar los paquetes.

La necesidad de hosts para poder detectar las colisiones limita el número de centros y el tamaño total de la red. Para 10 Mbit/s en redes, de hasta 5 segmentos (4 concentradores) se permite entre dos estaciones finales. Para 100 Mbit/s en redes, el límite se reduce a 3 segmentos (2 concentradores) entre dos estaciones finales, e incluso sólo en el caso de que los concentradores fueran de la variedad de baja demora. Algunos concentradores tienen puertos especiales (y, en general, específicos del fabricante) les permiten ser combinados de un modo que consiente encadenar a través de los cables Ethernet los concentradores más sencillos, pero aun así una gran red Fast Ethernet es probable que requiera conmutadores para evitar el encadenamiento de concentradores.

La mayoría de los concentradores detectan problemas típicos, como el exceso de colisiones en cada puerto. Así, un concentrador basado en Ethernet, generalmente es más robusto que el cable coaxial basado en Ethernet. Incluso si la partición no se realiza de forma automática, un concentrador de solución de problemas la hace más fácil ya que las luces pueden indicar el posible problema de la fuente. Asimismo, elimina la necesidad de solucionar problemas de un cable muy grande con múltiples tomas.

Concentradores de doble velocidad

Los concentradores sufrieron el problema de que como simples repetidores sólo podían soportar una única velocidad. Mientras que los PC normales con ranuras de expansión podrían ser fácilmente actualizados a Fast Ethernet con una nueva tarjeta de red, máquinas con menos mecanismos de expansión comunes, como impresoras, pueden ser costosas o imposibles de actualizar. Por lo tanto, un punto medio entre concentrador y conmutador es conocido como concentrador de doble velocidad.

Este tipo de dispositivos consisten fundamentalmente en dos concentradores (uno de cada velocidad) y dos puertos puente entre ellos. Los dispositivos se conectan al concentrador apropiado automáticamente, en función de su velocidad. Desde el puente sólo se tienen dos puertos, y sólo uno de ellos necesita ser de 100 Mb/s.

Usos

Históricamente, la razón principal para la compra de concentradores en lugar de los conmutadores era el precio. Esto ha sido eliminado en gran parte por las reducciones en el precio de los conmutadores, pero los concentradores aún pueden ser de utilidad en circunstancias especiales:

Un analizador de protocolo conectado a un conmutador no siempre recibe todos los paquetes desde que el conmutador separa a los puertos en los diferentes segmentos. La conexión del analizador de protocolos con un concentrador permite ver todo el tráfico en el segmento (los conmutadores caros pueden ser configurados para permitir a un puerto escuchar el tráfico de otro puerto. A esto se le llama puerto de duplicado. Sin embargo, estos costos son mucho más elevados).

Algunos grupos de computadoras o cluster, requieren cada uno de los miembros del equipo para recibir todo el tráfico que trata de ir a la agrupación. Un concentrador hará esto, naturalmente; usar un conmutador en estos casos, requiere la aplicación de trucos especiales.

Cuando un conmutador es accesible para los usuarios finales para hacer las conexiones, por ejemplo, en una sala de conferencias, un usuario inexperto puede reducir la red mediante la conexión de dos puertos juntos, provocando un bucle. Esto puede evitarse usando un concentrador, donde un bucle se romperá en el concentrador para los otros usuarios (también puede ser impedida por la compra de conmutadores que pueden detectar y hacer frente a los bucles, por ejemplo mediante la aplicación de Spanning Tree Protocol).

Un concentrador barato con un puerto 10BASE2 es probablemente la manera más fácil y barata para conectar dispositivos que sólo soportan 10BASE2 a una red moderna (no suelen venir con los puertos 10BASE2 conmutadores baratos).

Conmutador (dispositivo de red)

Un conmutador o switch es un dispositivo digital lógico de interconexión de redes de computadoras que opera en la capa de enlace de datos del modelo OSI. Su función es interconectar dos o más segmentos de red, de manera similar a los puentes de red, pasando datos de un segmento a otro de acuerdo con la dirección MAC de destino de las tramas en la red.

Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar múltiples redes, fusionándolas en una sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un filtro en la red, mejoran el rendimiento y la seguridad de las redes de área local.

Interconexión de conmutadores y puentes

Los puentes y conmutadores se conectan unos a los otros pero siempre hay que hacerlo de forma que exista un único camino entre dos puntos de la red. En caso de no seguir esta regla , se forma un bucle o loop en la red, que produce la transmisión infinita de tramas de un segmento al otro. Generalmente estos dispositivos utilizan el algoritmo de spanning tree para evitar bucles, haciendo la transmisión de datos de forma segura.

Introducción al funcionamiento de los conmutadores

Los conmutadores poseen la capacidad de aprender y almacenar las direcciones de red de la capa 2 (direcciones MAC) de los dispositivos alcanzables a través de cada uno de sus puertos. Por ejemplo, un equipo conectado directamente a un puerto de un conmutador provoca que el conmutador almacene su dirección MAC. Esto permite que, a diferencia de los concentradores, la información dirigida a un dispositivo vaya desde el puerto origen al puerto de destino.

En el caso de conectar dos conmutadores o un conmutador y un concentrador, cada conmutador aprenderá las direcciones MAC de los dispositivos accesibles por sus puertos, por lo tanto en el puerto de interconexión se almacenan las MAC de los dispositivos del otro conmutador.

Bucles de red e inundaciones de tráfico

Como anteriormente se comentaba, uno de los puntos críticos de estos equipos son los bucles, que consisten en habilitar dos caminos diferentes para llegar de un equipo a otro a través de un conjunto de conmutadores. Los bucles se producen porque los conmutadores que detectan que un dispositivo es accesible a través de dos puertos emiten la trama por ambos. Al llegar esta trama al conmutador siguiente, este vuelve a enviar la trama por los puertos que permiten alcanzar el equipo. Este proceso provoca que cada trama se multiplique de forma exponencial, llegando a producir las denominadas inundaciones de la red, provocando en consecuencia el fallo o caída de las comunicaciones.

Conmutador en el centro de una red estrella.

Conexiones en un conmutador Ethernet.

Atendiendo al método de direccionamiento de las tramas utilizadas

Store-and-Forward

Los conmutadores Store-and-Forward guardan cada trama en un búfer antes del intercambio de información hacia el puerto de salida. Mientras la trama está en el búfer, el switch calcula el CRC y mide el tamaño de la misma. Si el CRC falla, o el tamaño es muy pequeño o muy grande (un cuadro Ethernet tiene entre 64 bytes y 1518 bytes) la trama es descartada. Si todo se encuentra en orden es encaminada hacia el puerto de salida.

Este método asegura operaciones sin error y aumenta la confianza de la red. Pero el tiempo utilizado para guardar y chequear cada trama añade un tiempo de demora importante al procesamiento de las mismas. La demora o delay total es proporcional al tamaño de las tramas: cuanto mayor es la trama, más tiempo toma este proceso.

Cut-Through

Los conmutadores cut-through fueron diseñados para reducir esta latencia. Esos switches minimizan el delay leyendo sólo los 6 primeros bytes de datos de la trama, que contiene la dirección de destino MAC, e inmediatamente la encaminan.

El problema de este tipo de switch es que no detecta tramas corruptas causadas por colisiones (conocidos como runts), ni errores de CRC. Cuanto mayor sea el número de colisiones en la red, mayor será el ancho de banda que consume al encaminar tramas corruptas.

Existe un segundo tipo de switch cut-through, los denominados fragment free, fue proyectado para eliminar este problema. El switch siempre lee los primeros 64 bytes de cada trama, asegurando que tenga por lo menos el tamaño mínimo, y evitando el encaminamiento de runts por la red.

Adaptative Cut-Through

Son los conmutadores que procesan tramas en el modo adaptativo y son compatibles tanto con store-and-forward como con cut-through. Cualquiera de los modos puede ser activado por el administrador de la red, o el switch puede ser lo bastante inteligente como para escoger entre los dos métodos, basado en el número de tramas con error que pasan por los puertos.

Cuando el número de tramas corruptas alcanza un cierto nivel, el conmutador puede cambiar del modo cut-through a store-and-forward, volviendo al modo anterior cuando la red se normalice.

Los conmutadores cut-through son más utilizados en pequeños grupos de trabajo y pequeños departamentos. En esas aplicaciones es necesario un buen volumen de trabajo o throughput, ya que los errores potenciales de red quedan en el nivel del segmento, sin impactar la red corporativa.

Los conmutadores store-and-forward son utilizados en redes corporativas, donde es necesario un control de errores.

Atendiendo a la forma de segmentación de las subredes

Conmutadores de la capa 2

Son los conmutadores tradicionales, que funcionan como puentes multi-puertos. Su principal finalidad es dividir una LAN en múltiples dominios de colisión, o en los casos de las redes en anillo, segmentar la LAN en diversos anillos. Basan su decisión de envío en la dirección MAC destino que contiene cada trama.

Los conmutadores de la capa 2 posibilitan múltiples transmisiones simultáneas sin interferir en otras sub-redes. Los switches de capa 2 no consiguen, sin embargo, filtrar difusiones o broadcasts, multicasts (en el caso en que más de una sub-red contenga las estaciones pertenecientes al grupo multicast de destino), ni tramas cuyo destino aún no haya sido incluido en la tabla de direccionamiento.

Conmutadores de la capa 3

Son los conmutadores que, además de las funciones tradicionales de la capa 2, incorporan algunas funciones de enrutamiento o routing, como por ejemplo la determinación del camino basado en informaciones de capa de red (capa 3 del modelo OSI), validación de la integridad del cableado de la capa 3 por checksum y soporte a los protocolos de routing tradicionales (RIP, OSPF, etc)

Los conmutadores de capa 3 soportan también la definición de redes virtuales (VLAN), y según modelos posibilitan la comunicación entre las diversas VLAN sin la necesidad de utilizar un router externo.

Por permitir la unión de segmentos de diferentes dominios de difusión o broadcast, los switches de capa 3 son particularmente recomendados para la segmentación de redes LAN muy grandes, donde la simple utilización de switches de capa 2 provocaría una pérdida de rendimiento y eficiencia de la LAN, debido a la cantidad excesiva de broadcasts.

Se puede afirmar que la implementación típica de un switch de capa 3 es más escalable que un enrutador, pues éste último utiliza las técnicas de enrutamiento a nivel 3 y enrutamiento a nivel 2 como complementos, mientras que los switches sobreponen la función de enrutamiento encima del encaminamiento, aplicando el primero donde sea necesario.

Dentro de los conmutadores de la capa 3 tenemos:

Paquete por paquete

Básicamente, un conmutador paquete por paquete (packet by packet en inglés) es un caso especial de un conmutador Store-and-Forward pues, al igual que este, almacena y examina el paquete, calculando el CRC y decodificando la cabecera de la capa de red para definir su ruta a través del protocolo de enrutamiento adoptado.

Cut-through

Un conmutador de la capa 3 Cut-Through (no confundir con un conmutador Cut-Through), examina los primeros campos, determina la dirección de destino (a través de la información de los headers o cabeceras de capa 2 y 3) y, a partir de ese instante, establece una conexión punto a punto (a nivel 2) para conseguir una alta tasa de transferencia de paquetes.

Cada fabricante tiene su diseño propio para posibilitar la identificación correcta de los flujos de datos. Como ejemplo, tenemos el "IP Switching" de Ipsilon, el "SecureFast Virtual Networking de Cabletron", el "Fast IP" de 3Com.

El único proyecto adoptado como un estándar de hecho, implementado por diversos fabricantes, es el MPOA (Multi Protocol Over ATM). El MPOA, en desmedro de su comprobada eficiencia, es complejo y bastante caro de implementar, y limitado en cuanto a backbones ATM.

Además, un switch Layer 3 Cut-Through, a partir del momento en que la conexión punto a punto es establecida, podrá funcionar en el modo "Store-and-Forward" o "Cut-Through"

Conmutadores de la capa 4

Están en el mercado hace poco tiempo y hay una controversia en relación con la clasificación adecuada de estos equipos. Muchas veces son llamados de Layer 3+ (Layer 3 Plus).

Básicamente, incorporan a las funcionalidades de un conmutador de la capa 3; la habilidad de implementar la políticas y filtros a partir de informaciones de la capa 4 o superiores, como puertos TCP/UDP, SNMP, FTP, etc.

Puente de red

Un puente de red o bridge es un dispositivo de interconexión de redes de ordenadores que opera en la capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Este interconecta segmentos de red (o divide una red en segmentos) haciendo la transferencia de datos de una red hacia otra con base en la dirección física de destino de cada paquete. El término bridge, formalmente, responde a un dispositivo que se comporta de acuerdo al estándar IEEE 802.1D. En definitiva, un bridge conecta segmentos de red formando una sola subred (permite conexión entre equipos sin necesidad de routers). Funciona a través de una tabla de direcciones MAC detectadas en cada segmento al que está conectado. Cuando detecta que un nodo de uno de los segmentos está intentando transmitir datos a un nodo del otro, el bridge copia la trama para la otra subred, teniendo la capacidad de desechar la trama (filtrado) en caso de no tener dicha subred como destino. Para conocer por dónde enviar cada trama que le llega (encaminamiento) incluye un mecanismo de aprendizaje automático (autoaprendizaje) por lo que no necesitan configuración manual.

Clasificación

Para clasificar los bridges, atenderemos a dos aspectos: los tipos de interfaz y la localización geográfica de las LAN que se van a interconectar.

Según el interfaz

Homogéneos: interconecta LANs con el mismo protocolo MAC (el nivel físico puede diferir), es decir, no hay conversión de protocolos a nivel 2, simplemente almacenamiento y reenvío de tramas. Un ejemplo de dispositivo homogéneo es un Switch Ethernet
Heterogéneos: el puente dispone de una entidad superior encargada de la transformación de cabeceras entre distintos tipos de interfaces. Recibe tramas por una interfaz (P. ej: WiFi) para enviarlas por otra de otro tipo (P. ej: Ethernet). Un ejemplo de dispositivo, con las interfaces de ejemplo anteriores, es un punto de acceso en una red WiFi.

Según la localización geográfica

Locales: sirven para enlazar directamente dos redes físicamente cercanas.
Remotos o de área extensa: se conectan en parejas enlazando dos o más redes locales y formando una red de área extensa a través de líneas telefónicas.

Autoaprendizaje

Los puentes de red usan una tabla de reenvío para enviar tramas a lo largo de los segmentos de la red. Si una dirección de destino no se encuentra en la tabla, la trama es enviada por medio de flooding a todos los puertos del bridge excepto por el que llegó. Por medio de este envío “masivo” de tramas el dispositivo de destino recibirá el paquete y responderá, quedando así registrada la dirección destino como una entrada de la tabla. Dicha tabla incluye tres campos: dirección MAC, interfaz a la que está conectada y la hora a la que llegó la trama (a partir de este campo y la hora actual se puede saber si la entrada está vigente en el tiempo). El bridge utilizará esta tabla para determinar qué hacer con las tramas que le llegan. En el caso de un bridge de dos puertos, la tabla de reenvío puede considerarse como un filtro: el bridge lee en la trama la dirección del destinatario y decide si enviarlo o filtrarlo (desechando dicha trama). Es decir, si el bridge determina que el nodo de destino está ubicado en otro segmento de la red, lo retransmite. En caso de detectar que la trama lleva como destino un nodo del mismo segmento de red, la trama se descarta. El término de autoaprendizaje se utiliza también para dispositivos con más de dos puertos. Como ejemplo, consideraremos tres equipos (A,B y C) conectados a los puertos de un bridge (1, 2 y 3, respectivamente), inicialmente la tabla está vacía y ocurre lo siguiente: A envía una trama a B, por lo que el bridge examina la dirección de origen y al no existir ninguna entrada, la crea para A. A continuación comprueba la dirección de destino y la busca en la tabla. Como no existe se envía dicha trama por los puertos 2 y 3. Una vez la trama sea recibida por B, este responde a dicha trama y se crea una nueva entrada para B en la tabla. Cuando C recibe el envío, al no ser este el destinatario, simplemente se desecha el paquete. A partir de este momento es posible enviar paquetes entre A y B sin utilizar más ancho de banda del necesario. En el caso de C se repetirá el mismo proceso anterior cuando sea conveniente, quedando guardada la información en la tabla. Originalmente fue desarrollado por Digital Equipment Corporation (DEC) en los ochenta.

Bridges frente a switches

La diferencia más importante entre un bridge y un switch es que los bridges normalmente tienen un número pequeño de interfaces (de dos a cuatro), mientras que los switches pueden llegar a tener docenas; por tanto, este último necesita un diseño de prestaciones elevadas.

Bridges frente a hubs

La principal diferencia entre un bridge y un hub es que el segundo repite todas las tramas con cualquier destino para el resto de los nodos conectado; en cambio el primero sólo reenvía las tramas pertenecientes a cada segmento. De esta forma se aíslan dominios de colisión mejorando el rendimiento de las redes interconectadas: se disminuye el tráfico inútil, permite un mayor caudal de transmisión, proporciona mayor cobertura geográfica y permite dar servicio a más dispositivos.

Bridges frente a routers

Tanto un bridge como un router son dispositivos que se utilizan para encaminar datos, pero lo hacen de diferente manera. Los bridges operan en la capa 2 (nivel de enlace de datos), mientras que los routers lo hacen en la capa 3 (nivel de red) del modelo OSI. Es decir, el bridge toma sus decisiones en base a la dirección MAC y el router lo hará a partir de una dirección IP. Esto se traduce en que los bridges no son capaces de discernir entre subredes, mientras que los routers sí lo son. Cuando se diseña una red se puede optar por múltiples opciones, como juntar varios segmentos mediante un bridge o dividirla en subredes e interconectarla mediante routers. Para este último caso, si un equipo conectado a una subred se mueve físicamente a otra subred, ha de cambiarse la IP para tener conexión. Sin embargo, si un equipo se mueve dentro de una red conectada mediante bridges no haría falta reconfigurar nada

Ventajas y desventajas de las redes conectadas con bridges

Ventajas

Es, en general, un dispositivo de bajo precio.
Aísla dominios de colisión al segmentar la red.
No necesita configuración previa.
Control de acceso y capacidad de gestión de la red.

Desventajas

No se limita el número de reenvíos mediante broadcast.
Difícilmente escalable para redes muy grandes.
El procesado y almacenamiento de datos introduce retardos.
Las redes complejas pueden suponer un problema. La existencia de múltiples caminos entre LANs puede hacer que se formen bucles. El protocolo spanning tree ayuda a reducir problemas con estas topologías.

Ejemplo: Configuración de un puente remoto

Como ejemplo se explica un uso habitual de los bridges: interconexión de LANs separadas geográficamente mediante un enlace punto a punto y dos bridges homogéneos.Una empresa tiene dos sedes, una en Madrid y otra en Barcelona, con sendas subredes conectadas mediante un switch Ethernet. Para conectarlas de forma que se trate de una sola subred se puede utilizar un puente homogéneo en cada ciudad unidos mediante un enlace punto a punto. Este enlace puede ser una línea punto a punto, un circuito virtual o un enlace inalámbrico. Vamos a suponer que se contrata una línea en exclusiva y se utiliza el protocolo PPP, los bridges se encargarían de añadir el campo de PPP delante del de Ethernet y las dos sedes tendrían conexión a nivel 2.

1. ↑ , Se trata de un puente homogéneo porque para PPP no se intercambian cabeceras, se añade delante el campo de PPP. Es decir, sería algo así: |Eth|Datos| -> |PPP|Eth|Datos| -> |Eth|Datos|"